分離式混凝土面板砂礫石壩在平原水庫圍壩中的應用

王 勇

（新疆哈密地區水利水電勘測設計院 新疆 哈密 839000）

目前平原水庫圍壩的壩型一般采用碾壓式土石壩，主要有均質土壩，土質防滲體分區壩，土工膜防滲壩這三種基本形式。近些年在哈密地區平原水庫圍壩中新建了兩座分離式混凝土面板砂礫石圍壩，運行良好，取得很好的社會效益和經濟效益。兩座圍壩的主要特性見下表1。

現就西黑溝望海水庫圍壩的設計特點和經驗總結做個簡要論述。

1 西黑溝望海水庫工程概況

西黑溝望海水庫位于新疆哈密巴里坤哈薩克自治縣西黑溝流域山前沖、洪積扇地帶的洼地處，是一座具有農業灌溉、工業供水、生態、旅游等綜合效益的?。ㄒ唬┬退こ?。工程主要任務是保證下游灌區3萬畝飼草料基地的灌溉用水和巴里坤西部礦區500萬m3/a的工業用水。水庫為Ⅳ等?。ㄒ唬┬凸こ?，總庫容624.75萬m3，興利庫容570.83萬m3。水庫于2010年5月開工建設，2011年10月下閘蓄水，2012年10月工程基本完工。下閘至今多年來水庫運行良好。

2 工程地質條件

工程區位于天山東段的巴里坤山北坡的山前低山地帶和洪積扇地帶，由南向北依次堆積中更新統，上更新統和全新統洪積扇堆積層。區內地層主要由古生代石炭系地層和新生代第四系地層組成。工程區距區域性構造斷裂洛包泉大斷裂3.0km，巴里坤塔格～天山廟大斷裂13.0km，區域構造性較差。工程區地震烈度為Ⅷ度。

庫區位于山前沖、洪積扇地帶的洼地，地形坡度5°左右，洼地中間發育幾條沖溝。庫區表層沉積一層0.30m～1.20m厚土黃色粉質粘土層,有牧草生長，根系深入土層0.50m～0.70m。土層以下沉積巨厚的漂、卵石地層，電測深判斷該層厚度大于100.00m。漂、卵石母巖成分為花崗巖、凝灰巖、玄武巖、安山巖等。漂卵石磨園度較好，探坑發現最大漂石直徑0.90m。根據現場注水試驗，區內的卵、礫石層滲透系數5.0×10-3cm/s～8.3×10-3cm/s屬強透水層。水庫庫區、壩基滲漏是該項工程主要問題。

圖1 西黑溝望海水庫樞紐平面布置圖

表1 平原水庫分離式混凝土面板砂礫石圍壩特性表

3 樞紐布置

西黑溝望海水庫為灌注式平原水庫,水庫樞紐主要由節制分水閘、夏季引水渠、冬季引水管、分離式混凝土面板砂礫石圍壩、泄洪涵管、放水涵管、庫區水平防滲、工業輸水管、農業輸水管、上游防洪堤等組成。水庫樞紐平面布置圖見圖1。

4 方案比選

4.1 壩型選擇

平原水庫圍壩壩型一般為均質土壩、土質防滲體分區壩、土工膜防滲壩這三種基本形式。本工程周圍50km范圍內無粘土，當地砂礫石料極為豐富，壩型的選擇以當地材料壩為宜。由于該區域地震烈度為Ⅷ度,且地層為卵、礫石地層,垂直滲漏較嚴重，因此要求所選壩型具有良好的抗震和防滲性能。本工程選擇了復合土工膜斜墻壩和分離式混凝土面板砂礫石壩兩種壩型進行比選。

（1）復合土工膜斜墻砂礫石壩（比較方案）

復合土工膜斜墻砂礫石壩總壩長1648m,壩頂寬5m，最大壩高34.53m。上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶5。壩坡防滲結構由外至里依次為厚0.20m C25F300W6混凝土護坡、厚2.5m砂礫石防凍層、厚0.15m粒徑≤20m細砂礫料上墊層、300g/m2無紡布/0.5mmpE/300g/m2無紡布針刺長纖滌綸兩布一膜(PE膜)、厚0.15m粒徑≤20m細砂礫料下墊層、主填筑區、粗骨料堆積區。壩頂上游設高2.5m C25F300W6鋼筋混凝土防浪墻。上游壩腳設置寬1.5m，高0.8m趾墩。庫盤水平防滲土工膜與斜墻土工膜相連形成完整的防滲體。

（2）分離式混凝土面板砂礫石壩（選定方案）

分離式混凝土面板砂礫石壩總壩長1685.12m，壩頂寬5m，最大壩高34.93m。上游壩坡1∶1.5,下游壩坡1∶1.5。壩坡防滲結構由外至里依次為厚0.3m C25 F300W10高性能混凝土分離式防滲面板、水平寬度1m墊層、主填筑區、任意料區、粗骨料堆積區。壩頂上游設高2.5m C25F300W6鋼筋混凝土防浪墻。上游壩腳設置寬1.5m，高0.8m趾墩。庫盤水平防滲土工膜與分離式混凝土面板相連形成完整的防滲體。

（3）壩型比較

復合土工膜斜墻墻壩和分離式面板砂礫石壩都可采用當地豐富的砂礫石材料筑壩。兩壩型都具有適應地基變形，對地質條件要求低的特點，都適合建設。分離式混凝土面板砂礫石壩具有良好的抗震性能，在強震下混凝土面板可能會開裂引起滲漏，但通過主填筑區砂礫石排泄，不會威脅到壩體穩定。開裂面板發現容易，可通過對面板加固處理，重新起到防滲作用。復合土工膜斜墻墻壩在強震下復合土工膜可能撕裂，無法準確發現破裂部位造成檢修困難。復合土工膜斜墻壩壩體建筑投資為6417萬元，分離式面板砂礫石壩壩體建筑投資為6008萬元。從安全運行、檢修管理、經濟投資等綜合考慮選擇分離式混凝土面板砂礫石壩為選定壩型。

4.2 壩高確定

圍壩合理壩高是通過多方案經濟比較后確定的壩高，一般采用庫區內的土料上壩，做到挖填平衡。既增加了庫容，節省了土料運距，又減少了庫外取料開挖帶來的水土流失問題。本工程在確定壩型、庫容、壩體輪廓后，選擇不同的壩高進行試算，最終做到庫盤開挖與壩體填筑土料挖填平衡確定壩高。

5 分離式混凝土面板砂礫石圍壩設計

5.1 壩體輪廓設計

本工程圍壩為分離式混凝土面板砂礫石壩，由主壩、東副壩、西副壩組成。壩頂寬度為5m，最大壩高32.67m。壩頂總長1628.8m，其中主壩長850m,東副壩長490.6m，西副壩288.2m。壩體上游坡 1∶1.5,下游坡1∶1.5。壩頂上游設高 2.5m C25F300W10鋼筋混凝土防浪墻。壩體設置回車道3個，上壩公路從壩體的東副壩壩肩上壩。

5.2 壩體分區及壩料設計

壩體分區從上游至下游依次為墊層區、主填筑區、任意料區、粗骨料堆積區。具體設計方案如下。分離式混凝土面板砂礫石壩典型剖面圖見圖2。

（1）墊層區：為使面板在水壓力的作用下變形均勻協調設置墊層區。墊層料水平寬度1m，滿足小型碾壓機械施工。墊層料要求最大粒徑不超過100mm，小于5mm的細粒含量控制在30%～50%,小于0.075mm的顆粒含量小于8%，且級配良好。墊層相對密度≥0.85。根據庫盤料坑顆分資料，剔除粒徑大于100mm后，粒徑小于5mm以下顆粒含量平均為30.8%，小于0.075mm顆粒含量平均為1%，符合墊層料質量要求。墊層區料源為庫盤開挖料。

（2）砂礫石主填筑區：最大粒徑不大于600mm,小于5mm的顆粒含量控制在15%～35%，小于0.075mm的顆粒含量小于5%，相對密度≥0.85。根據庫盤料坑顆分資料，扣除徑大于600mm料以后，小于5mm的細粒含量平均為15.56%，小于0.075mm的顆粒含量平均為0.53%，滿足主填筑區粒徑要求。主填筑區料源為庫盤開挖料。庫盤開挖料剔除粒徑大于600mm顆粒以后的料可直接上壩。

（3）過渡區：過渡料位于墊層與砂礫石主填筑區之間，形成對墊層粒徑的過濾和反濾作用，防止墊層中細顆粒的流失，具有自由排水的功能。根據墊層料、主填筑料的顆分曲線得：D15/d85=0.14，滿足規范反濾要求。由于主填筑料滲透系數為1.7×10-2～1.7×10-1滿足排水要求，因此本工程過渡區可以省去不設。

（4）任意料區：由于墊層料，混凝土骨料料源均從庫盤的開挖料中篩取，產生了8.3萬m3的級配不良的砂礫料。如果作為棄料廢棄會發生一定的費用，同時棄渣堆放會對周圍環境帶來一定的影響。為了充分利用這部分料，在壩體主壩段壩軸線的下游側設置了任意料區。設置范圍主壩樁號BT0+450～BT1+200之間壩軸線下游側。粒徑不做要求，但要求去除草皮，樹根等有機質。相對密度≥0.85。任意料區料源為庫盤開挖后墊層料，混凝土骨料篩分后級配不良砂礫料。

（5）粗骨料堆積區：壩體填筑后剩余大于600mm的砂礫料可產生約4.2萬m3，為了充分利用庫盤開挖料，在壩下游壩腳處設置6.5萬m3粗骨料料堆積區。該區填筑料源為庫盤開挖后墊層料、主填筑料填筑后剩余的粒徑在200mm～900mm級配不良砂礫料。粗骨料料堆積區可以增強壩體穩定，同時利于排水。設置范圍在壩體斷面BT0+400～BT1+200之間下游壩腳。

圖2 分離式混凝土面板砂礫石壩典型剖面圖

5.3 分離式混凝土面板及分縫設計

5.3.1 分離式混凝土面板設計

本工程壩體的混凝土防滲面板采用分離式混凝土面板，面板厚度按公式計算：

式中,T——面板厚度，m；

H——計算斷面至面板頂部的垂直距離，m。

結合本地區已建面板壩工程經驗且考慮施工方便等原因，確定壩體上游防滲面板為30cm分離式等厚混凝土面板。面板采用高性能二級配C25F300W10混凝土，分離式面板分塊尺寸長×寬為6m×4m，面板長邊平行壩軸線，短邊垂直壩軸線鋪設。長邊混凝土面板之間采用φ16的連接鋼筋，伸入混凝土面板的長度為0.8m，間距1m。

5.3.2 分縫止水設計

（1）分離式面板板間縫

板間縫采用硬縫結構，縫間采用3mm瀝青油氈隔縫。設置頂部一道止水，頂部柔性填縫止水預留梯形斷面凹槽，上口寬80mm，下口寬60mm，深80mm，采用彈性聚氨酯（大壩專用型）填塞。面板縫底部設置寬60cm(300g/m2)無紡布。

（2）面板與防浪墻間水平縫

縫寬20mm，縫內采用L-1600型高壓閉孔板作為填縫材料。設置頂、中兩道止水,頂部柔性填縫止水預留梯形斷面凹槽同板間縫，中部設置8mm橡膠止水帶。面板縫底部設置寬60cm(300g/m2)無紡布。

（3）防浪墻之間伸縮縫

防浪墻每隔8m設置一道伸縮縫，縫內采用3mm瀝青油氈隔縫，中部設置一道8mm橡膠止水。

（4）面板與趾墩水平縫

面板與趾墩之間縫采用3mm瀝青油氈隔縫，設置頂部一道止水，頂部柔性填縫止水預留梯形斷面凹槽，采用彈性聚氨酯填塞?？p底部設置寬300g/m2無紡布。

5.4 防滲面板與防滲庫區土工膜連接設計

在壩體上游前壩腳設置趾墩，基礎要求坐在密實的原基上。趾墩為寬1.5m，高0.8m C25F300W10鋼筋混凝土，每隔8m設置一道伸縮縫。庫盤復合土工膜與壩體防滲面板采用兩道防線連接。第一道防線與趾墩連接采用錨結，由上到下結構分別為5mm鋼板壓條、φ12氯丁橡膠棒、0.5mmPE復合土工膜去布留膜、10mm氯丁橡膠片、趾墩混凝土。第二道防線與趾墩和防滲面板拋光清洗后采用KS膠粘接，彈性聚氨酯縫邊填塞角縫。

6 庫區防滲設計

本工程庫區為深厚覆蓋層強透水層，庫區防滲是水庫蓄水的關鍵。庫盤防滲面積達42萬m2，庫區內最大水頭24.4m。為了解決庫區滲漏問題，采用水平復合土工膜防滲方案。

工程復合土工膜參照計算結果，遵循規范要求，依據實驗數據，從安全運行、經濟合理、檢修方便等綜合考慮，確定選用300g/m2無紡布/0.5mmpE/300g/m2無紡布針刺長纖滌綸兩布一膜(PE膜)，幅寬4.5m，土工膜連接采用焊接?？紤]后續運行檢查漏點直觀且焊補方便，要求膜布分離。同時要求采用簡易實驗裝置，對分批入場的復合土工膜進行現場簡易實驗，檢驗入場復合土工膜質量。

工程庫盤土工膜上、下墊層料均來自庫盤開挖篩分料，為了避免墊層料的二次倒運產生費用，對庫盤開挖進行分區域、分時段開挖。庫盤開挖成形后，剔除庫盤內鋪設面粒徑大于600mm的礫石，對庫盤進行整平碾壓。庫盤膜鋪設高度為校核洪水位以上0.5m。庫盤水平防滲復合土工膜防滲結構自上而下依次為厚0.3m上墊層、300g/0.5mmPE/300g復合土工膜（兩布一膜）、厚0.3m下墊層。膜上、膜下墊層粒徑為小于40mm砂礫料。庫盤內向上游開挖坡度為1∶8，為了防止水位變動淘刷上墊層，從斜坡面至鋪膜高程上墊層以上再鋪設厚0.2m蓋重，粒徑為小于200mm砂礫料。鋪膜區內順壩軸線方向和垂直壩軸線方向，每隔20m，堆積成形高0.6m的凸土堆，成網狀分布，以適應蓄水后水壓力對膜的作用。

7 結語

通過兩座分離式混凝土面板砂礫石圍壩設計，總結經驗如下：

（1）坐落在深厚砂礫石地基上的分離式混凝土面板砂礫石壩是安全穩定的。壩基基礎密實，無軟弱夾層，不會使壩體和面板產生大的沉降。

（2）分離式素混凝土防滲面板替代了傳統的鋼筋混凝土防滲面板，其具有止水結構簡單，便于施工；板塊尺寸小，減少混凝土面板干縮和溫度裂縫；節省鋼筋用量，降低工程造價。

（3）分離式混凝土面板砂礫石圍壩防滲體主要為混凝土防滲面板、分縫止水和庫區防滲。施工中要注意這些關鍵防滲部位的連接施工。※

[1]蔣國澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩工程[M].武漢：湖北科技出版社，1977.

[2]鄧銘江,于海銘.新疆壩工建設[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]SL228-98混凝土面板堆石壩設計規范[S].