KMS水庫大壩結構設計

李榮飛

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

哈密地區地處新疆自治區東部，與蒙古國接壤，氣候干旱少雨，目前該地區已經成為新疆著名的煤炭、煤化工生產基地。隨著社會經濟發展，區域內水資源分布不均問題日益凸顯，加快相關水利工程建設已經成為促進當地“可持續發展”的重要基礎之一。

1 工程概況

“引額供水”工程位于新疆自治區北部，主要目的是從額爾齊斯河引水至克拉瑪依、烏魯木齊市經濟區，其中二期輸水工程等別為Ⅰ等，規模為大(1)型工程，KMS水庫是該工程的重要組成部分。水庫位于新疆哈密地區巴里坤縣境內，為注入式平原水庫，水庫四面筑壩而成，總庫容2 860萬m3，正常蓄水位685.00 m。水庫由入庫建筑物、擋水大壩、供水兼退水建筑物、庫區外側防洪堤等組成，工程于2017年10月15日開工建設，計劃2021年12月30日完工。以下主要對KMS水庫關鍵結構設計要點進行分析。

2 主要建筑結構設計要點分析

2.1 入庫建筑物設計

項目入庫建筑物由水庫上游分水口、供水方向檢修閘、入庫分水閘、箱涵、矩形槽、消力池、引水渠道、溢流池等組成，具體設計如下：①上游分水口為“Y”形，流向分別為水庫入庫分水閘和供水方向檢修閘，兩側分水角度均為45°。分水口軸線長度12 m，為開敞式混凝土結構，分水口內斷面尺寸為4.00 m×4.50 m(寬×高)，底板高程685.30 m。②在供水方向、入庫方向端部分別設計單孔檢修閘、單孔節制分水閘，孔口尺寸均為4.00 m×4.00 m(寬×高)，分別設計檢修門槽(平板閘門)一道。兩類閘門底板高程均為685.30 m，閘頂平臺高程689.80 m。③入庫分水閘后接20.00 m漸變段暗涵與入庫暗涵相接，漸變段暗涵凈寬由4.00 m漸變為2.50 m，凈高由4.00 m漸變為2.50 m，縱坡設計為1∶500。入庫暗涵段總長272 m，縱坡為1∶80，凈寬2.50 m，凈高2.50 m。

2.2 水庫大壩設計

KMS水庫大壩形式為土工膜斜墻壩，全長6 081.60 m，最大壩高18 m，頂寬8～10 m，設有2.20 m高“L”型鋼筋混凝土防浪墻，主要結構包括：防滲斜墻、碎石墊層、壩殼、煙囪式排水體，具體設計如下：①大壩上游壩坡設計1∶2.50，結構為0.25 m混凝土護坡；下游壩坡1∶2，結構為0.07 m混凝土網格梁內嵌預制混凝土塊護坡。②防滲體為土工膜(二布一膜)斜墻，采用高密度聚乙烯土工膜，膜厚0.80 mm，土工布采用長纖針刺非織造布，布重200 g/m2。土工膜下方為5 cm厚M10砂漿墊層，再往下是法向垂直厚度為1.50 m碎石墊層，采用等厚度鋪設，壩體主要結構剖面見下圖1示。③壩殼位于壩體碎石墊層下游，采用附近料場所產的含土角礫料填筑而成，具體粒徑范圍參數見下表1所示，壩殼料填筑標準采用壓實度控制，設計壓實標準為P≥0.98。經測定含土角礫料滲透系數為1.2×10-4～7.9×10-3cm/s，壩殼料滲透系數偏小。④為使滲透水流順利排出壩體，在壩體內部設置煙囪式排水體，豎向排水體水平寬度2 m，厚度1 m。水平向排水體按條帶鋪設，帶寬5 m，間距8 m，接入壩趾排水暗管。排水料選用爆破料制備，最大粒徑150 mm，5 mm以下的含量<15%，0.10 mm以下的含量<5%，滲透系數k≥10-2cm/s。⑤反濾料設計在排水體上、下位置，水平寬度1 m連續布置，上下厚度均為0.50 m，相對密度Dr≥0.80。反濾料1用于排水體與壩殼料及含土角礫地基接觸部位，采用C6料場全料進行水洗除泥處理；反濾料2用于排水體與粘性土地基接觸部位，采用C6料場5 mm以下砂礫料水洗除泥處理。

圖1 庫木蘇水庫大壩結構示意圖

表1 含土角礫料粒徑分布范圍表

2.3 庫盤工程設計

2.3.1 庫盤防滲設計

KMS水庫庫盤覆蓋層主要為第四系全新統～上更新統洪積含土角礫和低液限粘土，夾中-粉細砂和粉土層，全庫盤在30 m深度內未形成連續、穩定的天然防滲層，因此工程設計全庫盤防滲:①設計為庫盤開挖后674 m高程以下深水區防滲材料采用膜厚0.80 mm復合土工膜(一布一膜+一布，布重200 g/m2+300 g/m2)，674 m高程以上淺水區防滲材料采用膜厚0.60 mm復合土工膜(布重200 g/m2+200 g/m2)。②土工膜之上鋪設0.50 m厚的粘土、粉土保護層，保護層上部再鋪設0.50 m蓋重料，為水庫開挖料即可，但要求土工膜保護層及蓋重區均應不含清基料、有機質、高含鹽土料。

2.3.2 庫盤其他設施設計

庫盤其他設施包括地下水位長期觀測孔、排水排氣管等，具體設計如下：①工程共設計6個地下水位長期觀測孔，結合水文資料，庫區粘性土基地下水位變幅一般在30 cm以內。經觀測：庫區地下水位最大處在西南角，埋深8.75 m。水庫地下水埋深最淺處在東壩段，埋深2.30～4.20 m。②工程在土工膜下設置縱橫交織的中砂盲溝，尺寸300 mm×400 mm，間距30～50 m，內埋直徑100 mm軟式透水支管。支管滲水匯入直徑200 mm干管，干管匯入供水兼退水建筑物。排氣管沿大壩上游坡面將氣體排到壩頂以上。

2.4 供水兼退水建筑物設計

KMS水庫供水兼退水建筑物位于東壩段，由閘前進水口、供水兼退水閘、閘后壩下雙孔拱形埋涵、供水壓力鋼管、流量計閥井、埋涵退水孔口后的矩形明槽、消力池、退水明渠等部分組成:①供水兼退水閘為岸塔式鋼筋混凝土結構，閘井由事故檢修門井段和工作門井段組成，事故檢修門為潛孔式平板門，兩孔兩扇，尺寸均為3.50 m×4.00 m(寬×高)。退水孔口工作門為潛孔式弧門，尺寸3.50 m×3.00 m(寬×高)。②埋涵供水孔口內布置壓力供水鋼管，管首部與閘井供水孔口內的外包混凝土鋼管段(長10.29 m)相連接，鋼管總長143.30 m，采用Q235C有壓涂塑鋼管，管徑2 600 mm，壁厚16 mm。該段管線上布置兩處DN2600波紋伸縮節，管軸縱坡同埋涵底坡均為1/100，鋼管通過支撐環和支墩與埋涵底板相連接。支撐環采用Q235C鋼材，沿水流方向間距7 m，座落于底部支墩，支墩采用C25鋼筋混凝土澆筑。埋涵外部鋼管長43.02 m，分為鎮墩內和直埋兩段，管線末端設一處計量閥井，閥井內設置一個八聲道超聲波流量計，并在流量計上游主管上設一處DN700進人孔。③供水兼退水閘井及壩下埋涵基礎處理采用正方形砂井預壓方案，砂井間距2 m，井徑0.30 m，砂井深度25 m。砂井完成后對閘井和埋涵基礎開挖換填，開挖深度6.30 m，開挖邊坡壩軸線方向1∶10，上下游方向1∶4，開挖完成后依次鋪設0.30 m厚反濾層、3.50 m厚碎石墊層，碎石墊層內布設鋼塑復合加筋土工格柵。④退水埋涵后接20 m矩形明槽，明槽斷面尺寸3.50 m×3.00 m(寬×高)，底坡1/100。明槽后接44 m消力池，消力池后為15 m長現澆混凝土漸變段，漸變段后接1 000 m現澆混凝土襯砌渠道，渠底寬6 m，渠深3 m，邊坡1∶2.50，縱坡1∶500，之后接20 m漸變段，再接30 m格賓網石墊渠道作為防沖刷措施。其余為開挖土渠段，渠道底寬15 m，邊坡1∶3，長度為2 031 m，退水至庫區東側洼地。

3 結語

KMS水庫大壩作為“引額供水”二期的重要組成部分，具有規模大、包含建筑物多、技術水平要求高等突出特點，由于項目距離大城市較遠，在設計時充分考慮了“因地制宜”，盡量讓建筑材料供應問題能夠就近解決，大大降低了運輸成本。工程各部分參數也充分結合了其他工程經驗，這樣會顯著降低設計和施工難度，不過在實際操作過程中還是遇到了諸如地下水位較高、極端氣候等問題，這也反映了前期準備不足。