浅谈康苏沟水库大坝设计

苏彬

（中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐，830000）

浅谈康苏沟水库大坝设计

苏彬

（中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐，830000）

康苏沟水库海拔较高、有效施工期较短、夏季降雨较多，采用沥青混凝土心墙作为大坝的防渗体，具有施工较快、防渗效果较好、天气对施工影响较小等优势，在当地水库建设中得到广泛应用。

水库；沥青混凝土心墙坝；配合比

1 项目概况

1.1 工程概况

康苏沟水库位于新疆昭苏境内，坝址位于康苏沟出山口上游约9.2 km处，距七十七团团部35 km，距伊宁市260 km。地理坐标东经80°48′48″，北纬43°14′23″。行政区属伊犁哈萨克自治州昭苏县，距昭苏县45 km。

康苏沟是特克斯河在中方北岸的一条支流，隶属于新疆建设兵团第四师七十七团，地理坐标为东经80°48′～80°52′、北纬43°06′～43°13′。康苏沟位于七十七团中部，发源于沙尔诺海山，由北向南由大小4条支流汇流而成。康苏沟全长44 km，进入七十七团后，分为若干支流，流经东科村（原址泉河镇）旁的沼泽地，经过团部东侧流入特克斯河。康苏沟以降水、山泉补给为主，集水面积89.8 km2。

1.2 工程规模及设计标准

康苏沟水库是一座以灌溉为主、兼顾防洪的拦河式水库，设计总库容315×104m3，设计水平年（2015年）控制灌溉面积17.33 km2，根据SL 252-2000《水利水电工程等级划分标准及洪水标准》，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型。主要永久性建筑物有：大坝、导流冲砂放水涵洞、溢洪道，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。

1.3 洪水标准

根据SL 252－2000《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》的规定，设计洪水标准采用重现期30年，洪峰流量11.1 m3/s，校核洪水标准采用重现期300年，洪峰流量16.0 m3/s。永久性泄水建筑物消能防冲设计洪水标准为重现期30年。

1.4 地震设防烈度

根据GB 18306-2001《中国地震动参数区划图》，本工程区地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，相对应的地震烈度为Ⅷ度。设防烈度按照Ⅷ度考虑。

2 大坝布置情况

大坝推荐坝型为浇筑式沥青混凝土心墙砂砾石坝，由浇筑式沥青混凝土心墙砂砾石坝、导流冲砂放水涵洞、溢洪道等建筑物组成，具体布置见图1。

3 坝体设计

图1 康苏沟水库平面布置图Fig.1 Layout of Kangsugou reservoir

大坝坝型为浇筑式沥青混凝土心墙砂砾石坝，正常蓄水位2 423.38 m，设计洪水位2 423.98 m，校核洪水位2 424.15 m，大坝全长190 m，坝顶高程为2 425.52 m。坝顶上设防浪墙，防浪墙顶高程2 426.52 m，防浪墙高3.2 m，高出坝顶1.0 m，厚0.3 m，采用钢筋混凝土现浇。大坝顶宽6 m，坝顶铺设沥青路面，路面自上游向下游倾斜，坡度为2%。大坝最大坝高58.59 m。浇筑式沥青混凝土心墙与防浪墙底部相连，心墙采用不等厚布置，根据水头计算，心墙在2 400 m以上采用0.3 m厚，2 400 m以下采用0.6 m厚。大坝上游坝坡1∶2.25，采用15 cm厚 C25F200现浇混凝土护坡。为解决运行管理期的交通问题，在大坝下游设4条6 m宽的“之”字形上坝道路，在坝顶到第一条“之”字路之间坝坡为1∶2.0，其余段坝坡为1∶1.7，下游坝坡自坝顶以下设置五层混凝土网格加伸入坝体的钢筋混凝土格栅梁，以增强坝体表层滑动稳定性，防止坝体产生变形，减少震动破坏。

拟定大坝坝体与围堰相结合，围堰顶高程2 396.06 m，围堰顶宽5 m，围堰上游坝坡1∶2.25，下游坝坡为1∶2.0。围堰采用砂砾石填筑。大坝横断面见图2。

3.1 坝料设计

本次设计大坝分为五个区，从上游到下游分别为：围堰砂砾石区、大坝砂砾石区、过渡料区、沥青混凝土心墙、堆石利用料区。

围堰砂砾石区：采用砂砾石料场砂砾石料填筑，砂砾石相对密度Dr≥0.85。

大坝砂砾石区：采用砂砾石料场砂砾石料填筑，料场砂砾石各项指标均合格，且储量也能满足要求。砂砾石相对密度Dr≥0.85。

堆石利用料区：堆石利用料主要放在下游坝坡干燥区域，堆石区采用大坝基岩开挖及导流冲砂放水涵洞、溢洪道等爆破料填筑，一方面可节约投资，另一方面可减少弃料对环境的污染。堆石区顶高程2 410 m，顶宽21 m，底高程2 397 m，上游坡度1∶0.75，下游坡度1∶1.5，最大粒径小于600 mm，小于0.075 mm的颗粒小于5%，堆石区设计孔隙率不大于23%（最终以现场压实实验为准）。

图2 大坝横断面Fig.2 Cross section of Kangsugou dam

过渡料区：过渡料设于心墙两侧，水平宽度2.0m，采用级配连续、最大粒径为80 mm，小于5 mm的粒径为25%～40%左右的砂砾料，含泥量（粒径小于0.075 mm的颗粒）小于5%，渗透系数不应小于1×10-3cm/s，过渡料从哈桑河料场购买。

3.2 沥青混凝土心墙防渗结构设计

3.2.1 心墙型式选择

沥青混凝土心墙分为浇筑式心墙和碾压式心墙，两种心墙的布置型式基本一致，主要区别是沥青含量和施工方法不同。浇筑式沥青混凝土心墙主要有以下特点：沥青含量较大，占矿料总量的10%～16%；心墙浇筑不用碾压工具，只需钢筋棒插捣排气即可，孔隙率一般小于2%，渗透系数小于10-11cm/s；工序简单，最大优点是基本不受气候条件的影响，可以在严寒条件下施工。浇筑式沥青混凝土具有良好柔韧性、可塑性和可压缩性，心墙内部产生的裂缝一般能自己愈合，冬季保护措施也可简化。

本工程利用冬季枯水期填筑坝体，因此结合本工程的气候特点和施工进度安排等各种因素考虑，最终选用浇筑式沥青混凝土心墙方案。

3.2.2 沥青混凝土心墙防渗体结构布置

沥青混凝土心墙有垂直、倾斜和上部倾斜下部垂直三种布置形式。垂直式沥青混凝土心墙面积较小，工程量小，施工简单，心墙对坝体沉降引起的变形反应不像倾斜式那样敏感，各种高度的大坝均可采用。墙体靠上游侧布置，可改善大坝受力条件并能很好地和坝顶防浪墙连接。因此，本工程采用垂直式心墙。

3.2.3 沥青混凝土心墙的技术指标

根据DL/T 5411-2009《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》初步提出本工程沥青混凝土心墙坝对沥青混凝土的技术要求，见表1。

3.2.4 沥青混凝土心墙厚度设计

坝体防渗采用浇筑式沥青混凝土心墙，心墙轴线位于坝轴线上游2.4 m处，与坝轴线平行。由于沥青混凝土心墙厚度的确定目前尚无成熟的理论公式可供应用，主要参考已建工程和施工要求确定。根据SL 501-2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》，浇筑式沥青混凝土心墙的厚度宜为坝高的1/100，最小厚度不宜小于20 cm。根据已建工程的经验，本工程心墙采用不等厚布置，根据水头计算，心墙2 400 m以上采用0.3 m厚，2 400 m以下采用0.6 m厚。

沥青混凝土心墙顶部嵌入防浪墙底板50 cm，与防浪墙紧密结合。

表1 浇筑式沥青混凝土的主要技术指标Table 1 Main technical indexes of poured asphalt concrete

3.2.5 沥青混凝土心墙周边结构设计

由于沥青混凝土的弹塑性质，在长期水压力作用下，心墙比基岩和混凝土构件更容易变形，因此，应注意使用柔性的沥青混凝土压在刚性构件上，并尽可能增大接触面积。另外，水库蓄水后水压力引起水平应力，会使沥青混凝土心墙产生一定的水平位移，所以，沥青混凝土心墙同周边的连接是防渗系统结构的关键，处理的好坏将直接影响大坝的安全运行，必须精心设计、精心施工。

根据SL 501-2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》规定，将岸坡削成不陡于1∶0.35的坡度，并浇筑1.5 m厚的混凝土基座与心墙扩大的端部连接。

3.2.6 接缝面胶结材料

心墙和混凝土基座接缝的胶结过渡材料一般是渗漏处理的关键部位，必须保证其耐久性和抗渗性，要求具有一定的结构粘度和异变指数。

为增大粘结力并适应心墙水平变形，沥青混凝土心墙底部与混凝土基座连接面之间使用沥青玛蹄脂进行处理，在涂沥青玛蹄脂之前先在混凝土基座上涂一层冷底子油，促进沥青玛蹄脂和混凝土基座更好地衔接。

3.3 基础处理

坝址处左岸基岩裸露，基础开挖处理方案为：左岸基岩顶板高于正常蓄水位2 423.38 m，上部含土碎石层透水性强，心墙部分清除上部含碎石土和基岩强风化岩体，基础置于基岩的弱风化岩体上；河床段将混凝土基座处的砂砾石清除，基座坐落在基岩强风化层底线上，河床其余的砂砾石只清除表面0.5 m；右坝肩：表层为碎石土，该层厚度19.7～31.0 m，下部为上第三系含砂灰岩，基岩强风化层厚7～10 m，较破碎；弱风化层8～14 m，较完整，可满足坝基基础要求，本次设计在大坝桩号0+120～0+ 190心墙轴线处只清除表层5 m的碎石土，其余部分采用混凝土防渗墙进行防渗处理，心墙的混凝土基座坐落在防渗墙上。大坝桩号0+190～0+300地面高程已高出坝顶高程，在此处坝顶高程以下采用混凝土防渗墙处理，防渗墙深入基岩以下1 m，坝顶高程以上不做处理。

大坝桩号0+000～0+120清基完成后，沿沥青混凝土心墙轴线方向开挖基岩槽，然后浇筑C25混凝土基座，以封闭岩石裂隙，并可作为基础灌浆的盖板。大坝桩号0+120～0+190处坝基砂砾石进行混凝土防渗墙处理，此段心墙基座刻槽坐落在混凝土防渗墙上。

该坝址处的基岩较发育，本次设计在大坝桩号0+000～0+120处进行固结灌浆，固结深度为5 m，固结灌浆设置两排，排距为2 m，孔距为2 m。

帷幕灌浆沿整个沥青混凝土心墙轴线进行灌浆，帷幕灌浆设置一排，布置在固结灌浆孔的中间，孔距为2 m，帷幕深度按岩石透水率ω＜3 Lu控制。为保证大坝两岸坝坡的稳定及绕坝渗漏问题，在两坝肩处进行帷幕灌浆，两岸延长深度各为10 m。

3.4 坝体抗震措施

坝体的抗震措施结合坝体结构、坝壳料设计统一考虑，参考已建工程类似工程经验，考虑以下几个方面：

（1）考虑足够的地震涌浪高度和地震附加沉陷。按SL 203-97《水工建筑物抗震设计规范》要求，地震安全超高包括地震坝顶沉陷和地震涌浪高度。本工程地震设防烈度为8度，其中地震安全超高取1.6 m，包括地震坝顶沉陷0.8 m和地震涌浪高度0.8 m。

（2）适当放缓上、下游坝坡。上游坝坡1∶2.25，下游坝坡在坝顶到第一条”之”字路之间坝坡为1∶2.0，其余段坝坡为1∶1.7，在下游坝坡设6 m宽的“之”字形上坝道路，下游最大断面平均坡度约为1∶2.32。

（3）适当提高坝壳料的压实标准，砂砾石填筑标准Dr≥0.85。

（4）加强沥青混凝土心墙、过渡层及坝体各分区间及其与坝基和岸坡的连接，防止地震情况下造成破坏。

（5）下游坝坡设置五层混凝土网格加伸入坝体的钢筋混凝土格栅梁，以增强坝体表层稳定性，防止坝体产生变形，减少震动破坏。

混凝土网格粱横断面采用0.3 m×0.1 m的钢筋混凝土，混凝土网格粱嵌入下游坝坡，表面铺混凝土六棱块，坝体内埋入混凝土预制块，用6 m长的锚杆与网格梁连接，以提高下游坝坡的整体稳定性。

（6）坝壳料采用抗震性能和渗透性能较好的砂砾料筑坝。

4 结语

水库处于高海拔地区，同时地震烈度较高，右坝肩覆盖层较厚，处理难度较大，该工程目前正在施工中，水库的成功实施将为以后类似地质条件的水库提供借鉴参考。 ■

作者邮箱：123859235@qq.com

Discussion on design of Kangsugou reservoir dam

by SU Bin
Xinjiang Branch of CAMCE WHU Design&Research Co.,Ltd.

As high elevation,short effective construction period and more rainfall in summer,the as⁃phalt concrete core wall is selected as anti-seepage body of Kangsugou dam,which has the advantages of rapid construction,good anti-seepage effect and being little affected by weather conditions.

reservoir;asphalt concrete core dam;mix proportion

TV222

B

1671-1092（2016）05-0010-04

2015-12-23；

2016-03-08

苏 彬（1984-），男，重庆人，工程师，从事水利工程设计工作。