新疆呼图壁红山下水库大坝设计探析

2018-03-25张晔

陕西水利 2018年2期

张晔

（新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆昌吉 831100）

红山下水库工程位于新疆昌吉州呼图壁县境内、乌伊公路以南9.5 km的军塘湖河上，水库总库容996万m3，最大坝高45 m，根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2001）规范规定属于小（1）型水库，工程等级为Ⅳ等。主要建筑物有拦河大坝、放水涵洞，导流泄洪冲沙涵洞、溢洪道等建筑物组成。大坝、放水涵洞、溢洪道、导流泄洪冲沙涵洞为4级建筑物。次要建筑物为5级，临时建筑物围堰为5级。工程区震基本烈度为Ⅷ度，主要建筑物地震设计烈度为Ⅷ度。

1 坝线选择

红山下水库工程坝址区河谷形态属“U”型谷，河床海拔高程647～660 m，谷底宽约 350～450 m，顶宽 500～650 m，河谷两岸不对称。坝址区两岸出露岩体由第三系中新统土墩子组（N2 td）泥岩和坝址一带没有发现具有一定规模的断层、褶皱构造，仅在右岸冲沟内发现砾岩中夹的泥质砂岩、泥岩裂隙较发育并有层间错动的痕迹；最终选择的坝线位于上游冲沟和下游出山口之间，坝址区可供选择坝轴线的上、下游范围较小，坝肩向上游和下游移动都不合适，坝线主河床宽度为157 m，坝轴线较短，库区面积可达1.78 km2，总库容可达900万m3以上，引、泄水建筑物轴线较短，两坝肩基岩裸露，有利于泄、引水建筑物的布置，初步设计阶段对沥青心墙坝坝轴线、建筑物轴线进行了实地测量放线，轴线较短，设计坝轴线位置合适；因此，坝轴线采用下坝线。

2 坝型选择

根据坝线的地形地质条件，工程天然建筑材料储量丰富，枢纽区周围分布着丰富的土料和砂砾料，且开采方便，质量基本满足规范要求。同时，坝址一带河谷谷底宽约350～450 m，坝址区岩性为第四系下更新统西域组（Q1Xfgl）砾岩，偶夹泥岩或泥质砂岩，呈半胶结状态，主要为泥沙质胶结，少量为钙质胶结，均属软岩，从河床宽度和坝址地层岩性分析，均不适合修建刚性的混凝土坝。应选择当地材料坝进行工程设计。

根据红山下水库坝址区工程地址、地形及天然建筑材料和勘察试验资料，对挡水坝型选择了沥青砼心墙坝、粘土心墙坝、混凝土面板坝三个方案，初步拟定了三种坝型的控制高程、主要尺寸、基础处理措施和设计工程量与投资规模，为分析论证比选提供了不少基础参数。因坝址区地处8度地震区，粘土心墙坝抗震性能最差，施工时间最长，从防渗体的特性、坝料生产和坝体结构、坝体适应软岩基础和整体抗震性能等方面来看，沥青心墙坝的抗渗性能和抗震性能均较面板坝好，防渗体施工质量可靠，适应变形能力强，而且坝体结构、坝料加工生产简单，施工方便，工期相对较快，投资与面板坝相差不大。因此，设计最终将沥青砼心墙砂砾石坝作为推荐坝型。

3 溢洪道、导流泄洪、放水涵洞设计

3.1 左岸开敞式溢洪道设计

溢洪道为正槽，布置在左岸桩号0-460岩体上，由引槽段、进口段、控制段、泄槽段、出口消能段组成，全长155.0 m。设计洪水位时溢洪道最大泄流量100.00 m3/s，校核洪水位时溢洪道最大泄流量174.20 m3/s。

引槽段进口底板高程669.00 m，长127.0 m，宽度50.00～15.50 m。采用梯形砼板渠道形式。控制段采用驼峰堰有闸控制。控制段长度18.0 m，宽度18.5 m，堰顶高程669.00 m，侧墙为直墙，均采用C25F200W6钢筋砼衬砌。闸门采用弧形闸门，共两扇，单扇闸门净宽7.00 m。泄槽段采用台阶形式，全长81 m，宽15.5 m，底坡i＝0.33，由大小相等的台阶组成。消力池全长36 m，宽15.5 m，边墙采用悬臂式挡土墙。消力池后接270 m长导流泄洪渠，导流渠宽15.5 m，边墙采用悬臂式挡土墙。导流渠末端设8.5 m深钢筋砼防冲斜齿墙。防冲齿墙后部布置了40 m长疏浚段，表层设置2.0 m厚钢筋石笼防护，钢筋石笼下部为砂砾石层。

3.2 导流泄洪冲沙涵洞

导流泄洪冲沙涵洞布置在坝体桩号0+000处，全长203 m，由进口段、有压洞身段、闸井段、无压洞身段、陡坡段、消力池段组成，最大泄流量113 m3/s。

进口底板高程648.0 m，进口段采用八字墙形式，长10 m。有压洞身段长40.0 m，纵坡i=0.02，洞身为一孔城门洞型，净宽3.0 m，高3.6 m。闸室段底板高程647.20 m，顶高程651.80 m，闸井底板长18.0 m，宽9 m，设一道平板检修闸门，一道弧形工作闸门，闸门孔口尺寸3.0 m×3.0 m。无压洞身段长63 m，纵坡i=0.02，洞身为一孔城门洞型，净宽3.0 m，高3.6 m。底板及边墙两侧0.5 m高度以下采用C45F200W6钢筋混凝土，以上采用C25F200W6钢筋混凝土结构。陡坡段长40 m，纵坡1/10，底宽由3 m扩散为16.0 m，底板厚1.0 m。消力池采用底流消能，长32 m，底宽16.0 m，断面型式为矩形钢筋砼整体结构，采用C25F200W6钢筋砼衬砌，底板厚1.0 m。海漫段长40 m，纵坡1‰，断面为矩形钢筋砼整体结构。海漫末端设6.5 m深C25F200W6钢筋砼防冲齿墙。导流泄洪冲沙涵洞基础砾岩为泥沙质胶结，胶结程度低，基础开挖后因风化强度降低，故对基础下砾岩进行固结灌浆处理。固结灌浆排距2.0 m，孔距2.0 m，灌浆控制深度为12 m。

3.3 放水涵洞

放水涵洞布置在坝体右岸桩号0+100下部，全长152 m，由进口段、有压洞身段、闸井段、无压洞身段、出口泄槽、消力池组成，设计引水流量3.8 m3/s，加大流量5.0 m3/s。

进口底板高程653.0 m，进口段为八字墙形式，长度8 m。有压洞身段长43 m，纵坡i=0.02，断面形式为城门洞型，净宽1.2 m，高1.8 m，洞身每7 m设置结构缝一道。闸室段底板高程652.14 m，纵坡i=0，闸井底板长9 m，宽3.8 m，设一道平板检修闸门，一道平板工作闸门，闸门孔口尺寸1.2 m×1.8 m。无压洞身段长53 m，纵坡i=0.02，断面形式为城门洞型，净宽1.2 m，高1.8 m，底板及以上0.5 m边墙高度部分采用C45F200W6高性能砼，以上采用C25F200W6钢筋混凝土结构，洞身每7.5 m设置结构缝一道。泄槽段纵坡i=0.246，底宽由1.2 m扩散为5.0 m，出口泄槽为矩形钢筋砼整体结构，采用C25F200W6钢筋砼衬砌。消力池底板高程646.40 m，采用底流消能，消力池长20 m，底宽5.0 m，底板厚0.6 m，断面型式为矩形钢筋砼整体结构，采用C25F200W6钢筋砼衬砌。

4 结论及建议

4.1 溢洪道

①溢洪道布置在坝顶，基础的稳定性主要取决于坝体碾压密实程度，建议坝体填筑料相对密实度不小于0.85，建筑物基础承载力建议值250 kPa。②建议作好防渗设计，保证坝坡不被淘刷。③由于弱胶结砾岩抗冲刷能力较低，建议溢洪道末端作好防冲措施，保证坝后土不被淘刷带走，威胁坝体稳定。④建议临时开挖边坡卵砾石层水上1∶1.0~1.25，水下不小于1∶2.0，强风化砾岩层1∶0.75~1∶1.0，弱风化砾岩层1∶0.5~1 ∶0.75。

4.2 导流冲砂涵洞

①导流冲砂涵洞进口、洞身和闸室基础位于卵砾石层，建议清除卵砾石层，将基础座在砾岩弱风化层上。②陡坡段基础部分位于卵砾石层，部分位于砾岩层，基础位于两种岩土，在浸水和上部荷载下会有较大不均匀沉降，建议清除卵砾石，陡坡基础全部置于砾岩弱风化层。③疏浚段基础可坐于卵砾石层，施工前须对基础压实处理。④建议承载力强风化基岩300 kPa，弱风化基岩400 kPa，河床卵砾石层250 kPa。⑤基槽开挖存在高边坡问题，须按规范要求进行支护，建议卵砾石开挖边坡值水上1∶1.0～1∶1.5，水下不应小于1∶2.0；砾岩强风化层1∶0.75~1∶1.0，弱风化层1∶0.5~1∶0.75。⑥导流冲砂涵洞基底与砾岩层接触面可能会发生接触冲刷，建议基底设置深齿墙。⑦砾岩为软岩，抗风化、抗冲刷能力差，建议导流冲砂涵洞出口作好防冲设计。⑧由于砾岩为泥沙质胶结，胶结程度低，基础开挖后因风化作用强度降低，建议对基础下砾岩进行固结灌浆处理。