新疆寒冷地区水库大坝设计及坝型选择分析

赵 妮

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 气候特征

新疆位于亚欧大陆中部，地处中国西北边陲，由于“三山两盆”的地形地貌特征，具有海拔高、气温低、蒸发量大的特点，且气温日较差大，昼夜温差大，光照时间长，气候变化明显，北疆变化幅度比南疆大。根据新疆多年的气温资料，新疆最高和最低气温的变率冬季最大，且北疆要大于南疆。新疆大部分水库属山区水库，存在冬季施工问题，气温的变化对水利工程施工有着较大的影响，尤其对混凝土冬季施工影响较大。

2 水利工程地质条件及特点

新疆处于印度板块和欧亚板块碰撞的前沿地带。新疆山区地质构造极为复杂，有五大地震带，由北向南分别是阿尔泰地震带、北天山地震带、南天山地震带、西昆仑山地震带和阿尔金山地震带。地震频度高、震级大、范围广。不同地貌单元其岩性、结构变化很大，大坝在选址时要充分考虑地形、地貌条件。新疆大部分水利工程位于高寒高海拔地区，存在强震、深厚覆盖层、高陡边坡等问题，由于地形、地质条件复杂，在工程设计、水库坝型选择中存在诸多制约性因素，不同的气候、地形地质条件，坝体所在区域的稳定性对于大坝设计、水库坝型选择及安全运行有很重要的影响。

3 水库大坝各坝型的优缺点及适用性

新疆在高寒高海拔地区、高地震区、深厚覆盖层等特殊环境下的筑坝技术通过不断的研究和创新，尤其是以混凝土面板堆石坝和沥青混凝土心墙坝为代表的当地材料坝得到了很好的应用，通常在设计中根据坝址地形、地质条件和坝址区附近是否有筑坝材料，其储量、质量和开采条件、运输条件分析，采用适合的坝型。为充分利用当地材料，结合坝址所在地形、地质条件，选择沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝和黏土心墙坝的工程居多，近年来，当地材料坝在新疆也得到了广泛的应用和发展。

3.1 黏土心墙坝

黏土心墙坝具有较好的抗震性、自愈性，当坝址地震烈度较高，地基的预估沉陷量偏大，坝址附近有充足的砂砾料和黏性土料时采用这种坝型较为适宜。黏土心墙坝坝坡比均质坝要陡，用渗透系数较低的黏性心墙或斜心墙防渗，心墙占总的体积比重不大。此类坝型在新疆高震区广泛应用，其中1993年修建的克孜尔水库黏土心墙坝是国内第一座建造活断层上的水利枢纽工程，坝高44m，抗震设防烈度为8.5°；2006年在地震设防烈度为9°的地区建成的坝高108m的恰甫其海水利枢纽等工程经过多次地震检验，坝体均未发生裂缝和错动变形，运行状况良好，说明了黏土心墙坝良好的抗震性。

新疆黏土防渗土料按区域划分，天山南北两侧以风积黄土为主，塔里木盆地南缘一带，基本以粉土为主，黏粒含量普遍较低。准噶尔盆地北缘部分第三系地层发育地区，广泛分布有黏粒含量较高的黏土，有的地区土料中蒙脱石含量较高，具有一定的分散性，防渗土料存在易开裂、易冲蚀，抗震性能差，施工质量难以控制等问题，这些不良工程特性给大坝结构设计和工程施工带来一定的麻烦，在大坝设计、施工中应采取相应的处理措施。

由于新疆北疆地区山区降雨量较多，有的工程土料天然含水量与最优含水量差别较大，黏土心墙料施工需进行土料制备，施工较麻烦，黏土心墙料碾压时受气候条件的影响较大。由于黏土心墙坝具有较好的抗震性、自愈性，在新疆地区应用比较广泛。

3.2 混凝土面板坝

混凝土面板坝的特点是坝坡的稳定性好，坝坡坡脚大致与松散抛填堆石的自然休止角相当，低于碾压堆石的内摩擦角。防渗面板设于堆石体的上游面，承受水压力的性能好，坝体透水性好，几乎不受渗透力的影响。施工导流与度汛方便。施工时受气候条件的影响较小。混凝土面板砂砾石坝在运行期面板防渗体在外侧，面板及止水系统维修方便。但严寒地区面板受冻融影响，产生混凝土面板裂缝的工程也不少，严寒地区面板坝应加强防冻措施。

新疆地区面板坝主要是利用天然砂砾石料或爆破堆石料填筑坝体，近30年来，面板坝在新疆地区的应用越来越广泛，已经完成的乌鲁瓦提水利枢纽工程，是当时国内在建的第二高的百米级混凝土面板坝，它率先利用天然砂砾石料进行坝壳填筑，最大坝高133m，其河床覆盖层深厚，河床中有一深槽，为减少坝基开挖和坝体回填，对坝基覆盖层的开挖方式进行了改良，仅挖除趾板、垫层区和过渡层区的覆盖层，目前，该水库运行良好，已成为和田地区标志性工程。

面板坝坝体具有良好的抗震性能，地震变形小，不因地震而产生孔隙水压力；地震虽可能导致面板裂缝而引起坝体渗漏增加，但不致溃坝。由于变形小，在新疆高震区、深厚覆盖层地质条件下得到了良好的应用。在建的大石峡水利枢纽，最大坝高251m，坝址区地震基本烈度为8°，大坝抗震设防烈度达9°；在建的玉龙喀什水利枢纽，最大坝高229.5m，工程区地震基本烈度为8°，大坝抗震设防烈度达9°，在国内同类坝型属首例；修建于深厚覆盖层深度约100m，且坝址选择在相对稳定的铁克里克断块上的阿尔塔什水利枢纽，最大坝高162.8m，坝址区地震基本烈度为8°，大坝抗震设防烈度达9°。由此可看出混凝土面板在高地震区、深厚覆盖层地区得到了良好的应用。

3.3 沥青混凝土心墙坝

近年来沥青混凝土心墙坝在新疆塔城、阿勒泰地区得到了广泛应用，该坝型受外界气候及光照影响较小，几乎不受酷暑及严寒冰冻的影响，沥青混凝土的摊铺、压实较面板简单，与河床及两岸混凝土底座易于连接，基础处理及帷幕灌浆工作量较面板坝节省，施工期短，对坝体变形适应能力强，且可以与围堰结合。其抗震性能较优。由于其受气候变化影响较小，因此在新疆寒冷地区应用比较广泛。但其坝体工程量一般大于面板坝，施工有干扰，影响填筑速度。沥青混凝土心墙坝由于心墙防渗体位于坝体内部，心墙破坏时，不易发现且维修困难，检查漏水及修理补强比较麻烦。

鉴于沥青混凝土心墙坝对地形、地质条件适应能力较强，在高震区、深厚覆盖层及基岩条件较差的情况下应用较多，2010年建成坝高78m的下坂地水库处于高震、高海拔区，坝区抗震设防烈度为8°。坝基覆盖层最大厚150m，工程区风速大，昼夜温差达20℃，为特殊环境下的沥青混凝土施工积累了经验。

4 新疆水库大坝设计需考虑的若干因素

4.1 建筑物防冰冻措施

水工建筑物冻胀破坏的原因非常复杂，主要与土体的类型、水和温度有关，还涉及设计、材料的应用、施工和管理等各个方面，因此，要进行有效的综合措施，防患于未然。应根据工程地点的气象、冰情、工程地质和冻土基本资料，并结合建筑物规模建筑材料以及同类建筑物抗冰冻经验。

4.2 近坝库岸边坡稳定及处理

由于近坝库岸边坡距大坝等主要水工建筑物较近，它的失稳会对相邻的主要水工建筑物造成严重的影响，因此近坝库岸边坡一直是工程建设关注的重点和研究的热点，对危及大坝、输泄水建筑物及附属设施安全的新老滑坡体或潜在滑坡体，应根据表面位移、深层位移、裂缝开合度等观测资料，依空间和时程进行整理，并与原因量(水库水位、降水量及气温等)进行相关分析，判断其稳定性。有条件时，应建立相应的数学模型，进行安全监控。

4.3 深厚覆盖层防渗技术的研究

随着防渗墙坝基技术的不断成熟，新疆深厚覆盖层处理工程不断增加，深厚覆盖层的渗流控制主要采取上游水平铺盖防渗和垂直防渗两种方法，或者是将两者结合。其中坝基垂直防渗处理措施主要有混凝土防渗墙、帷幕灌浆、防渗墙与帷幕灌浆相结合等方式。但对巨厚覆盖层的处理及相关技术还需不断研究。

4.4 大坝冬季施工技术

新疆水利工程施工具有典型的季节性，工程施工应充分考虑当地气候对施工的影响，有时候也要根据情况进行冬季施工，但高寒地区冬季混凝土施工风险大。工程所在地气温低，昼夜温差大，若没有完善的冬季施工方法，混凝土极易受到冻害，会产生降低混凝土强度、出现混凝土裂缝、降低耐久性等质量问题，影响工程质量和工期。因此制定完善的、适合项目冬季施工的措施需要不断的探索和研究，以此缩短工程建设周期，确保项目保质保量完成建设。

4.5 高边坡处理措施

边坡稳定问题是水利水电工程中经常遇到的问题。影响着工程的建设投资和安全运行。高边坡的地质构造往往比较复杂，影响滑坡的因素也很多，在针对不同工程时进行高边坡加固治理时，应从引起高边坡滑坡的原因入手，结合高边坡的地层岩性、地质构造、地形地质及水文地质条件，并预测高边坡可能的破坏形式，然后结合工程特点，提出相应的加固方案，最后综合考虑施工方法和经济条件，选择便于实施的加固治理方案。

4.6 防腐措施

根据新疆不少工程地下水试验资料，硫酸根含量较高，地下水对混凝土结构具中～强腐蚀性。针对此类情况，经验做法是采用抗硫酸盐水泥，对混凝土结构采取防腐措施。通常混凝土基本的防腐措施主要有添加矿物质粉末、改善施工工艺、采用纤维混凝土、对混凝土进行表面处理等方法，以保证混凝土结构的耐久性和安全性。

5 结语

(1)新疆气候变化大，冬季严寒，极端天气对工程设计、坝型选择产生影响。沥青混凝土心墙处于坝体内部，气候条件对沥青混凝土心墙坝的影响较小，而对混凝土面板坝影响较大。在新疆严寒地区，沥青混凝土心墙坝可冬季施工，缩短总工期，按时发挥经济效益，适于在严寒地区应用。

(2)黏土心墙坝坝型可较好地解决大坝抗震和变形控制，在大坝地质条件复杂、抗震设防高烈度区，选择黏土心墙坝坝型较为安全。具有一定分散性的防渗土料在做好土料的反滤保护设计的情况下，作为防渗体是完全可行的。

(3)新疆率先采用天然砂砾石作为混凝土面板坝填筑材料，现已建成多座百米级高坝，混凝土面板堆石坝在严寒地区、深厚覆盖层、高地震区均得到了较好的应用，但在抗震结构设计、筑坝材料选择、面板防裂抗裂、施工程序、坝体变形控制等方面仍需要不断的创新和探索。

(4)针对严寒地区、复杂地形等特点，如何控制好沥青混凝土心墙坝的应力应变、蓄水后的渗漏、高陡岸边坡稳定及沥青混凝土的质量和施工工艺等问题，还需不断的探索和研究。

(5)新疆水利工程施工具有典型的季节性，工程施工及工期安排应充分考虑当地气候对施工的影响，要结合工程条件加强防冰冻措施研究。

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