乌斯通沟水库坝型比选分析

程 茜

（新疆新水建设工程造价咨询有限责任公司，乌鲁木齐市 830000）

1 引言

水库坝型比选涉及坝址地质条件、当地建筑材料、工程投资等问题，选择工程地质条件适应性强的坝型对枢纽建筑物布置及安全运行十分重要。新疆乌斯通沟水库坝址区属于Ⅷ度地震区，年内温差和昼夜温差均很大，冬季寒冷，夏季酷热，存在两岸山体地形起伏较大、地质条件复杂、深厚覆盖层、施工时段受气候影响大等问题，坝型选择制约因素较多。本文选择在新疆寒冷地区应用较为广泛的沥青混凝土心墙砂砾石坝型和钢筋混凝土面板砂砾石坝进行比选分析，结果可为新疆地区其他水库大坝设计提供参考。

乌斯通沟水库位于吐鲁番市托克逊县，开发任务为灌溉和工业供水，遏制灌区地下水超采，是一座具有综合效益的水利枢纽工程。水库总库容1 440万m3，坝高73m，控制灌溉面积1 720hm2[1-2]。根据SL252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定乌斯通沟水库工程为Ⅲ等中型工程。

2 坝型比选

工程坝区河床漂卵石厚45—50m，两岸强风化带厚8—10m；对于刚性坝河床部位需置于弱风带下部基岩内，其开挖深度较大，加之两岸冲沟较发育，且本工程区属于Ⅷ度地震区，因此，坝址从工程地质条件考虑，不适合修建刚性坝，适合修建当地材料坝。根据地勘资料，坝区有储量丰富的卵砾石料可为修建碾压土石坝提供了大量廉价建筑材料，由于坝址附近缺乏粘土料，无满足填筑质量要求的粘土料场，根据当地多处工程经验，防渗料可采用沥青混凝土作为心墙防渗，由于坝区的地质条件和天然砂砾石填筑料储量丰富的特点，本工程较适合兴建面板砂砾石坝和沥青混凝土心墙砂砾石坝两种坝型，两种坝型对坝基地质条件都要求较低，因此选择沥青混凝土心墙砂砾石坝型和钢筋混凝土面板砂砾石坝两种坝型进行比较，以确定最优坝型。两种坝型比较均采用左岸布置灌溉洞，右岸布置明流溢洪洞、导流冲沙兼放空洞方案，坝型方案比选主要比较主坝技术经济指标。

2.1 沥青混凝土心墙砂砾石坝

沥青混凝土心墙砂砾石坝校核洪水频率按1 000年一遇，坝顶高程909.50m，防浪墙高1.2m，坝顶宽9m，坝高73.0m，坝顶长261.9m。

（1）坝顶布置：坝顶宽9.0m，在坝顶上游侧设置“L”形钢筋混凝土防浪墙，坝顶设置混凝土路面，在坝顶公路设置倾向下游的单向坡，坝顶下游侧设置路沿石。

（2）上、下游坝坡及护坡：上游坝坡坡比1:2.2，考虑857.50m高程以下坝体与上游围堰结合，在878.40m高程设置3.0m宽马道；下游坝坡坡比1:1.8，由于上坝公路设在大坝背坡，因此，上坝公路做内坡平台。上、下游坝坡分别采用现浇混凝土板护坡、干砌石加混凝土网格梁护坡。

（3）坝体分区：坝体填筑从上游至下游依次分为上游砂砾料区、上游心墙过渡料区、沥青混凝土心墙、下游心墙过渡料区、下游排水导渗区、下游砂砾料区、排水棱体。坝体采用沥青混凝土心墙防渗，心墙上部与防浪墙底连接，下部落在基座上时，心墙浇筑前在基座上铺1cm厚的沥青玛蒂脂。

（4）坝基防渗处理：由于河床砂砾石属于强透水体，需要进行坝基防渗。设计采用1m厚混凝土防渗墙浇筑，防渗墙伸入基岩面1m。坝址区基岩透水率较大，必须对两岸段及河床段混凝土防渗墙以下进行帷幕灌浆防渗。

2.2 钢筋混凝土面板砂砾石坝

主坝采用混凝土面板砂砾石坝，校核洪水频率按1 000年一遇，坝顶高程909.9m，防浪墙高1.2m，坝顶宽9m，坝高73.4m，坝顶长263m。

（1）坝顶布置和结构与沥青混凝土心墙砂砾石相同。

（2）上、下游坝坡及护坡：上游坝坡坡比1:1.6，上游不设马道，下游坝坡坡比1:1.6,下游为上坝公路兼做马道。上、下游坝坡分别采用钢筋混凝土面板防护、干砌石加混凝土网格梁护坡。

（3）防渗面板：防渗面板采用钢筋混凝土板，混凝土强度等级为C25，抗渗等级W8，抗冻等级F200，采用525硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。在混凝土面板中间设置一层钢筋网，双向布。考虑坝体变形及施工条件，面板设置横缝。

（4）混凝土趾板：趾板布置在坝体上游防渗面板周边，采用水平趾板。趾板表层设置一层双向钢筋，坝趾下部基础采用高喷灌浆。

（5）坝体分区：坝体从上游至下游依次分为混凝土面板、垫层区、过渡料区、砂砾石区、反滤与排水棱体区。

（6）坝基防渗处理：岸坡段趾板范围内布置两排固结灌浆孔，排距3m，孔距2m，灌浆深度5m。固结灌浆采用硅酸盐水泥，在基础混凝土浇筑盖重后施工，分段分序进行。河床覆盖层较厚位置设置1m厚塑性混凝土防渗墙进行防渗处理，防渗墙顶部高程为832.5m,下部伸入基岩面以下1m。坝址区基岩透水率较大，必须对两岸及河床段混凝土防渗墙以下进行帷幕灌浆防渗。

2.3 坝型比选

从坝型对地形地质条件的适应性能、当地气候的适应能力、建筑材料、坝体抗震性能、施工条件、工程安全维修条件和工程投资等方面进行综合技术经济比较选择最优坝型[3-5]，详见表1。

表1两坝型优劣势对比表

由表1可以看出，沥青混凝土心墙砂砾石坝及钢筋混凝土面板砂砾石坝各有优缺点。

（1）适应地形、地质条件能力

从地形上看，两坝型地形地貌条件相同，坝区河床漂卵石厚45—50m，两岸强风化带厚10m，存在不均匀变形。针对沥青混凝土心墙坝和钢筋混凝土面板砂砾石坝两种坝型，沥青混凝土心墙为柔性材料适应不均匀变形能力较强，对岸坡适应性强，对适应坝体变形和防渗有利，心墙与两岸山体连接较简单。面板坝河床段趾板下部为深厚覆盖层，两岸大部分趾板处于岩石基础上，混凝土面板需要适应大坝坝体与下部深厚覆盖层之间的不均匀沉降之外，同时还需要适应趾板由于河床与岸坡段下部不同基础之间的不均匀沉降。基础地质条件较差，接缝多，适应不均匀变形能力较差，易产生裂缝，由于两岸山体地形起伏较大，表部为强风化岩石，趾板与岸坡连接较困难，趾板开挖量大、混凝土工程量大。因此，沥青混凝土心墙砂砾石坝较优。

（2）基础开挖和防渗处理

沥青心墙下设心墙混凝土基础，河床两岸心墙混凝土基础开挖至强风化层上限以下的较坚硬、较完整岩石上，坝基开挖工程量过大，设计开挖深度1—2m，其下砂砾石层再做混凝土防渗墙+帷幕灌浆防渗处理。钢筋混凝土面板砂砾石坝在河床处段由于砂砾石厚达50m，设计开挖深度2—3m，其下砂砾石层先进行高喷灌浆处理，再做混凝土防渗墙+帷幕灌浆防渗处理，基础工程量大。

新疆地区年最高最低气温相差大，钢筋混凝土面板裸露在外部，面板容易冻裂、老化，而沥青混凝土心墙包裹在砂砾石中，不与空气接触，沥青老化问题较轻，沥青混凝土心墙防渗性能好。

因此从基础处理和防渗处理方案上看，沥青混凝土心墙砂砾石坝的基础工程量小，防渗帷幕线较短，优于混凝土面板砂砾石坝。

（3）天然建筑材料

两种坝型均为成熟坝型，都能充分利用当地的材料；坝体枢纽布置条件基本一致，在主河床布置拦河坝，枢纽布置形式也相同。

（4）抗震安全性

大坝地震设计烈度为8度，钢筋混凝土面板坝、沥青混凝土心墙坝防渗体均有较好抗震性。沥青混凝土心墙砂砾石坝利用柔性材料作为防渗体，但高坝心墙拱效应较突出，具有很强适应变形和不均匀沉陷能力，有一定的自愈性，抗震性能相对较好，不易破损，但破损后修复较难；钢筋混凝土面板坝主要通过刚性的趾板与基础连接进行防渗，适应变形和不均匀沉陷能力较差，抗震性能相对较差，容易产生裂缝，钢筋混凝土面板虽修复相对较方便，但实际修复也困难大，需要放空水库，将大坝上游设置的盖重区和覆盖区挖开后方能修复钢筋混凝土面板。从抗震来看，沥青混凝土心墙砂砾石坝略优。

（5）施工条件

面板坝面板铺筑设备复杂，必须注重施工质量，提高面板抗裂性，部分工程掺加了聚丙纤维；心墙属于小面积厚层平面铺筑，保温性好，设备简单且受气候影响较小。钢筋混凝土面板施工较快，但面板坝需要等坝身沉降稳定后，方能铺筑混凝土面板，而心墙坝在心墙完工后，随即填筑剩余砂砾石坝壳料。虽然沥青混凝土心墙施工与坝体施工有干扰，但心墙摊铺施工相对简单，适应低温施工。工期上沥青混凝土心墙砂砾石坝较短。

乌斯通沟年内温差和昼夜温差均很大，钢筋混凝土面板养护要求较高，气温低于5℃不能施工，温控措施投入较大，防渗体施工质量难以保证，且混凝土面板坝需单独设置围堰，导流洞需要延长31m，而沥青混凝土心墙砂砾石坝围堰为大坝主体的一部分，故面板坝导流费用明显高于沥青心墙坝方案。

从施工条件综合比较分析，沥青混凝土心墙砂砾石坝略优于混凝土面板砂砾石坝。

（6）工程运行维护条件

运行期混凝土面板发生冻裂对坝体防渗较不利，而沥青混凝土心墙砂砾石坝由于防渗体位于坝体内部，受冬季冰冻影响较小。从运行维护方面来比较，沥青混凝土心墙砂砾石坝较优。

（7）投资经济性比较

土建投资方面，面板坝坝体工程量相对较少，但趾板处开挖回填工程量相对较大；沥青混凝土心墙砂砾石坝方案投资为13 749.87万元，钢筋混凝土面板砂砾石坝方案投资为13 225.27万元，比心墙坝省524.60万元。

综合以上论证，经济上两种坝型相差不大，心墙坝比面板坝仅多总投资的1.45%，但在适应地形能力、抗震性能、防渗性能、基础处理及工程维护等方面，沥青混凝土心墙砂砾石坝均优于钢筋混凝土面板砂砾石坝方案，综合考虑推荐坝型为沥青混凝土心墙砂砾石坝。

3 结论

（1）通过从地质地形条件、基础开挖及防渗、天然建筑材料、抗震安全性、施工条件、后期运行条件及工程造价等方面比选，沥青混凝土心墙砂砾石坝防渗工程量小，防渗、抗震性能好，与两岸坝肩搭接容易，心墙在坝体内，与外界不接触，抗老化性能好，因此，乌斯通沟水库选择沥青混凝土心墙砂砾石坝作为建设坝型。

（2）新疆地区年内温差和昼夜温差均很大，冬季寒冷，夏季酷热，沥青混凝土心墙砂砾石坝受严寒冰冻及酷暑影响较小，冬季可施工，总施工期短，且沥青混凝土心墙包裹在砂砾石中，防渗效果好，受冬季冰冻影响也较小。

（3）坝型选择取决于坝址的地形地质条件，实例中采用传统的方法对水库坝型进行比选，适用于受地形条件限制的水库工程。今后应考虑结合坝址的基本地质条件，选择合适的坝型比选指标，用建模软件建立比选模型，提高计算速度，优化建设方案，为决策者的方案选定提供量化参考。