淺談莫莫克水利樞紐工程混凝土面板壩設(shè)計(jì)

雷震霄

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

莫莫克水利樞紐是提孜那甫河上的控制性工程，主要承擔(dān)防洪、灌溉兼顧發(fā)電的工程任務(wù)。總庫(kù)容為0.927 億m3，正常蓄水位為1894.0 m，死水位1873.0 m，電站總裝機(jī)容量為26.0 MW，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)2988 h，多年平均年發(fā)電量為0.777 億kW·h。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。樞紐工程由混凝土面板壩、表孔溢洪道、泄洪沖沙洞、發(fā)電引水洞、電站廠房等組成。樞紐工程平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 樞紐工程平面圖

混凝土面板壩最大壩高70.0 m，位于高地震區(qū)，場(chǎng)地基本烈度Ⅷ度。混凝土面板壩具有良好的抗震性能，主堆石體在混凝土防滲面板的保護(hù)下處于干燥狀態(tài)，能抵抗強(qiáng)震而產(chǎn)生的小變形，壩體穩(wěn)定性好。

壩址區(qū)河床河谷呈“U”型，河谷谷底寬270 m，河床段覆蓋層最大深度為15 m 左右，巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵礫石層和分布于地表和兩岸坡腳的砂質(zhì)低液限粉土和礫質(zhì)土，下伏基巖為西域組礫巖，基巖頂板高程1831 m～1834 m，礫巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部泥鈣質(zhì)膠結(jié)，屬軟巖，遇水易軟化，巖層產(chǎn)狀310°NE∠25°。壩址區(qū)左岸出露地層巖性主要為第四系沖洪積低液限粉土、砂卵礫石和第三系西域礫巖。右岸岸坡高陡，岸坡1900 m 以下基巖裸露，巖性為第三系西域礫巖，與岸坡近正交80°左右，傾向下游。

2 面板壩設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

本工程壩址區(qū)位于提孜那甫河中上游河段，距莫莫克村下游約1.8 km，兩岸岸坡不對(duì)稱，河谷呈“U”字型，河谷相對(duì)較窄，左岸邊坡較緩，巖體較完整，未發(fā)現(xiàn)有大的不穩(wěn)定體和卸荷體；右岸岸坡坡度60°左右，高度不大，邊坡穩(wěn)定性較好。

砼面板壩壩頂高程1897.0 m，最大壩高70.0 m，壩頂長(zhǎng)度397.0 m。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層區(qū)、特殊墊層小區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。大壩上游壩坡采用1∶1.6；本工程設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，為提高抗震性，下游壩坡在高程1877.0 m 以上為1∶1.6，在1877.0 m高程以下為1∶1.5，下游設(shè)置“之”字型上壩公路，寬8.0 m，下游綜合壩坡為1∶2.0。樞紐工程縱斷面圖見(jiàn)圖2。

2.2 壩體分區(qū)設(shè)計(jì)

壩體分區(qū)的目的是在保證大壩安全的前提下力求經(jīng)濟(jì)，依據(jù)當(dāng)?shù)夭牧闲再|(zhì)設(shè)計(jì)壩體剖面及分區(qū)，充分發(fā)揮當(dāng)?shù)夭牧蠅蝺?yōu)勢(shì)，使壩體安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。樞紐工程橫面圖見(jiàn)圖3。

1）上游蓋重區(qū)

位于上游鋪蓋區(qū)上游，用于穩(wěn)定上游鋪蓋區(qū)邊坡，頂高程1854 m，頂寬10 m，上游坡度1∶2.5，可采用開(kāi)挖棄渣等任意粗粒材料，蓋重區(qū)總填筑量4.3 萬(wàn)m3。

圖2 樞紐工程縱斷面圖

圖3 樞紐工程橫斷面圖

2）上游鋪蓋區(qū)

位于面板上游，作用是形成面板上游的防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)，并與特殊墊層區(qū)一起起到淤堵開(kāi)裂的周邊縫、實(shí)現(xiàn)自愈的作用，頂高程1849 m，頂寬5.0 m，上游坡度1∶2，鋪蓋區(qū)總填筑量 5.2 萬(wàn) m3。

3）墊層區(qū)

設(shè)于面板下游，水平寬度4 m。墊層料粒徑要求dmax≤80 mm，小于5 mm 的含量為35%～55%，小于0.075 mm 的含量宜為4%～8%。采用C4-2 砂礫石料場(chǎng)篩分獲得，墊層區(qū)填筑總量0.91 萬(wàn) m3。

4）特殊墊層小區(qū)

位于周邊縫下部，為5 m 寬、3 m 高的梯形小區(qū)，其作用是反濾周邊縫滲漏水流中的上游鋪蓋區(qū)土料，阻塞滲漏通道。特殊墊層小區(qū)粒徑要求dmax≤40 mm，由C4-2 料場(chǎng)篩分獲得，特殊墊層小區(qū)總填筑量0.5 萬(wàn)m3。

5）主堆石區(qū)

位于墊層下游，是面板的主要支撐結(jié)構(gòu)。粒徑要求小于0.075 mm 的含量小于8%，采用C4-2 砂礫石料場(chǎng)料，主堆石區(qū)填筑總量為147.2 萬(wàn)m3，填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)密度Dr≥0.85。

由于主堆石區(qū)的壩殼砂礫石料采用C4-2 料場(chǎng)的砂礫石料，擊實(shí)后其滲透系數(shù)試驗(yàn)值為1.7×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，平均值為5.7×10-2cm/s，具有透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，可不設(shè)排水。經(jīng)計(jì)算壩殼料與壩基料之間滿足排水反濾要求，因此壩殼料與壩基之間不再另設(shè)排水反濾料。C4-2 砂礫石填筑料場(chǎng)有用層儲(chǔ)量為420.8 萬(wàn)m3，儲(chǔ)量滿足初設(shè)需求，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足壩殼砂礫料要求，可采用C4-2 砂礫石填筑料場(chǎng)砂礫石全料作為壩體上游壩殼料填筑材料。

6）次堆石區(qū)

位于壩體下游側(cè)，根據(jù)地震工況的壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果以及滲流計(jì)算成果，確定利用料頂部高程1865.0 m，遠(yuǎn)離壩頂上部抗震薄弱區(qū)，下部高程1853.0 m，高于下游浸潤(rùn)線，上游坡度1∶0.75，下游坡度1∶1.5，主要來(lái)源為河床部位，確定利用料填筑標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度Dr≥0.85。

7）排水棱體

廠房位于大壩下游坡腳約100 m 處，廠房左右岸尾水擋墻與左岸溢洪道和右岸護(hù)坡相連形成封閉整體伸入原河道，廠房尾水及河道回水不會(huì)沖刷下游坡腳，大壩下游坡腳與廠房平臺(tái)之間填筑開(kāi)挖利用料，填筑高程與廠房平臺(tái)一致，因此壩腳不再設(shè)置排水棱體等措施保護(hù)坡腳。

8）壩料層間關(guān)系復(fù)核

根據(jù)以上壩體各分區(qū)的反濾排水復(fù)核，各壩料之間即滿足保土性準(zhǔn)則，又滿足自由排水，壩殼砂礫料、墊層料、墊層小區(qū)料、上游鋪蓋及覆蓋層砂礫石之間滿足層間關(guān)系要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）混凝土面板

混凝土面板厚度按規(guī)范公式確定：t＝0.3＋0.0035H，頂部厚度為0.3 m，面板底部厚度為0.5 m。面板砼采用C30F300W8，混凝土面板內(nèi)設(shè)單層雙向鋼筋網(wǎng)，其豎向配筋率為0.5%，水平向配筋率為0.4%，防止混凝土被擠壓破碎而剝落。面板寬度：河床部位受壓區(qū)寬為12 m（24 塊），岸坡部位受拉區(qū)面板寬 6 m（左岸 9 塊，右岸 6 塊）。

2）趾板

趾板采用C30F300W8，趾板寬度：高程1859 m 以下寬度為8 m；高程1859 m 以上寬度為6 m，趾板厚度為0.6 m。基巖上趾板內(nèi)部設(shè)單層雙向鋼筋，含鋼率為0.3%。趾板底部設(shè)置錨筋為HRB400 鋼筋直徑28 mm，將趾板錨固在基巖上。

2.4 壩基處理

1）趾板基礎(chǔ)開(kāi)挖

趾板地基開(kāi)挖面力求平順，避免陡坎和反坡。趾板上方的巖質(zhì)岸坡應(yīng)按穩(wěn)定邊坡或經(jīng)加固處理后的穩(wěn)定邊坡開(kāi)挖以確保運(yùn)行期安全。左、右岸岸坡和河床段壩段趾板基礎(chǔ)均置于弱風(fēng)化層巖石基礎(chǔ)上。趾板巖石開(kāi)挖邊坡為1∶0.3～1∶0.5，覆蓋層開(kāi)挖邊坡為1∶1.5。岸坡的風(fēng)化巖塊、坡積物、殘積物和邊坡不穩(wěn)定體應(yīng)按要求開(kāi)挖清理，并應(yīng)在填筑前完成，禁止邊填筑邊開(kāi)挖。清除出的廢料，應(yīng)全部運(yùn)出壩基范圍以外。

2）壩殼基礎(chǔ)處理

壩殼基礎(chǔ)處理應(yīng)作到改善地基表面的平整度，確保堆石與岸坡接觸面變形均勻，減小陡邊坡對(duì)壩體變形的不利影響，從而減小陡岸壩體堆石變形梯度。岸坡段清除壩體基礎(chǔ)巖石裸露處的松散塌滑體和兩岸碎石土層，左右岸堆石體地基在趾板內(nèi)坡至壩軸線范圍內(nèi)的岸坡開(kāi)挖成不陡于1∶0.5 的坡度。河床段砂卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)，無(wú)地震液化問(wèn)題，承載力可滿足大壩要求，可作為土石壩壩基利用。河床砂礫石清除表層2 m 覆蓋層。

3）基礎(chǔ)灌漿

固結(jié)灌漿的目的是提高表層基巖的整體性，在趾板底部設(shè)置固結(jié)灌漿，孔距、排距3 m。根據(jù)趾板下的基巖情況，確定固結(jié)灌漿的灌漿深度為5 m。考慮下伏基巖為西域組礫巖，礫巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部泥鈣質(zhì)膠結(jié)，屬軟巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，連通率較低，且成層狀，故帷幕灌漿孔距設(shè)為2.0 m，單排，確定大壩河床基礎(chǔ)及左右岸帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)為3 Lu 以下5 m。在f7斷層段范圍內(nèi)加強(qiáng)帷幕灌漿，基礎(chǔ)帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)按相應(yīng)壩段1 倍壩高深度控制。

4）斷層處理

根據(jù)本階段地質(zhì)勘察成果，左岸順河發(fā)育f7 斷層，該斷層沿壩址左岸坡腳與壩軸線呈80°斜交，斷層350°NE∠80°～85°，帶寬1.0 m～1.5 m，以碎裂巖和糜棱巖為主，膠結(jié)較好，見(jiàn)斜擦痕，具壓扭性，斷層總長(zhǎng)約300 m，無(wú)活動(dòng)性，考慮到本工程f7 斷層破碎帶傾角較陡，長(zhǎng)度約為300 m，且?guī)拑H為1.0 m～1.5 m，組成物質(zhì)以軟巖構(gòu)造巖為主，對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度、壓縮變形和滲流有一定影響，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319-2018）規(guī)定，確定采用混凝土塞加固，混凝土塞的深度1.5 m，擴(kuò)挖混凝土塞寬度取為2.0 m，在壩基范圍內(nèi)對(duì)f7 斷層進(jìn)行斷層塞處理，并向上下游適當(dāng)延伸。在趾板下部斷層范圍內(nèi)加強(qiáng)帷幕灌漿，基礎(chǔ)帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)按相應(yīng)壩段1 倍壩高深度控制。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合莫莫克水利樞紐工程概況，從總體布置、壩體分區(qū)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩基處理等方面對(duì)混凝土面板壩進(jìn)行設(shè)計(jì)，樞紐工程效果圖見(jiàn)圖4。

圖4 樞紐工程效果圖