新疆寒冷地區水庫大壩設計及壩型選擇分析

趙 妮

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 氣候特征

新疆位于亞歐大陸中部，地處中國西北邊陲，由于“三山兩盆”的地形地貌特征，具有海拔高、氣溫低、蒸發量大的特點，且氣溫日較差大，晝夜溫差大，光照時間長，氣候變化明顯，北疆變化幅度比南疆大。根據新疆多年的氣溫資料，新疆最高和最低氣溫的變率冬季最大，且北疆要大于南疆。新疆大部分水庫屬山區水庫，存在冬季施工問題，氣溫的變化對水利工程施工有著較大的影響，尤其對混凝土冬季施工影響較大。

2 水利工程地質條件及特點

新疆處于印度板塊和歐亞板塊碰撞的前沿地帶。新疆山區地質構造極為復雜，有五大地震帶，由北向南分別是阿爾泰地震帶、北天山地震帶、南天山地震帶、西昆侖山地震帶和阿爾金山地震帶。地震頻度高、震級大、范圍廣。不同地貌單元其巖性、結構變化很大，大壩在選址時要充分考慮地形、地貌條件。新疆大部分水利工程位于高寒高海拔地區，存在強震、深厚覆蓋層、高陡邊坡等問題，由于地形、地質條件復雜，在工程設計、水庫壩型選擇中存在諸多制約性因素，不同的氣候、地形地質條件，壩體所在區域的穩定性對于大壩設計、水庫壩型選擇及安全運行有很重要的影響。

3 水庫大壩各壩型的優缺點及適用性

新疆在高寒高海拔地區、高地震區、深厚覆蓋層等特殊環境下的筑壩技術通過不斷的研究和創新，尤其是以混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻壩為代表的當地材料壩得到了很好的應用，通常在設計中根據壩址地形、地質條件和壩址區附近是否有筑壩材料，其儲量、質量和開采條件、運輸條件分析，采用適合的壩型。為充分利用當地材料，結合壩址所在地形、地質條件，選擇瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和黏土心墻壩的工程居多，近年來，當地材料壩在新疆也得到了廣泛的應用和發展。

3.1 黏土心墻壩

黏土心墻壩具有較好的抗震性、自愈性，當壩址地震烈度較高，地基的預估沉陷量偏大，壩址附近有充足的砂礫料和黏性土料時采用這種壩型較為適宜。黏土心墻壩壩坡比均質壩要陡，用滲透系數較低的黏性心墻或斜心墻防滲，心墻占總的體積比重不大。此類壩型在新疆高震區廣泛應用，其中1993年修建的克孜爾水庫黏土心墻壩是國內第一座建造活斷層上的水利樞紐工程，壩高44m，抗震設防烈度為8.5°；2006年在地震設防烈度為9°的地區建成的壩高108m的恰甫其海水利樞紐等工程經過多次地震檢驗，壩體均未發生裂縫和錯動變形，運行狀況良好，說明了黏土心墻壩良好的抗震性。

新疆黏土防滲土料按區域劃分，天山南北兩側以風積黃土為主，塔里木盆地南緣一帶，基本以粉土為主，黏粒含量普遍較低。準噶爾盆地北緣部分第三系地層發育地區，廣泛分布有黏粒含量較高的黏土，有的地區土料中蒙脫石含量較高，具有一定的分散性，防滲土料存在易開裂、易沖蝕，抗震性能差，施工質量難以控制等問題，這些不良工程特性給大壩結構設計和工程施工帶來一定的麻煩，在大壩設計、施工中應采取相應的處理措施。

由于新疆北疆地區山區降雨量較多，有的工程土料天然含水量與最優含水量差別較大，黏土心墻料施工需進行土料制備，施工較麻煩，黏土心墻料碾壓時受氣候條件的影響較大。由于黏土心墻壩具有較好的抗震性、自愈性，在新疆地區應用比較廣泛。

3.2 混凝土面板壩

混凝土面板壩的特點是壩坡的穩定性好，壩坡坡腳大致與松散拋填堆石的自然休止角相當，低于碾壓堆石的內摩擦角。防滲面板設于堆石體的上游面，承受水壓力的性能好，壩體透水性好，幾乎不受滲透力的影響。施工導流與度汛方便。施工時受氣候條件的影響較小。混凝土面板砂礫石壩在運行期面板防滲體在外側，面板及止水系統維修方便。但嚴寒地區面板受凍融影響，產生混凝土面板裂縫的工程也不少，嚴寒地區面板壩應加強防凍措施。

新疆地區面板壩主要是利用天然砂礫石料或爆破堆石料填筑壩體，近30年來，面板壩在新疆地區的應用越來越廣泛，已經完成的烏魯瓦提水利樞紐工程，是當時國內在建的第二高的百米級混凝土面板壩，它率先利用天然砂礫石料進行壩殼填筑，最大壩高133m，其河床覆蓋層深厚，河床中有一深槽，為減少壩基開挖和壩體回填，對壩基覆蓋層的開挖方式進行了改良，僅挖除趾板、墊層區和過渡層區的覆蓋層，目前，該水庫運行良好，已成為和田地區標志性工程。

面板壩壩體具有良好的抗震性能，地震變形小，不因地震而產生孔隙水壓力；地震雖可能導致面板裂縫而引起壩體滲漏增加，但不致潰壩。由于變形小，在新疆高震區、深厚覆蓋層地質條件下得到了良好的應用。在建的大石峽水利樞紐，最大壩高251m，壩址區地震基本烈度為8°，大壩抗震設防烈度達9°；在建的玉龍喀什水利樞紐，最大壩高229.5m，工程區地震基本烈度為8°，大壩抗震設防烈度達9°，在國內同類壩型屬首例；修建于深厚覆蓋層深度約100m，且壩址選擇在相對穩定的鐵克里克斷塊上的阿爾塔什水利樞紐，最大壩高162.8m，壩址區地震基本烈度為8°，大壩抗震設防烈度達9°。由此可看出混凝土面板在高地震區、深厚覆蓋層地區得到了良好的應用。

3.3 瀝青混凝土心墻壩

近年來瀝青混凝土心墻壩在新疆塔城、阿勒泰地區得到了廣泛應用，該壩型受外界氣候及光照影響較小，幾乎不受酷暑及嚴寒冰凍的影響，瀝青混凝土的攤鋪、壓實較面板簡單，與河床及兩岸混凝土底座易于連接，基礎處理及帷幕灌漿工作量較面板壩節省，施工期短，對壩體變形適應能力強，且可以與圍堰結合。其抗震性能較優。由于其受氣候變化影響較小，因此在新疆寒冷地區應用比較廣泛。但其壩體工程量一般大于面板壩，施工有干擾，影響填筑速度。瀝青混凝土心墻壩由于心墻防滲體位于壩體內部，心墻破壞時，不易發現且維修困難，檢查漏水及修理補強比較麻煩。

鑒于瀝青混凝土心墻壩對地形、地質條件適應能力較強，在高震區、深厚覆蓋層及基巖條件較差的情況下應用較多，2010年建成壩高78m的下坂地水庫處于高震、高海拔區，壩區抗震設防烈度為8°。壩基覆蓋層最大厚150m，工程區風速大，晝夜溫差達20℃，為特殊環境下的瀝青混凝土施工積累了經驗。

4 新疆水庫大壩設計需考慮的若干因素

4.1 建筑物防冰凍措施

水工建筑物凍脹破壞的原因非常復雜，主要與土體的類型、水和溫度有關，還涉及設計、材料的應用、施工和管理等各個方面，因此，要進行有效的綜合措施，防患于未然。應根據工程地點的氣象、冰情、工程地質和凍土基本資料，并結合建筑物規模建筑材料以及同類建筑物抗冰凍經驗。

4.2 近壩庫岸邊坡穩定及處理

由于近壩庫岸邊坡距大壩等主要水工建筑物較近，它的失穩會對相鄰的主要水工建筑物造成嚴重的影響，因此近壩庫岸邊坡一直是工程建設關注的重點和研究的熱點，對危及大壩、輸泄水建筑物及附屬設施安全的新老滑坡體或潛在滑坡體，應根據表面位移、深層位移、裂縫開合度等觀測資料，依空間和時程進行整理，并與原因量(水庫水位、降水量及氣溫等)進行相關分析，判斷其穩定性。有條件時，應建立相應的數學模型，進行安全監控。

4.3 深厚覆蓋層防滲技術的研究

隨著防滲墻壩基技術的不斷成熟，新疆深厚覆蓋層處理工程不斷增加，深厚覆蓋層的滲流控制主要采取上游水平鋪蓋防滲和垂直防滲兩種方法，或者是將兩者結合。其中壩基垂直防滲處理措施主要有混凝土防滲墻、帷幕灌漿、防滲墻與帷幕灌漿相結合等方式。但對巨厚覆蓋層的處理及相關技術還需不斷研究。

4.4 大壩冬季施工技術

新疆水利工程施工具有典型的季節性，工程施工應充分考慮當地氣候對施工的影響，有時候也要根據情況進行冬季施工，但高寒地區冬季混凝土施工風險大。工程所在地氣溫低，晝夜溫差大，若沒有完善的冬季施工方法，混凝土極易受到凍害，會產生降低混凝土強度、出現混凝土裂縫、降低耐久性等質量問題，影響工程質量和工期。因此制定完善的、適合項目冬季施工的措施需要不斷的探索和研究，以此縮短工程建設周期，確保項目保質保量完成建設。

4.5 高邊坡處理措施

邊坡穩定問題是水利水電工程中經常遇到的問題。影響著工程的建設投資和安全運行。高邊坡的地質構造往往比較復雜，影響滑坡的因素也很多，在針對不同工程時進行高邊坡加固治理時，應從引起高邊坡滑坡的原因入手，結合高邊坡的地層巖性、地質構造、地形地質及水文地質條件，并預測高邊坡可能的破壞形式，然后結合工程特點，提出相應的加固方案，最后綜合考慮施工方法和經濟條件，選擇便于實施的加固治理方案。

4.6 防腐措施

根據新疆不少工程地下水試驗資料，硫酸根含量較高，地下水對混凝土結構具中～強腐蝕性。針對此類情況，經驗做法是采用抗硫酸鹽水泥，對混凝土結構采取防腐措施。通常混凝土基本的防腐措施主要有添加礦物質粉末、改善施工工藝、采用纖維混凝土、對混凝土進行表面處理等方法，以保證混凝土結構的耐久性和安全性。

5 結語

(1)新疆氣候變化大，冬季嚴寒，極端天氣對工程設計、壩型選擇產生影響。瀝青混凝土心墻處于壩體內部，氣候條件對瀝青混凝土心墻壩的影響較小，而對混凝土面板壩影響較大。在新疆嚴寒地區，瀝青混凝土心墻壩可冬季施工，縮短總工期，按時發揮經濟效益，適于在嚴寒地區應用。

(2)黏土心墻壩壩型可較好地解決大壩抗震和變形控制，在大壩地質條件復雜、抗震設防高烈度區，選擇黏土心墻壩壩型較為安全。具有一定分散性的防滲土料在做好土料的反濾保護設計的情況下，作為防滲體是完全可行的。

(3)新疆率先采用天然砂礫石作為混凝土面板壩填筑材料，現已建成多座百米級高壩，混凝土面板堆石壩在嚴寒地區、深厚覆蓋層、高地震區均得到了較好的應用，但在抗震結構設計、筑壩材料選擇、面板防裂抗裂、施工程序、壩體變形控制等方面仍需要不斷的創新和探索。

(4)針對嚴寒地區、復雜地形等特點，如何控制好瀝青混凝土心墻壩的應力應變、蓄水后的滲漏、高陡岸邊坡穩定及瀝青混凝土的質量和施工工藝等問題，還需不斷的探索和研究。

(5)新疆水利工程施工具有典型的季節性，工程施工及工期安排應充分考慮當地氣候對施工的影響，要結合工程條件加強防冰凍措施研究。

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