恰拉水库改扩建工程大坝护坡设计

龚 程

(新疆博州水利水电勘测设计院,新疆 博乐 841000)

1 前 言

恰拉水库位于新疆天山南麓塔里木盆地东北边缘、塔里木河下游“绿色走廊”上段恰拉区域、巴音郭楞蒙古自治州尉犁县境内。根据国务院批准的《塔河流域近期综合治理规划报告》,为恢复塔里木河下游绿色走廊,使大西海子以下塔里木河干流恢复径流,确定废弃大西海子水库。恰拉水库改扩建工程的任务是在大西海子水库退出农业灌溉功能后,灌区用水完全由恰拉水库调节,提高下游灌区水库利用率,保证向塔里木河下游生态输水通道畅通,改善下游生态环境,保护及恢复塔里木河下游“绿色走廊”。

恰拉水库为大(二)型平原灌注式水库,于 1958年动工兴建,1967年基本建成,以后逐渐配套。水库由进水枢纽、土石坝和放水涵洞三部分组成。水库设计水位 875.00m,相应水面面积 46km2,库容1.38亿 m3,库盘面积 54.8km2;死水位 869.75m,死库容 0.08亿 m3。水库利用率 54%。

根据水库水利调节计算,恰拉水库改扩建工程完成后,大坝坝顶宽 3m,上、下游护坡坡比均为 1∶2.5。水库设计库容 16140.96万 m3,相应水位875.00m,相应水面面积 47.80km2;死水位870.20m,死库容 0.095亿 m3。兴利库容 1.519亿m3,水库利用率 76.2%。

2 坝体护坡设计问题的提出

2.1 气象因素

恰拉水库主要存蓄冬季闲水,运行方式为 11月开始蓄水,至次年 3月初将水库蓄满。因此,坝体设计必须考虑大风对坝坡的淘刷、冬季冻胀及冰对坝坡的破坏等因素。

水库库区气候属极端干旱的大陆性气候,多年平均降水量 21.5mm,多年平均蒸发量 2680mm;多年平均气温 10.6℃,年极端最高气温达 42.2℃;年极端最低气温为 -30.9℃,最冷月平均气温为 -10.6℃;最大冻土深度为 0.8m。

库区大风天气为春季 3～6月和秋季 10～11月,最大阵风风速 20m/s,水库坝坡将因受风浪淘刷破坏。水库冰害状况为:一般年份水库 12月初开始结冰,冰层较薄,为 5～6cm。元月初封冻,2月底至3月初解冻,最大冰厚 40cm。根据观察和分析,元月中旬至 2月底,冰对护坡产生冰拔破坏。2月中旬至 3月初气温渐高,冰膨胀推力对护坡产生冰推破坏,且破坏力最大。

2.2 水库水位变化因素

水库调度运行方式决定水库水位涨幅情况。由于恰拉水库库盘面积和水面面积均较大,坝体设计应当明确大风天气时风浪淘刷区域和冰对坝坡的作用区域。根据水库改扩建后水土平衡调节计算,1月中旬至 7月下旬,水库均处于高水位期,库水位变幅在 873.00～875.00m,日涨幅为 2～4cm,在此涨幅条件下,冰面极易粘接在护披面上,冰对护坡的破坏力较大。

综上所述,根据气象及水库水位变化因素,护披受冰推、冰拔破坏较重区域对应水位为 873.00～875.00m。该部分护坡应具有抵抗冰推、冰拔破坏的能力,设计水位 875.00m以上超高部分需具有抵抗风浪和削减风浪爬高的能力。为此,从经济和技术综合考虑,坝体护坡设计的关键点是:(1)防止冻胀破坏;(2)防止冰推破坏;(3)护坡浪淘破坏。

3 坝体护坡设计指导思想

恰拉水库库区大风天气较多,水面较大,必须进行护坡。上游护坡常采用的形式有堆石、干砌石、浆砌石、混凝土板等。护坡设计时从经济实用考虑,对护坡面所起作用和受力区域进行了分区,对 3～6月份大风季节时水位以上护坡选择干砌石、预制混凝土加糙板、现浇混凝土板进行经济技术的比较;对冬季冰作用区域选择钢筋混凝土板和浆砌石进行经济技术比较;对冬季水下部分护坡选择干砌石、预制混凝土板、现浇混凝上板进行经济技术比较。

对于堆石护坡这种抗冰推破坏较好的柔性结构,因运输量和工程量较大、造价较高而首先被排除,其它形式经比较后,超高部分选择干砌块石和预制混凝土加糙板护坡结构进行削减风浪;抗冰推区域(873.00～875.00m),因受冰推、冰拔的拉力作用,必须保持坝坡的整体性,从坝坡整体抵抗冰推、日后维护、经济技术等方面综合考虑,选择钢筋混凝土板护坡结构。为保持坝坡稳定,增大冰推抵抗力,减少板厚,采用在板底设置齿墙,齿墙深 1m。护披混凝土板厚 20cm。冬季水下部分护坡为抵抗风浪,选择现浇混凝土板结构。

护坡结构尺寸须满足自身稳定性、坚固性的要求。与此同时,对护坡防冻胀进行了风积砂换填法和苯板保温法比较后,选择苯板保温作为护坡防冻胀措施,通过计算,苯板厚 6cm。

4 坝体护坡工程设计

综上所述,坝体护坡根据坝体现状分坝段进行设计,坝体共分为 A坝、B坝、C坝与 D坝 4段,其中:A坝段(老坝加高加固)长 13.612km,B坝段(新筑坝)长 7.25km,C坝段(砂梁加高培厚)长2.75km,D坝段(老坝加高加固和部分截浅滩新筑坝)长 3.655km;A坝段与 C坝段护坡型式相同。

4.1 A坝段护坡工程设计

由于 A坝段是利用老坝加高坝段,填筑标准低,采用在迎水坡侧填筑加高坝体,因坝不高,护坡区域分为两段,即超高削减风浪区域和抗冰推区域。对于抗冰推区域,采用钢筋混凝土槽型板;对于超高削减风浪区域,采用预制混凝土加糙板与干砌石进行综合比较(见表1)。

表1 A坝段超高部分护坡工程量与工程投资对比

通过投资比较,最终选择干砌石作为 A坝段超高部分护坡。

4.2 B坝段护坡工程设计

由于 B坝段是新筑坝段且坝体相对较高,故将护坡区域分为三段,即超高削减风浪区域、抗冰推冰拔区域、水下防淘刷区域。对护坡下部即水下防淘刷区域,选择现浇混凝土板与预制混凝土板进行比较;对护坡中部即抗冰推冰拔区域,采用钢筋混凝土槽型板;对护坡上部即超高削减风浪区域,采用预制混凝土加糙板与干砌石进行比较(详见表2、3)。

表2 B坝段超高部分护坡工程量与工程投资对比

投资比较采用单位米工程量计算比较。由于该段为主坝区,考虑美观因素并且由于两种护坡型式造价相差不大,故最终确定超高部分采用预制混凝土加糙板护坡。

通过投资比较,最终选择现浇混凝土板作为B坝段下部护坡,干砌石作为 B坝段超高部分护坡。

4.3 D坝段护坡工程设计

D坝段为老坝加高加固和部分截浅滩新筑坝段,选择表4形式进行护坡比较。

表4表明,两种护坡型式造价相差不大。考虑到在抵抗风浪淘刷和冰推破坏方面,采用上部干砌石、下部钢筋混凝土护坡较好,故最终被采用。

表3 B坝段下部护坡工程量与工程投资对比(单位米工程量)

表4 D坝段护坡工程量与工程投资对比

5 结束语

在恰拉水库改扩建工程坝体护坡设计过程中,综合考虑了实际的气候、水库运行方式等因素,将坝体护坡设计根据外界作用条件的不同而采取分区设计,达到了技术与经济的有效结合,打破了传统的坝体护坡结构单一的模式。

[1]新疆生产建设兵团农二师勘测设计院.恰拉水库改扩建工程初步设计报告[R].2002.