新疆TLKT水庫膠結壩設計與研究

任 強，朱 敏

(1.新疆維吾爾自治區水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.深圳市水務規劃設計院股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

水庫大壩是調控水資源時空分布、優化水資源配置的重要工程[1]，是利國利民的基礎設施建設[2]，具有防洪、灌溉、發電、城鎮供水、水產養殖等重要功能[3]。以往的壩型多采用安全性很高的混凝土重力壩[3]，但重力壩建設成本昂貴，土石壩造價低，在我國，土石壩工程在我國大壩中占比高達95%[5]，但一旦遭遇超標洪水漫頂便潰決。賈金生等[6]在2009年提出一種膠結壩新壩型，是介于土石壩和混凝土壩之間的一種新壩型，包括膠結砂礫石壩、堆石混凝土壩和膠結土壩。其筑壩材料取自現場無需篩分、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]。膠結壩新壩型可充分發揮利用當地材料，經濟性好，同時又避免了傳統重力壩材料超強過多的問題[10]，應用前景廣闊[11]。

1 工程概況

TLKT水庫位于新疆塔城地區額敏縣境內，工程主要任務是灌溉下游灌區4.8萬畝的基本農田。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，臨時導流建筑物為5級，其他臨時性水工建筑物級別為5級。設計洪水重現期為50年，最大洪峰流量70.8 m3/s，校核洪水重現期為1000年，最大洪峰流量146.0 m3/s，下游消能防沖設施標準為20 a一遇。工程區地震基本烈度為Ⅶ度，區域內地震動峰值加速度0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，主要建筑物均按Ⅶ度設防。

2 膠結壩結構設計

2.1 工程地質條件

水庫兩岸基巖條件穩固，山體寬厚，庫區與鄰谷沒有貫通的構造破碎帶，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，岸體滑坡可能性較小，水庫淹沒損失小，且誘發地震的可能性不大。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，強風化層厚度為2 m～5 m，弱風化層厚12 m～15 m。右岸巖體為鉀質花崗巖和凝灰質砂巖，巖體表面風化強烈，強風化層厚3 cm～5 cm，弱風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沖積堆積卵礫石層，顆粒呈現壓圓形，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1.8×10-2cm/s～6.2×10-2cm/s，屬強透水層，天然休止角：Φ=39°，允許水力比降0.10。對壩址區巖石的物理力學指標建議值見表1。基巖強度較高，承載力3 MPa～3.5 MPa，承載力較高。

表1 壩基弱風化巖體物理力學指標建議值表

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

2.2 現場砂礫石料料場

料場位于河流出山口下游河道中，地形平坦開闊，距壩址平均運距5.4 km，有部分便道通達壩址區，有用儲量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、凝灰巖、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%，基本滿足技術導則規定的的要求。

2.3 壩體斷面

膠結壩壩頂高程1036.50 m，全長230 m，最大壩高87 m，壩頂寬6.0 m。設計烈度為Ⅶ度，根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2005)，取最高壩段進行壩基面整體穩定和基礎應力計算，計算膠結砂礫石重度取2450 kg/m3，抗剪斷摩擦系數與凝聚力取壩體范圍混凝土/巖石綜合指標。參考國內外已建成的膠結砂礫石壩斷面(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)。

壩基面整體抗滑穩定采用抗剪斷強度計算公式計算：

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；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平面的法向分值；∑P為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值。

垂直應力計算公式：

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為壩基面截面上計算點到形心軸的距離，m。

應力分析結果和抗滑穩定分析結果見表2。

表2 不同坡比斷面抗滑穩定與應力計算結果

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，壩踵均無拉應力，壩踵豎向應力不超過0.75 MPa，壩址豎向應力不超過1.89 MPa。按照4倍安全系數考慮，壩體材料強度設計指標取為C1808 MPa是滿足應力安全要求的。

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)，按抗剪斷計算公式計算得出的壩體抗滑穩定安全系數，在基本組合情況下K不應小于3.0，本工程所有坡比下安全系數都大于3.0，滿足抗滑穩定安全要求。

計算結果表明，由于弱風化花崗巖、凝灰質砂巖巖性較好，采用綜合坡比1∶1.2的斷面，壩體的穩定和當前強度設計仍有較大安全裕度。

考慮到膠結砂礫石壩存在層面抗滑要求，水庫膠結壩上游壩坡取為1∶0.5，下游壩坡取為1∶0.7。下一步的優化設計中，壩頂可采用部分直立斷面，以進一步減小斷面面積，以縮減工程量，以降低工程造價。

圖2 最大斷面圖，補充其它位置斷面圖(1∶0.5，1∶0.7)

對1∶0.5/1∶0.7的斷面，進行各工況下抗剪斷和抗剪安全分析，結果見表3。由表3可知，抗剪斷安全系數遠超規范要求的限制，抗剪安全系數在1.8以上，遠大于規范要求的1.05。

表3 抗滑穩定計算成果表

2.4 壩體防滲設計

水庫所在河流流域地處緯度偏高的內陸地區，遠離海洋，屬溫帶大陸性氣候區，氣候嚴寒，冬長暑短，上游中山區終年積雪。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；多年平均年蒸發量1856.2 mm。膠結砂礫石壩常用的防滲方式有富膠凝砂礫石、變態混凝土、常態混凝土、瀝青混凝土掛板等，結合水庫高寒的氣候特點，為保證膠結壩的防滲和抗凍性能，采用瀝青混凝土掛板的防滲保護方式。上游防滲采用10 cm厚的C30F300W8預制鋼筋混凝土護板和澆筑式瀝青混凝土防滲板。下游壩坡為1∶0.7，表層設50 cm厚C25F300W4的現澆混凝土板。壩頂采用現澆50 cm厚C25F300W4混凝土路面，路面自上游向下游傾斜，坡度為2%。壩基范圍內的覆蓋層以及坡積物全部清除，并將壩基范圍內的強風化層全部清除使大壩坐落在弱風化層的基巖上。瀝青混凝土防滲板下設2.0 m厚，18 m寬的混凝土基礎，其余基礎采用1 m厚的富膠凝砂礫石進行回填。并在混凝土基座上布置灌漿廊道，對于壩基以下的基礎采用固結灌漿和帷幕灌漿的防滲方式。固結灌漿設置兩排，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行灌漿，布置在固結灌漿孔的中間，孔距2 m，灌漿深度按巖石吸水率ω<5 Lu以下5 m控制。清除后的岸坡進行噴錨及掛網支護處理。壩頂下游側設路沿石，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設一通向下游的排水孔。

3 筑壩材料設計

膠結壩筑壩材料的要求較低，骨料最大粒徑可達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，有利于環境保護。水庫膠結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生堿骨料反應，至于含泥量不達標的問題，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%，滿足膠結砂礫石壩含泥量小于5%的要求，凈儲量為153萬m3。

根據已建工程的成功經驗，結合當地的氣候條件、壩殼料性能，初步確定水庫膠結壩設計配合比為膠結材料水泥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 泄水結構設計

膠結壩類似于混凝土壩，允許壩內布置排水設施和檢測廊道，允許溢洪道設于壩上。因此本次膠結壩便采用此種設計方式，將泄水建筑物直接布置于壩體上，不另外設置溢洪道泄流，減少了工程占地，對工程區環境影響較小。

5 結語

本次擬建的膠結壩是已建、在建最高的膠結壩工程。經過計算分析、類比論證，給出了膠結壩的斷面設計、材料配合比、結構布置等，為類似地質地區的相近規模膠結壩設計提供參考，同時也為百米級膠結壩的設計和修建提供技術支撐。