新疆壩工各壩型建設(shè)歷史及發(fā)展趨勢分析

馬 軍，楊玉生，彭兆軒

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

1 概述

新中國成立后，尤其是新疆維吾爾自治區(qū)成立后，在國家大力支持下，新疆水利建設(shè)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，水利建設(shè)進(jìn)入快車道，而水庫建設(shè)速度及發(fā)揮效益尤為明顯，自治區(qū)成立至今全疆含兵團(tuán)已建、在建水庫達(dá)到722座，總庫容294.45億m3，壩型涵蓋均質(zhì)土壩、黏土心墻壩、土工膜斜墻壩、砌石重力壩、混凝土重力壩、混凝土雙曲拱壩、混凝土面板壩及瀝青混凝土心墻壩等多種壩型。建國初期，因施工條件、設(shè)備及技術(shù)水平的影響，大壩主體以均質(zhì)土壩為主。近年來，隨著國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、施工設(shè)施能力及強(qiáng)度的大幅提高，以及國家對(duì)新疆水利工作的重視，2010—2030年新疆規(guī)劃建設(shè)大中型水庫近百座。大壩建設(shè)的數(shù)量、壩高、庫容、規(guī)模不斷增大，多種壩型均是同類壩型中極具典型性和復(fù)雜性、且難度很大的工程，尤其是以瀝青混凝土心墻壩和面板壩兩種壩型在新疆的發(fā)展最迅猛，建壩高度不斷刷新疆內(nèi)甚至國內(nèi)記錄。以面板堆石壩為例，2019年建成了壩高164.8m、覆蓋層100m的阿爾塔什面板堆石壩，在建的大石峽混凝土面板堆石壩壩高更是達(dá)到了247m。當(dāng)前正在建設(shè)中的設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度的大石門水庫瀝青混凝土心墻壩壩高128.8m，設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度的尼雅水庫壩高達(dá)到了131.8m。

70年來，新疆水庫大壩建設(shè)吸收了大量國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，取得了大量創(chuàng)新成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。今后疆內(nèi)水庫建設(shè)如何在保證大壩建設(shè)和運(yùn)行安全的情況下，不斷創(chuàng)新并提高工程效益，無疑對(duì)疆內(nèi)各類壩型的建設(shè)提出了更高的要求。因此，本文重點(diǎn)對(duì)新疆水庫壩型建設(shè)的歷史、目前現(xiàn)狀及下一步發(fā)展趨勢進(jìn)行回顧與分析。

2 各壩型歷史演變

按照地州及管屬范圍，對(duì)自建國以來的全疆水庫進(jìn)行梳理，兵團(tuán)系統(tǒng)水庫不在本次水庫統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi)，剔除尾礦庫及資料不完整的小型水庫，本次共收集水庫578座，總庫容259.35億m3，各種壩型數(shù)量見表1。

表1 新疆各壩型統(tǒng)計(jì)表

表2 各壩型年代建設(shè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表 單位：座

根據(jù)70年來新疆水庫大壩建設(shè)統(tǒng)計(jì)資料，新疆壩工建設(shè)包括了各種壩型。其中均質(zhì)土壩數(shù)量最多，其次為瀝青混凝土心墻壩、混凝土面板壩，而數(shù)量較少的為混凝土壩。漿砌石壩的建設(shè)是由當(dāng)時(shí)年代、施工材料和投資限制而初期采用的壩型，其數(shù)量和高度均不大，后期建設(shè)中被逐漸淘汰，不再采用。20世紀(jì)40—90年代，21世紀(jì)00—20年代各壩型的建設(shè)數(shù)量見表2，如圖1所示。

圖1 各壩型年代建設(shè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

從圖1可見，均質(zhì)土壩在各年代中建設(shè)數(shù)量均最多。目前仍在正常運(yùn)行的最早的擋水建筑物是1942年修建并投入使用的喀什紅海水庫，壩型為均質(zhì)土壩，壩高僅6.3m，總庫容7200萬m3。由于年度久遠(yuǎn)，無相關(guān)圖紙及建設(shè)期的參數(shù)指標(biāo)，通過現(xiàn)場實(shí)測，經(jīng)多年運(yùn)行及庫區(qū)淤積，目前上游邊坡已達(dá)到1∶6.0，下游邊坡為1∶2.5。

通過以上圖表可以看出，受水庫建設(shè)投資及機(jī)械設(shè)備等多方面影響，施工工藝較簡單的均質(zhì)土壩在水庫建設(shè)發(fā)展初期被大量采用，其特點(diǎn)是施工方式多以人力為主，工程設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)較低，壩高較低。在當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件有限的的時(shí)代背景下，均質(zhì)土壩滿足了工程總體投資低，且能有效解決城市等人口稠密區(qū)用水這兩個(gè)最主要的問題。隨著城市化進(jìn)程中城市人口加速增長，以及國家對(duì)邊遠(yuǎn)偏地區(qū)人口生活質(zhì)量提升的要求，再加上適宜修建低壩大庫容水庫的壩址越來越少，各種壩型的修建高度越來越高。均質(zhì)土壩上下游邊坡較緩，修建所需土料隨建設(shè)高度呈幾何級(jí)增長，而滿足要求的料場越發(fā)稀缺以及運(yùn)距不斷加長，根據(jù)市場運(yùn)作的要求，以及降低工程造價(jià)和加快建設(shè)工期的迫切需求，面板堆石壩、瀝青心墻壩等壩體斷面較小的壩型被及時(shí)引入新疆，并得到大力發(fā)展。

3 各年代壩型建設(shè)高度

統(tǒng)計(jì)各年代各種壩型的建設(shè)高度可以發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)年代均有一定數(shù)量的均質(zhì)土壩在建，但壩高增長不明顯。20世紀(jì)70—80年代，受國內(nèi)投資及施工工藝落后、進(jìn)展慢的影響，瀝青混凝土心墻壩建設(shè)基本停滯，而90年代后又隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長，瀝青心墻壩得到快速發(fā)展，目前在建的尼雅水利樞紐工程，壩高達(dá)到131.8m。黏土心墻壩的建設(shè)在90年代及21世紀(jì)00年代加快發(fā)展，數(shù)量和壩高均增長較快，但受制于壩址區(qū)心墻土料質(zhì)量、儲(chǔ)量的限制，2010年后建設(shè)數(shù)量減少。近年來發(fā)展最為迅猛、壩高不斷刷新全疆甚至創(chuàng)造全國記錄的是壩體以砂礫料和爆破堆石料填筑的混凝土面板壩，其高度已突破200m，如壩高247m的大石峽混凝土面板壩。表3、圖2為20世紀(jì)40年代至今新疆水庫大壩各壩型中的最大壩高。

4 各壩型典型參數(shù)指標(biāo)

新疆壩工建設(shè)中，瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板壩是高壩建設(shè)采用最多的兩種壩型?；炷撩姘鍓问悄壳敖畠?nèi)各壩型中超200m級(jí)采用最多的壩型。2017年阿克蘇河上正式開工建設(shè)的大石峽水利樞紐工程，水庫總庫容11.74億m3，裝機(jī)750MW，主壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高247m，為同類壩型中世界第一高壩。2020年又開工建設(shè)玉龍喀什河水利樞紐，大壩也采用混凝土面板砂礫石壩，其壩高達(dá)到了235.5m，玉龍喀什河水利樞紐大壩上、下游邊坡分別為1∶1.5、1∶1.4，壩頂寬度10m。新疆壩工中均質(zhì)土壩是建設(shè)數(shù)量最多的壩型，建設(shè)數(shù)量超半數(shù)，壩高最大的為2010年修建的壩高62.6m和田縣東方紅水庫。新疆均質(zhì)土壩都是中低壩，與其他壩型的發(fā)展形成較為鮮明對(duì)比，但其施工工藝相對(duì)簡單，在中低壩建設(shè)中仍有其巨大的需求?；炷翂?、瀝青心墻壩及黏土心墻壩在疆內(nèi)也具有大量已建及在建工程，黏土心墻壩高度已達(dá)到百米級(jí)，瀝青混凝土心墻壩已近150m級(jí)，混凝土壩已達(dá)250m級(jí)。表4對(duì)全疆各種典型壩型最高壩相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了匯總。

表3 各壩型年代建設(shè)高度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

圖2 各壩型年代建設(shè)高度統(tǒng)計(jì)圖

5 發(fā)展趨勢

隨著脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興等一系列政策的實(shí)施，國家不斷推進(jìn)城市及農(nóng)村飲水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水利工程也在向偏、遠(yuǎn)、散等建國初期不具備建設(shè)能力的區(qū)域推進(jìn)，以滿足當(dāng)?shù)厝嗣裆?、灌溉以及?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，隨之帶來的是水庫大壩建設(shè)向高嚴(yán)寒、高地震、高海拔、深厚覆蓋層、多泥沙、少水文資料的“三高一深一多一少”地區(qū)不斷調(diào)整，工程復(fù)雜性和建設(shè)難度不斷加大。

在新疆壩工實(shí)踐中，大壩施工工藝取得了不斷創(chuàng)新和突破。以近年發(fā)展較快的瀝青心墻壩、面板壩為例，百米級(jí)瀝青心墻壩建設(shè)加快，目前正向150m級(jí)推進(jìn)。除建設(shè)高度不斷增大外，新技術(shù)也有較多的應(yīng)用，如壩高80m的新疆策勒縣奴爾水庫瀝青混凝土心墻堆石壩，其心墻總填筑料38.8萬m3，工程建設(shè)中通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)研究，最終采用礫石骨料填筑；混凝土面板壩建設(shè)中，大量工程采用壓實(shí)后具有更高的壓縮模量的砂礫石填筑，與壩體采用爆破堆石料填筑相比，壩體沉陷量較小，大壩填筑速度有較大進(jìn)步，部分高壩壓實(shí)后相對(duì)密度可達(dá)0.90。在新疆復(fù)雜的壩工實(shí)踐中，大壩建設(shè)仍然在持續(xù)開展深入的探索，進(jìn)一步向高質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)。

6 結(jié)論

本文主要對(duì)新疆修建的各種典型壩型在各年代中數(shù)量、高度及主要指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)梳理，分析了疆內(nèi)大壩演變情況，提出以下關(guān)鍵結(jié)論：

(1)新疆水庫大壩建設(shè)由初期較為單一的均質(zhì)土壩，逐漸發(fā)展到包括黏土心墻壩、面板堆石壩、瀝青心墻壩、混凝土壩等多種壩型。

(2)大壩主體建設(shè)高度不斷刷新，百米級(jí)大壩顯著增多，最高大壩已逾200m級(jí)。

(3)大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，碾壓設(shè)備不斷更新，新工藝不斷演化推進(jìn)。

(4)新疆水庫大壩建設(shè)的復(fù)雜性和難度不斷增大，壩工建設(shè)逐漸向“三高一深一多一少”地區(qū)推進(jìn)，保障大壩建設(shè)和運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)研究仍在持續(xù)推進(jìn)。

表4 各壩型典型工程主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表