BEJSK水利枢纽混凝土拱坝
1 工程概况
BEJSK水利枢纽位于北疆地区，承担的主要任务是发电、供水。水电站装机容量220MW，年发电量6.64亿kW·h，为大（2）型Ⅱ等工程，大坝及泄水建筑物等级为2级。工程设计采用升鱼机（高90m），在国内尚属首例。
BEJSK水利枢纽坝址
2 气象及工程地质
2.1 气象
坝址区多年平均年降水量153mm，多年平均年蒸发量1619mm（φ20cm）。多年平均风速3.7m/s，最大风速28m/s，风向NW，多年平均年最大风速16m/s，风向E。多年平均气温5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃。最大积雪深46cm，最大冻土深127cm。
2.2 工程地质
坝轴线处河道较平直，河谷断面呈不对称V形，基岩裸露、山体雄厚，地形基本对称，天然河谷宽高比为2.31，属稍宽河谷。坝址区出露地基岩体主要为中泥盆统
厚层～巨厚层状灰白色花岗片麻岩，微～新鲜岩体质量属AⅡ类岩体，两岸为
厚层～巨厚层状灰白色花岗片麻岩，局部为
薄层～中厚状灰黑色黑云母斜长片麻岩，坝基范围内断层不发育，坝基岩体无影响整体稳定的贯穿性结构面。
两岸强风化层2～3m，弱风化层8～12m，河床弱风化层7～9m。
（花岗片麻岩）地层微～新鲜岩体承载力5MPa，强度较高，抗变形性能较强，变形模量12.9～15.9GPa。
（黑云母斜长片麻岩）地层微～新鲜岩体承载力4MPa，岩体变形模量8.9～14.7GPa。
左坝肩由于拱端下游开挖线已跨过或靠近缓倾角断层（F105、F106，产状70°～80°SE∠10°～15°），倾向下游偏向岸里。坝肩下游底高程沿河床出现临空面，该组缓倾角裂隙与NNE向节理（产状20°～35°SE或NW∠60°～80°、随机裂隙为侧向切割面）组合形成结构体，对坝肩抗滑稳定有一定的影响，需进行稳定处理。
右坝肩拱端已跨过（L13、L14）裂隙（产状310°～320°SW∠35°～40°），倾向岸里偏向下游，该组裂隙与NNE向节理（产状20°～35°SE或NW∠60°～80°）组合形成随机裂隙为侧向切割面，但坝肩岩体内不存在影响整体稳定的贯穿性结构面和缓倾角节理面（底滑面），没有形成滑动组合体。
坝址区地下水水质良好，对混凝土无腐蚀性。坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，抗震设防烈度为7度。
3 枢纽布置
枢纽所属建筑物由大坝、泄水建筑物、发电引水系统、电站厂房及导流工程组成。枢纽平面布置见图1。
挡水建筑物采用常态混凝土双曲拱坝，水平拱圈线型采用抛物线体型。
坝身设置3个表孔、1个深孔。表孔坝段布置在主河床段，深孔坝段布置在右侧，出口均采用挑流消能。发电引水系统布置在右岸，进水口为岸塔式，有压圆洞直径10m，在上平洞末端设置调压井，设计引水流量376.46m3/s，最大水头78.8m，总长644m。电站厂房位于右岸3号沟，为岸边式地面厂房。
结合河道鱼类保护要求，下游二道坝左岸设置鱼道一座，长95m，其内最大流速1.6～1.7m/s，缓流区流速选取0.9～1.2m/s。在大坝8号坝段紧靠电梯井布置升鱼机一座，选择有诱捕水箱的升鱼机。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
挡水建筑物为全断面常态混凝土双曲中厚拱坝，最大坝高94m，坝顶厚10m，坝底厚27m，厚高比0.287，坝顶弧长319.65m，弧高比3.4。水平拱圈线型采用抛物线变厚拱圈，顶拱中心角最大为96.96°，拱冠梁处左岸拱圈中心线曲率半径变化范围为56.64～101.67m，拱冠梁处右岸拱圈中心线曲率半径变化范围为53.87～129.56m，拱冠梁上游面曲线、下游面曲线均由拟合三次方程曲线组成。拱坝上游展开见图2，大坝典型剖面见图3。
4.2 坝体分区及混凝土设计指标
坝体混凝土设计主要考虑挡水坝段和溢流坝段两种剖面。在分析坝体在各种工况工作条件及应力计算的前提下，坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、低热等性能方面的要求，在拱座附近，为适应基础变形影响，适当提高了混凝土的强度等级。坝体材料分区在满足强度及耐久性要求的前提下，分为以下6个区。
图1 BEJSK水利枢纽平面布置图
图2 BEJSK混凝土拱坝上游展开图
图3 BEJSK水利枢纽拱坝典型剖面图
（1）Ⅰ区：高程3.00～12.00m、65.00～94.00m坝体混凝土，C9025、W10、F400。
（2）Ⅱ区：高程12.00～65.00m坝体混凝土，C9030、W10、F400。
（3）Ⅲ区：基础垫层混凝土，厚3m，C2825、W10、F200。
（4）Ⅳ区：溢流面表层高性能混凝土，C9040、W8、F300。
（5）Ⅴ区：表孔、底孔闸墩及其倒悬部位混凝土，C9025、W8、F300。
（6）Ⅵ区：消能塘、护坦底板、边墙、二道坝部位混凝土，C2825、W8、F300。
工程采用大坝常态混凝土整体自身防渗。为满足近100m高水头的防渗要求，坝体顶部、上部、中部、下部以及基础垫层等混凝土分别采用W6、W8、W10的抗渗指标，同时为加强大坝抗渗能力，在上游死水位以下坝体表面喷涂聚氨酯防渗涂料，来满足坝体防渗要求。
大坝顶部、上部、中部、下部以及基础垫层等混凝土分别采用F400、F300、F200的抗冻指标，同时为增强大坝的抗冻融能力，在大坝上、下游混凝土表面均设厚10cm的聚氯乙烯泡沫板（XPS）保温板做永久保温层。拱坝混凝土配合比见表1。
表1 BEJSK水利枢纽拱坝混凝土配合比表
4.3 坝体分缝及止水设计
根据多拱梁应力分析成果及同类工程经验，坝体每隔15m设置一道横缝，将大坝共分为22个坝段，共设置21道横缝，横缝采用径向或近乎径向布置，缝面内设置键槽，键槽采用梯形或圆弧形，并埋设二次灌浆系统。
坝体上游横缝内距坝上游面0.5m设置两道铜止水、一道橡胶止水，间隔0.5m。在坝体下游横缝距坝下游面0.5m处设置一道橡胶止水。
4.4 坝体坝基排水设计
坝体内为满足灌浆、交通、观测、排水等需要，共设置三层廊道，同时在各高程廊道及两坝肩设置了灌浆平洞。
在坝体上游侧设置坝体竖向排水幕，其底部分别与排水廊道相连通，再由廊道汇集于集水井，设置两台水泵抽排到下游。在每条横缝距橡胶止水0.5m处增设一条坝体横缝排水管，各层排水管通过中间高程廊道衔接，最后将坝体渗水汇集于基础廊道集水井内集中排出。
在帷幕区以外，设置一道坝基竖向排水幕，排水孔的深度为帷幕深度的0.4～0.75倍，坝基排水孔采用钻孔形成，其上部与坝基排水廊道相连，坝基渗水通过坝基排水廊道汇集于集水井内排出坝外。
4.5 坝基处理
河床溢流坝段和坝高接近100m的坝段，坝基置于弱风化岩体底部至微风化岩体上，主河床有局部坝基置于弱风化岩体上，采取局部挖除，用混凝土塞回填，河床平均开挖深度15～30m；两岸岸坡是拱座受力基础，置于微风化岩体上，开挖深度15～30m。
对全坝基进行全断面铺盖式固结灌浆，深度10m，固结灌浆孔以梅花形布置，孔距、排距均为3m。帷幕灌浆设置主、副两排帷幕，其中副帷幕深度为主帷幕的1/2左右。左岸岸坡帷幕深度为30～50m，主河道段帷幕深度为40m，右岸岸坡帷幕深度为25～30m，帷幕孔距、排距均为2m。沿坝基设置灌浆廊道，两岸坝基、坝肩防渗帷幕深入两岸山体内，形成坝基、坝肩整体防渗体系。
4.6 坝肩稳定
根据目前地质查明的左岸坝肩缓倾角结构面L105-106NE70°～80°，SE∠10°～15°（高程65.00m附近），以及节理分布情况，按浅层滑动、折线滑动、沿相交棱线滑动三种滑动模式对左岸坝肩进行整体抗滑稳定分析。
通过对三种滑动模式的分析比较，浅层滑动对左坝肩抗滑稳定最不利，但对左岸坝肩的整体抗滑稳定影响不大。待施工期根据地质揭示情况再作进一步研究。
4.7 温控设计
该地区气候条件恶劣，对拱坝的温控防裂极为不利，必须通过仿真计算对温度控制做精心设计，以有效防止、控制裂缝的产生。
采用典型坝段与全坝分析相结合的方式来进行三维有限元仿真分析计算。并对计算成果进行分析，作为工程施工期温控标准和温控措施的依据。混凝土浇筑初凝后开始保温，保温材料选用厚10cm的XPS挤塑板（高密度聚苯乙烯泡沫塑料板）。
针对主河床坝段和岸坡坝段提出大坝基础约束区与非约束区混凝土不同季节合理的浇筑厚度、间歇期、浇筑温度、冷却措施及通水时间（初期冷却、中期冷却、后期冷却）、各季节混凝土施工方法及保温标准等温控措施，见表2。
表2 BEJSK水利枢纽混凝土施工温度控制（主河床坝段）指标汇总表
5 施工
（1）导流方式及导流标准。施工导流采用河床一次断流，上下游土石围堰全年挡水，左岸导流隧洞导流的方式。初期导流标准为10年一遇，洪峰流量1594m3/s。坝体临时度汛，导流标准为20年一遇，洪峰流量1930m3/s。后期导流洞下闸封堵，由坝身深孔泄水。
（2）施工进度。计划施工总工期52个月，其中工程准备工期15个月，主体工程施工期34个月，工程完建期3个月。计划2011年截流，2013年10月下闸蓄水。
6 大坝监测设计
根据枢纽建筑物的特点及区域地质条件，设立的监测项目有：大坝变形监测；大坝应力应变监测；渗流渗压监测；坝肩边坡稳定监测；取水口边坡、引水发电有压管和发电厂房监测等。具体监测项目详见表3。
表3 BEJSK水利枢纽混凝土拱坝监测项目一览表
7 工程特点
（1）体型选择。根据国内拱坝设计最新动态，结合本工程坝址地形地质条件，比较了单心圆双曲拱、椭圆曲线双曲拱、抛物线双曲拱三种拱型，通过体型设计、应力分析、坝体混凝土、坝基开挖等特征值比较后认为抛物线拱适应本工程地质地形条件的能力更强些，且抛物线拱线型较为简单，工程量合理，施工方便，设计确定采用抛物线双曲拱坝。
（2）上下游保温措施。该工程属严寒地区，夏季炎热，冬季寒冷，温差大，在拱坝上下游面设置永久保温层是必需的，采用厚10cm的XPS挤塑板进行保温。
（3）解决了筑坝骨料难题。C1料场表层2m各级骨料表面普遍存在一层钙质薄膜，且钙膜骨料含量超过20%，对混凝土强度有一定影响，为解决这些问题，进行了大量的试验研究表明：该料场表层2m以内砂砾石中钙质薄膜主要成分以碳酸钙和石英为主，不存在对混凝土的侵蚀性问题。表层2m以内粒径大于40mm含钙膜骨料经破碎加工补充小石、粗砂后，可用于工程一、二级配混凝土，大石、特大石破碎后生产的小石、粗砂，弥补料场小石、粗砂不足问题，也可用于三、四级配混凝土中，对混凝土强度没有影响。实验表明混凝土骨料存在潜在碱活性，通过掺加不小于25%的粉煤灰可以有效抑制碱骨料活性反应。
（4）高性能混凝土筑坝技术。提出拱坝混凝土高性能化研究对提高工程的使用寿命和长期运行安全，以及严寒地区混凝土坝建设具有重要意义。结合当地原材料情况，研究实现混凝土“良好的抗裂性、高耐久性、适宜的强度”的高性能化目标。设计采用“内抗”（提高混凝土自身耐久性）和“外封”（表面封闭保护）两种提高耐久性措施相配合。配合比采取“两低三掺”（低水胶比、低用水量、掺粉煤灰、掺减水剂、掺引气剂），建筑材料采用硅酸盐水泥，控制水泥的铝酸三钙不超过6%，选用Ⅰ级粉煤灰。引气剂气泡间距系数控制指标小于250μm，并保证高频振捣后具有一定的含气量。
（5）90m高升鱼机的设计实施在国内尚属首例。该工程所在地两岸为崇山峻岭，没有合适的地形修建大型绕坝鱼道。而鱼类保护对象为底层鱼类，集鱼船难以收集，只能采用升鱼机过鱼。
BEJSK水利枢纽工程特性表
本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人李江、卢冰华。