卡因其水庫(kù)工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)與調(diào)度運(yùn)用方案分析

秦志剛

(第九師聯(lián)拓勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,新疆 塔城 834601)

0 引言

一六八團(tuán)位于新疆西北部,是一個(gè)農(nóng)牧結(jié)合的邊境團(tuán)場(chǎng),多年來(lái)團(tuán)場(chǎng)水資源時(shí)空分布不均,天然徑流與灌區(qū)蓄水過(guò)程不匹配,汛期洪災(zāi)頻發(fā),灌溉期水資源短缺,工程性缺水問(wèn)題突出,當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水安全無(wú)法保障。為此,建設(shè)卡因其水庫(kù)可以防治卡因其河流域洪水災(zāi)害,改善團(tuán)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展環(huán)境和生態(tài)環(huán)境,滿足穩(wěn)定屯墾戍邊和全面建設(shè)小康社會(huì)的需要。

1 流域概況

卡因其河發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山東段,出山口后流程大約11 km,是沙拉依敏河的一級(jí)支流?？ㄒ蚱浜铀祵偕刃嗡?上游有4條支流,在距離出山口上游3.9 km處匯入卡因其河干流。擬建水庫(kù)壩址處上游干流河長(zhǎng)10 km,平均高程約1 345 m,出山口以上平均縱坡6.3%。流域內(nèi)無(wú)永久性積雪和冰川發(fā)育,徑流補(bǔ)給源主要是季節(jié)性融雪水、降雨和地下水[1]。

根據(jù)卡因其河綜合利用現(xiàn)狀和區(qū)域發(fā)展規(guī)劃,卡因其水庫(kù)任務(wù)以水旱災(zāi)害防御為主,抵御洪水并滿足人畜供水和灌溉需求,水庫(kù)下游河道防洪能力明顯提高,到設(shè)計(jì)水平年供水量可以達(dá)到8.09萬(wàn)m3,能夠提升773 hm2耕地灌溉標(biāo)準(zhǔn)和供水保證率。本流域處在干旱、半干旱的中溫帶地區(qū),以旱作物為主,地面灌設(shè)計(jì)保證率75%,噴滴灌設(shè)計(jì)保證率85%。

2 水文地質(zhì)

卡因其河位于塔額盆地北端,屬溫帶大陸性干旱半干旱荒漠氣候區(qū),夏季炎熱短促,冬季寒冷漫長(zhǎng),秋季降溫迅速,冷空氣活動(dòng)頻繁,空氣干燥,蒸發(fā)量大。工程區(qū)多年平均氣溫5.91℃;多年平均年降水量334.8 mm、蒸發(fā)量1 662 mm;多年平均風(fēng)速2.6 m/s;最大凍土深1.45 m。

卡因其河徑流補(bǔ)給主要由季節(jié)性冰雪融水、降雨及地下水組成,年徑流變差系數(shù)0.34,多年平均年徑流量619萬(wàn)m3;卡因其河洪水類型主要有融雪型洪水、暴雨型洪水、雨雪混合型洪水,水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)年徑流成果、設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表1和表2?？ㄒ蚱浜恿饔驘o(wú)泥沙觀測(cè)資料,采用哈拉依敏站估算,壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量0.20萬(wàn)t,推移質(zhì)輸沙量0.03萬(wàn)t,多年平均入庫(kù)泥沙總量為0.23萬(wàn)t[2]。

表1 水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)年徑流成果

表2 水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量成果

工程區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,邊界斷裂和塊體內(nèi)部斷裂活動(dòng)不活躍,屬區(qū)域穩(wěn)定性較好地區(qū)。庫(kù)壩區(qū)地形坡度左岸3°～5°、右岸5°～10°,地表植被發(fā)育,地表被第四系上更新統(tǒng)沖洪積物覆蓋,現(xiàn)代河床地形較平緩,寬度40～60 m。庫(kù)區(qū)主要地質(zhì)問(wèn)題包括：庫(kù)盤底部基巖為泥巖,基巖頂板形態(tài)為夷平作用形成的夷平面,普遍覆蓋砂卵礫石層,屬?gòu)?qiáng)透水層,連通庫(kù)外,為水庫(kù)滲漏的主要通道,需進(jìn)行有效截滲;右岸壩軸線上游150 m岸坡坡度陡峭,庫(kù)水位變幅較大,岸坡土層在飽水過(guò)程中可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)滑塌;壩軸線、溢洪道基礎(chǔ)底層主要為非自重、自重濕陷性黃土場(chǎng)地,為低液限粉土,需要采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理[3]。

3 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 工程規(guī)模及特性

卡因其水庫(kù)由大壩、溢洪道、導(dǎo)流放水涵洞組成,50%、75%來(lái)水保證率下保灌面積均為773 hm2;85%保證率下保灌面積666 hm2。工程規(guī)模為小(1)型,等別為Ⅳ等,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇,主、次要建筑物級(jí)別分別為4、5級(jí)。

3.2 工程總體布置

水庫(kù)壩址位于卡因其河中下游低山丘陵區(qū),河谷呈淺U型,現(xiàn)代河床寬40～60 m。根據(jù)壩軸線處左、右岸鉆孔及物探工作,基巖頂高程分別為906 m、897 m,低于正常蓄水位。壩軸線從左壩肩處向前延伸50 m后轉(zhuǎn)角110°折向上游,向上游繼續(xù)延伸41 m后基巖頂高程抬高至正常蓄水位;壩軸線從右壩肩處向右延伸504 m,基巖頂高程抬高至略高于正常蓄水位。依此確定的壩軸線坐標(biāo)為左壩肩x=737 799.166 9,y=5 196 117.364 2;右壩肩x=737 358.989 1,y=5 196 197.345 6。

水庫(kù)大壩采用均質(zhì)土壩,頂寬5.0 m,壩頂長(zhǎng)439 m,清基面以上最大壩高21.7 m,均質(zhì)土壩上游壩坡1∶2.5,下游壩坡1∶2.0,上游護(hù)坡為20 cm厚混凝土板,標(biāo)號(hào)C25、F250,護(hù)砌高程至死水位以下1.5 m,下游護(hù)坡為30 cm厚砂礫石,坡面縱橫向設(shè)梁;壩頂上游側(cè)設(shè)L型鋼筋混凝土防浪墻,墻頂高出壩面1.0 m,混凝土標(biāo)號(hào)C25、F250、W6,防浪墻與壩體土緊密結(jié)合形成共同防滲體,防浪墻間隔5 m設(shè)伸縮縫,設(shè)651型止水帶并填高壓閉孔板,迎水面采用瀝青砂漿封口;壩頂采用砂礫石路面,墊層厚0.2 m;壩頂下游側(cè)設(shè)路緣石。溢洪道布置在左岸,場(chǎng)址處以上岸坡坡度3°～5°,較平緩,采用側(cè)槽式溢洪道,無(wú)閘控制,開(kāi)敞式布置,由側(cè)槽段、控制段、漸變段、泄槽段、消能段及出水渠組成,總長(zhǎng)422.2 m。導(dǎo)流放水涵洞布置在大壩右岸,洞身埋設(shè)在壩體以下,為無(wú)壓洞,采用矩形斷面,總長(zhǎng)219.8 m,由閘井段、洞身段、出口明渠段三部分組成,在塔井基礎(chǔ)邊墻預(yù)埋鋼管取水,正常運(yùn)行期設(shè)計(jì)流量為0.493 m3/s[4]。

3.3 大壩設(shè)計(jì)

3.3.1 壩頂高程

按照規(guī)范,壩頂高程等于水庫(kù)靜水位加壩頂超高之和,采用4種工況計(jì)算。根據(jù)氣象資料,庫(kù)區(qū)多年平均年最大風(fēng)速17 m/s,有效吹程495 m,正常蓄水位下水域平均水深10.50 m。壩頂超高按式(1)計(jì)算。

y=R+A

(1)

式中,y為壩頂超高,m;R為波浪爬高,m;A為安全加高,正常運(yùn)用條件為0.5 m,非常運(yùn)用條件為0.3 m,地震安全加高取二者之和為0.8m。

波浪平均爬高按式(2)計(jì)算：

(2)

式中,Rm為平均波高,m;K△、Kw為斜坡的糙率滲透性系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù);m為單坡的坡度系數(shù);波浪爬高R可由平均波高和壩前迎水面水深的比值按規(guī)范規(guī)定的系數(shù)計(jì)算求得,當(dāng)hm/H<0.1時(shí),換算系數(shù)取1.84。計(jì)算成果如表3所示,壩頂高程以工況②控制,確定：壩頂高程911.2 m;防浪墻頂高程912.2 m;最大壩高22.5 m。

表3 壩頂高程計(jì)算成果

3.3.2 混凝土護(hù)坡

根據(jù)規(guī)范,對(duì)混凝土板護(hù)坡,具有明縫且坡度系數(shù)為2～5時(shí),抗浮穩(wěn)定下混凝土板厚度按式(3)計(jì)算,可知厚度大于等于17cm時(shí),混凝土板抗浮穩(wěn)定[5]。

(3)

式中,η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);hp為累積頻率為5%的波高,1.84 m;b為沿壩坡向板長(zhǎng),m;ρc、ρw為混凝土板、水的密度,t/m3;Lm為平均波長(zhǎng),m;m為邊坡系數(shù)。

工程區(qū)地處塔額盆地北端,多年平均最冷月氣溫為-10.3℃,多年平均封凍天數(shù)97 d,屬嚴(yán)寒地區(qū)。據(jù)調(diào)查,當(dāng)?shù)囟嗄昶骄畲蟀哆叡?.64 m,最大岸邊冰厚0.98 m,現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡面板在冰推破壞作用下的安全系數(shù)采用式(4)計(jì)算,經(jīng)復(fù)核,在冰推作用下20 cm厚混凝土面板滿足穩(wěn)定要求。

(4)

式中,K為冰推安全系數(shù);γk為混凝土護(hù)坡容重,2.4t/m3;δ為冰層厚,m;m為護(hù)坡坡比;t為護(hù)坡厚度,m;H為冰面以上護(hù)坡高度,m;T為冰推力,kN/m2;f為護(hù)坡與墊層間的摩擦系數(shù)。

場(chǎng)址區(qū)歷年最大凍深為145 cm,工程選用筑壩土料為低液限粉土,小于0.075 mm粒徑的土粒質(zhì)量占總質(zhì)量的69.39%～85.6%,壩體土為凍脹性土,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮壩體土的凍脹性對(duì)護(hù)坡的影響,設(shè)計(jì)凍深和粉土凍脹量按式(5)-式(8)計(jì)算,確定砂礫石墊層厚度取0.4 m。

Zd=ψdψwZm

(5)

ψd=α+(1-α)ψi

(6)

(7)

(8)

式中,Zd為設(shè)計(jì)凍深,m;Zm為實(shí)測(cè)歷年最大凍深,m;ψw為地下水修正系數(shù);ψd為日照及遮蔭程度影響系數(shù);Zwo為臨近氣象臺(tái)地下水位深度,m;ψi為典型斷面(走向N-S,B/H=1.0,m=1.0)某部位i的日照及遮蔭程度修正系數(shù);α、β為系數(shù),根據(jù)建筑物所在的氣候區(qū)、建筑物計(jì)算斷面的軸線走向、斷面形狀及計(jì)算點(diǎn)位置確定;Zwi為計(jì)算點(diǎn)地下水位深度,m;h為地表凍脹量,cm。

3.3.3 壩體分區(qū)

本工程均質(zhì)土壩壩體填筑分為壩體土料區(qū)和開(kāi)挖利用料區(qū)。均質(zhì)土壩壩體為全斷面土料填筑,為充分利用截水槽開(kāi)挖料即級(jí)配良好礫部分,有效降低浸潤(rùn)線,排水體用該料填筑,排水體料與壩體土料及河床覆蓋層接觸面設(shè)無(wú)紡布反濾,防止?jié)B透破壞。

壩體填筑土料設(shè)計(jì),全斷面采用T1料場(chǎng)土料填筑,水溶鹽含量≤3%,有機(jī)質(zhì)含量按質(zhì)量計(jì)≤5%,壓實(shí)度96%,壓實(shí)后滲透系數(shù)k≤1.0×10-4cm/s,碾壓層厚度30 cm,凸塊碾碾壓8遍,壩體填筑土料施工含水率為最優(yōu)含水率-2%～+3%,截水槽中粘土與水泥土基座接觸面刷粘土漿。

開(kāi)挖利用料區(qū)設(shè)在壩體下游坡腳,為均質(zhì)土壩排水體,排水體頂高程893.1 m,頂寬3 m,最大厚度3.5 m,最大粒徑Dmax=110 mm,級(jí)配連續(xù),小于0.075 mm含量3.3%～6%,孔隙率19.7%～22.8%,滲透系數(shù)k=1.79×10-3～6.9×10-3cm/s,碾壓層厚60 cm。該區(qū)料粒徑與壩體料粒徑及河床覆蓋層粒徑差異較大,不能滿足反濾關(guān)系,因此,在排水體料與壩體土料及河床覆蓋層接觸處鋪設(shè)無(wú)紡布。

3.3.4 大壩滲流計(jì)算

滲流計(jì)算斷面選取最大壩高0+170斷面,地基條件為有限深透水地基。計(jì)算采用理正滲流分析軟件6.0版進(jìn)行。壩體土產(chǎn)生滲透變形的允許水力坡降為0.45,壩基覆蓋層兩岸沖洪積低液限粉土產(chǎn)生滲透變形的允許水力比降為0.096,級(jí)配良好礫產(chǎn)生滲透變形的允許水力比降為0.12。計(jì)算結(jié)果如表4所示。均質(zhì)壩設(shè)置開(kāi)挖利用料區(qū)(排水料)能有效降低浸潤(rùn)線,下壩坡可能出逸點(diǎn)均滿足滲透穩(wěn)定,截水槽部位將產(chǎn)生滲透變形,如不采取措施土體將發(fā)生滲透破壞。因此,對(duì)截水槽下游側(cè)及壩體土料與河床覆蓋層、開(kāi)挖利用料區(qū)接觸面均鋪設(shè)無(wú)紡布作為反濾層以使土體達(dá)到滲透穩(wěn)定的要求[6]。

表4 大壩滲流計(jì)算成果

3.3.5 壩體穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)水庫(kù)運(yùn)行中各種不利組合,采用理正穩(wěn)定分析軟件6.0版瑞典圓弧法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析,計(jì)算斷面選取在最大壩高0+170處。各工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)成果如表5所示,可知各工況下壩坡均穩(wěn)定[7]。

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

3.4 水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用

為充分發(fā)揮水庫(kù)防洪功能,增加水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容,水庫(kù)汛期限制水位與正常蓄水位一致。水庫(kù)溢洪道采用無(wú)坎寬頂堰,流量系數(shù)為0.34,無(wú)閘控制,放水涵洞不參與泄洪。按照無(wú)閘方案的泄洪建筑物型式、尺寸進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算,調(diào)洪演算成果如表6所示。根據(jù)卡因其河徑流年內(nèi)分配和卡因其灌區(qū)的需水量及需水過(guò)程,在正常年份,卡因其水庫(kù)興利運(yùn)行方式為5月下旬蓄滿,9月底放空,10月中旬至次年5月攔蓄冬閑水及部分洪水至滿庫(kù),調(diào)節(jié)水量為214.6萬(wàn)m3[3]。

表6 水庫(kù)特征值及調(diào)洪演算成果

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái),一六八團(tuán)受工程建設(shè)滯后影響,汛期洪災(zāi)頻發(fā),灌溉期水資源短缺,工程性缺水問(wèn)題突出,當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活安全無(wú)法保障。為了滿足穩(wěn)定屯墾戍邊和全面建設(shè)小康社會(huì)的需要,必須在卡因其河上建設(shè)水庫(kù)。本文針對(duì)卡因其河徑流洪水特性,對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析,確定工程規(guī)模、特性和總體布置,并對(duì)大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)計(jì)算。從水庫(kù)建設(shè)過(guò)程及下閘蓄水以來(lái)的調(diào)度運(yùn)行情況來(lái)看,該設(shè)計(jì)方案是合理的,可為相似地區(qū)同類工程提供設(shè)計(jì)參考。