新疆TLKT水庫膠結(jié)壩設(shè)計(jì)與研究

任 強(qiáng)，朱 敏

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

水庫大壩是調(diào)控水資源時(shí)空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程[1]，是利國利民的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[2]，具有防洪、灌溉、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等重要功能[3]。以往的壩型多采用安全性很高的混凝土重力壩[3]，但重力壩建設(shè)成本昂貴，土石壩造價(jià)低，在我國，土石壩工程在我國大壩中占比高達(dá)95%[5]，但一旦遭遇超標(biāo)洪水漫頂便潰決。賈金生等[6]在2009年提出一種膠結(jié)壩新壩型，是介于土石壩和混凝土壩之間的一種新壩型，包括膠結(jié)砂礫石壩、堆石混凝土壩和膠結(jié)土壩。其筑壩材料取自現(xiàn)場無需篩分、水洗的砂、礫、石料[7]，骨料粒徑放寬至150 mm，能充分利用天然砂礫石、基巖開挖料等[8]。該壩型水泥用量少、絕熱溫升低，在施工溫控方面可簡化處理或不處理[9]。膠結(jié)壩新壩型可充分發(fā)揮利用當(dāng)?shù)夭牧希?jīng)濟(jì)性好，同時(shí)又避免了傳統(tǒng)重力壩材料超強(qiáng)過多的問題[10]，應(yīng)用前景廣闊[11]。

1 工程概況

TLKT水庫位于新疆塔城地區(qū)額敏縣境內(nèi)，工程主要任務(wù)是灌溉下游灌區(qū)4.8萬畝的基本農(nóng)田。水庫總庫容981萬m3，為Ⅳ等小(1)型工程，永久性主要建筑物級別為4級。大壩級別為3級，其余永久性主要建筑物級別為4級，永久性次要建筑物級別為5級，臨時(shí)導(dǎo)流建筑物為5級，其他臨時(shí)性水工建筑物級別為5級。設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為50年，最大洪峰流量70.8 m3/s，校核洪水重現(xiàn)期為1000年，最大洪峰流量146.0 m3/s，下游消能防沖設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，區(qū)域內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，主要建筑物均按Ⅶ度設(shè)防。

2 膠結(jié)壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工程地質(zhì)條件

水庫兩岸基巖條件穩(wěn)固，山體寬厚，庫區(qū)與鄰谷沒有貫通的構(gòu)造破碎帶，不存在永久性滲漏問題。兩岸岸坡自然坡度均在25°～34°范圍內(nèi)，岸體滑坡可能性較小，水庫淹沒損失小，且誘發(fā)地震的可能性不大。左右岸段岸坡走向在310°～320°之間，自然坡度約為40°，相對較緩。左岸巖體為花崗巖，呈次塊狀，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為2 m～5 m，弱風(fēng)化層厚12 m～15 m。右岸巖體為鉀質(zhì)花崗巖和凝灰質(zhì)砂巖，巖體表面風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化層厚3 cm～5 cm，弱風(fēng)化層厚度則與左岸相同。河床寬為6 m，河谷25 m，地面高程965 m。河床上覆蓋的巖層為第四系全新統(tǒng)沖積堆積卵礫石層，顆粒呈現(xiàn)壓圓形，磨圓度好，中粗砂充填，天然密度2.18 g/cm3～2.21 g/cm3，天然含水率0.85%～2.0%，干密度2.14 g/cm3～2.16 g/cm3，相對密度0.64～0.78，滲透系數(shù)1.8×10-2cm/s～6.2×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水層，天然休止角：Φ=39°，允許水力比降0.10。對壩址區(qū)巖石的物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1?；鶐r強(qiáng)度較高，承載力3 MPa～3.5 MPa，承載力較高。

表1 壩基弱風(fēng)化巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

壩址區(qū)廣泛分布第四系全新統(tǒng)坡積、洪積和沖積等成因的松散堆積物。全新統(tǒng)沖積物巖性為含漂石的砂卵礫石層，全新統(tǒng)坡積物巖性為碎塊石土，全新統(tǒng)洪坡積物巖性為碎塊石土。

2.2 現(xiàn)場砂礫石料料場

料場位于河流出山口下游河道中，地形平坦開闊，距壩址平均運(yùn)距5.4 km，有部分便道通達(dá)壩址區(qū)，有用儲(chǔ)量425萬m3。巖性為卵石混合土，青灰色，稍濕，稍密，顆粒多呈次棱角形，磨圓度差，顆粒大小混雜，分選性較好，中粗砂充填，巖石成份以凝灰砂巖、凝灰?guī)r、花崗巖主，天然密度2.03 g/cm3，天然含水率2.3%，干密度2.0 g/cm3。料場上游顆粒較粗大，砂礫石層多含有800 cm～1200 cm粒徑的顆粒。本次勘察采取壩殼料樣品6組，其級配曲線見圖1。

圖1 砂礫石料顆粒級配曲線

從顆粒粒徑分析看，5 mm～40 mm的砂礫石含量約為49%，小于5 mm的顆粒含量為22%，基本滿足技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的的要求。

2.3 壩體斷面

膠結(jié)壩壩頂高程1036.50 m，全長230 m，最大壩高87 m，壩頂寬6.0 m。設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2005)，取最高壩段進(jìn)行壩基面整體穩(wěn)定和基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算膠結(jié)砂礫石重度取2450 kg/m3，抗剪斷摩擦系數(shù)與凝聚力取壩體范圍混凝土/巖石綜合指標(biāo)。參考國內(nèi)外已建成的膠結(jié)砂礫石壩斷面(上下游基本對稱，坡比在1∶05～1∶0.8之間)，選取了四個(gè)不同的上下游坡比(1∶0.7/1∶0.7、1∶0.6/1∶0.6、1∶0.5/1∶0.7和1∶0.4/1∶0.8)。

壩基面整體抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算：

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；A為壩基接觸面截面積；∑W為作用于壩體上全部荷載對滑動(dòng)平面的法向分值；∑P為作用于壩體上全部荷載對滑動(dòng)平面的切向分值。

垂直應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：∑W為作用于壩段上或單寬壩長上全部荷載在壩基截面上法向力的總和；∑M為作用于壩段上或單寬壩長上全部荷截對壩基面截面形心軸的力矩總和；J為壩段或單寬壩長上的壩基截面對開形心軸的慣性矩，m4；A為壩段或單寬壩長的壩基面截面積，m2；X為壩基面截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m。

應(yīng)力分析結(jié)果和抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果見表2。

表2 不同坡比斷面抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表2可看出，四種不同坡比的斷面，在基本組合、校核洪水、地震工況下，壩踵均無拉應(yīng)力，壩踵豎向應(yīng)力不超過0.75 MPa，壩址豎向應(yīng)力不超過1.89 MPa。按照4倍安全系數(shù)考慮，壩體材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)取為C1808 MPa是滿足應(yīng)力安全要求的。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)，按抗剪斷計(jì)算公式計(jì)算得出的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，在基本組合情況下K不應(yīng)小于3.0，本工程所有坡比下安全系數(shù)都大于3.0，滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。

計(jì)算結(jié)果表明，由于弱風(fēng)化花崗巖、凝灰質(zhì)砂巖巖性較好，采用綜合坡比1∶1.2的斷面，壩體的穩(wěn)定和當(dāng)前強(qiáng)度設(shè)計(jì)仍有較大安全裕度。

考慮到膠結(jié)砂礫石壩存在層面抗滑要求，水庫膠結(jié)壩上游壩坡取為1∶0.5，下游壩坡取為1∶0.7。下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，壩頂可采用部分直立斷面，以進(jìn)一步減小斷面面積，以縮減工程量，以降低工程造價(jià)。

圖2 最大斷面圖，補(bǔ)充其它位置斷面圖(1∶0.5，1∶0.7)

對1∶0.5/1∶0.7的斷面，進(jìn)行各工況下抗剪斷和抗剪安全分析，結(jié)果見表3。由表3可知，抗剪斷安全系數(shù)遠(yuǎn)超規(guī)范要求的限制，抗剪安全系數(shù)在1.8以上，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的1.05。

表3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

2.4 壩體防滲設(shè)計(jì)

水庫所在河流流域地處緯度偏高的內(nèi)陸地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，屬溫帶大陸性氣候區(qū)，氣候嚴(yán)寒，冬長暑短，上游中山區(qū)終年積雪。氣溫垂直分布明顯，晝夜溫差大，氣溫隨海拔升高而遞減，遞減率約為0.2℃/100 m。額敏縣氣象站多年平均氣溫6.5℃，歷年最高氣溫41.3℃，歷年最低氣溫-42.6℃；多年平均年降水量281.3 mm；多年平均年蒸發(fā)量1856.2 mm。膠結(jié)砂礫石壩常用的防滲方式有富膠凝砂礫石、變態(tài)混凝土、常態(tài)混凝土、瀝青混凝土掛板等，結(jié)合水庫高寒的氣候特點(diǎn)，為保證膠結(jié)壩的防滲和抗凍性能，采用瀝青混凝土掛板的防滲保護(hù)方式。上游防滲采用10 cm厚的C30F300W8預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)板和澆筑式瀝青混凝土防滲板。下游壩坡為1∶0.7，表層設(shè)50 cm厚C25F300W4的現(xiàn)澆混凝土板。壩頂采用現(xiàn)澆50 cm厚C25F300W4混凝土路面，路面自上游向下游傾斜，坡度為2%。壩基范圍內(nèi)的覆蓋層以及坡積物全部清除，并將壩基范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)化層全部清除使大壩坐落在弱風(fēng)化層的基巖上。瀝青混凝土防滲板下設(shè)2.0 m厚，18 m寬的混凝土基礎(chǔ)，其余基礎(chǔ)采用1 m厚的富膠凝砂礫石進(jìn)行回填。并在混凝土基座上布置灌漿廊道，對于壩基以下的基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿的防滲方式。固結(jié)灌漿設(shè)置兩排，排距2 m，孔距2 m，深度為5 m。帷幕灌漿的范圍沿灌漿廊道軸線進(jìn)行灌漿，布置在固結(jié)灌漿孔的中間，孔距2 m，灌漿深度按巖石吸水率ω<5 Lu以下5 m控制。清除后的岸坡進(jìn)行噴錨及掛網(wǎng)支護(hù)處理。壩頂下游側(cè)設(shè)路沿石，斷面尺寸為0.2 m×0.3 m，高出壩頂0.3 m，路沿石每隔5 m設(shè)一通向下游的排水孔。

3 筑壩材料設(shè)計(jì)

膠結(jié)壩筑壩材料的要求較低，骨料最大粒徑可達(dá)150 mm，骨料選擇范圍寬，充分利用天然砂礫石、基巖開挖料等，經(jīng)粗篩粗拌、滿足一定要求即可用來筑壩，做到零棄料或者少棄料，有利于環(huán)境保護(hù)。水庫膠結(jié)壩砂礫石骨料均來自于壩址河床砂礫料。

表4 砂礫石粗骨料質(zhì)量評定表

建議工程使用低堿水泥(含堿量小于0.60%)或摻加20%以上的粉煤灰，通過這種措施可有效抑制混凝土產(chǎn)生堿骨料反應(yīng)，至于含泥量不達(dá)標(biāo)的問題，可以通過水洗骨料解決。顆粒大于150 mm顆粒含量平均值為29%，小于150 mm顆粒度額砂礫石含泥量(<0.75 mm)2.1%～4.2%，滿足膠結(jié)砂礫石壩含泥量小于5%的要求，凈儲(chǔ)量為153萬m3。

根據(jù)已建工程的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、壩殼料性能，初步確定水庫膠結(jié)壩設(shè)計(jì)配合比為膠結(jié)材料水泥50 kg/m3～60 kg/m3，粉煤灰摻量50 kg/m3～60 kg/m3，用水量90 kg/m3～100 kg/m3，砂礫石料為2200 kg/m3～2300 kg/m3，并添加適量專用外加劑。砂礫石料最大粒徑150 mm。

4 泄水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠結(jié)壩類似于混凝土壩，允許壩內(nèi)布置排水設(shè)施和檢測廊道，允許溢洪道設(shè)于壩上。因此本次膠結(jié)壩便采用此種設(shè)計(jì)方式，將泄水建筑物直接布置于壩體上，不另外設(shè)置溢洪道泄流，減少了工程占地，對工程區(qū)環(huán)境影響較小。

5 結(jié)語

本次擬建的膠結(jié)壩是已建、在建最高的膠結(jié)壩工程。經(jīng)過計(jì)算分析、類比論證，給出了膠結(jié)壩的斷面設(shè)計(jì)、材料配合比、結(jié)構(gòu)布置等，為類似地質(zhì)地區(qū)的相近規(guī)模膠結(jié)壩設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也為百米級膠結(jié)壩的設(shè)計(jì)和修建提供技術(shù)支撐。