恰拉水庫改擴建工程大壩護坡設計

龔 程

(新疆博州水利水電勘測設計院,新疆 博樂 841000)

1 前 言

恰拉水庫位于新疆天山南麓塔里木盆地東北邊緣、塔里木河下游“綠色走廊”上段恰拉區域、巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內。根據國務院批準的《塔河流域近期綜合治理規劃報告》,為恢復塔里木河下游綠色走廊,使大西海子以下塔里木河干流恢復徑流,確定廢棄大西海子水庫。恰拉水庫改擴建工程的任務是在大西海子水庫退出農業灌溉功能后,灌區用水完全由恰拉水庫調節,提高下游灌區水庫利用率,保證向塔里木河下游生態輸水通道暢通,改善下游生態環境,保護及恢復塔里木河下游“綠色走廊”。

恰拉水庫為大(二)型平原灌注式水庫,于 1958年動工興建,1967年基本建成,以后逐漸配套。水庫由進水樞紐、土石壩和放水涵洞三部分組成。水庫設計水位 875.00m,相應水面面積 46km2,庫容1.38億 m3,庫盤面積 54.8km2;死水位 869.75m,死庫容 0.08億 m3。水庫利用率 54%。

根據水庫水利調節計算,恰拉水庫改擴建工程完成后,大壩壩頂寬 3m,上、下游護坡坡比均為 1∶2.5。水庫設計庫容 16140.96萬 m3,相應水位875.00m,相應水面面積 47.80km2;死水位870.20m,死庫容 0.095億 m3。興利庫容 1.519億m3,水庫利用率 76.2%。

2 壩體護坡設計問題的提出

2.1 氣象因素

恰拉水庫主要存蓄冬季閑水,運行方式為 11月開始蓄水,至次年 3月初將水庫蓄滿。因此,壩體設計必須考慮大風對壩坡的淘刷、冬季凍脹及冰對壩坡的破壞等因素。

水庫庫區氣候屬極端干旱的大陸性氣候,多年平均降水量 21.5mm,多年平均蒸發量 2680mm;多年平均氣溫 10.6℃,年極端最高氣溫達 42.2℃;年極端最低氣溫為 -30.9℃,最冷月平均氣溫為 -10.6℃;最大凍土深度為 0.8m。

庫區大風天氣為春季 3～6月和秋季 10～11月,最大陣風風速 20m/s,水庫壩坡將因受風浪淘刷破壞。水庫冰害狀況為:一般年份水庫 12月初開始結冰,冰層較薄,為 5～6cm。元月初封凍,2月底至3月初解凍,最大冰厚 40cm。根據觀察和分析,元月中旬至 2月底,冰對護坡產生冰拔破壞。2月中旬至 3月初氣溫漸高,冰膨脹推力對護坡產生冰推破壞,且破壞力最大。

2.2 水庫水位變化因素

水庫調度運行方式決定水庫水位漲幅情況。由于恰拉水庫庫盤面積和水面面積均較大,壩體設計應當明確大風天氣時風浪淘刷區域和冰對壩坡的作用區域。根據水庫改擴建后水土平衡調節計算,1月中旬至 7月下旬,水庫均處于高水位期,庫水位變幅在 873.00～875.00m,日漲幅為 2～4cm,在此漲幅條件下,冰面極易粘接在護披面上,冰對護坡的破壞力較大。

綜上所述,根據氣象及水庫水位變化因素,護披受冰推、冰拔破壞較重區域對應水位為 873.00～875.00m。該部分護坡應具有抵抗冰推、冰拔破壞的能力,設計水位 875.00m以上超高部分需具有抵抗風浪和削減風浪爬高的能力。為此,從經濟和技術綜合考慮,壩體護坡設計的關鍵點是:(1)防止凍脹破壞;(2)防止冰推破壞;(3)護坡浪淘破壞。

3 壩體護坡設計指導思想

恰拉水庫庫區大風天氣較多,水面較大,必須進行護坡。上游護坡常采用的形式有堆石、干砌石、漿砌石、混凝土板等。護坡設計時從經濟實用考慮,對護坡面所起作用和受力區域進行了分區,對 3～6月份大風季節時水位以上護坡選擇干砌石、預制混凝土加糙板、現澆混凝土板進行經濟技術的比較;對冬季冰作用區域選擇鋼筋混凝土板和漿砌石進行經濟技術比較;對冬季水下部分護坡選擇干砌石、預制混凝土板、現澆混凝上板進行經濟技術比較。

對于堆石護坡這種抗冰推破壞較好的柔性結構,因運輸量和工程量較大、造價較高而首先被排除,其它形式經比較后,超高部分選擇干砌塊石和預制混凝土加糙板護坡結構進行削減風浪;抗冰推區域(873.00～875.00m),因受冰推、冰拔的拉力作用,必須保持壩坡的整體性,從壩坡整體抵抗冰推、日后維護、經濟技術等方面綜合考慮,選擇鋼筋混凝土板護坡結構。為保持壩坡穩定,增大冰推抵抗力,減少板厚,采用在板底設置齒墻,齒墻深 1m。護披混凝土板厚 20cm。冬季水下部分護坡為抵抗風浪,選擇現澆混凝土板結構。

護坡結構尺寸須滿足自身穩定性、堅固性的要求。與此同時,對護坡防凍脹進行了風積砂換填法和苯板保溫法比較后,選擇苯板保溫作為護坡防凍脹措施,通過計算,苯板厚 6cm。

4 壩體護坡工程設計

綜上所述,壩體護坡根據壩體現狀分壩段進行設計,壩體共分為 A壩、B壩、C壩與 D壩 4段,其中:A壩段(老壩加高加固)長 13.612km,B壩段(新筑壩)長 7.25km,C壩段(砂梁加高培厚)長2.75km,D壩段(老壩加高加固和部分截淺灘新筑壩)長 3.655km;A壩段與 C壩段護坡型式相同。

4.1 A壩段護坡工程設計

由于 A壩段是利用老壩加高壩段,填筑標準低,采用在迎水坡側填筑加高壩體,因壩不高,護坡區域分為兩段,即超高削減風浪區域和抗冰推區域。對于抗冰推區域,采用鋼筋混凝土槽型板;對于超高削減風浪區域,采用預制混凝土加糙板與干砌石進行綜合比較(見表1)。

表1 A壩段超高部分護坡工程量與工程投資對比

通過投資比較,最終選擇干砌石作為 A壩段超高部分護坡。

4.2 B壩段護坡工程設計

由于 B壩段是新筑壩段且壩體相對較高,故將護坡區域分為三段,即超高削減風浪區域、抗冰推冰拔區域、水下防淘刷區域。對護坡下部即水下防淘刷區域,選擇現澆混凝土板與預制混凝土板進行比較;對護坡中部即抗冰推冰拔區域,采用鋼筋混凝土槽型板;對護坡上部即超高削減風浪區域,采用預制混凝土加糙板與干砌石進行比較(詳見表2、3)。

表2 B壩段超高部分護坡工程量與工程投資對比

投資比較采用單位米工程量計算比較。由于該段為主壩區,考慮美觀因素并且由于兩種護坡型式造價相差不大,故最終確定超高部分采用預制混凝土加糙板護坡。

通過投資比較,最終選擇現澆混凝土板作為B壩段下部護坡,干砌石作為 B壩段超高部分護坡。

4.3 D壩段護坡工程設計

D壩段為老壩加高加固和部分截淺灘新筑壩段,選擇表4形式進行護坡比較。

表4表明,兩種護坡型式造價相差不大。考慮到在抵抗風浪淘刷和冰推破壞方面,采用上部干砌石、下部鋼筋混凝土護坡較好,故最終被采用。

表3 B壩段下部護坡工程量與工程投資對比(單位米工程量)

表4 D壩段護坡工程量與工程投資對比

5 結束語

在恰拉水庫改擴建工程壩體護坡設計過程中,綜合考慮了實際的氣候、水庫運行方式等因素,將壩體護坡設計根據外界作用條件的不同而采取分區設計,達到了技術與經濟的有效結合,打破了傳統的壩體護坡結構單一的模式。

[1]新疆生產建設兵團農二師勘測設計院.恰拉水庫改擴建工程初步設計報告[R].2002.