康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩施工截流設(shè)計(jì)

劉宇亮

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆烏恰縣康蘇鎮(zhèn)境內(nèi)的康蘇水庫(kù)為小(1)型水庫(kù)工程，樞紐工程大壩為瀝青砼心墻砂礫石壩，為3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)等級(jí)。壩頂設(shè)計(jì)高程和防浪墻頂設(shè)計(jì)高程分別為2525.30 m和2526.50 m，壩頂長(zhǎng)×寬為365.0 m×8.0 m，水庫(kù)正常蓄水位及設(shè)計(jì)水位、校核洪水位、死水位分別為2520.20 m、2524.12 m、2514.00 m。

2 水文氣象

2.1 氣象條件

康蘇水庫(kù)所在流域在中緯度歐亞大陸腹地，距離海洋較遠(yuǎn)，呈現(xiàn)為典型的中溫帶干旱性荒漠氣候特征，冬季嚴(yán)寒干燥，降水量非常少，春季多風(fēng)沙，夏季日間溫涼，降水多集中在夏季，四季氣候特征十分分明，且冬季多存在暴雪、風(fēng)沙、冰雹、霜凍等氣候特征。年氣溫均值在8.1℃左右，極端最高溫度和最低溫度分別為35.1℃和-28.8℃；年降水量均值為185.4 mm，其中降水最多的月份出現(xiàn)在8月，月降水量可達(dá)101.1 mm，在全年降水總量中占比54.53%，5月～8月連續(xù)四個(gè)月的降水總量為162.2 mm，在全年降水總量中占比87.49%；年蒸發(fā)量均值達(dá)1641.78 mm；初次出現(xiàn)降霜的時(shí)間基本上在9月中旬，降霜結(jié)束的時(shí)間為5月下旬；康蘇水庫(kù)所在地區(qū)凍土深度最大可達(dá)1.5 m。

2.2 徑流及洪水

通過水文比擬法推求康蘇水庫(kù)場(chǎng)址年平均徑流量，參證站選擇流域內(nèi)建設(shè)時(shí)間較早、水文序列資料較完善的庫(kù)孜洪站。推算結(jié)果表明，康蘇水庫(kù)壩址斷面年徑流量均值為0.4124億m3。此外，根據(jù)康蘇水庫(kù)斷面年徑流成果進(jìn)行壩址斷面年徑流量均值的年內(nèi)分配，并結(jié)合庫(kù)孜洪參證站2011年～2015年月平均徑流量百分比進(jìn)行推算，見表1。

表1 康蘇水庫(kù)壩址斷面年徑流量均值年內(nèi)分配情況

康蘇水庫(kù)所在的流域洪水類型主要包括春末夏初冰雪消融、夏季短歷時(shí)暴雨兩種，第一種洪水類型大多集中出現(xiàn)在每年的4月～6月，第二種洪水類型則集中出現(xiàn)在6月～9月。

3 大壩施工導(dǎo)流總體設(shè)計(jì)思路

本工程在位于左岸設(shè)計(jì)一條導(dǎo)流沖沙洞，導(dǎo)流洞進(jìn)口高程為EL2480，導(dǎo)流泄洪沖沙放空隧洞計(jì)劃2016年9月底具備過流條件。而根據(jù)招標(biāo)文件及我局大壩工程施工進(jìn)度計(jì)劃，大壩工程計(jì)劃于5月啟動(dòng)，屆時(shí)導(dǎo)流洞暫不具備導(dǎo)流功能，為此，我局計(jì)劃圍堰分兩期施工，在位于河床右岸開挖一條導(dǎo)流明渠，進(jìn)行前期導(dǎo)流排水。此方案可保證河床部分施工內(nèi)容進(jìn)行。待導(dǎo)流洞具備過流條件時(shí)，形成全斷面圍堰，河床部位施工內(nèi)容將全面展開。2016年5月底進(jìn)行左岸一期圍堰填筑，2016年9月28日河床截流。

按照合同文件及施工圖紙，大壩只設(shè)計(jì)上游圍堰，結(jié)構(gòu)類型為土工膜防滲的土石圍堰。上游圍堰距壩軸線99.981 m，堰體擋水標(biāo)準(zhǔn)為全年10 a一遇(P=10%)洪水，導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量Q=146 m3/s，相應(yīng)下游水位分別為2465.74 m，圍堰堰頂高程分別為2489 m。堰頂寬均為12.462 m，最大堰高17 m，堰頂軸線約長(zhǎng)198 m。上游圍堰堰體迎水面和背水側(cè)邊坡分別為1∶2.25和1∶2。為保護(hù)施工期土工膜不被破壞，在土工膜兩側(cè)各鋪設(shè)0.5 m厚過渡料保護(hù)層，上游圍堰迎水面均采用1 m厚堆石護(hù)面。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在導(dǎo)流洞不具備過流條件時(shí)，為確保河床內(nèi)正常施工，計(jì)劃在右岸開挖一條導(dǎo)流明渠進(jìn)行前期導(dǎo)流。一期導(dǎo)流明渠布置于河床右岸坡腳，中心線長(zhǎng)220 m，呈近似直線布置，底寬8.0 m，頂寬≥17 m，進(jìn)、出口渠底高程分別為2476 m、2471 m，渠道斷面采用梯形斷面。同時(shí)，利用渠道開挖料填筑縱向圍堰，縱向圍堰導(dǎo)流側(cè)坡比為1∶1.5，縱向圍堰暫不設(shè)計(jì)垂直防滲。

4 截流設(shè)計(jì)

4.1 截流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

截流施工計(jì)劃在2016年10月進(jìn)行，截流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為：洪水頻率P=10%，相應(yīng)流量Q=146 m3/s。戧堤頂設(shè)計(jì)高程為2482.00 m。

4.2 截流參數(shù)的選擇

按選定的截流時(shí)段和截流標(biāo)準(zhǔn)，截流時(shí)流量不大。截流戧堤軸線選在距上游圍堰軸線18m上游處，戧堤頂寬5.0 m，底寬約23 m，上游坡比為1∶2.25，下游坡比為1∶1.5，沿戧堤進(jìn)占方向坡度為1∶1.25。上游圍堰截流戧堤布置在康蘇河右岸，上游圍堰軸線全長(zhǎng)198 m。由于一期上游圍堰已完成部分填筑，故其上游圍堰截流戧堤軸線長(zhǎng)60 m，初擬龍口寬為17 m，截流最大落差為3.00 m。

4.3 截流方式

截流前由康蘇河左岸戧堤預(yù)進(jìn)占，截流采用立堵法，戧堤預(yù)進(jìn)占左右岸雙向進(jìn)占，截流龍口設(shè)于導(dǎo)流明渠中部。

4.4 截流水力計(jì)算

4.4.1 計(jì)算公式

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》中所規(guī)定的方法進(jìn)行康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩施工截流水力計(jì)算[1]，并據(jù)此確定截流拋投料粒徑，公式如下：

QJ=QL+Qd+QX+Qs

(1)

式中：QJ為康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩施工截流設(shè)計(jì)流量，m3/s；QL為龍口泄流量，m3/s；Qd為導(dǎo)流隧洞泄水建筑物泄流量，m3/s；QX為戧堤前河道調(diào)蓄流量，m3/s；Qs為滲流流量，m3/s。

4.4.2 基本假定

在龍口進(jìn)占施工的過程中，龍口流量和導(dǎo)流隧洞分流量均為非恒定流，但是在較短的截流時(shí)段內(nèi)，可以將其簡(jiǎn)化為恒定流進(jìn)行分析?？堤K水庫(kù)壩址地形較為狹窄，截流庫(kù)容小，戧堤前河道調(diào)蓄可忽略不計(jì)；截流過程中戧堤堰體、堰基滲流流量均較小，在分析時(shí)也可忽略不計(jì)，即式(1)中QX和Qs均為零。

康蘇水庫(kù)樞紐工程截流過程中導(dǎo)流隧洞內(nèi)為無壓流，并按照寬頂堰公式進(jìn)行導(dǎo)流隧洞泄流流量計(jì)算和龍口泄流量推求。對(duì)于非淹沒流和淹沒流兩種情況，龍口水深分別取臨界水深和下游水深。

4.4.3 計(jì)算過程及結(jié)果

結(jié)合康蘇水庫(kù)樞紐工程導(dǎo)流隧洞實(shí)際情況，在截流過程中，導(dǎo)流隧洞內(nèi)主要為無壓流流態(tài)，故應(yīng)按無底坎寬頂堰流進(jìn)行其泄流量計(jì)算[2]，公式如下：

Qd=δsmb(2g)0.5H1.5

(2)

式中：δs為淹沒系數(shù)，主要依據(jù)堰后設(shè)計(jì)水深hs和上游水頭H之比進(jìn)行判斷，龍口為梯形時(shí)，當(dāng)hs/H<0.7時(shí)為自由出流，當(dāng)hs/H≥0.7時(shí)為淹沒出流；龍口為三角形時(shí)，當(dāng)hs/H<0.8時(shí)為自由出流，當(dāng)hs/H≥0.8時(shí)為淹沒出流；m為流量系數(shù)，取0.34；為過水?dāng)嗝鎸?，b取3.0 m；g為重力加速度；H為上游水頭，m；其余參數(shù)含義同前。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)流隧洞泄水建筑物泄流量計(jì)算結(jié)果

基于設(shè)計(jì)截流流量和典型龍口寬度進(jìn)行龍口下泄流量假定，并根據(jù)康蘇水庫(kù)樞紐工程所在河道流量～水位關(guān)系曲線確定龍口下游水位，并通過以下方式反復(fù)試算上游水位與龍口下泄流量關(guān)系：

(1)淹沒出流：

QL=δsmBcp(2g)0.5H1.5

(3)

式中：δs為淹沒系數(shù)，康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩截流龍口為梯形，且hs/H為0.8，故為淹沒出流；m為流量系數(shù)，取0.32；Bcp為龍口過水寬度均值，Bcp=Shs+b，S為龍口坡度，取1.5，b為龍口底寬，m；其余參數(shù)含義同前。

(2)自由出流：

QL=mBcp(2g)0.5H1.5

(4)

由于康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩截流設(shè)計(jì)中QL與臨界水深hk均為未知數(shù)，必須進(jìn)行試算。龍口為梯形時(shí)，根據(jù)下式進(jìn)行臨界水深hk的試算：

單寬流量：q=QL/Bcp

龍口落差：Δz=H-hp

龍口單寬下泄功率：N=γqΔz

龍口流速均值：v=q/hp

式中：hp為龍口設(shè)計(jì)水深，淹沒出流時(shí)取hs，自由出流取hk，m；γ為水的容重，取9.8 kg/(N·m3)。

康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩截流水力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大壩截流水力計(jì)算結(jié)果

4.5 截流材料

根據(jù)截流水力計(jì)算及工程實(shí)際可知，龍口流速均值最大值為2.6 m/s，最大落差為0.53 m，龍口單寬下泄功率最大值為2.01 t·m/(s·m)，只要加強(qiáng)龍口保護(hù)及截流材料及截流施工機(jī)械的準(zhǔn)備，截流難度不大。為便于施工并保證水流作用下填筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本工程將康蘇水庫(kù)截流劃分為左岸非龍口Ⅰ區(qū)、右岸非龍口Ⅱ區(qū)和龍口Ⅲ區(qū)，各個(gè)區(qū)域工程量見表4，非龍口區(qū)戧堤填筑材料考慮10%的流失量，龍口區(qū)戧堤填筑材料則考慮25%的流失量。

表4 康蘇水庫(kù)截流戧堤拋投料工程量

5 結(jié)論

本文結(jié)合康蘇水庫(kù)水文氣象條件進(jìn)行了水庫(kù)樞紐工程大壩施工截流設(shè)計(jì)，主壩工程于2016年10月16日成功截流，截流后康蘇水庫(kù)樞紐工程大壩施工進(jìn)展順利，分別于2017年底前完成壩體填筑，2018年7月底工程完全具備蓄水條件，且所有建筑物完工。本水庫(kù)樞紐大壩截流成功后整個(gè)圍堰施工期較短，并根據(jù)所在流域水情預(yù)報(bào)采取恰當(dāng)方式成功度汛，確保了堰頂不過水及圍堰的正常施工。