卡因其水库工程设计要点与调度运用方案分析

秦志刚

(第九师联拓勘测设计研究有限公司,新疆 塔城 834601)

0 引言

一六八团位于新疆西北部,是一个农牧结合的边境团场,多年来团场水资源时空分布不均,天然径流与灌区蓄水过程不匹配,汛期洪灾频发,灌溉期水资源短缺,工程性缺水问题突出,当地居民的生产生活用水安全无法保障。为此,建设卡因其水库可以防治卡因其河流域洪水灾害,改善团场经济社会发展环境和生态环境,满足稳定屯垦戍边和全面建设小康社会的需要。

1 流域概况

卡因其河发源于塔尔巴哈台山东段,出山口后流程大约11 km,是沙拉依敏河的一级支流。卡因其河水系属扇形水系,上游有4条支流,在距离出山口上游3.9 km处汇入卡因其河干流。拟建水库坝址处上游干流河长10 km,平均高程约1 345 m,出山口以上平均纵坡6.3%。流域内无永久性积雪和冰川发育,径流补给源主要是季节性融雪水、降雨和地下水[1]。

根据卡因其河综合利用现状和区域发展规划,卡因其水库任务以水旱灾害防御为主,抵御洪水并满足人畜供水和灌溉需求,水库下游河道防洪能力明显提高,到设计水平年供水量可以达到8.09万m3,能够提升773 hm2耕地灌溉标准和供水保证率。本流域处在干旱、半干旱的中温带地区,以旱作物为主,地面灌设计保证率75%,喷滴灌设计保证率85%。

2 水文地质

卡因其河位于塔额盆地北端,属温带大陆性干旱半干旱荒漠气候区,夏季炎热短促,冬季寒冷漫长,秋季降温迅速,冷空气活动频繁,空气干燥,蒸发量大。工程区多年平均气温5.91℃;多年平均年降水量334.8 mm、蒸发量1 662 mm;多年平均风速2.6 m/s;最大冻土深1.45 m。

卡因其河径流补给主要由季节性冰雪融水、降雨及地下水组成,年径流变差系数0.34,多年平均年径流量619万m3;卡因其河洪水类型主要有融雪型洪水、暴雨型洪水、雨雪混合型洪水,水库坝址处设计年径流成果、设计洪峰流量成果见表1和表2。卡因其河流域无泥沙观测资料,采用哈拉依敏站估算,坝址多年平均悬移质输沙量0.20万t,推移质输沙量0.03万t,多年平均入库泥沙总量为0.23万t[2]。

表1 水库坝址处设计年径流成果

表2 水库坝址处设计洪峰流量成果

工程区内新构造运动不强烈,地质构造简单,边界断裂和块体内部断裂活动不活跃,属区域稳定性较好地区。库坝区地形坡度左岸3°～5°、右岸5°～10°,地表植被发育,地表被第四系上更新统冲洪积物覆盖,现代河床地形较平缓,宽度40～60 m。库区主要地质问题包括：库盘底部基岩为泥岩,基岩顶板形态为夷平作用形成的夷平面,普遍覆盖砂卵砾石层,属强透水层,连通库外,为水库渗漏的主要通道,需进行有效截渗;右岸坝轴线上游150 m岸坡坡度陡峭,库水位变幅较大,岸坡土层在饱水过程中可能出现局部失稳滑塌;坝轴线、溢洪道基础底层主要为非自重、自重湿陷性黄土场地,为低液限粉土,需要采用强夯法进行地基处理[3]。

3 工程规划设计

3.1 工程规模及特性

卡因其水库由大坝、溢洪道、导流放水涵洞组成,50%、75%来水保证率下保灌面积均为773 hm2;85%保证率下保灌面积666 hm2。工程规模为小(1)型,等别为Ⅳ等,设计洪水标准为50年一遇,校核洪水标准为1 000年一遇,主、次要建筑物级别分别为4、5级。

3.2 工程总体布置

水库坝址位于卡因其河中下游低山丘陵区,河谷呈浅U型,现代河床宽40～60 m。根据坝轴线处左、右岸钻孔及物探工作,基岩顶高程分别为906 m、897 m,低于正常蓄水位。坝轴线从左坝肩处向前延伸50 m后转角110°折向上游,向上游继续延伸41 m后基岩顶高程抬高至正常蓄水位;坝轴线从右坝肩处向右延伸504 m,基岩顶高程抬高至略高于正常蓄水位。依此确定的坝轴线坐标为左坝肩x=737 799.166 9,y=5 196 117.364 2;右坝肩x=737 358.989 1,y=5 196 197.345 6。

水库大坝采用均质土坝,顶宽5.0 m,坝顶长439 m,清基面以上最大坝高21.7 m,均质土坝上游坝坡1∶2.5,下游坝坡1∶2.0,上游护坡为20 cm厚混凝土板,标号C25、F250,护砌高程至死水位以下1.5 m,下游护坡为30 cm厚砂砾石,坡面纵横向设梁;坝顶上游侧设L型钢筋混凝土防浪墙,墙顶高出坝面1.0 m,混凝土标号C25、F250、W6,防浪墙与坝体土紧密结合形成共同防渗体,防浪墙间隔5 m设伸缩缝,设651型止水带并填高压闭孔板,迎水面采用沥青砂浆封口;坝顶采用砂砾石路面,垫层厚0.2 m;坝顶下游侧设路缘石。溢洪道布置在左岸,场址处以上岸坡坡度3°～5°,较平缓,采用侧槽式溢洪道,无闸控制,开敞式布置,由侧槽段、控制段、渐变段、泄槽段、消能段及出水渠组成,总长422.2 m。导流放水涵洞布置在大坝右岸,洞身埋设在坝体以下,为无压洞,采用矩形断面,总长219.8 m,由闸井段、洞身段、出口明渠段三部分组成,在塔井基础边墙预埋钢管取水,正常运行期设计流量为0.493 m3/s[4]。

3.3 大坝设计

3.3.1 坝顶高程

按照规范,坝顶高程等于水库静水位加坝顶超高之和,采用4种工况计算。根据气象资料,库区多年平均年最大风速17 m/s,有效吹程495 m,正常蓄水位下水域平均水深10.50 m。坝顶超高按式(1)计算。

y=R+A

(1)

式中,y为坝顶超高,m;R为波浪爬高,m;A为安全加高,正常运用条件为0.5 m,非常运用条件为0.3 m,地震安全加高取二者之和为0.8m。

波浪平均爬高按式(2)计算：

(2)

式中,Rm为平均波高,m;K△、Kw为斜坡的糙率渗透性系数和经验系数;m为单坡的坡度系数;波浪爬高R可由平均波高和坝前迎水面水深的比值按规范规定的系数计算求得,当hm/H<0.1时,换算系数取1.84。计算成果如表3所示,坝顶高程以工况②控制,确定：坝顶高程911.2 m;防浪墙顶高程912.2 m;最大坝高22.5 m。

表3 坝顶高程计算成果

3.3.2 混凝土护坡

根据规范,对混凝土板护坡,具有明缝且坡度系数为2～5时,抗浮稳定下混凝土板厚度按式(3)计算,可知厚度大于等于17cm时,混凝土板抗浮稳定[5]。

(3)

式中,η为经验系数;hp为累积频率为5%的波高,1.84 m;b为沿坝坡向板长,m;ρc、ρw为混凝土板、水的密度,t/m3;Lm为平均波长,m;m为边坡系数。

工程区地处塔额盆地北端,多年平均最冷月气温为-10.3℃,多年平均封冻天数97 d,属严寒地区。据调查,当地多年平均最大岸边冰厚0.64 m,最大岸边冰厚0.98 m,现浇混凝土护坡面板在冰推破坏作用下的安全系数采用式(4)计算,经复核,在冰推作用下20 cm厚混凝土面板满足稳定要求。

(4)

式中,K为冰推安全系数;γk为混凝土护坡容重,2.4t/m3;δ为冰层厚,m;m为护坡坡比;t为护坡厚度,m;H为冰面以上护坡高度,m;T为冰推力,kN/m2;f为护坡与垫层间的摩擦系数。

场址区历年最大冻深为145 cm,工程选用筑坝土料为低液限粉土,小于0.075 mm粒径的土粒质量占总质量的69.39%～85.6%,坝体土为冻胀性土,设计时应考虑坝体土的冻胀性对护坡的影响,设计冻深和粉土冻胀量按式(5)-式(8)计算,确定砂砾石垫层厚度取0.4 m。

Zd=ψdψwZm

(5)

ψd=α+(1-α)ψi

(6)

(7)

(8)

式中,Zd为设计冻深,m;Zm为实测历年最大冻深,m;ψw为地下水修正系数;ψd为日照及遮荫程度影响系数;Zwo为临近气象台地下水位深度,m;ψi为典型断面(走向N-S,B/H=1.0,m=1.0)某部位i的日照及遮荫程度修正系数;α、β为系数,根据建筑物所在的气候区、建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置确定;Zwi为计算点地下水位深度,m;h为地表冻胀量,cm。

3.3.3 坝体分区

本工程均质土坝坝体填筑分为坝体土料区和开挖利用料区。均质土坝坝体为全断面土料填筑,为充分利用截水槽开挖料即级配良好砾部分,有效降低浸润线,排水体用该料填筑,排水体料与坝体土料及河床覆盖层接触面设无纺布反滤,防止渗透破坏。

坝体填筑土料设计,全断面采用T1料场土料填筑,水溶盐含量≤3%,有机质含量按质量计≤5%,压实度96%,压实后渗透系数k≤1.0×10-4cm/s,碾压层厚度30 cm,凸块碾碾压8遍,坝体填筑土料施工含水率为最优含水率-2%～+3%,截水槽中粘土与水泥土基座接触面刷粘土浆。

开挖利用料区设在坝体下游坡脚,为均质土坝排水体,排水体顶高程893.1 m,顶宽3 m,最大厚度3.5 m,最大粒径Dmax=110 mm,级配连续,小于0.075 mm含量3.3%～6%,孔隙率19.7%～22.8%,渗透系数k=1.79×10-3～6.9×10-3cm/s,碾压层厚60 cm。该区料粒径与坝体料粒径及河床覆盖层粒径差异较大,不能满足反滤关系,因此,在排水体料与坝体土料及河床覆盖层接触处铺设无纺布。

3.3.4 大坝渗流计算

渗流计算断面选取最大坝高0+170断面,地基条件为有限深透水地基。计算采用理正渗流分析软件6.0版进行。坝体土产生渗透变形的允许水力坡降为0.45,坝基覆盖层两岸冲洪积低液限粉土产生渗透变形的允许水力比降为0.096,级配良好砾产生渗透变形的允许水力比降为0.12。计算结果如表4所示。均质坝设置开挖利用料区(排水料)能有效降低浸润线,下坝坡可能出逸点均满足渗透稳定,截水槽部位将产生渗透变形,如不采取措施土体将发生渗透破坏。因此,对截水槽下游侧及坝体土料与河床覆盖层、开挖利用料区接触面均铺设无纺布作为反滤层以使土体达到渗透稳定的要求[6]。

表4 大坝渗流计算成果

3.3.5 坝体稳定计算

对水库运行中各种不利组合,采用理正稳定分析软件6.0版瑞典圆弧法进行抗滑稳定计算分析,计算断面选取在最大坝高0+170处。各工况下抗滑稳定计算最小安全系数成果如表5所示,可知各工况下坝坡均稳定[7]。

表5 坝坡抗滑稳定计算成果

3.4 水库调度运用

为充分发挥水库防洪功能,增加水库调洪库容,水库汛期限制水位与正常蓄水位一致。水库溢洪道采用无坎宽顶堰,流量系数为0.34,无闸控制,放水涵洞不参与泄洪。按照无闸方案的泄洪建筑物型式、尺寸进行调洪计算,调洪演算成果如表6所示。根据卡因其河径流年内分配和卡因其灌区的需水量及需水过程,在正常年份,卡因其水库兴利运行方式为5月下旬蓄满,9月底放空,10月中旬至次年5月拦蓄冬闲水及部分洪水至满库,调节水量为214.6万m3[3]。

表6 水库特征值及调洪演算成果

4 结语

长期以来,一六八团受工程建设滞后影响,汛期洪灾频发,灌溉期水资源短缺,工程性缺水问题突出,当地居民的生产生活安全无法保障。为了满足稳定屯垦戍边和全面建设小康社会的需要,必须在卡因其河上建设水库。本文针对卡因其河径流洪水特性,对区域水文地质特征进行分析,确定工程规模、特性和总体布置,并对大坝结构设计的重要参数进行了重点计算。从水库建设过程及下闸蓄水以来的调度运行情况来看,该设计方案是合理的,可为相似地区同类工程提供设计参考。