烏斯通溝水庫壩型比選分析

程 茜

（新疆新水建設(shè)工程造價咨詢有限責(zé)任公司，烏魯木齊市 830000）

1 引言

水庫壩型比選涉及壩址地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?、工程投資等問題，選擇工程地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)的壩型對樞紐建筑物布置及安全運(yùn)行十分重要。新疆烏斯通溝水庫壩址區(qū)屬于Ⅷ度地震區(qū)，年內(nèi)溫差和晝夜溫差均很大，冬季寒冷，夏季酷熱，存在兩岸山體地形起伏較大、地質(zhì)條件復(fù)雜、深厚覆蓋層、施工時段受氣候影響大等問題，壩型選擇制約因素較多。本文選擇在新疆寒冷地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的瀝青混凝土心墻砂礫石壩型和鋼筋混凝土面板砂礫石壩進(jìn)行比選分析，結(jié)果可為新疆地區(qū)其他水庫大壩設(shè)計提供參考。

烏斯通溝水庫位于吐魯番市托克遜縣，開發(fā)任務(wù)為灌溉和工業(yè)供水，遏制灌區(qū)地下水超采，是一座具有綜合效益的水利樞紐工程。水庫總庫容1 440萬m3，壩高73m，控制灌溉面積1 720hm2[1-2]。根據(jù)SL252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定烏斯通溝水庫工程為Ⅲ等中型工程。

2 壩型比選

工程壩區(qū)河床漂卵石厚45—50m，兩岸強(qiáng)風(fēng)化帶厚8—10m；對于剛性壩河床部位需置于弱風(fēng)帶下部基巖內(nèi)，其開挖深度較大，加之兩岸沖溝較發(fā)育，且本工程區(qū)屬于Ⅷ度地震區(qū)，因此，壩址從工程地質(zhì)條件考慮，不適合修建剛性壩，適合修建當(dāng)?shù)夭牧蠅?。根?jù)地勘資料，壩區(qū)有儲量豐富的卵礫石料可為修建碾壓土石壩提供了大量廉價建筑材料，由于壩址附近缺乏粘土料，無滿足填筑質(zhì)量要求的粘土料場，根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗵幑こ探?jīng)驗，防滲料可采用瀝青混凝土作為心墻防滲，由于壩區(qū)的地質(zhì)條件和天然砂礫石填筑料儲量豐富的特點，本工程較適合興建面板砂礫石壩和瀝青混凝土心墻砂礫石壩兩種壩型，兩種壩型對壩基地質(zhì)條件都要求較低，因此選擇瀝青混凝土心墻砂礫石壩型和鋼筋混凝土面板砂礫石壩兩種壩型進(jìn)行比較，以確定最優(yōu)壩型。兩種壩型比較均采用左岸布置灌溉洞，右岸布置明流溢洪洞、導(dǎo)流沖沙兼放空洞方案，壩型方案比選主要比較主壩技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.1 瀝青混凝土心墻砂礫石壩

瀝青混凝土心墻砂礫石壩校核洪水頻率按1 000年一遇，壩頂高程909.50m，防浪墻高1.2m，壩頂寬9m，壩高73.0m，壩頂長261.9m。

（1）壩頂布置：壩頂寬9.0m，在壩頂上游側(cè)設(shè)置“L”形鋼筋混凝土防浪墻，壩頂設(shè)置混凝土路面，在壩頂公路設(shè)置傾向下游的單向坡，壩頂下游側(cè)設(shè)置路沿石。

（2）上、下游壩坡及護(hù)坡：上游壩坡坡比1:2.2，考慮857.50m高程以下壩體與上游圍堰結(jié)合，在878.40m高程設(shè)置3.0m寬馬道；下游壩坡坡比1:1.8，由于上壩公路設(shè)在大壩背坡，因此，上壩公路做內(nèi)坡平臺。上、下游壩坡分別采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡、干砌石加混凝土網(wǎng)格梁護(hù)坡。

（3）壩體分區(qū)：壩體填筑從上游至下游依次分為上游砂礫料區(qū)、上游心墻過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游心墻過渡料區(qū)、下游排水導(dǎo)滲區(qū)、下游砂礫料區(qū)、排水棱體。壩體采用瀝青混凝土心墻防滲，心墻上部與防浪墻底連接，下部落在基座上時，心墻澆筑前在基座上鋪1cm厚的瀝青瑪?shù)僦?/p>

（4）壩基防滲處理：由于河床砂礫石屬于強(qiáng)透水體，需要進(jìn)行壩基防滲。設(shè)計采用1m厚混凝土防滲墻澆筑，防滲墻伸入基巖面1m。壩址區(qū)基巖透水率較大，必須對兩岸段及河床段混凝土防滲墻以下進(jìn)行帷幕灌漿防滲。

2.2 鋼筋混凝土面板砂礫石壩

主壩采用混凝土面板砂礫石壩，校核洪水頻率按1 000年一遇，壩頂高程909.9m，防浪墻高1.2m，壩頂寬9m，壩高73.4m，壩頂長263m。

（1）壩頂布置和結(jié)構(gòu)與瀝青混凝土心墻砂礫石相同。

（2）上、下游壩坡及護(hù)坡：上游壩坡坡比1:1.6，上游不設(shè)馬道，下游壩坡坡比1:1.6,下游為上壩公路兼做馬道。上、下游壩坡分別采用鋼筋混凝土面板防護(hù)、干砌石加混凝土網(wǎng)格梁護(hù)坡。

（3）防滲面板：防滲面板采用鋼筋混凝土板，混凝土強(qiáng)度等級為C25，抗?jié)B等級W8，抗凍等級F200，采用525硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。在混凝土面板中間設(shè)置一層鋼筋網(wǎng)，雙向布。考慮壩體變形及施工條件，面板設(shè)置橫縫。

（4）混凝土趾板：趾板布置在壩體上游防滲面板周邊，采用水平趾板。趾板表層設(shè)置一層雙向鋼筋，壩趾下部基礎(chǔ)采用高噴灌漿。

（5）壩體分區(qū)：壩體從上游至下游依次分為混凝土面板、墊層區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫石區(qū)、反濾與排水棱體區(qū)。

（6）壩基防滲處理：岸坡段趾板范圍內(nèi)布置兩排固結(jié)灌漿孔，排距3m，孔距2m，灌漿深度5m。固結(jié)灌漿采用硅酸鹽水泥，在基礎(chǔ)混凝土澆筑蓋重后施工，分段分序進(jìn)行。河床覆蓋層較厚位置設(shè)置1m厚塑性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻頂部高程為832.5m,下部伸入基巖面以下1m。壩址區(qū)基巖透水率較大，必須對兩岸及河床段混凝土防滲墻以下進(jìn)行帷幕灌漿防滲。

2.3 壩型比選

從壩型對地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性能、當(dāng)?shù)貧夂虻倪m應(yīng)能力、建筑材料、壩體抗震性能、施工條件、工程安全維修條件和工程投資等方面進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇最優(yōu)壩型[3-5]，詳見表1。

表1兩壩型優(yōu)劣勢對比表

由表1可以看出，瀝青混凝土心墻砂礫石壩及鋼筋混凝土面板砂礫石壩各有優(yōu)缺點。

（1）適應(yīng)地形、地質(zhì)條件能力

從地形上看，兩壩型地形地貌條件相同，壩區(qū)河床漂卵石厚45—50m，兩岸強(qiáng)風(fēng)化帶厚10m，存在不均勻變形。針對瀝青混凝土心墻壩和鋼筋混凝土面板砂礫石壩兩種壩型，瀝青混凝土心墻為柔性材料適應(yīng)不均勻變形能力較強(qiáng)，對岸坡適應(yīng)性強(qiáng)，對適應(yīng)壩體變形和防滲有利，心墻與兩岸山體連接較簡單。面板壩河床段趾板下部為深厚覆蓋層，兩岸大部分趾板處于巖石基礎(chǔ)上，混凝土面板需要適應(yīng)大壩壩體與下部深厚覆蓋層之間的不均勻沉降之外，同時還需要適應(yīng)趾板由于河床與岸坡段下部不同基礎(chǔ)之間的不均勻沉降?；A(chǔ)地質(zhì)條件較差，接縫多，適應(yīng)不均勻變形能力較差，易產(chǎn)生裂縫，由于兩岸山體地形起伏較大，表部為強(qiáng)風(fēng)化巖石，趾板與岸坡連接較困難，趾板開挖量大、混凝土工程量大。因此，瀝青混凝土心墻砂礫石壩較優(yōu)。

（2）基礎(chǔ)開挖和防滲處理

瀝青心墻下設(shè)心墻混凝土基礎(chǔ)，河床兩岸心墻混凝土基礎(chǔ)開挖至強(qiáng)風(fēng)化層上限以下的較堅硬、較完整巖石上，壩基開挖工程量過大，設(shè)計開挖深度1—2m，其下砂礫石層再做混凝土防滲墻+帷幕灌漿防滲處理。鋼筋混凝土面板砂礫石壩在河床處段由于砂礫石厚達(dá)50m，設(shè)計開挖深度2—3m，其下砂礫石層先進(jìn)行高噴灌漿處理，再做混凝土防滲墻+帷幕灌漿防滲處理，基礎(chǔ)工程量大。

新疆地區(qū)年最高最低氣溫相差大，鋼筋混凝土面板裸露在外部，面板容易凍裂、老化，而瀝青混凝土心墻包裹在砂礫石中，不與空氣接觸，瀝青老化問題較輕，瀝青混凝土心墻防滲性能好。

因此從基礎(chǔ)處理和防滲處理方案上看，瀝青混凝土心墻砂礫石壩的基礎(chǔ)工程量小，防滲帷幕線較短，優(yōu)于混凝土面板砂礫石壩。

（3）天然建筑材料

兩種壩型均為成熟壩型，都能充分利用當(dāng)?shù)氐牟牧?；壩體樞紐布置條件基本一致，在主河床布置攔河壩，樞紐布置形式也相同。

（4）抗震安全性

大壩地震設(shè)計烈度為8度，鋼筋混凝土面板壩、瀝青混凝土心墻壩防滲體均有較好抗震性。瀝青混凝土心墻砂礫石壩利用柔性材料作為防滲體，但高壩心墻拱效應(yīng)較突出，具有很強(qiáng)適應(yīng)變形和不均勻沉陷能力，有一定的自愈性，抗震性能相對較好，不易破損，但破損后修復(fù)較難；鋼筋混凝土面板壩主要通過剛性的趾板與基礎(chǔ)連接進(jìn)行防滲，適應(yīng)變形和不均勻沉陷能力較差，抗震性能相對較差，容易產(chǎn)生裂縫，鋼筋混凝土面板雖修復(fù)相對較方便，但實際修復(fù)也困難大，需要放空水庫，將大壩上游設(shè)置的蓋重區(qū)和覆蓋區(qū)挖開后方能修復(fù)鋼筋混凝土面板。從抗震來看，瀝青混凝土心墻砂礫石壩略優(yōu)。

（5）施工條件

面板壩面板鋪筑設(shè)備復(fù)雜，必須注重施工質(zhì)量，提高面板抗裂性，部分工程摻加了聚丙纖維；心墻屬于小面積厚層平面鋪筑，保溫性好，設(shè)備簡單且受氣候影響較小。鋼筋混凝土面板施工較快，但面板壩需要等壩身沉降穩(wěn)定后，方能鋪筑混凝土面板，而心墻壩在心墻完工后，隨即填筑剩余砂礫石壩殼料。雖然瀝青混凝土心墻施工與壩體施工有干擾，但心墻攤鋪施工相對簡單，適應(yīng)低溫施工。工期上瀝青混凝土心墻砂礫石壩較短。

烏斯通溝年內(nèi)溫差和晝夜溫差均很大，鋼筋混凝土面板養(yǎng)護(hù)要求較高，氣溫低于5℃不能施工，溫控措施投入較大，防滲體施工質(zhì)量難以保證，且混凝土面板壩需單獨設(shè)置圍堰，導(dǎo)流洞需要延長31m，而瀝青混凝土心墻砂礫石壩圍堰為大壩主體的一部分，故面板壩導(dǎo)流費用明顯高于瀝青心墻壩方案。

從施工條件綜合比較分析，瀝青混凝土心墻砂礫石壩略優(yōu)于混凝土面板砂礫石壩。

（6）工程運(yùn)行維護(hù)條件

運(yùn)行期混凝土面板發(fā)生凍裂對壩體防滲較不利，而瀝青混凝土心墻砂礫石壩由于防滲體位于壩體內(nèi)部，受冬季冰凍影響較小。從運(yùn)行維護(hù)方面來比較，瀝青混凝土心墻砂礫石壩較優(yōu)。

（7）投資經(jīng)濟(jì)性比較

土建投資方面，面板壩壩體工程量相對較少，但趾板處開挖回填工程量相對較大；瀝青混凝土心墻砂礫石壩方案投資為13 749.87萬元，鋼筋混凝土面板砂礫石壩方案投資為13 225.27萬元，比心墻壩省524.60萬元。

綜合以上論證，經(jīng)濟(jì)上兩種壩型相差不大，心墻壩比面板壩僅多總投資的1.45%，但在適應(yīng)地形能力、抗震性能、防滲性能、基礎(chǔ)處理及工程維護(hù)等方面，瀝青混凝土心墻砂礫石壩均優(yōu)于鋼筋混凝土面板砂礫石壩方案，綜合考慮推薦壩型為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。

3 結(jié)論

（1）通過從地質(zhì)地形條件、基礎(chǔ)開挖及防滲、天然建筑材料、抗震安全性、施工條件、后期運(yùn)行條件及工程造價等方面比選，瀝青混凝土心墻砂礫石壩防滲工程量小，防滲、抗震性能好，與兩岸壩肩搭接容易，心墻在壩體內(nèi)，與外界不接觸，抗老化性能好，因此，烏斯通溝水庫選擇瀝青混凝土心墻砂礫石壩作為建設(shè)壩型。

（2）新疆地區(qū)年內(nèi)溫差和晝夜溫差均很大，冬季寒冷，夏季酷熱，瀝青混凝土心墻砂礫石壩受嚴(yán)寒冰凍及酷暑影響較小，冬季可施工，總施工期短，且瀝青混凝土心墻包裹在砂礫石中，防滲效果好，受冬季冰凍影響也較小。

（3）壩型選擇取決于壩址的地形地質(zhì)條件，實例中采用傳統(tǒng)的方法對水庫壩型進(jìn)行比選，適用于受地形條件限制的水庫工程。今后應(yīng)考慮結(jié)合壩址的基本地質(zhì)條件，選擇合適的壩型比選指標(biāo)，用建模軟件建立比選模型，提高計算速度，優(yōu)化建設(shè)方案，為決策者的方案選定提供量化參考。