TH水电站混凝土双曲拱坝
1 工程概况
TH水电站位于北疆地区，是流域规划中17个梯级电站中最末一级电站，也是该河开发中的第一期工程，为混合式开发水电站，以发电为主，兼有灌溉等综合效益。水电站装机容量50MW，为中型Ⅲ等工程，主要建筑物等级为3级。该工程为新疆第一座混凝土双曲拱坝。
TH水电站下游全景
2 气象及工程地质
2.1 气象
工程区的气候属大陆性北温带气候，夏季较湿润、温和、降雨丰沛，冬季寒冷、积雪较深。多年平均气温8.4℃，历年最高气温37.9℃，最低气温-40.4℃。多年平均年降水量347.8mm，多年平均年蒸发量1714.5mm（φ20cm）。多年平均风速2.2m/s，最大风速40m/s。最大冻土深62cm，最大积雪深89cm。
2.2 工程地质
工程位于天山腹地阿吾拉勒山西缘，马扎尔峡谷出口处。库坝区河段呈Ω形，坝址河谷呈V形，河谷宽10～40m，河道狭窄，两岸山坡基本对称，坡度40°～50°。坝体上下游两侧均无大的沟谷发育，河谷两岸阶地不发育，呈零星分布。
库坝区未发现活动性断裂，工程区域为相对稳定区，地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15g，抗震设防烈度为7度。
坝基（肩）地层岩性为石炭系中统东图津河组的凝灰质角砾岩、砂砾岩、砂岩、细晶岩等，岩层产状310°～320°SW∠28°～35°，倾向上游，稍偏左岸。岩体强风化层厚3～6m，弱风化层厚3～5m。凝灰质角砾岩饱和抗压强度100MPa，波速为3200～5200m/s。
左岸发育F20断层，产状10°SE∠85°，已延伸至基础，对坝肩的稳定有一定影响。右岸发育F14、F15、F15-1、F16、F17、F33等断层，只有F15-1延伸到基础。主要裂隙多为陡倾角，缓倾角和顺坡向裂隙较少，通过分析，无影响坝肩稳定的不利组合，各结构面对坝基（肩）稳定影响不大。
3 枢纽布置
电站枢纽由混凝土双曲拱坝、左岸鞍部垭口混凝土刚性心墙土石副坝、排沙泄洪洞（由导流洞改建）、发电引水洞、地面式厂房、110kV开关楼等建筑物组成。泄洪中孔布置于拱坝上，副坝南侧布置有发电洞、地面厂房及户外升压站，排沙泄洪洞布置于发电引水洞进口左下方。枢纽平面布置见图1。
泄洪中孔布置于混凝土拱坝不同高程上，3个孔口呈倒品字形布置，4号、6号坝段设边孔，5号坝段设中孔，孔口尺寸均为5m×5.5m（宽×高），出口采用挑流消能。排沙泄洪洞进口位于鞍部南东230m处，隧洞长435m，出口采用底流消能。发电引水洞进口位于鞍部南东200m处，洞线长318m，进口引渠长30m、宽22.4m，洞身为圆形断面，洞径7m，最大引水流量156m3/s。发电厂房布置于主坝下游1.2km处的河道左岸阶地上，为地面厂房。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
主坝坝体为中厚度变圆心、变半径的混凝土双曲拱坝。最大坝高57.2m，最大底宽14.38m，坝顶宽3.5m，厚高比0.26，坝顶拱圈外半径95m，最大中心角108°06′，坝顶长175.8m（坝线弧长）。拱坝分为10个坝段，4号、5号、6号三个坝段在不同高程各设有一孔泄洪中孔。拱坝上游立视展开见图2，大坝典型剖面见图3。
4.2 坝体混凝土设计指标
坝体混凝土设计标号为R200，龄期为90d，抗渗标号为S6，抗冻标号为D200。
4.3 坝基坝肩排水设计
坝体内部设城门洞型廊道，廊道上游侧布置灌浆帷幕一排，直至两岸山体。下游侧设坝体排水孔一排，排水孔倾向下游，倾角12°，孔径110mm，孔距3m，廊道右底部设集水井，定期进行抽排。
图1 TH水电站枢纽平面图
图2 TH水电站双曲拱坝上游立视展开图
两岸山体设排水廊道，左岸不同高程设两层排水洞，其中一条排水廊道利用原勘探洞改建而成，右岸布置一层排水廊道，廊道断面为城门洞型，排水孔孔径100mm，孔距3m，多为仰孔或斜仰孔。
4.4 坝基处理
拱坝建基面开挖至微风化岩层，其纵波波速不低于3000m/s。河床段建基岩面以1∶10的坡度向上游倾斜。
固结灌浆在坝基范围内全面布孔，孔距3m，排距1.6m，呈梅花形布置。在建基面范围内为垂直孔，上、下游的边排为斜孔，偏向坝基外侧，以增大坝基基岩固结范围。固结灌浆孔深一般为5m，左岸基岩岩墙部位孔深8m。灌浆帷幕设置1排，孔距3m，孔深17～50m。
坝基断层及裂隙处理：将断层带内的碎裂、断层泥等撬挖清除，冲洗之后，填筑混凝土塞；对受节理、裂隙切割而松动的岩块，进行撬挖、清除、冲洗，加盖重之后，进行固结灌浆处理；对左岸F20断层进行深孔固结灌浆处理，坝后受F20断层切割而形成的单薄不稳定岩体，进行预应力锚索加固处理；左坝坝基施工中发现的凹槽，进行混凝土回填处理。
4.5 坝体稳定应力分析
坝体应力分析曾采用应力分析与科学试验相结合的多种方法。初设阶段用拱冠梁法进行应力分析，技施设计曾采用陕西机械学院水利系拱冠梁法、东北勘测设计院和北京市水科所的拱坝多拱梁法应力计算程序进行了径向调整和三向调整的应力分析。同时也进行了托海拱坝整体脆性材料试验、整体模型和孔口的三向偏光弹性试验。
通过坝体应力计算成果和试验结果分析，各种荷载组合下的坝体主压应力均不超过容许值，坝体局部拉应力超标，这是由于计算中温度荷载偏大造成的，在温控设计和施工过程中，设计加强了温度应力的控制措施：调整封拱温度，加强表面保护，在上游正常水位以上、下游尾水位以上均贴保温板，减少上下游面的温差，对改善坝体拉应力起到了一定作用。同时，拱坝属空间超静定结构，其超载能力很强，安全度很高，拱坝超载后，坝体应力可以自行调整，重新分布，所以虽然应力局部超标，但对大坝的安全影响不大。
图3 TH水电站混凝土双曲拱坝典型剖面图
4.6 温控设计
（1）温控标准。①基础强约束区基础温差ΔT≤23℃，基础弱约束区ΔT≤24℃；②大坝混凝土冬季停浇，在5—9月平均气温较高，大坝混凝土采用适当的温控措施满足混凝土浇筑质量的要求；③为控制坝体混凝土温升，规定混凝土入仓温度不高于14℃。
（2）降温与保温并重的温控措施。①采用低热大坝水泥，控制坝体混凝土水化热温升。②掺用减水剂，减小水泥用量，从而使坝体混凝土发热量降低。③夏季为骨料搭设凉棚，洒水降温；高温季节混凝土用冰水拌和。④通水冷却降温。在坝体混凝土内，铺设蛇形冷却水管，在混凝土覆盖后即通水进行一期冷却，二期冷却在坝体混凝土龄期超过4～6月后进行。⑤混凝土表面保温。采用厚2.5cm的聚氯乙烯泡沫塑料板在坝体混凝土浇筑前，将其贴在模板内，拆模后保温板仍覆盖在混凝土表面上作为混凝土的永久保温板，对水平施工缝面和横缝以及施工过程中临时性暴露表面，均铺设或悬挂保温被和草帘，并注意洒水养护。因坝面检查等原因造成泡沫塑料板残缺不全，1996年对大坝的背水面施行了喷涂聚氨酯保温层的保温措施。
经坝内混凝土的后期冷却，使坝体温度降至多年平均温度8.4℃，进行封拱灌浆。
5 施工
（1）导流方式及导流标准。施工采用分期导流方式，第一期导流采用枯水期河床一次断流，围堰挡水，导流洞导流的方式，导流建筑物标准为5年一遇，洪峰流量690m3/s，挡水围堰在第一年9月至翌年9月为运行期，9月以后围堰拆除。第二期导流采用坝体挡水，导流洞和底孔分流的导流方式。
（2）施工进度。工程于1984年4月开始施工准备，同年7月1日正式开工，1985年9月实现截流，1988年6月下闸蓄水，1988年9月底第一台机组发电，1991年6月工程竣工。
（3）施工配合比设计。该工程水泥采用抚顺矿渣大坝水泥和昌吉矿渣大坝水泥，骨料采用砂砾料场筛分的天然粗、细骨料。坝体混凝土施工配合比见表1。
表1 TH水电站坝体混凝土配合比表
6 大坝监测及成果分析
大坝设立的监测项目有混凝土应力应变，坝体变形，坝缝开合度，钢筋应力，坝基扬压力，基岩应变，温度（水温、混凝土及基岩温度）及外部变形监测等。
根据实际监测资料分析比较，得出以下结论：
（1）混凝土应力应变。从近期工作正常的应变计观测资料分析成果看，基本处于正常应力状态。
（2）坝体位移。从分析成果看，径向位移呈年周期变化，随时间的变化符合规律，其影响因素中温度变化占重要地位。拱冠和右1/4拱坝顶切向位移存在趋势性变化，应引起重视并加强监测。
目前，坝体工作性态正常，运行良好。
7 工程特点
（1）工程枢纽布置。利用河道Ω形河流特点，在河道最狭窄处布置大坝，利用鞍部垭口填筑副坝。发电引水系统充分利用Ω形河湾地势，有效减少了洞长，合理利用发电水头。导流、排沙及泄洪一洞多用。
（2）率先在新疆坝基开挖中应用了三向预裂爆破技术。
（3）拱坝温控采用降温与保温并重的措施。
TH水电站工程特性表
本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人范金勇、严培德。