康蘇水庫樞紐工程大壩施工截流設計

劉宇亮

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆烏恰縣康蘇鎮境內的康蘇水庫為小(1)型水庫工程，樞紐工程大壩為瀝青砼心墻砂礫石壩，為3級建筑物設計等級。壩頂設計高程和防浪墻頂設計高程分別為2525.30 m和2526.50 m，壩頂長×寬為365.0 m×8.0 m，水庫正常蓄水位及設計水位、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

康蘇水庫所在流域在中緯度歐亞大陸腹地，距離海洋較遠，呈現為典型的中溫帶干旱性荒漠氣候特征，冬季嚴寒干燥，降水量非常少，春季多風沙，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在8月，月降水量可達101.1 mm，在全年降水總量中占比54.53%，5月～8月連續四個月的降水總量為162.2 mm，在全年降水總量中占比87.49%；年蒸發量均值達1641.78 mm；初次出現降霜的時間基本上在9月中旬，降霜結束的時間為5月下旬；康蘇水庫所在地區凍土深度最大可達1.5 m。

2.2 徑流及洪水

通過水文比擬法推求康蘇水庫場址年平均徑流量，參證站選擇流域內建設時間較早、水文序列資料較完善的庫孜洪站。推算結果表明，康蘇水庫壩址斷面年徑流量均值為0.4124億m3。此外，根據康蘇水庫斷面年徑流成果進行壩址斷面年徑流量均值的年內分配，并結合庫孜洪參證站2011年～2015年月平均徑流量百分比進行推算，見表1。

表1 康蘇水庫壩址斷面年徑流量均值年內分配情況

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

3 大壩施工導流總體設計思路

本工程在位于左岸設計一條導流沖沙洞，導流洞進口高程為EL2480，導流泄洪沖沙放空隧洞計劃2016年9月底具備過流條件。而根據招標文件及我局大壩工程施工進度計劃，大壩工程計劃于5月啟動，屆時導流洞暫不具備導流功能，為此，我局計劃圍堰分兩期施工，在位于河床右岸開挖一條導流明渠，進行前期導流排水。此方案可保證河床部分施工內容進行。待導流洞具備過流條件時，形成全斷面圍堰，河床部位施工內容將全面展開。2016年5月底進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，大壩只設計上游圍堰，結構類型為土工膜防滲的土石圍堰。上游圍堰距壩軸線99.981 m，堰體擋水標準為全年10 a一遇(P=10%)洪水，導流設計流量Q=146 m3/s，相應下游水位分別為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198 m。上游圍堰堰體迎水面和背水側邊坡分別為1∶2.25和1∶2。為保護施工期土工膜不被破壞，在土工膜兩側各鋪設0.5 m厚過渡料保護層，上游圍堰迎水面均采用1 m厚堆石護面。

根據現場實際情況，在導流洞不具備過流條件時，為確保河床內正常施工，計劃在右岸開挖一條導流明渠進行前期導流。一期導流明渠布置于河床右岸坡腳，中心線長220 m，呈近似直線布置，底寬8.0 m，頂寬≥17 m，進、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，利用渠道開挖料填筑縱向圍堰，縱向圍堰導流側坡比為1∶1.5，縱向圍堰暫不設計垂直防滲。

4 截流設計

4.1 截流設計標準

截流施工計劃在2016年10月進行，截流設計洪水標準為：洪水頻率P=10%，相應流量Q=146 m3/s。戧堤頂設計高程為2482.00 m。

4.2 截流參數的選擇

按選定的截流時段和截流標準，截流時流量不大。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進占，截流采用立堵法，戧堤預進占左右岸雙向進占，截流龍口設于導流明渠中部。

4.4 截流水力計算

4.4.1 計算公式

根據《水利水電工程施工組織設計手冊》中所規定的方法進行康蘇水庫樞紐工程大壩施工截流水力計算[1]，并據此確定截流拋投料粒徑，公式如下：

QJ=QL+Qd+QX+Qs

(1)

式中：QJ為康蘇水庫樞紐工程大壩施工截流設計流量，m3/s；QL為龍口泄流量，m3/s；Qd為導流隧洞泄水建筑物泄流量，m3/s；QX為戧堤前河道調蓄流量，m3/s；Qs為滲流流量，m3/s。

4.4.2 基本假定

在龍口進占施工的過程中，龍口流量和導流隧洞分流量均為非恒定流，但是在較短的截流時段內，可以將其簡化為恒定流進行分析。康蘇水庫壩址地形較為狹窄，截流庫容小，戧堤前河道調蓄可忽略不計；截流過程中戧堤堰體、堰基滲流流量均較小，在分析時也可忽略不計，即式(1)中QX和Qs均為零。

康蘇水庫樞紐工程截流過程中導流隧洞內為無壓流，并按照寬頂堰公式進行導流隧洞泄流流量計算和龍口泄流量推求。對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 計算過程及結果

結合康蘇水庫樞紐工程導流隧洞實際情況，在截流過程中，導流隧洞內主要為無壓流流態，故應按無底坎寬頂堰流進行其泄流量計算[2]，公式如下：

Qd=δsmb(2g)0.5H1.5

(2)

式中：δs為淹沒系數，主要依據堰后設計水深hs和上游水頭H之比進行判斷，龍口為梯形時，當hs/H<0.7時為自由出流，當hs/H≥0.7時為淹沒出流；龍口為三角形時，當hs/H<0.8時為自由出流，當hs/H≥0.8時為淹沒出流；m為流量系數，取0.34；為過水斷面寬，b取3.0 m；g為重力加速度；H為上游水頭，m；其余參數含義同前。計算結果見表2。

表2 導流隧洞泄水建筑物泄流量計算結果

基于設計截流流量和典型龍口寬度進行龍口下泄流量假定，并根據康蘇水庫樞紐工程所在河道流量～水位關系曲線確定龍口下游水位，并通過以下方式反復試算上游水位與龍口下泄流量關系：

(1)淹沒出流：

QL=δsmBcp(2g)0.5H1.5

(3)

式中：δs為淹沒系數，康蘇水庫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，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；其余參數含義同前。

(2)自由出流：

QL=mBcp(2g)0.5H1.5

(4)

由于康蘇水庫樞紐工程大壩截流設計中QL與臨界水深hk均為未知數，必須進行試算。龍口為梯形時，根據下式進行臨界水深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為龍口設計水深，淹沒出流時取hs，自由出流取hk，m；γ為水的容重，取9.8 kg/(N·m3)。

康蘇水庫樞紐工程大壩截流水力計算結果見表3。

表3 大壩截流水力計算結果

4.5 截流材料

根據截流水力計算及工程實際可知，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)，只要加強龍口保護及截流材料及截流施工機械的準備，截流難度不大。為便于施工并保證水流作用下填筑結構的穩定性，本工程將康蘇水庫截流劃分為左岸非龍口Ⅰ區、右岸非龍口Ⅱ區和龍口Ⅲ區，各個區域工程量見表4，非龍口區戧堤填筑材料考慮10%的流失量，龍口區戧堤填筑材料則考慮25%的流失量。

表4 康蘇水庫截流戧堤拋投料工程量

5 結論

本文結合康蘇水庫水文氣象條件進行了水庫樞紐工程大壩施工截流設計，主壩工程于2016年10月16日成功截流，截流后康蘇水庫樞紐工程大壩施工進展順利，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。本水庫樞紐大壩截流成功后整個圍堰施工期較短，并根據所在流域水情預報采取恰當方式成功度汛，確保了堰頂不過水及圍堰的正常施工。