基于新疆地區小型水庫大壩設計要點研究

◎古麗孜巴·艾尼 新疆維吾爾自治區水資源中心

1.工程概況

研究水庫決定采取混凝土面板堆石壩進行設計。水庫壩頂的高度為204m，正常標準的水位在200m，壩高最高14m。水庫總庫容達到585萬m3，壩高和壩長以及壩頂寬分別為38.55m、420m、6.0m，并在大壩頂部上游設立L型的混凝土防浪墻。壩體主要是均質土壩，以及上游的排水溝，上游坡比的比例1：3，而壩體的分區則主要是土料、墊層、反濾料、排水體。另外，為提高后期對大壩檢修時的便利性，在防浪墻的上游構建1m的通道。在對水庫大壩進行設計時主要參考了定居興牧水庫工程的相關設計參數（表1）。

表1 水庫大壩設計參數特性

2.水庫壩頂的構造設計

壩頂設計必須綜合性的考慮多個方面的需求，例如運行的需求、主要結構的設立、壩頂的交通需求、施工的情況等等，依據以往的經驗，水庫壩頂的寬度一般在5～8m的范圍內。與本水庫的實際現狀相結合決定壩頂寬度為6.0m。為便利于后期的交通在壩頂安置碎石層（厚度35cm），并在碎石層上鋪混凝土（厚度30cm）。本水庫大壩的建設主要使用振動平碾與凸碾，并與創毛機和灑水車相互配合，分層鋪土并重復碾壓。為方便大壩壩頂排雨水，從壩頂面的中間位置分別向兩側設立3%的傾斜度。防浪墻的高度必須超水庫理論最高水位，另加設寬度1m的通道，進而方便后期的定期檢查。本水庫選擇L形的防浪墻，并使用鋼筋混凝土結構來確保防浪墻的穩定性。

3.水庫筑壩材料和壩體分區設計

不同區域和水壓的條件下，堆石體承載的力學特性差異大，進而對壩體造成不同程度的影響。針對于此，并滿足多個方面的需求，例如力學性能、施工工藝等，所以把壩體分成以下幾部分：主堆石區、墊層區、過渡區、下游堆石區。

（1）墊層區：墊層區是壩體十分重要的一部分，發揮的作用也十分大。本水庫的墊層區寬度4.0m，使用石英砂巖為原材料。而為確保密實度和強度，要求使用的石英砂巖的顆粒直徑最大不能超出0.8cm，而50mm直徑的石英砂巖則必須達到總成分的40～50%。另外，為了避免填充后的縫隙過大而出現滲漏的情況，于趾板的周邊縫底使用粒徑低于0.4cm的材料予以填充，并確保填充的密實度。

（2）過渡區：該區主要在墊層區和主堆石區間起平穩的過渡作用。墊層區和主堆石區所使用的填充料，其變形的性質和強度具有一定的差異性，所以需要在兩者間建立過渡區。填充的材料應當選擇硬度較高，且級配良好的碎石，而粒徑則需要比墊層區和主堆石區的粒徑大。在相關的水庫設計中表明，如果主堆石區的材料使用為硬巖堆石料則必須設立過渡區。本水庫的水平寬為4.0m，過渡區使用的填充材料粒徑在15～30cm范圍內，主要使用的材料為人工開采破碎后的碎石。

（3）主堆石壩區：主堆石壩區是面板壩最為核心的部位，其承載面板壩受到的水流沖擊。所以在主堆石壩區使用的填充料應當使用剛度高且耐磨的材料，并且還要具有較強的抗剪切能力，進而可以更好的適應惡劣環境。當下在主堆石壩的級配設計過程中，依據和水庫地質相同的項目進行參考分析。本水庫確定級配為：＜6mm顆粒含量小于25%，＜1mm顆粒含量小于10%，此級配可以確保主堆石壩料綜合性能更高。

（4）下游堆石區：此區的作用主查確保大壩的穩定和排水順暢。本水庫于壩體的下游高程507.5m位置設立下游堆石區，以此來進行水體的排泄。下游堆石區的頂部寬度6.5m，上游與下游的坡度全部設計為1：0.5。

4.混凝土面板設計

混凝土面板是有效確保面板壩的防滲所在，所以對混凝土面板的防滲性具有較高的標準。通常情況下要求混凝土面板具有抗剪切、耐久性要好的特點。

（1）面板厚度。為利于后續的施工，并提高質量，所以對混凝土面板的厚度必須在合理的標準范圍內。在確保混凝土面板的厚度時，要求需要有空間安置鋼筋與止水，與此同時，還需要具有一定的耐久性，以及高抗滲的性能。另外，在符合上述的要求同時可以對面板的厚度進行減少，進而減少混凝土的用料，最終降低了成本的投入。通常情況下，中低高的大壩厚度選擇范圍在0.3～0.4m厚。本水庫的混凝土面板確定厚度0.3m。

（2）面板混凝土設計及配筋。依據以往的相關工程項目的經驗，要求面板的混凝土強度高于C25，抗滲能力高于W8。與本工程的實際現狀結合，確定本水庫的面板混凝土局部使用雙層配筋的方法，而混凝土的等級則確定是C30，進而確保大壩的強度。本水庫的抗滲等級設定為W10，確保抗滲的性能。面板層使用單層配筋，實際的配筋需要根據力學的計算進行配比。

5.趾板設計

（1）趾板安置。通常情況下，趾板的安置有兩種，一是平趾板，另一種為斜趾板。平趾板在當前的工程中使用最為廣泛，具體的方案：趾板等高線與基準線呈90°。平趾板最大的優點是可以提高施工的工作效率，并減少鉆孔和灌漿施工的難度，還可以提供有效的排水空間，降低基巖的風化，所以本水庫最終決定采取平趾板的工藝。

（2）趾板結構。設計巖石地基上趾板時必須先明確容許水力梯度，以此來確保結構施工的質量。與本水庫的現實情況相結合，并經過詳細計算確定趾板寬5m。另外，巖石地基上的趾板，其厚度小于連接起來面板的厚度，最小的厚度高于0.3m。

（3）趾板分縫、配筋。趾板的結構常見使用的是連續式。此結構對受溫度影響而造成的縫隙能夠擁有較高的抵抗性，可以確保趾板的穩定。通常情況下，連續式的施工縫依據冷縫進行處理，另外不設止水，鋼筋通過。本水庫的趾板運用單層鋼筋配筋，并且各向鋼筋量的控制要求在理論值的0.4%，對于趾板的保護層要求厚度150mm。為確保配筋強度，首先開始灌漿作業，然后把直徑30mm鋼筋予以插入，鋼筋的間距為0.8m。

6.結語

當前國內對于水利的發展十分重視，因此在后續的一段時期內會興建大批的小型水庫。而國內的新疆地區，其受制于該地區的各種因素限制，所以在設計時需要更高的標準。本文通過對實際的水庫設計進行分析，從壩頂構造、筑壩材料、壩體分區、趾板等多方面的開展設計要點的討論分析，最終與當地的實際情況結合設計大壩，進而實現了水庫項目的成本投入較低，并且取得的效果更好。