KMS水库大坝结构设计

李荣飞

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

哈密地区地处新疆自治区东部，与蒙古国接壤，气候干旱少雨，目前该地区已经成为新疆著名的煤炭、煤化工生产基地。随着社会经济发展，区域内水资源分布不均问题日益凸显，加快相关水利工程建设已经成为促进当地“可持续发展”的重要基础之一。

1 工程概况

“引额供水”工程位于新疆自治区北部，主要目的是从额尔齐斯河引水至克拉玛依、乌鲁木齐市经济区，其中二期输水工程等别为Ⅰ等，规模为大(1)型工程，KMS水库是该工程的重要组成部分。水库位于新疆哈密地区巴里坤县境内，为注入式平原水库，水库四面筑坝而成，总库容2 860万m3，正常蓄水位685.00 m。水库由入库建筑物、挡水大坝、供水兼退水建筑物、库区外侧防洪堤等组成，工程于2017年10月15日开工建设，计划2021年12月30日完工。以下主要对KMS水库关键结构设计要点进行分析。

2 主要建筑结构设计要点分析

2.1 入库建筑物设计

项目入库建筑物由水库上游分水口、供水方向检修闸、入库分水闸、箱涵、矩形槽、消力池、引水渠道、溢流池等组成，具体设计如下：①上游分水口为“Y”形，流向分别为水库入库分水闸和供水方向检修闸，两侧分水角度均为45°。分水口轴线长度12 m，为开敞式混凝土结构，分水口内断面尺寸为4.00 m×4.50 m(宽×高)，底板高程685.30 m。②在供水方向、入库方向端部分别设计单孔检修闸、单孔节制分水闸，孔口尺寸均为4.00 m×4.00 m(宽×高)，分别设计检修门槽(平板闸门)一道。两类闸门底板高程均为685.30 m，闸顶平台高程689.80 m。③入库分水闸后接20.00 m渐变段暗涵与入库暗涵相接，渐变段暗涵净宽由4.00 m渐变为2.50 m，净高由4.00 m渐变为2.50 m，纵坡设计为1∶500。入库暗涵段总长272 m，纵坡为1∶80，净宽2.50 m，净高2.50 m。

2.2 水库大坝设计

KMS水库大坝形式为土工膜斜墙坝，全长6 081.60 m，最大坝高18 m，顶宽8～10 m，设有2.20 m高“L”型钢筋混凝土防浪墙，主要结构包括：防渗斜墙、碎石垫层、坝壳、烟囱式排水体，具体设计如下：①大坝上游坝坡设计1∶2.50，结构为0.25 m混凝土护坡；下游坝坡1∶2，结构为0.07 m混凝土网格梁内嵌预制混凝土块护坡。②防渗体为土工膜(二布一膜)斜墙，采用高密度聚乙烯土工膜，膜厚0.80 mm，土工布采用长纤针刺非织造布，布重200 g/m2。土工膜下方为5 cm厚M10砂浆垫层，再往下是法向垂直厚度为1.50 m碎石垫层，采用等厚度铺设，坝体主要结构剖面见下图1示。③坝壳位于坝体碎石垫层下游，采用附近料场所产的含土角砾料填筑而成，具体粒径范围参数见下表1所示，坝壳料填筑标准采用压实度控制，设计压实标准为P≥0.98。经测定含土角砾料渗透系数为1.2×10-4～7.9×10-3cm/s，坝壳料渗透系数偏小。④为使渗透水流顺利排出坝体，在坝体内部设置烟囱式排水体，竖向排水体水平宽度2 m，厚度1 m。水平向排水体按条带铺设，带宽5 m，间距8 m，接入坝趾排水暗管。排水料选用爆破料制备，最大粒径150 mm，5 mm以下的含量<15%，0.10 mm以下的含量<5%，渗透系数k≥10-2cm/s。⑤反滤料设计在排水体上、下位置，水平宽度1 m连续布置，上下厚度均为0.50 m，相对密度Dr≥0.80。反滤料1用于排水体与坝壳料及含土角砾地基接触部位，采用C6料场全料进行水洗除泥处理；反滤料2用于排水体与粘性土地基接触部位，采用C6料场5 mm以下砂砾料水洗除泥处理。

图1 库木苏水库大坝结构示意图

表1 含土角砾料粒径分布范围表

2.3 库盘工程设计

2.3.1 库盘防渗设计

KMS水库库盘覆盖层主要为第四系全新统～上更新统洪积含土角砾和低液限粘土，夹中-粉细砂和粉土层，全库盘在30 m深度内未形成连续、稳定的天然防渗层，因此工程设计全库盘防渗:①设计为库盘开挖后674 m高程以下深水区防渗材料采用膜厚0.80 mm复合土工膜(一布一膜+一布，布重200 g/m2+300 g/m2)，674 m高程以上浅水区防渗材料采用膜厚0.60 mm复合土工膜(布重200 g/m2+200 g/m2)。②土工膜之上铺设0.50 m厚的粘土、粉土保护层，保护层上部再铺设0.50 m盖重料，为水库开挖料即可，但要求土工膜保护层及盖重区均应不含清基料、有机质、高含盐土料。

2.3.2 库盘其他设施设计

库盘其他设施包括地下水位长期观测孔、排水排气管等，具体设计如下：①工程共设计6个地下水位长期观测孔，结合水文资料，库区粘性土基地下水位变幅一般在30 cm以内。经观测：库区地下水位最大处在西南角，埋深8.75 m。水库地下水埋深最浅处在东坝段，埋深2.30～4.20 m。②工程在土工膜下设置纵横交织的中砂盲沟，尺寸300 mm×400 mm，间距30～50 m，内埋直径100 mm软式透水支管。支管渗水汇入直径200 mm干管，干管汇入供水兼退水建筑物。排气管沿大坝上游坡面将气体排到坝顶以上。

2.4 供水兼退水建筑物设计

KMS水库供水兼退水建筑物位于东坝段，由闸前进水口、供水兼退水闸、闸后坝下双孔拱形埋涵、供水压力钢管、流量计阀井、埋涵退水孔口后的矩形明槽、消力池、退水明渠等部分组成:①供水兼退水闸为岸塔式钢筋混凝土结构，闸井由事故检修门井段和工作门井段组成，事故检修门为潜孔式平板门，两孔两扇，尺寸均为3.50 m×4.00 m(宽×高)。退水孔口工作门为潜孔式弧门，尺寸3.50 m×3.00 m(宽×高)。②埋涵供水孔口内布置压力供水钢管，管首部与闸井供水孔口内的外包混凝土钢管段(长10.29 m)相连接，钢管总长143.30 m，采用Q235C有压涂塑钢管，管径2 600 mm，壁厚16 mm。该段管线上布置两处DN2600波纹伸缩节，管轴纵坡同埋涵底坡均为1/100，钢管通过支撑环和支墩与埋涵底板相连接。支撑环采用Q235C钢材，沿水流方向间距7 m，座落于底部支墩，支墩采用C25钢筋混凝土浇筑。埋涵外部钢管长43.02 m，分为镇墩内和直埋两段，管线末端设一处计量阀井，阀井内设置一个八声道超声波流量计，并在流量计上游主管上设一处DN700进人孔。③供水兼退水闸井及坝下埋涵基础处理采用正方形砂井预压方案，砂井间距2 m，井径0.30 m，砂井深度25 m。砂井完成后对闸井和埋涵基础开挖换填，开挖深度6.30 m，开挖边坡坝轴线方向1∶10，上下游方向1∶4，开挖完成后依次铺设0.30 m厚反滤层、3.50 m厚碎石垫层，碎石垫层内布设钢塑复合加筋土工格栅。④退水埋涵后接20 m矩形明槽，明槽断面尺寸3.50 m×3.00 m(宽×高)，底坡1/100。明槽后接44 m消力池，消力池后为15 m长现浇混凝土渐变段，渐变段后接1 000 m现浇混凝土衬砌渠道，渠底宽6 m，渠深3 m，边坡1∶2.50，纵坡1∶500，之后接20 m渐变段，再接30 m格宾网石垫渠道作为防冲刷措施。其余为开挖土渠段，渠道底宽15 m，边坡1∶3，长度为2 031 m，退水至库区东侧洼地。

3 结语

KMS水库大坝作为“引额供水”二期的重要组成部分，具有规模大、包含建筑物多、技术水平要求高等突出特点，由于项目距离大城市较远，在设计时充分考虑了“因地制宜”，尽量让建筑材料供应问题能够就近解决，大大降低了运输成本。工程各部分参数也充分结合了其他工程经验，这样会显著降低设计和施工难度，不过在实际操作过程中还是遇到了诸如地下水位较高、极端气候等问题，这也反映了前期准备不足。