浅谈莫莫克水利枢纽工程混凝土面板坝设计

雷震霄

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

莫莫克水利枢纽是提孜那甫河上的控制性工程，主要承担防洪、灌溉兼顾发电的工程任务。总库容为0.927 亿m3，正常蓄水位为1894.0 m，死水位1873.0 m，电站总装机容量为26.0 MW，装机年利用小时数2988 h，多年平均年发电量为0.777 亿kW·h。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。枢纽工程由混凝土面板坝、表孔溢洪道、泄洪冲沙洞、发电引水洞、电站厂房等组成。枢纽工程平面图见图1。

图1 枢纽工程平面图

混凝土面板坝最大坝高70.0 m，位于高地震区，场地基本烈度Ⅷ度。混凝土面板坝具有良好的抗震性能，主堆石体在混凝土防渗面板的保护下处于干燥状态，能抵抗强震而产生的小变形，坝体稳定性好。

坝址区河床河谷呈“U”型，河谷谷底宽270 m，河床段覆盖层最大深度为15 m 左右，岩性主要为第四系全新统冲积砂卵砾石层和分布于地表和两岸坡脚的砂质低液限粉土和砾质土，下伏基岩为西域组砾岩，基岩顶板高程1831 m～1834 m，砾岩以泥质胶结为主，局部泥钙质胶结，属软岩，遇水易软化，岩层产状310°NE∠25°。坝址区左岸出露地层岩性主要为第四系冲洪积低液限粉土、砂卵砾石和第三系西域砾岩。右岸岸坡高陡，岸坡1900 m 以下基岩裸露，岩性为第三系西域砾岩，与岸坡近正交80°左右，倾向下游。

2 面板坝设计

2.1 总体布置

本工程坝址区位于提孜那甫河中上游河段，距莫莫克村下游约1.8 km，两岸岸坡不对称，河谷呈“U”字型，河谷相对较窄，左岸边坡较缓，岩体较完整，未发现有大的不稳定体和卸荷体；右岸岸坡坡度60°左右，高度不大，边坡稳定性较好。

砼面板坝坝顶高程1897.0 m，最大坝高70.0 m，坝顶长度397.0 m。坝体填筑分区从上游至下游分为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层区、特殊垫层小区、主堆石区、次堆石区。大坝上游坝坡采用1∶1.6；本工程设计烈度为Ⅷ度，为提高抗震性，下游坝坡在高程1877.0 m 以上为1∶1.6，在1877.0 m高程以下为1∶1.5，下游设置“之”字型上坝公路，宽8.0 m，下游综合坝坡为1∶2.0。枢纽工程纵断面图见图2。

2.2 坝体分区设计

坝体分区的目的是在保证大坝安全的前提下力求经济，依据当地材料性质设计坝体剖面及分区，充分发挥当地材料坝优势，使坝体安全可靠、经济合理。枢纽工程横面图见图3。

1）上游盖重区

位于上游铺盖区上游，用于稳定上游铺盖区边坡，顶高程1854 m，顶宽10 m，上游坡度1∶2.5，可采用开挖弃渣等任意粗粒材料，盖重区总填筑量4.3 万m3。

图2 枢纽工程纵断面图

图3 枢纽工程横断面图

2）上游铺盖区

位于面板上游，作用是形成面板上游的防渗补强区，并与特殊垫层区一起起到淤堵开裂的周边缝、实现自愈的作用，顶高程1849 m，顶宽5.0 m，上游坡度1∶2，铺盖区总填筑量 5.2 万 m3。

3）垫层区

设于面板下游，水平宽度4 m。垫层料粒径要求dmax≤80 mm，小于5 mm 的含量为35%～55%，小于0.075 mm 的含量宜为4%～8%。采用C4-2 砂砾石料场筛分获得，垫层区填筑总量0.91 万 m3。

4）特殊垫层小区

位于周边缝下部，为5 m 宽、3 m 高的梯形小区，其作用是反滤周边缝渗漏水流中的上游铺盖区土料，阻塞渗漏通道。特殊垫层小区粒径要求dmax≤40 mm，由C4-2 料场筛分获得，特殊垫层小区总填筑量0.5 万m3。

5）主堆石区

位于垫层下游，是面板的主要支撑结构。粒径要求小于0.075 mm 的含量小于8%，采用C4-2 砂砾石料场料，主堆石区填筑总量为147.2 万m3，填筑标准要求相对密度Dr≥0.85。

由于主堆石区的坝壳砂砾石料采用C4-2 料场的砂砾石料，击实后其渗透系数试验值为1.7×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，平均值为5.7×10-2cm/s，具有透水性强的特点，可不设排水。经计算坝壳料与坝基料之间满足排水反滤要求，因此坝壳料与坝基之间不再另设排水反滤料。C4-2 砂砾石填筑料场有用层储量为420.8 万m3，储量满足初设需求，各项指标均能满足坝壳砂砾料要求，可采用C4-2 砂砾石填筑料场砂砾石全料作为坝体上游坝壳料填筑材料。

6）次堆石区

位于坝体下游侧，根据地震工况的坝坡抗滑稳定计算成果以及渗流计算成果，确定利用料顶部高程1865.0 m，远离坝顶上部抗震薄弱区，下部高程1853.0 m，高于下游浸润线，上游坡度1∶0.75，下游坡度1∶1.5，主要来源为河床部位，确定利用料填筑标准相对密度Dr≥0.85。

7）排水棱体

厂房位于大坝下游坡脚约100 m 处，厂房左右岸尾水挡墙与左岸溢洪道和右岸护坡相连形成封闭整体伸入原河道，厂房尾水及河道回水不会冲刷下游坡脚，大坝下游坡脚与厂房平台之间填筑开挖利用料，填筑高程与厂房平台一致，因此坝脚不再设置排水棱体等措施保护坡脚。

8）坝料层间关系复核

根据以上坝体各分区的反滤排水复核，各坝料之间即满足保土性准则，又满足自由排水，坝壳砂砾料、垫层料、垫层小区料、上游铺盖及覆盖层砂砾石之间满足层间关系要求。

2.3 结构设计

1）混凝土面板

混凝土面板厚度按规范公式确定：t＝0.3＋0.0035H，顶部厚度为0.3 m，面板底部厚度为0.5 m。面板砼采用C30F300W8，混凝土面板内设单层双向钢筋网，其竖向配筋率为0.5%，水平向配筋率为0.4%，防止混凝土被挤压破碎而剥落。面板宽度：河床部位受压区宽为12 m（24 块），岸坡部位受拉区面板宽 6 m（左岸 9 块，右岸 6 块）。

2）趾板

趾板采用C30F300W8，趾板宽度：高程1859 m 以下宽度为8 m；高程1859 m 以上宽度为6 m，趾板厚度为0.6 m。基岩上趾板内部设单层双向钢筋，含钢率为0.3%。趾板底部设置锚筋为HRB400 钢筋直径28 mm，将趾板锚固在基岩上。

2.4 坝基处理

1）趾板基础开挖

趾板地基开挖面力求平顺，避免陡坎和反坡。趾板上方的岩质岸坡应按稳定边坡或经加固处理后的稳定边坡开挖以确保运行期安全。左、右岸岸坡和河床段坝段趾板基础均置于弱风化层岩石基础上。趾板岩石开挖边坡为1∶0.3～1∶0.5，覆盖层开挖边坡为1∶1.5。岸坡的风化岩块、坡积物、残积物和边坡不稳定体应按要求开挖清理，并应在填筑前完成，禁止边填筑边开挖。清除出的废料，应全部运出坝基范围以外。

2）坝壳基础处理

坝壳基础处理应作到改善地基表面的平整度，确保堆石与岸坡接触面变形均匀，减小陡边坡对坝体变形的不利影响，从而减小陡岸坝体堆石变形梯度。岸坡段清除坝体基础岩石裸露处的松散塌滑体和两岸碎石土层，左右岸堆石体地基在趾板内坡至坝轴线范围内的岸坡开挖成不陡于1∶0.5 的坡度。河床段砂卵砾石结构密实，无地震液化问题，承载力可满足大坝要求，可作为土石坝坝基利用。河床砂砾石清除表层2 m 覆盖层。

3）基础灌浆

固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性，在趾板底部设置固结灌浆，孔距、排距3 m。根据趾板下的基岩情况，确定固结灌浆的灌浆深度为5 m。考虑下伏基岩为西域组砾岩，砾岩以泥质胶结为主，局部泥钙质胶结，属软岩，节理裂隙不发育，连通率较低，且成层状，故帷幕灌浆孔距设为2.0 m，单排，确定大坝河床基础及左右岸帷幕防渗标准为3 Lu 以下5 m。在f7断层段范围内加强帷幕灌浆，基础帷幕灌浆防渗标准按相应坝段1 倍坝高深度控制。

4）断层处理

根据本阶段地质勘察成果，左岸顺河发育f7 断层，该断层沿坝址左岸坡脚与坝轴线呈80°斜交，断层350°NE∠80°～85°，带宽1.0 m～1.5 m，以碎裂岩和糜棱岩为主，胶结较好，见斜擦痕，具压扭性，断层总长约300 m，无活动性，考虑到本工程f7 断层破碎带倾角较陡，长度约为300 m，且带宽仅为1.0 m～1.5 m，组成物质以软岩构造岩为主，对基础强度、压缩变形和渗流有一定影响，根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2018）规定，确定采用混凝土塞加固，混凝土塞的深度1.5 m，扩挖混凝土塞宽度取为2.0 m，在坝基范围内对f7 断层进行断层塞处理，并向上下游适当延伸。在趾板下部断层范围内加强帷幕灌浆，基础帷幕灌浆防渗标准按相应坝段1 倍坝高深度控制。

3 结语

结合莫莫克水利枢纽工程概况，从总体布置、坝体分区设计、结构设计、坝基处理等方面对混凝土面板坝进行设计，枢纽工程效果图见图4。

图4 枢纽工程效果图