新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程面板坝设计

徐向东，周吉军

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，新疆石河子832000）

1 工程概况

玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程北距石河子市约70 km，地理坐标为东经85°57′，北纬43°58′。玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程是流域规划推荐的一期工程，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。枢纽工程由拦河坝、右岸溢洪道、泄洪洞、发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。水库正常蓄水位990 m，设计及校核洪水位分别为992.98 m和993.49 m，最大坝高129.40 m，总库容1.88亿m3，控制灌溉面积21.09万ha，电站装机容量100 MW，设计年发电量2.703亿kW·h，为大（2）型Ⅱ等工程。

2 地形地质条件

河谷呈典型的“V”字形，两岸冲沟不发育，河谷基岩裸露，岸坡坡度40°～45°，河流下切作用强烈，下切深度达150 m左右。河段纵坡1%，主要岩性为侏罗系泥岩砂岩互层，属中硬岩，暴露极易风化崩解，河流沿相对较软的泥岩面侵蚀冲刷，在河谷段上局部有小规模崩塌掉块，无大的滑坡，水库蓄水后库岸稳定性较好。工程区地震基本烈度为8度，拦河坝抗震设计烈度为9度，基岩地震动峰值加速度按50 a超越概率2%为393.5gal，其它主要建筑物抗震设计烈度为8度。

坝址区天然砂砾石料储量丰富，料场区位于坝址区玛纳斯河右岸Ⅳ级阶地平台上，料场有用层储量为1102.3万m3，其中上层青灰色卵石混合土层储量378.2万m3，下层古河槽胶结卵石混合土层储量724.1万m3。本工程大坝填筑料约为682.14万m3。

3 坝体结构设计

3.1 坝顶及坝坡

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》相关规定，参照国内外已建工程的坝顶宽度确定原则，结合坝顶交通、施工要求、抗震措施等，确定本工程坝顶宽度为10 m。为减小大坝填筑量，坝顶上游设“L”型防浪墙，墙底高程998.0 m，墙高3.7 m，坝顶以上墙高1.2 m，确定坝顶高程996.6 m。参考国内外已建和在建100 m以上高混凝土面板砂砾石坝的经验和规范规定，考虑抗震要求、筑坝材料等，确定坝体上游坡比为1∶1.7，下游坝坡平均坝坡为1∶2.0，结合布置“之”字型上坝道路，设计路宽10 m。

3.2 坝体分区设计

图1 坝体典型剖面Fig.1 Typical section of the dam

本工程砂砾石料场级配良好，其级配情况与国内已建几座面板砂砾石坝过渡料级配极为相似，经研究，本工程取消了过渡料区，简化了施工工序。结合坝址区的地形地质条件、筑坝材料的物理力学性质、土石方平衡等因素，确定坝体分区自上游向下游依次为：面板上游面下部土质斜铺盖及其盖重保护区、混凝土面板、垫层区、周边缝处特殊垫层区、主坝壳料区及下游坝面混凝土格栅砌石护坡区。大坝典型剖面如图1所示。

3.3 坝体填筑料设计

（1）垫层区设计。垫层料的压实密度与压缩变形对于减小面板接缝和周边缝的位移极为重要。设计确定垫层水平宽度4 m，由C2-1料场上层级配良好的料筛分并掺配细颗粒配置而成，最大粒径80 mm，小于5 mm颗粒的含量占40%～55%，小于0.075 mm颗粒的含量控制小于5%，且级配连续，采用的是一种符合谢腊德建议的级配曲线。相对密度≥0.85。

（2）排水料区设计。坝壳料填筑时，由于施工时产生分离竖直向的渗透性远低于水平向，沟后水库失事后坝体渗流研究表明，当混凝土面板或伸缩缝出现损坏，入渗点较高时，进入坝体的渗水易沿着坝体填筑时坝料分离而形成的粗颗粒层向下游流动，又因坝体上部断面较窄，渗水极易在下游坝坡较高部位处逸出，对下游坝坡造成冲刷，影响坝体安全。

竖向排水体的布置：竖向排水体底部布置在距坝轴线B/4（B为坝体底宽）的上游坝体内，底部垂直段高度36 m。为保证坝顶附近排水体距垫层区有一段距离，竖向排水体顶部980.8 m高程以上部分做成垂直的，布置在坝轴线处，底部和顶部垂直排水体间采用1∶1.3斜线连接。

水平排水体布置：根据已建工程经验，肯斯瓦特根据河床宽度取排水体宽45 m，为便于坝体填筑排水体布置成4个排水条带，厚5 m，排水体过水总面积为225 m2。排水条带与坝壳料间隔布置，坝壳料水平宽度5 m。排水体料最大粒径100 mm，最小粒径5 mm，5 mm逊径率小于5%，且级配连续。相对密度≥0.85，孔隙率小于22%。

（3）主坝壳料设计。主坝壳料区采用C2-1料场全料填筑，设计最大粒径400 mm，小于5 mm颗粒含量占10%～33%，小于0.075 mm颗粒的含量小于5%，级配连续。设计相对密度≥0.85。填筑料设计指标见表1。

表1 坝体各材料分区填筑标准控制参数Table 1:Control parameters for the dam filling standards of dif⁃ferent material partitions

4 趾板设计

由于坝址右岸坡度较陡，为了减小开挖量，保证基础稳定，减少基础岩石卸荷裂隙的产生，趾板布置为宽度对高程渐变的型式，宽度4～8 m，水力梯度取值15，趾板厚度0.6～0.8 m。趾板混凝土设计强度等级C30，抗渗等级W12，抗冻等级F300。趾板钢筋布置在顶部，为单层双向钢筋，每向配筋率为0.45%，在周边缝的趾板混凝土中设挤压钢筋，防止止水周围混凝土的破坏。趾板不设永久缝，每隔12～16 m设2 m宽后浇带，宽槽两侧混凝土浇注90 d后浇注宽槽混凝土，钢筋穿过宽槽，宽槽混凝土采用微膨胀混凝土，自身体积变形不小于10-4。同时，为加强趾板与基础的连接，保证趾板在固结灌浆和帷幕灌浆及其他外力作用下能保持稳定状态，岸坡趾板用锚杆锚固在基岩上，锚杆采用ϕ28，锚杆长度6 m，间、排距1.5 m，呈梅花型布置。

5 面板设计

为满足面板防渗性和耐久性的要求，其厚度根据现行规范经验公式：t=0.3+0.0035H。其中，H为为计算断面至面板顶部高程的垂直距离，而本工程在设计中，为适应大坝在地震设防烈度9度下的变形，消除裂缝的发生，起始厚度由0.3 m提高到了0.4 m。河床中央部分，面板压性垂直缝设有5条，缝间距12 m。两岸陡坡段面板受拉区为限制拉应力的发展和吸收变形，均设有张性垂直缝，缝间距为6.0 m，左岸设6条，右岸设8条。工程设计中考虑右岸地形较左岸陡峻，特将右岸受拉区面板设为双层钢筋网。面板混凝土采用C30高性能二级配混凝土，抗渗等级W12，抗冻等级F300。钢筋率顺坡向为0.4%，水平向0.35%。

6 分缝止水设计

周边缝设计：周边缝设置底、顶三道止水，缝间用12 mm厚三元乙丙橡胶片填塞。考虑到中部止水对混凝土浇注施工的干扰，将中部止水移至顶部，设置波形止水带。底止水采用F型铜止水，顶止水采用GB柔性填料止水，顶部设8 mm厚三元乙丙GB橡胶复合板保护，用角钢、膨胀螺栓固定。周边缝外围设粉粘土粒保护，用厚1 mm不锈钢护罩保护，护罩顶部设ϕ50 mm圆孔，梅花形布置。

2.2 治疗前后两组MAP、HR、SVV水平对比 治疗后观察组HR水平明显高于对照组，而MAP、SVV水平均明显低于对照组，差异有统计学意义(均P<0.05)。见表2。

垂直缝设计：垂直缝分为张性缝与压性缝，结合动力分析计算，止水及填缝材料采用能够适应本工程变形的防渗材料。面板中间5条压性板缝设1.2 cm厚三元乙丙橡胶片，以减少地震荷载对面板挤压破坏，其余压性缝缝间涂刷1 mm厚沥青乳胶。底顶设置两道止水，顶部止水为W型止水铜片，顶止水采用GB柔性填料止水，GB橡胶复合盖板保护。张性缝缝间涂刷1 mm厚沥青乳胶，顶部柔性填料填筑面积略大于压性缝。

水平缝设计：面板顶部与防浪墙之间水平缝是永久缝，需设止水结构。鉴于沟后面板坝溃决原因之一是面板顶部与防浪墙底板之间水平缝结构破坏，设计时针对水平缝设置三道止水，缝间用12 mm沥青木板填塞，底部设置W1型止水铜片，顶部设置波形止水带和GB柔性填料，GB复合盖板保护。

7 坝基处理

7.1 河床坝基及趾板基础处理

河床段趾板、垫层基础，将表面覆盖及冲积层挖除至弱风化上部岩石上。趾板下游15 m范围内的填筑体，挖除全部覆盖及冲积层，使其置于与趾板基础同高的弱风化上部岩石基础上。

对趾板范围内断层、节理和破碎带作如下处理：

（1）对规模较小的节理、裂隙，清除节理和裂隙中的充填物后冲洗干净，缝隙灌入水泥浆封堵。加大加厚混凝土趾板，增大帷幕和固结灌浆范围，进行封闭灌浆处理。

（2）对岩石节理、裂隙比较发育或规模较大的断层、破碎带，需增设混凝土塞，在趾板下游浇注混凝土盖板或喷射混凝土，并在喷射混凝土上及喷射混凝土下游一定范围内的断层破碎带出露面上部铺设水平垫层。

填筑体地基处理，基岩开挖后及时喷护，防止岩石风化、崩解。砂砾石填筑体地基在趾板下游岩石岸坡不做开挖处理，坝基砂砾石覆盖层清除表面植被及超径卵石，两岸倒悬岩石边坡按1∶0.5开挖，两岸与岸坡基岩接触带设置2 m宽过渡层，过渡料最大粒径80 mm，由C2-1料场筛分获得，确保填筑体间的反滤过渡。

7.2 帷幕灌浆设计

8 工程进展情况

8.1 设计情况

2008年3月16 ～19日，中国水科院受国家发改委委托对《新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程项目建议书》进行评估，肯定了项目建议书阶段的成果。

2009年9月30日，国家发改委以发改农经【2009】2481号文批复了工程的《可行性研究报告》。

2009年12月，水规总院完成对《新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程初步设计报告》的审查。

2009年12月至今，肯斯瓦特水利枢纽工程主体工程招标及技施图纸设计已经全部完成。

8.2 施工进展

2010年9月导流洞贯通，并完成验收。2011年3月，完成上下游围堰填筑。

2011年3月发电洞、厂房开工，10月发电洞斜井段、下平洞段已完成，正在进行上平洞段的施工。

2010年10月，趾板、右岸联合进水口开挖，至2011年10月已完成高程920 m以下的趾板混凝土浇注。

2011年4月大坝开始填筑，至2011年10月大坝填筑至高程896 m，并完成相应监测仪器的埋设。

9 结语

在吸取国内一些已建面板砂砾石坝在施工和蓄水期出现的诸如垫层料开裂、面板结构性裂缝和挤压破坏等现象的经验教训的基础上，结合当地砂砾石材料的特性，肯斯瓦特大坝在分区设计、趾板设计、面板设计、分缝止水设计等方面具有自身独特的设计特点。从大坝的动力计算分析结果看，该坝能够满足给定地震工况下的抗震安全性要求，为高寒和高地震烈度区修建混凝土面板砂砾石坝积累了经验。■

[1]郦能惠.高混凝土面板堆石坝新技术[M].中国水利水电出版社，2007.