水库挡水建筑物通常可分为拦河坝、溢洪道、引水涵洞和发电洞等，拦河坝是用来拦截河流或其他水体中较大颗粒、小石块等杂物，使其不能通过河流，防止其对下游造成危害而修建的一种建筑物。在水库工程的挡水建筑物设计中，挡水建筑物的设计原则和技术要求，应根据水库的工程地质条件、气候条件和施工条件等因素，综合考虑挡水建筑物的设计。在充分了解和掌握已建挡水建筑物的情况，结合水库工程的特点，在保证挡水建筑物结构安全、施工方便及造价经济合理的前提下，应选择挡水建筑物结构型式，保证水库工程的正常安全使用。
1工程概况
乌斯通沟水库以农业灌溉及工业用水为主，以防治过量开采地下水为目标，它是一项集综合效益于一体的大型枢纽。大坝主体结构包括沥青混凝土心墙砾石坝、左岸引水泄水洞、右岸泄洪洞和导流排沙排水孔。大坝高程为73.0m，有1440/1130万m3的库容。它是按照SL252-2017 《水利水电工程等级划分及洪水标准》3.0.1条提出的，设计方案是一座中等规模的水库，其等级为 III级。三级建筑的土石坝坝高大于70 m时，其坝体结构等级可以提升一级，但洪水标准可以不提高，本工程大坝坝高为73.0 m，因此，本工程大坝级别提高为2级建筑物。大坝泄洪洞，灌溉放水洞，导流泄沙及泄沙洞等主体结构均为三级结构；小楼为四层楼；临时建筑是5层楼。
2水库工程挡水建筑物设计工作要点分析
2.1坝体工程布置
坝体轴线位置在距离洞口1.4 km处，坝轴线坐标值为：左坝肩 A点的坐标：X=4727292.270m， Y=579592.400m；右岸点 B的座标为： X=4727207.420m， y=579982.740m.水库的正常库容为905.0 m，对应库容1337/1028万m3，校核的洪水位906.89 m对应的1440/1130万m3；水库兴利库容1022/989万m3，死水位876.0 m，淤砂高程872.50 m，死库容315/39万m3。大坝为沥青混凝土心墙坝，坝顶高程909.50m，坝顶宽度9.0m，混凝土路面0.3m，宽8.0m，在其上游一侧，有一道高1.2m的防浪墙，它的顶部是一道“L”形的墙，它是一座高1.2m的大坝。坝基面高836.5m，最高坝高73.0m，呈直线型。上游坝坡为1:2.20，在878.40m处设3.0m宽马道，上游坝坡为5m×6m厚250 mm现浇C25二级混凝土板护坡，并将混凝土板护坡浇筑到围堰顶部，围堰下部采用大块石护坡，厚1 m；在上游坡脚，采用围堰一段，坝顶高程为857.50m，上游坝坡为1:2.25；根据上游坡面坡度为1:1.8、下游马道与上坝式道路相结合，道路宽度8.0m，总坡度比为1:2.31。在此基础上，提出了一种新型的混凝土格栅式混凝土护坡方案，其厚度为300 mm。
2.2坝体结构设计
2.2.1坝顶宽度
《碾压式土石坝设计规范》5.4.1条：“大坝顶部的宽度，应综合考虑结构、工、用、震等综合考虑。”工程区基础抗震烈度为Ⅷ度，坝体抗震设防标准为Ⅷ度，依据工程区特性，参照国内外同类坝高坝宽，并考虑坝顶通行情况及施工需要，选定9.0m宽。
2.2.2坝顶布置
为防止雨水倒灌，坝顶至下游侧设置2%的排水坡降，顶部铺有50 mm厚的沥青混凝土路面，并配有照明设备。抗浪墙高5m（超出坝顶1.2m），顶部高910.7m，设置“L”形抗浪墙，水平宽度4.6m，底板为C25，宽度为C25，宽度为10 m，设置一条沉降缝，裂缝内设橡胶止水。在此基础上，设计了一种新型的防渗结构体系，并对其进行了防渗处理。在坝顶下游侧设砼路沿石，比坝体顶部高20cm，断面尺寸0.2×0.7 m，路缘石上每5m设一个向下游通的排水孔，留有空隙，设挡水墩。
2.2.3上、下游坝坡及护坡
依据《碾压式土石坝设计规范》，借鉴国内外有关资料，通过对坝坡的稳定性进行了分析和计算，确定了上游、下游的坡比为1:2.2、1:1.8，在下游坝坡上设置上坝公路，路面宽度8.0m，采用碎石路面，坡度8%。上游部分为C25二级配砼板护坡，在围堰的顶端浇筑混凝土面板，在它的围堰下方，已经没有了混凝土板的保护。
2.2.4坝体分区
大坝的填筑区域由上而下划分为：上游砂砾料区，上游渡料区，沥青混凝土心墙，下游渡料区，下游排水导渗区，下游砂砾料区，等效于大坝的填筑，并在此基础上，提出了一种新的施工方法。
1）上、下游砂砾料区。本项目拟以下游河道及下游阶地砂石料场作为填料，通过对其进行压实，使其具有最大粒径不超过600 mm、级配连续、松铺厚度0.8m（Dr≥0.85）、淤泥含量<1.9%、压实后渗透系数达10-3cm/s
2）上、下游过渡料区。为保证过渡层对沥青混凝土心墙两侧的均匀支承，协调坝壳料区和沥青砼心墙区的变形，提出了过渡层颗粒级配较好、结构较硬、最大颗粒直径不超过8倍的原则。项目提出了一种新的过渡材料，即：最大颗粒直径在80mm以下，颗粒在5mm以下23%到27%，在0.075mm以下的颗粒在5%以下，在渗透性在10到3cm/s之间，在相对密度 Dr≥0.85的范围内。
2.3筑坝材料设计
2.3.1沥青混凝土心墙的技术指标
选用高品质的沥青是确保沥青混凝土心墙品质的关键，本项目所用的沥青有专用的水工沥青、重交通公路的石油沥青和中轻路的石油沥青。从最近的角度来看，克拉玛依炼油厂、独山子炼油厂、乌鲁木齐石油化工总厂、兰州炼油厂均能供应高品质的沥青，且均靠近工程区，特别是克拉玛依炼油厂，该炼油厂所产的沥青中，蜡含量低、抗老化、抗变形，与集料结合性能均优于其他沥青，具有更好的品质稳定性。克拉玛依沥青由全国沥青质量检测中心检测的结果见表1。
表1 克拉玛依70号水工沥青质量指标
通过对克拉玛依的AH-70沥青进行了现场试验，试验表明：25℃时，沥青的延度185 cm、软化点50℃、针入量70。各项性能指标都符合70级水力沥青及AH-70级沥青的技术指标。实验结果显示，普通室温下，沥青混凝土可以达到10%的受压变形、3%的抗拉变形、5%的弯曲变形和300 KPa的内聚力。在参照我国部分沥青砼心墙坝工程经验的基础上，结合我国沥青砼心墙坝的实际情况，对其施工工艺进行了探讨。见表2。
表2沥青砼技术指标
2.3.2沥青混凝土心墙配合比设计
按照SL501-2010 《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》的规定，采用实验室测试与现场铺筑实验相结合的方法，确定沥青混凝土的配合比。所选择的混合料的技术参数要符合设计对沥青混凝土的要求，并且要具有优良的工作特性，并且在经济性上是合理的。在此基础上，结合现场气温（气温）、坝体高度、坝体材料特性、施工与蓄水速率（加载速率）以及配料精度等因素，开展沥青混凝土的室内试验。
2.4基础防渗设计
2.4.1基础防渗方案选择
鉴于地基深厚，在可行性研究中，从渗流、结构、施工、工期、造价和运营管理等多个角度，提出了“竖向防渗”（防渗墙+帷幕注浆）防渗方案。坝基防渗设计对坝基渗漏量的控制准则，是依据坝基地质状况、投资规模、实施的可行性以及我国相关工程中坝基渗漏量的控制准则而定。如冶勒、下坂地和大河沿等大型水电厂坝，其控制渗漏量约占年均年径流量的1%，年均径流0.409亿m3，乌斯通水库的基础渗漏量按多年平均流量的1%控制，不超过1118.9m3/天，其防渗困难较大。根据大坝的实际情况，在大坝的设计中，确定了大坝的最大水力坡度为0.1。心墙防渗方案渗流计算成果见表3。
表3心墙坝防渗墙防渗方案渗流计算成果表
由上表可知，悬挑隔离墙的渗透系数降基本上能够满足设计要求，但无法达到对坝体底部渗漏的控制；由于该工程的多年平均泄水量很小，容许渗漏量很小，所以该期坝体的防渗采取了全面防渗的措施，以达到控制渗漏量、确保坝体渗透稳定性的目的。库岸：覆盖层厚度5.9-74.2m，其上覆基岩以浅灰色砂岩、砾岩和碳质泥页岩为主，并以侏罗系（J）为主。如果将沥青砼心墙设在岩基上，则地基的开挖工作量太大，因此，将沥青混凝土心墙设于砂卵石层之上，并在轴线处浇筑2.5m长1.5m厚的混凝土地基。砂砾料的渗透系数在2×10-2 cm/s以上，属强透水性，需对其基础进行防渗处理。
2.4.2混凝土防渗墙设计
1）砼防渗墙厚度计算
中国水利水电出版社2014版《水工设计手册·第二版·第六卷·土石坝》中，目前普遍采用的是梯比利斯研究院的经验公式。渗透渗透穿过隔离墙混凝土并使其失去50%强度的时间 T （a）是：
式中：a——淋蚀混凝土中的石灰，使混凝土的强度降低50%所需的渗水量，m³/kg；根据苏联学者B.M.莫斯克研究，a=1.54 m³/kg，按柳什尔的资料，a=2.2m³/kg；b——防渗墙厚度，m；c——1m³混凝土中的水泥用量，kg/m³，根据初定的配合比取350kg/m³；k——防渗墙渗透系数，m/a，取0.00946m/a；
——渗透比降，一般混凝土防渗墙为80～100，取80；
——安全系数，2级建筑物非大块结构（厚度小于2m）时取16。按照《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654-2014）的规定，该项目属于中度 III类，其合理服务年限为50年。经计算得出，在 a=1.54m/千克时，隔离墙的厚度 b为1.12m；在 a=2.2m/千克的条件下，隔离墙的厚度 b是0.79m。从耐久性的角度来看，混凝土的厚度不能低于0.79m。
2）防渗墙厚度计算。防渗隔离墙的耐久性主要由力学冲蚀和化学冲蚀两个因素决定，两者均与渗压梯度有关。目前，防渗墙的厚度主要是根据它的允许水力梯度、工程类比及施工装备来确定的。即：
式中：
——防渗墙厚度，m；
——最大运行水头，m；
——防渗墙容许水力坡降,刚性混凝土防渗墙可达80～100，塑性混凝土防渗墙多采用50～60。黄河小浪底水库大坝混凝土隔离墙的设计允许比降 J=92，而新疆下班地大坝混凝土隔离墙的设计允许渗透系数 J=80。
参考下坂地工程，防渗墙的容许渗透系数 J取80，选择1m厚的混凝土防渗墙作为防渗措施，对比西藏旁多水电站的高72.3m、厚1.0m的大坝，其厚度是较为合理的。
3结语：
综上所述，水库挡水建筑物设计是一项复杂的工作，必须考虑各种因素，采取各种措施，才能满足规范要求。在水库工程的挡水建筑物设计中，必须深入分析计算各挡水建筑物的方案，从不同角度、不同方面对其进行分析比较，保证建筑物设计的合理性。
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