張興磊
(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000)
古浪縣身居內(nèi)陸腹地,降水稀少,人均自產(chǎn)水資源量?jī)H為全國(guó)平均水平的1/7、全省平均水平的1/3,是全省乃至全國(guó)水資源最短缺的地區(qū)之一。
黃花灘生態(tài)移民區(qū)從2013年水利骨干建成后開(kāi)始試運(yùn)行,目前各項(xiàng)工程試運(yùn)行良好。但隨著移民安置點(diǎn)的調(diào)整,灌區(qū)開(kāi)發(fā)耕作范圍也相應(yīng)發(fā)生一定變化,黃花灘干渠沿線開(kāi)發(fā)面積逐步增大,干渠沿線由于缺乏骨干引水工程而造成的工程型缺水問(wèn)題逐漸突出。同時(shí),灌區(qū)開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及灌溉配套設(shè)施的不斷完善,灌區(qū)用水規(guī)模逐年擴(kuò)大,未來(lái)還需加快灌區(qū)節(jié)水改造進(jìn)程,進(jìn)一步加大向黃花灘生態(tài)移民區(qū)供水力度。
古浪縣地處甘肅省河西走廊東端,祁連山北部,屬典型的溫帶大陸性干旱氣候,多年平均降雨量207.7 mm,蒸發(fā)量2807 mm,最大凍土深度110 cm。
黃花灘灌區(qū)位于古浪縣城東北部黃花灘、西靖兩鎮(zhèn)交界處,是古浪縣生態(tài)移民暨扶貧開(kāi)發(fā)的新灌區(qū)。渠首調(diào)蓄水池(3號(hào))項(xiàng)目位于古浪縣縣城東北部,東南靠景電二期工程古浪灌區(qū),西北伸入黃花灘與古浪河灌區(qū)相接,南鄰淺山地帶,北緣騰格里沙漠,該地區(qū)為古浪縣北部平原區(qū),屬石羊河沖、洪積平原,海拔在1600 m~2000 m之間。項(xiàng)目涉及主要河流為大靖河。
項(xiàng)目區(qū)地處西北高原,日照時(shí)間長(zhǎng),溫差較大,降水稀少,蒸發(fā)量大,氣候干旱,地表、地下水貧乏,屬典型的干旱型大陸性氣候。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,全年平均氣溫6.6℃,極端最高氣溫33℃(1967年7月28日),極端最低氣溫-26.4℃(1968年2月8日);多年平均降水量207.7 mm,最大314 mm(1970年),最小95 mm(1962年),降水量多集中在7月、8月、9月三個(gè)月,最大一次降水量22.8 mm(1958年6月1日)。
調(diào)蓄水池池頂安全超高按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中的壩頂超高計(jì)算確定,取設(shè)計(jì)工況和校核工況中的大值[1]。
(1)壩頂在調(diào)蓄水池靜水位以上超高計(jì)算(設(shè)計(jì)工況):
Y=R+e+A
(2)校核工況下超高計(jì)算:
Y=R+e+A+H1
式中:Y為壩頂超高,m;R為最大波浪在壩坡上的爬高,m;e為最大風(fēng)壅水面高度,m;A為安全加高,m;本工程為4級(jí)工程,A設(shè)計(jì)=0.5 m;H1為地震壅浪高度為0.5 m~1.5 m,取0.5 m。
地震區(qū)的安全加高應(yīng)增加地震沉降和地震壅浪高度,壩頂高程等于水池靜水位與壩頂高程之和,應(yīng)按以下運(yùn)用條件計(jì)算,取其最大值:①正常蓄水位位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高;②正常蓄水位位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高,再按本規(guī)范規(guī)定加地震安全超高。
(3)波浪平均波高和平均周期宜采用莆田實(shí)驗(yàn)站公式
波浪要素確定:
Tm=4.438hm0.5
式中:hm為平均波高,m;Tm為平均波周期,s;W為計(jì)算風(fēng)速,根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣象站資料,項(xiàng)目區(qū)年最大風(fēng)速20 m/s,正常使用取最大風(fēng)速的1.5倍,則W=30.0 m/s,而根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣象觀測(cè)資料,項(xiàng)目區(qū)最大風(fēng)速出現(xiàn)在春秋兩季,時(shí)間上有重合,因此非常運(yùn)用取20.0 m/s;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m;根據(jù)項(xiàng)目區(qū)風(fēng)向與正常蓄水位時(shí)的水面寬度,D=458 m;Hm為風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均水深,m;根據(jù)剖面計(jì)算得平均水深10 m,故Hm取10 m;g為重力加速度,m/s2,g=9.81 m/s2;Lm為平均波長(zhǎng),m;H為壩迎水面前水深,m;H=10.0 m。
波浪要素計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 波浪要素計(jì)算表
(4)設(shè)計(jì)波浪爬高計(jì)算
水庫(kù)設(shè)計(jì)為單坡,當(dāng)m=1.5~5.0時(shí),波浪爬高按下式計(jì)算:
波浪爬高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 波浪爬高計(jì)算表
(5)風(fēng)壅水面高度計(jì)算
在有限風(fēng)區(qū)情況下,風(fēng)壅水面高度按下式計(jì)算:
式中:e為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壅水面高度,m;K為綜合摩阻系數(shù),可取K=3.6×10-6;W為設(shè)計(jì)風(fēng)速,按計(jì)算波浪的風(fēng)速確定;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度;F=470 m;Hm為水域的平均水深,m;β為風(fēng)向與垂直堤軸線的法線的夾角,水池形狀不規(guī)則,風(fēng)向與堤線法線方向有重合,因此夾角取0°。
風(fēng)壅水面高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 風(fēng)壅水面高度計(jì)算表
(6)計(jì)算成果
通過(guò)計(jì)算(結(jié)果見(jiàn)表4),正常運(yùn)用條件下池頂超高1.72 m,非正常運(yùn)用條件下池頂超高1.50 m,根據(jù)規(guī)范要求各工況下取其大值,池頂超高設(shè)計(jì)值取1.72 m,設(shè)計(jì)水位1764.00 m,設(shè)計(jì)池頂高程最小應(yīng)為1765.72 m。經(jīng)綜合考慮,調(diào)蓄水池頂高程確定為1765.8 m,滿足要求。
表4 池頂超高計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)規(guī)范要求,池頂應(yīng)預(yù)留竣工后沉降超高,本階段沉降超高按最大填方高度的1%考慮,取0.02 m。
調(diào)蓄水池池址區(qū)地形較為平坦,場(chǎng)地平均高程在1767.7 m左右,受黃花灘干渠取水口渠底高程(1764.25 m)限制,調(diào)蓄水池基本為挖方形式。
由于復(fù)合土工膜與土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)及土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)將影響防滲體的穩(wěn)定,必須復(fù)核復(fù)合土工膜與壩坡、復(fù)合土工膜與保護(hù)層的抗滑穩(wěn)定性。
根據(jù)《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T 231-98),復(fù)合土工膜穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為:
K=f/tgα
式中:K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為上墊層與土工膜之間的摩擦系數(shù);α為壩坡坡角。
根據(jù)上、下墊層材料,查《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)及《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》(第二版)得f=0.65;而根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001),本工程池坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.25。經(jīng)計(jì)算,滿足復(fù)合土工膜穩(wěn)定性要求的壩坡坡角為27.47°,相對(duì)應(yīng)的坡比為1∶1.92,即滿足穩(wěn)定要求的調(diào)蓄水池最大坡比為1∶1.92。
綜上,考慮池坡穩(wěn)定及下墊層細(xì)礫料斜坡碾壓施工要求,并參考已實(shí)施調(diào)蓄水池成功經(jīng)驗(yàn),調(diào)蓄水池迎水面邊坡坡比取1∶2.75,背水面邊坡坡比取1∶2.0。
(1)迎水面護(hù)坡設(shè)計(jì)
本工程迎水面采用預(yù)制C30混凝土板護(hù)面,考慮到防止土工膜老化、凍脹及冰塊擠壓及拉拔破壞等因素,并參考類(lèi)似項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn),本階段擬定護(hù)坡厚度t=10 cm,為便于施工,護(hù)坡設(shè)計(jì)為邊長(zhǎng)為25 cm的六邊形預(yù)制塊,混凝土等級(jí)C30F200。
(2)背水面護(hù)坡設(shè)計(jì)
背水面設(shè)計(jì)邊坡1∶2,護(hù)坡采用現(xiàn)澆C25砼框格,截面尺寸15 cm×30 cm,框格尺寸為2.0 m×2.0 m,框格嵌入壩體20 cm。
根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001),中、低壩的壩頂寬度取5 m~10 m。綜合考慮池頂交通、運(yùn)行巡檢管理要求,池頂寬度設(shè)計(jì)為6.0 m。管理道路路面采用20 cm厚C30砼路面,池頂臨水側(cè)設(shè)有高1.5 m的鋼制欄桿,為方便排水,池頂路面向外側(cè)作成2%的坡度,在外側(cè)設(shè)置20 cm×20 cm×10 cm(寬×高×厚)的排水溝。為滿足調(diào)蓄水池夜間管理需求,調(diào)蓄水池池頂臨水側(cè)每隔20 m設(shè)置一套太陽(yáng)能路燈系統(tǒng),路燈高度6.0 m。
本工程通過(guò)興建渠首調(diào)蓄水池(3號(hào))工程,可改善黃花灘移民區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施,解決黃花灘生態(tài)移民區(qū)夏季高峰期及冬季日光溫室反季節(jié)種植缺水問(wèn)題,促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收,為保障區(qū)域社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn),為移民區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供水源保障,對(duì)于發(fā)揮片區(qū)整體效益,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)增收、實(shí)現(xiàn)區(qū)域精準(zhǔn)脫貧具有很大的促進(jìn)作用,是古浪縣委、縣政府積極落實(shí)“全面建成小康社會(huì)”,貫徹執(zhí)行習(xí)近平總書(shū)記“著力推進(jìn)扶貧開(kāi)發(fā),盡快改變貧困地區(qū)面貌,堅(jiān)決打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)”重要指示精神的有力舉措。