淺談莫莫克水利樞紐工程混凝土面板壩設計

雷震霄

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

莫莫克水利樞紐是提孜那甫河上的控制性工程，主要承擔防洪、灌溉兼顧發電的工程任務。總庫容為0.927 億m3，正常蓄水位為1894.0 m，死水位1873.0 m，電站總裝機容量為26.0 MW，裝機年利用小時數2988 h，多年平均年發電量為0.777 億kW·h。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。樞紐工程由混凝土面板壩、表孔溢洪道、泄洪沖沙洞、發電引水洞、電站廠房等組成。樞紐工程平面圖見圖1。

圖1 樞紐工程平面圖

混凝土面板壩最大壩高70.0 m，位于高地震區，場地基本烈度Ⅷ度。混凝土面板壩具有良好的抗震性能，主堆石體在混凝土防滲面板的保護下處于干燥狀態，能抵抗強震而產生的小變形，壩體穩定性好。

壩址區河床河谷呈“U”型，河谷谷底寬270 m，河床段覆蓋層最大深度為15 m 左右，巖性主要為第四系全新統沖積砂卵礫石層和分布于地表和兩岸坡腳的砂質低液限粉土和礫質土，下伏基巖為西域組礫巖，基巖頂板高程1831 m～1834 m，礫巖以泥質膠結為主，局部泥鈣質膠結，屬軟巖，遇水易軟化，巖層產狀310°NE∠25°。壩址區左岸出露地層巖性主要為第四系沖洪積低液限粉土、砂卵礫石和第三系西域礫巖。右岸岸坡高陡，岸坡1900 m 以下基巖裸露，巖性為第三系西域礫巖，與岸坡近正交80°左右，傾向下游。

2 面板壩設計

2.1 總體布置

本工程壩址區位于提孜那甫河中上游河段，距莫莫克村下游約1.8 km，兩岸岸坡不對稱，河谷呈“U”字型，河谷相對較窄，左岸邊坡較緩，巖體較完整，未發現有大的不穩定體和卸荷體；右岸岸坡坡度60°左右，高度不大，邊坡穩定性較好。

砼面板壩壩頂高程1897.0 m，最大壩高70.0 m，壩頂長度397.0 m。壩體填筑分區從上游至下游分為上游蓋重區、上游鋪蓋區、混凝土面板、墊層區、特殊墊層小區、主堆石區、次堆石區。大壩上游壩坡采用1∶1.6；本工程設計烈度為Ⅷ度，為提高抗震性，下游壩坡在高程1877.0 m 以上為1∶1.6，在1877.0 m高程以下為1∶1.5，下游設置“之”字型上壩公路，寬8.0 m，下游綜合壩坡為1∶2.0。樞紐工程縱斷面圖見圖2。

2.2 壩體分區設計

壩體分區的目的是在保證大壩安全的前提下力求經濟，依據當地材料性質設計壩體剖面及分區，充分發揮當地材料壩優勢，使壩體安全可靠、經濟合理。樞紐工程橫面圖見圖3。

1）上游蓋重區

位于上游鋪蓋區上游，用于穩定上游鋪蓋區邊坡，頂高程1854 m，頂寬10 m，上游坡度1∶2.5，可采用開挖棄渣等任意粗粒材料，蓋重區總填筑量4.3 萬m3。

圖2 樞紐工程縱斷面圖

圖3 樞紐工程橫斷面圖

2）上游鋪蓋區

位于面板上游，作用是形成面板上游的防滲補強區，并與特殊墊層區一起起到淤堵開裂的周邊縫、實現自愈的作用，頂高程1849 m，頂寬5.0 m，上游坡度1∶2，鋪蓋區總填筑量 5.2 萬 m3。

3）墊層區

設于面板下游，水平寬度4 m。墊層料粒徑要求dmax≤80 mm，小于5 mm 的含量為35%～55%，小于0.075 mm 的含量宜為4%～8%。采用C4-2 砂礫石料場篩分獲得，墊層區填筑總量0.91 萬 m3。

4）特殊墊層小區

位于周邊縫下部，為5 m 寬、3 m 高的梯形小區，其作用是反濾周邊縫滲漏水流中的上游鋪蓋區土料，阻塞滲漏通道。特殊墊層小區粒徑要求dmax≤40 mm，由C4-2 料場篩分獲得，特殊墊層小區總填筑量0.5 萬m3。

5）主堆石區

位于墊層下游，是面板的主要支撐結構。粒徑要求小于0.075 mm 的含量小于8%，采用C4-2 砂礫石料場料，主堆石區填筑總量為147.2 萬m3，填筑標準要求相對密度Dr≥0.85。

由于主堆石區的壩殼砂礫石料采用C4-2 料場的砂礫石料，擊實后其滲透系數試驗值為1.7×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，平均值為5.7×10-2cm/s，具有透水性強的特點，可不設排水。經計算壩殼料與壩基料之間滿足排水反濾要求，因此壩殼料與壩基之間不再另設排水反濾料。C4-2 砂礫石填筑料場有用層儲量為420.8 萬m3，儲量滿足初設需求，各項指標均能滿足壩殼砂礫料要求，可采用C4-2 砂礫石填筑料場砂礫石全料作為壩體上游壩殼料填筑材料。

6）次堆石區

位于壩體下游側，根據地震工況的壩坡抗滑穩定計算成果以及滲流計算成果，確定利用料頂部高程1865.0 m，遠離壩頂上部抗震薄弱區，下部高程1853.0 m，高于下游浸潤線，上游坡度1∶0.75，下游坡度1∶1.5，主要來源為河床部位，確定利用料填筑標準相對密度Dr≥0.85。

7）排水棱體

廠房位于大壩下游坡腳約100 m 處，廠房左右岸尾水擋墻與左岸溢洪道和右岸護坡相連形成封閉整體伸入原河道，廠房尾水及河道回水不會沖刷下游坡腳，大壩下游坡腳與廠房平臺之間填筑開挖利用料，填筑高程與廠房平臺一致，因此壩腳不再設置排水棱體等措施保護坡腳。

8）壩料層間關系復核

根據以上壩體各分區的反濾排水復核，各壩料之間即滿足保土性準則，又滿足自由排水，壩殼砂礫料、墊層料、墊層小區料、上游鋪蓋及覆蓋層砂礫石之間滿足層間關系要求。

2.3 結構設計

1）混凝土面板

混凝土面板厚度按規范公式確定：t＝0.3＋0.0035H，頂部厚度為0.3 m，面板底部厚度為0.5 m。面板砼采用C30F300W8，混凝土面板內設單層雙向鋼筋網，其豎向配筋率為0.5%，水平向配筋率為0.4%，防止混凝土被擠壓破碎而剝落。面板寬度：河床部位受壓區寬為12 m（24 塊），岸坡部位受拉區面板寬 6 m（左岸 9 塊，右岸 6 塊）。

2）趾板

趾板采用C30F300W8，趾板寬度：高程1859 m 以下寬度為8 m；高程1859 m 以上寬度為6 m，趾板厚度為0.6 m。基巖上趾板內部設單層雙向鋼筋，含鋼率為0.3%。趾板底部設置錨筋為HRB400 鋼筋直徑28 mm，將趾板錨固在基巖上。

2.4 壩基處理

1）趾板基礎開挖

趾板地基開挖面力求平順，避免陡坎和反坡。趾板上方的巖質岸坡應按穩定邊坡或經加固處理后的穩定邊坡開挖以確保運行期安全。左、右岸岸坡和河床段壩段趾板基礎均置于弱風化層巖石基礎上。趾板巖石開挖邊坡為1∶0.3～1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1.5。岸坡的風化巖塊、坡積物、殘積物和邊坡不穩定體應按要求開挖清理，并應在填筑前完成，禁止邊填筑邊開挖。清除出的廢料，應全部運出壩基范圍以外。

2）壩殼基礎處理

壩殼基礎處理應作到改善地基表面的平整度，確保堆石與岸坡接觸面變形均勻，減小陡邊坡對壩體變形的不利影響，從而減小陡岸壩體堆石變形梯度。岸坡段清除壩體基礎巖石裸露處的松散塌滑體和兩岸碎石土層，左右岸堆石體地基在趾板內坡至壩軸線范圍內的岸坡開挖成不陡于1∶0.5 的坡度。河床段砂卵礫石結構密實，無地震液化問題，承載力可滿足大壩要求，可作為土石壩壩基利用。河床砂礫石清除表層2 m 覆蓋層。

3）基礎灌漿

固結灌漿的目的是提高表層基巖的整體性，在趾板底部設置固結灌漿，孔距、排距3 m。根據趾板下的基巖情況，確定固結灌漿的灌漿深度為5 m。考慮下伏基巖為西域組礫巖，礫巖以泥質膠結為主，局部泥鈣質膠結，屬軟巖，節理裂隙不發育，連通率較低，且成層狀，故帷幕灌漿孔距設為2.0 m，單排，確定大壩河床基礎及左右岸帷幕防滲標準為3 Lu 以下5 m。在f7斷層段范圍內加強帷幕灌漿，基礎帷幕灌漿防滲標準按相應壩段1 倍壩高深度控制。

4）斷層處理

根據本階段地質勘察成果，左岸順河發育f7 斷層，該斷層沿壩址左岸坡腳與壩軸線呈80°斜交，斷層350°NE∠80°～85°，帶寬1.0 m～1.5 m，以碎裂巖和糜棱巖為主，膠結較好，見斜擦痕，具壓扭性，斷層總長約300 m，無活動性，考慮到本工程f7 斷層破碎帶傾角較陡，長度約為300 m，且帶寬僅為1.0 m～1.5 m，組成物質以軟巖構造巖為主，對基礎強度、壓縮變形和滲流有一定影響，根據《混凝土重力壩設計規范》（SL 319-2018）規定，確定采用混凝土塞加固，混凝土塞的深度1.5 m，擴挖混凝土塞寬度取為2.0 m，在壩基范圍內對f7 斷層進行斷層塞處理，并向上下游適當延伸。在趾板下部斷層范圍內加強帷幕灌漿，基礎帷幕灌漿防滲標準按相應壩段1 倍壩高深度控制。

3 結語

結合莫莫克水利樞紐工程概況，從總體布置、壩體分區設計、結構設計、壩基處理等方面對混凝土面板壩進行設計，樞紐工程效果圖見圖4。

圖4 樞紐工程效果圖