康苏水库枢纽工程大坝施工截流设计

刘宇亮

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆乌恰县康苏镇境内的康苏水库为小(1)型水库工程，枢纽工程大坝为沥青砼心墙砂砾石坝，为3级建筑物设计等级。坝顶设计高程和防浪墙顶设计高程分别为2525.30 m和2526.50 m，坝顶长×宽为365.0 m×8.0 m，水库正常蓄水位及设计水位、校核洪水位、死水位分别为2520.20 m、2524.12 m、2514.00 m。

2 水文气象

2.1 气象条件

康苏水库所在流域在中纬度欧亚大陆腹地，距离海洋较远，呈现为典型的中温带干旱性荒漠气候特征，冬季严寒干燥，降水量非常少，春季多风沙，夏季日间温凉，降水多集中在夏季，四季气候特征十分分明，且冬季多存在暴雪、风沙、冰雹、霜冻等气候特征。年气温均值在8.1℃左右，极端最高温度和最低温度分别为35.1℃和-28.8℃；年降水量均值为185.4 mm，其中降水最多的月份出现在8月，月降水量可达101.1 mm，在全年降水总量中占比54.53%，5月～8月连续四个月的降水总量为162.2 mm，在全年降水总量中占比87.49%；年蒸发量均值达1641.78 mm；初次出现降霜的时间基本上在9月中旬，降霜结束的时间为5月下旬；康苏水库所在地区冻土深度最大可达1.5 m。

2.2 径流及洪水

通过水文比拟法推求康苏水库场址年平均径流量，参证站选择流域内建设时间较早、水文序列资料较完善的库孜洪站。推算结果表明，康苏水库坝址断面年径流量均值为0.4124亿m3。此外，根据康苏水库断面年径流成果进行坝址断面年径流量均值的年内分配，并结合库孜洪参证站2011年～2015年月平均径流量百分比进行推算，见表1。

表1 康苏水库坝址断面年径流量均值年内分配情况

康苏水库所在的流域洪水类型主要包括春末夏初冰雪消融、夏季短历时暴雨两种，第一种洪水类型大多集中出现在每年的4月～6月，第二种洪水类型则集中出现在6月～9月。

3 大坝施工导流总体设计思路

本工程在位于左岸设计一条导流冲沙洞，导流洞进口高程为EL2480，导流泄洪冲沙放空隧洞计划2016年9月底具备过流条件。而根据招标文件及我局大坝工程施工进度计划，大坝工程计划于5月启动，届时导流洞暂不具备导流功能，为此，我局计划围堰分两期施工，在位于河床右岸开挖一条导流明渠，进行前期导流排水。此方案可保证河床部分施工内容进行。待导流洞具备过流条件时，形成全断面围堰，河床部位施工内容将全面展开。2016年5月底进行左岸一期围堰填筑，2016年9月28日河床截流。

按照合同文件及施工图纸，大坝只设计上游围堰，结构类型为土工膜防渗的土石围堰。上游围堰距坝轴线99.981 m，堰体挡水标准为全年10 a一遇(P=10%)洪水，导流设计流量Q=146 m3/s，相应下游水位分别为2465.74 m，围堰堰顶高程分别为2489 m。堰顶宽均为12.462 m，最大堰高17 m，堰顶轴线约长198 m。上游围堰堰体迎水面和背水侧边坡分别为1∶2.25和1∶2。为保护施工期土工膜不被破坏，在土工膜两侧各铺设0.5 m厚过渡料保护层，上游围堰迎水面均采用1 m厚堆石护面。

根据现场实际情况，在导流洞不具备过流条件时，为确保河床内正常施工，计划在右岸开挖一条导流明渠进行前期导流。一期导流明渠布置于河床右岸坡脚，中心线长220 m，呈近似直线布置，底宽8.0 m，顶宽≥17 m，进、出口渠底高程分别为2476 m、2471 m，渠道断面采用梯形断面。同时，利用渠道开挖料填筑纵向围堰，纵向围堰导流侧坡比为1∶1.5，纵向围堰暂不设计垂直防渗。

4 截流设计

4.1 截流设计标准

截流施工计划在2016年10月进行，截流设计洪水标准为：洪水频率P=10%，相应流量Q=146 m3/s。戗堤顶设计高程为2482.00 m。

4.2 截流参数的选择

按选定的截流时段和截流标准，截流时流量不大。截流戗堤轴线选在距上游围堰轴线18m上游处，戗堤顶宽5.0 m，底宽约23 m，上游坡比为1∶2.25，下游坡比为1∶1.5，沿戗堤进占方向坡度为1∶1.25。上游围堰截流戗堤布置在康苏河右岸，上游围堰轴线全长198 m。由于一期上游围堰已完成部分填筑，故其上游围堰截流戗堤轴线长60 m，初拟龙口宽为17 m，截流最大落差为3.00 m。

4.3 截流方式

截流前由康苏河左岸戗堤预进占，截流采用立堵法，戗堤预进占左右岸双向进占，截流龙口设于导流明渠中部。

4.4 截流水力计算

4.4.1 计算公式

根据《水利水电工程施工组织设计手册》中所规定的方法进行康苏水库枢纽工程大坝施工截流水力计算[1]，并据此确定截流抛投料粒径，公式如下：

QJ=QL+Qd+QX+Qs

(1)

式中：QJ为康苏水库枢纽工程大坝施工截流设计流量，m3/s；QL为龙口泄流量，m3/s；Qd为导流隧洞泄水建筑物泄流量，m3/s；QX为戗堤前河道调蓄流量，m3/s；Qs为渗流流量，m3/s。

4.4.2 基本假定

在龙口进占施工的过程中，龙口流量和导流隧洞分流量均为非恒定流，但是在较短的截流时段内，可以将其简化为恒定流进行分析。康苏水库坝址地形较为狭窄，截流库容小，戗堤前河道调蓄可忽略不计；截流过程中戗堤堰体、堰基渗流流量均较小，在分析时也可忽略不计，即式(1)中QX和Qs均为零。

康苏水库枢纽工程截流过程中导流隧洞内为无压流，并按照宽顶堰公式进行导流隧洞泄流流量计算和龙口泄流量推求。对于非淹没流和淹没流两种情况，龙口水深分别取临界水深和下游水深。

4.4.3 计算过程及结果

结合康苏水库枢纽工程导流隧洞实际情况，在截流过程中，导流隧洞内主要为无压流流态，故应按无底坎宽顶堰流进行其泄流量计算[2]，公式如下：

Qd=δsmb(2g)0.5H1.5

(2)

式中：δs为淹没系数，主要依据堰后设计水深hs和上游水头H之比进行判断，龙口为梯形时，当hs/H<0.7时为自由出流，当hs/H≥0.7时为淹没出流；龙口为三角形时，当hs/H<0.8时为自由出流，当hs/H≥0.8时为淹没出流；m为流量系数，取0.34；为过水断面宽，b取3.0 m；g为重力加速度；H为上游水头，m；其余参数含义同前。计算结果见表2。

表2 导流隧洞泄水建筑物泄流量计算结果

基于设计截流流量和典型龙口宽度进行龙口下泄流量假定，并根据康苏水库枢纽工程所在河道流量～水位关系曲线确定龙口下游水位，并通过以下方式反复试算上游水位与龙口下泄流量关系：

(1)淹没出流：

QL=δsmBcp(2g)0.5H1.5

(3)

式中：δs为淹没系数，康苏水库枢纽工程大坝截流龙口为梯形，且hs/H为0.8，故为淹没出流；m为流量系数，取0.32；Bcp为龙口过水宽度均值，Bcp=Shs+b，S为龙口坡度，取1.5，b为龙口底宽，m；其余参数含义同前。

(2)自由出流：

QL=mBcp(2g)0.5H1.5

(4)

由于康苏水库枢纽工程大坝截流设计中QL与临界水深hk均为未知数，必须进行试算。龙口为梯形时，根据下式进行临界水深hk的试算：

单宽流量：q=QL/Bcp

龙口落差：Δz=H-hp

龙口单宽下泄功率：N=γqΔz

龙口流速均值：v=q/hp

式中：hp为龙口设计水深，淹没出流时取hs，自由出流取hk，m；γ为水的容重，取9.8 kg/(N·m3)。

康苏水库枢纽工程大坝截流水力计算结果见表3。

表3 大坝截流水力计算结果

4.5 截流材料

根据截流水力计算及工程实际可知，龙口流速均值最大值为2.6 m/s，最大落差为0.53 m，龙口单宽下泄功率最大值为2.01 t·m/(s·m)，只要加强龙口保护及截流材料及截流施工机械的准备，截流难度不大。为便于施工并保证水流作用下填筑结构的稳定性，本工程将康苏水库截流划分为左岸非龙口Ⅰ区、右岸非龙口Ⅱ区和龙口Ⅲ区，各个区域工程量见表4，非龙口区戗堤填筑材料考虑10%的流失量，龙口区戗堤填筑材料则考虑25%的流失量。

表4 康苏水库截流戗堤抛投料工程量

5 结论

本文结合康苏水库水文气象条件进行了水库枢纽工程大坝施工截流设计，主坝工程于2016年10月16日成功截流，截流后康苏水库枢纽工程大坝施工进展顺利，分别于2017年底前完成坝体填筑，2018年7月底工程完全具备蓄水条件，且所有建筑物完工。本水库枢纽大坝截流成功后整个围堰施工期较短，并根据所在流域水情预报采取恰当方式成功度汛，确保了堰顶不过水及围堰的正常施工。