新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程面板壩設計

徐向東，周吉軍

（新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院，新疆石河子832000）

1 工程概況

瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程北距石河子市約70 km，地理坐標為東經(jīng)85°57′，北緯43°58′?，敿{斯河肯斯瓦特水利樞紐工程是流域規(guī)劃推薦的一期工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。樞紐工程由攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位990 m，設計及校核洪水位分別為992.98 m和993.49 m，最大壩高129.40 m，總庫容1.88億m3，控制灌溉面積21.09萬ha，電站裝機容量100 MW，設計年發(fā)電量2.703億kW·h，為大（2）型Ⅱ等工程。

2 地形地質(zhì)條件

河谷呈典型的“V”字形，兩岸沖溝不發(fā)育，河谷基巖裸露，岸坡坡度40°～45°，河流下切作用強烈，下切深度達150 m左右。河段縱坡1%，主要巖性為侏羅系泥巖砂巖互層，屬中硬巖，暴露極易風化崩解，河流沿相對較軟的泥巖面侵蝕沖刷，在河谷段上局部有小規(guī)模崩塌掉塊，無大的滑坡，水庫蓄水后庫岸穩(wěn)定性較好。工程區(qū)地震基本烈度為8度，攔河壩抗震設計烈度為9度，基巖地震動峰值加速度按50 a超越概率2%為393.5gal，其它主要建筑物抗震設計烈度為8度。

壩址區(qū)天然砂礫石料儲量豐富，料場區(qū)位于壩址區(qū)瑪納斯河右岸Ⅳ級階地平臺上，料場有用層儲量為1102.3萬m3，其中上層青灰色卵石混合土層儲量378.2萬m3，下層古河槽膠結(jié)卵石混合土層儲量724.1萬m3。本工程大壩填筑料約為682.14萬m3。

3 壩體結(jié)構設計

3.1 壩頂及壩坡

根據(jù)《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》相關規(guī)定，參照國內(nèi)外已建工程的壩頂寬度確定原則，結(jié)合壩頂交通、施工要求、抗震措施等，確定本工程壩頂寬度為10 m。為減小大壩填筑量，壩頂上游設“L”型防浪墻，墻底高程998.0 m，墻高3.7 m，壩頂以上墻高1.2 m，確定壩頂高程996.6 m。參考國內(nèi)外已建和在建100 m以上高混凝土面板砂礫石壩的經(jīng)驗和規(guī)范規(guī)定，考慮抗震要求、筑壩材料等，確定壩體上游坡比為1∶1.7，下游壩坡平均壩坡為1∶2.0，結(jié)合布置“之”字型上壩道路，設計路寬10 m。

3.2 壩體分區(qū)設計

圖1 壩體典型剖面Fig.1 Typical section of the dam

本工程砂礫石料場級配良好，其級配情況與國內(nèi)已建幾座面板砂礫石壩過渡料級配極為相似，經(jīng)研究，本工程取消了過渡料區(qū)，簡化了施工工序。結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件、筑壩材料的物理力學性質(zhì)、土石方平衡等因素，確定壩體分區(qū)自上游向下游依次為：面板上游面下部土質(zhì)斜鋪蓋及其蓋重保護區(qū)、混凝土面板、墊層區(qū)、周邊縫處特殊墊層區(qū)、主壩殼料區(qū)及下游壩面混凝土格柵砌石護坡區(qū)。大壩典型剖面如圖1所示。

3.3 壩體填筑料設計

（1）墊層區(qū)設計。墊層料的壓實密度與壓縮變形對于減小面板接縫和周邊縫的位移極為重要。設計確定墊層水平寬度4 m，由C2-1料場上層級配良好的料篩分并摻配細顆粒配置而成，最大粒徑80 mm，小于5 mm顆粒的含量占40%～55%，小于0.075 mm顆粒的含量控制小于5%，且級配連續(xù)，采用的是一種符合謝臘德建議的級配曲線。相對密度≥0.85。

（2）排水料區(qū)設計。壩殼料填筑時，由于施工時產(chǎn)生分離豎直向的滲透性遠低于水平向，溝后水庫失事后壩體滲流研究表明，當混凝土面板或伸縮縫出現(xiàn)損壞，入滲點較高時，進入壩體的滲水易沿著壩體填筑時壩料分離而形成的粗顆粒層向下游流動，又因壩體上部斷面較窄，滲水極易在下游壩坡較高部位處逸出，對下游壩坡造成沖刷，影響壩體安全。

豎向排水體的布置：豎向排水體底部布置在距壩軸線B/4（B為壩體底寬）的上游壩體內(nèi)，底部垂直段高度36 m。為保證壩頂附近排水體距墊層區(qū)有一段距離，豎向排水體頂部980.8 m高程以上部分做成垂直的，布置在壩軸線處，底部和頂部垂直排水體間采用1∶1.3斜線連接。

水平排水體布置：根據(jù)已建工程經(jīng)驗，肯斯瓦特根據(jù)河床寬度取排水體寬45 m，為便于壩體填筑排水體布置成4個排水條帶，厚5 m，排水體過水總面積為225 m2。排水條帶與壩殼料間隔布置，壩殼料水平寬度5 m。排水體料最大粒徑100 mm，最小粒徑5 mm，5 mm遜徑率小于5%，且級配連續(xù)。相對密度≥0.85，孔隙率小于22%。

（3）主壩殼料設計。主壩殼料區(qū)采用C2-1料場全料填筑，設計最大粒徑400 mm，小于5 mm顆粒含量占10%～33%，小于0.075 mm顆粒的含量小于5%，級配連續(xù)。設計相對密度≥0.85。填筑料設計指標見表1。

表1 壩體各材料分區(qū)填筑標準控制參數(shù)Table 1:Control parameters for the dam filling standards of dif?ferent material partitions

4 趾板設計

由于壩址右岸坡度較陡，為了減小開挖量，保證基礎穩(wěn)定，減少基礎巖石卸荷裂隙的產(chǎn)生，趾板布置為寬度對高程漸變的型式，寬度4～8 m，水力梯度取值15，趾板厚度0.6～0.8 m。趾板混凝土設計強度等級C30，抗?jié)B等級W12，抗凍等級F300。趾板鋼筋布置在頂部，為單層雙向鋼筋，每向配筋率為0.45%，在周邊縫的趾板混凝土中設擠壓鋼筋，防止止水周圍混凝土的破壞。趾板不設永久縫，每隔12～16 m設2 m寬后澆帶，寬槽兩側(cè)混凝土澆注90 d后澆注寬槽混凝土，鋼筋穿過寬槽，寬槽混凝土采用微膨脹混凝土，自身體積變形不小于10-4。同時，為加強趾板與基礎的連接，保證趾板在固結(jié)灌漿和帷幕灌漿及其他外力作用下能保持穩(wěn)定狀態(tài)，岸坡趾板用錨桿錨固在基巖上，錨桿采用?28，錨桿長度6 m，間、排距1.5 m，呈梅花型布置。

5 面板設計

為滿足面板防滲性和耐久性的要求，其厚度根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范經(jīng)驗公式：t=0.3+0.0035H。其中，H為為計算斷面至面板頂部高程的垂直距離，而本工程在設計中，為適應大壩在地震設防烈度9度下的變形，消除裂縫的發(fā)生，起始厚度由0.3 m提高到了0.4 m。河床中央部分，面板壓性垂直縫設有5條，縫間距12 m。兩岸陡坡段面板受拉區(qū)為限制拉應力的發(fā)展和吸收變形，均設有張性垂直縫，縫間距為6.0 m，左岸設6條，右岸設8條。工程設計中考慮右岸地形較左岸陡峻，特將右岸受拉區(qū)面板設為雙層鋼筋網(wǎng)。面板混凝土采用C30高性能二級配混凝土，抗?jié)B等級W12，抗凍等級F300。鋼筋率順坡向為0.4%，水平向0.35%。

6 分縫止水設計

周邊縫設計：周邊縫設置底、頂三道止水，縫間用12 mm厚三元乙丙橡膠片填塞?？紤]到中部止水對混凝土澆注施工的干擾，將中部止水移至頂部，設置波形止水帶。底止水采用F型銅止水，頂止水采用GB柔性填料止水，頂部設8 mm厚三元乙丙GB橡膠復合板保護，用角鋼、膨脹螺栓固定。周邊縫外圍設粉粘土粒保護，用厚1 mm不銹鋼護罩保護，護罩頂部設?50 mm圓孔，梅花形布置。

2.2 治療前后兩組MAP、HR、SVV水平對比 治療后觀察組HR水平明顯高于對照組，而MAP、SVV水平均明顯低于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)。見表2。

垂直縫設計：垂直縫分為張性縫與壓性縫，結(jié)合動力分析計算，止水及填縫材料采用能夠適應本工程變形的防滲材料。面板中間5條壓性板縫設1.2 cm厚三元乙丙橡膠片，以減少地震荷載對面板擠壓破壞，其余壓性縫縫間涂刷1 mm厚瀝青乳膠。底頂設置兩道止水，頂部止水為W型止水銅片，頂止水采用GB柔性填料止水，GB橡膠復合蓋板保護。張性縫縫間涂刷1 mm厚瀝青乳膠，頂部柔性填料填筑面積略大于壓性縫。

水平縫設計：面板頂部與防浪墻之間水平縫是永久縫，需設止水結(jié)構。鑒于溝后面板壩潰決原因之一是面板頂部與防浪墻底板之間水平縫結(jié)構破壞，設計時針對水平縫設置三道止水，縫間用12 mm瀝青木板填塞，底部設置W1型止水銅片，頂部設置波形止水帶和GB柔性填料，GB復合蓋板保護。

7 壩基處理

7.1 河床壩基及趾板基礎處理

河床段趾板、墊層基礎，將表面覆蓋及沖積層挖除至弱風化上部巖石上。趾板下游15 m范圍內(nèi)的填筑體，挖除全部覆蓋及沖積層，使其置于與趾板基礎同高的弱風化上部巖石基礎上。

對趾板范圍內(nèi)斷層、節(jié)理和破碎帶作如下處理：

（1）對規(guī)模較小的節(jié)理、裂隙，清除節(jié)理和裂隙中的充填物后沖洗干凈，縫隙灌入水泥漿封堵。加大加厚混凝土趾板，增大帷幕和固結(jié)灌漿范圍，進行封閉灌漿處理。

（2）對巖石節(jié)理、裂隙比較發(fā)育或規(guī)模較大的斷層、破碎帶，需增設混凝土塞，在趾板下游澆注混凝土蓋板或噴射混凝土，并在噴射混凝土上及噴射混凝土下游一定范圍內(nèi)的斷層破碎帶出露面上部鋪設水平墊層。

填筑體地基處理，基巖開挖后及時噴護，防止巖石風化、崩解。砂礫石填筑體地基在趾板下游巖石岸坡不做開挖處理，壩基砂礫石覆蓋層清除表面植被及超徑卵石，兩岸倒懸?guī)r石邊坡按1∶0.5開挖，兩岸與岸坡基巖接觸帶設置2 m寬過渡層，過渡料最大粒徑80 mm，由C2-1料場篩分獲得，確保填筑體間的反濾過渡。

7.2 帷幕灌漿設計

8 工程進展情況

8.1 設計情況

2008年3月16 ～19日，中國水科院受國家發(fā)改委委托對《新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程項目建議書》進行評估，肯定了項目建議書階段的成果。

2009年9月30日，國家發(fā)改委以發(fā)改農(nóng)經(jīng)【2009】2481號文批復了工程的《可行性研究報告》。

2009年12月，水規(guī)總院完成對《新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程初步設計報告》的審查。

2009年12月至今，肯斯瓦特水利樞紐工程主體工程招標及技施圖紙設計已經(jīng)全部完成。

8.2 施工進展

2010年9月導流洞貫通，并完成驗收。2011年3月，完成上下游圍堰填筑。

2011年3月發(fā)電洞、廠房開工，10月發(fā)電洞斜井段、下平洞段已完成，正在進行上平洞段的施工。

2010年10月，趾板、右岸聯(lián)合進水口開挖，至2011年10月已完成高程920 m以下的趾板混凝土澆注。

2011年4月大壩開始填筑，至2011年10月大壩填筑至高程896 m，并完成相應監(jiān)測儀器的埋設。

9 結(jié)語

在吸取國內(nèi)一些已建面板砂礫石壩在施工和蓄水期出現(xiàn)的諸如墊層料開裂、面板結(jié)構性裂縫和擠壓破壞等現(xiàn)象的經(jīng)驗教訓的基礎上，結(jié)合當?shù)厣暗[石材料的特性，肯斯瓦特大壩在分區(qū)設計、趾板設計、面板設計、分縫止水設計等方面具有自身獨特的設計特點。從大壩的動力計算分析結(jié)果看，該壩能夠滿足給定地震工況下的抗震安全性要求，為高寒和高地震烈度區(qū)修建混凝土面板砂礫石壩積累了經(jīng)驗。■

[1]酈能惠.高混凝土面板堆石壩新技術[M].中國水利水電出版社，2007.