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1、1 援津巴布韦瓦利水坝灌溉工程设计简介 吴宝隆 吴朝月 卢兆钦 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 100024 摘 要 本文通过对援津巴布韦瓦利水坝灌溉工程的设计工作内容进行回顾， 以期对设计单位在国内、外类似地区进行的小型水利工程设计提供一些资料和 借鉴，对从事类似工程的施工企业了解类似地区的工程建设条件，也希望能有 一些参考作用。 关键词 津巴布韦；瓦利水坝；灌溉工程；设计 1 工程概况 瓦利（ Valley）水坝灌溉工程位于津巴布韦国布拉瓦约市 (Bulawayo)东南约 100km的姆威威（ Mwewe）河上游河段凯兹 (Kezi)镇境内。该项目是集拦河蓄水、 提水灌溉为一体的综
2、合性水利工程，由中国政府援助。 1995年 8月完成技术设计 及施工招标工作， 1995年 10月底施工单位中国江西国际经济技术合作公司进 场， 1996年 1月 21日设计单位北京勘测设计研 究院 设计 代表和 中 方监理 进场， 1996年 2月 1日工程 正式开 工， 1997年 8月 15日完工， 同 年 11月 7日 交付 津国政府。 至今 工程 已 经 运行多 年， 发挥了良好 的 社会和 经济 效益 。 2 设计思路 本 工程 以建 设灌 区 为中 心 目的， 在 约 205公 顷因长久干旱而荒芜 、灌 木丛生 的 土地 上 建 成 可 灌溉 农田 。 通过清障 、 平整 、 翻
3、耕等土地整治 作 业 ， 铺 设灌 区 内 地埋式管道 设施及 配套喷 灌设 备 ， 使耕地能够种植玉米 、 小麦等农 作 物 。 工程 区属热带草原气候区 ， 干湿季节分明 ，年 降雨 量仅 149.7mm。 5月 至 10 月河 床 一 般无径流 ， 根据当 地 水 资源状况 和地 形条件 ，为 满足 灌溉 用 水水 量要 求 ， 需 在 河 道 上 建 坝 以 拦蓄 雨季 的 降 水。 本 工程 不具 备 自流引 水灌溉 条件 ， 节 水灌溉 喷 灌 方 案 是 现实 和可行 的，为 此 ，设计 采用两级泵站 提水 并加压供 水， 满足 喷 灌 要求 。 3 设计依据及建设条件 3.1
4、水文气象条件 本 工程 地 处 南 半球 南 纬 20 0 附近 ， 5月 至 10月河 床 一 般无径流 ， 汛期 （ 11月 至 次 年 2月） 流量较大 ， 多 年 平 均径流深度 80mm。年 输沙量 为年 平 均径流量 的 6.5 ， 含沙量 3.25kg/m 3 ，坝 址处 平 均 年 来沙量 约 10.4万 m 3 。 80保证率各 月 平 均 降雨2 量 和 坝 址洪峰流量资料见 表 1、 表 2。 表 1 80%保证率各月平均降雨量表 月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 合计 降雨 量 mm 34.5 29.2 3.0 1.5 0 0 0 0 0 2
5、.3 31.2 48.0 149.7 表 2 坝址处不同频率洪峰流量表 频率 0.01 0.05 0.1 0.2 1 2 10 流量 （ m 3 /s） 2152 1597 1370 1163 732 565 247 3.2 地形地质条件 工程 所处 Mwewe河上游 沿 河 地区 为 丘陵 区 ， 地 形 1050m高 程 以 下 河 谷两岸岩 石裸露 ， 坡度 10 0 30 0 ， 1050m高 程 以 上为 第四纪覆盖 ，为 接近 水 平 的 阶 地 ， 地 形 平 坦 开 阔 。 Mwewe河 自 北西 流向 南东，河 流较 平 直 ， 坡 降 较 小 ，为 宽浅 式 河 道 ，河
6、床 宽 20m 25m，河 床高 程 1038m左右 。坝 址 区 两岸 1050m高 程 以 下 主 要 为 粗 中 粒花岗 岩 ， 花岗片麻 岩 ， 少 量 角闪 岩石 和 石 英脉； 1050m高 程 以 上为 花 岗 岩 风化残积层 ， 主 要 成 分 为 石 英砂砾 和 少 量 粉 土 ， 厚 度 为 0.5m 4m， 局部有 基 岩 面 裸露 。坝 址 区地 下 水 主 要 为 基 岩 裂隙 水， 基 岩 裂隙渗透 性 0.5Lu 60Lu， 为 微 中 等 透 水。坝 址 区 岩 体 以物理 风化 为 主 ，一 般第四纪 松散堆积 物 厚 1m 3m， 强 弱风化 带 深度 一
7、般 为 7m 12m， 微风化 至 新鲜 岩石深度 一 半 在 10m 12m以 下 。坝 基 岩 体 和 覆盖 层 物理 力学 性 质指 标 见 表 3、 表 4。 本 工程水 库 及坝 区 位于津巴布韦 古陆核 的 稳定 地 块 ，为 地 质构造稳定 区 ， 属 IV级 分 类 区 ， 周 期 50 年一 遇 的 预 期 地 震烈 度 为 3 4修 正 烈 度 。 表 3 坝基岩体物理力学性质指标 岩石 名称 比重 g/cm 3干 容重 g/cm 3抗 压 强 度 MPa 软化 系数 抗 拉 强 度 MPa 抗剪断 抗剪 变 形 模 量 E 0 10 4 泊桑 比 干 湿 干 湿 f c
8、MPa fc MPa MPa 花岗 岩 2.70 2.62 200 150 0.75 5.0 4.0 1.6 3.2 1.3 2.0 2.40 0.22 表 4 坝基覆盖层物理力学性质指标 岩石 名称 天然容重 t/m 3抗剪强 度 压 缩模 量 MPa 压 缩系数 允许承载力 MPa 允许渗透 坡 降 渗透系数 m/d 0 c 块砾 岩 1.5 1.6 20 0 80 100 0.05 0.4 0.6 0.18 0.30 0.6 1.1 3 3.3 交通条件 布拉瓦约市 至 凯兹镇 有 公 路相 通 ，公 路路基宽 约 7m， 路面宽 约 5m， 沥青混 凝 土 路面 ， 车辆稀 少； 从
9、凯兹镇 至 灌 区 有 简易 路相 通 ， 泥结碎 石 路面； 自 灌 区 经 主 泵站 、坝 区 连 接 至 布 凯公 路 间 的 主 要 交通道 路 均 在开 工 后 新 建 。 3.4 建筑材料及设备供应 工程 采用 的 建 筑材 料 包括： 布拉瓦约市 郊 水 泥厂 生 产 的水 泥 ， 专 业 砾 石加 工 厂产 混 凝 土 骨 料 ， STEELFORCE工 厂钢筋 ， MORESTEEL公司 钢 管 ， TURNALL 公司 A/C管 及 接 头 、 止 水 等 。 UPVC开 缝 管 及灌 区配 水 管 网 来自 PROMAT公司 ； 水 泵 机组 由津巴布韦 COCHRANE
10、 STORK公司 生 产 ； 喷 灌 器 为 以 色列产品 ； 管 路 中 所 有 阀门 和 泵站 控制盘柜 设 备 来自 中国国内 厂家 。 大 坝坝 壳 料 和心 墙粘 土 料 场由津 方 指定 ， 粘 土 料 场 多 且 分 散 ， 6处 心 墙 料料 场 分 布于 16km范围 内， 可 采 土 层厚 度 0.26m0.6m。 土 料 试验结果 分 别 见 表 5。 表 5 各料场土料试验结果 料 场 编号 液限 （ ） 塑限 （ ） 塑 性 指数 内 摩 擦 角 凝聚 力 MPa 渗透系数 K （ cm/s） 最优 含 水 量 ( ) 最 大 干 容重 (g/cm 3 ) LB/A
11、20.5 13.8 6.7 36 0 0.5 1.15.2 10 5 11.8 1.855 LB/B 24.3 16.5 7.8 1.763 10 5 12.9 1.823 LB/C 28.0 14.5 13.5 28.5 0 0.5 1.108 10 5 14.0 1.77 LB/D 26.5 18.5 8.0 27 0 0.25 1.085 10 5 13 1.803 LB/E 30 17.5 12.5 7.1 10 6 14.5 1.78 RB/B 23.5 15.7 7.8 27.5 0 0.25 2.667 10 5 12.1 1.81 4 工程总体布置 工程 枢纽 由拦河坝、 溢
12、洪 道 、灌溉 放 水 管 、 取 水 堰 、 主 泵站 和 加压泵站 、 输 水 管道 、 调 节 水 池 、灌 区管 网 等 组 成， 分 拦水、 取 水、灌溉 三个功 能 部 分 组 成。 拦河坝位于姆威威河瓦利坝 址处 ， 采用 粘 土心 墙 坝 结 构 形 式 ，坝 长 885.592m(含 溢 流 堰 长 100m)， 主 河 床 及 右 岸 部 位坝 轴线 采用 拱 形 +直 线 的 平 面 布 置 方式 。 溢 洪 道 位于 主 河 床 左 岸 坝段， 采用 开 敞 式 溢 洪 道 ，由 堰 体、 翼墙 及 导 墙 等 组 成。灌溉 用 水由坝 下 灌溉 放 水 管 泄放 ，
13、流 经约 5km天然 河 道 到达取 水 堰 。 灌溉 用 水 通过 两级泵站 提 升 并加压 ， 主 泵站自 取 水 堰 下 集水 池取 水， 通过 一 条 DN525石 棉 水 泥 管道 输 水 至 加压泵站 调 节 水 池 ， 加压泵站向 灌 区 供 水。灌 区分 东灌 区和 西灌 区 两 部 分 ，灌 区 内 埋 设 管 网 ， 与 主 干管 线 相 接 。工程 总 体布 置 见4 图 1。 图 1 工程总体布置图 5 工程设计 工程 以农田 灌溉为目的， 配套 拦河坝及 泵站 等 设施。 依 据 水利水 电 工程 等 级 划 分 及 洪 水标 准 (山 区 、 丘陵 部 分 )SDJ
14、12-78（ 试 行 ） )， 按 灌溉 面积 、水 库 库容 等 指 标 确 定 工程 等 别 为 四 等 工程， 永 久 性 主 要 建 筑 物 （ 大 坝 和 溢 洪 道 ） 按 4 级 建 筑 物 设计。 5.1 拦河坝及泄放设施 5.1.1 方案选择 姆威威河 谷流 经 区 域 均 为 宽浅 的 丘陵 区 河 道 ，由河水 冲切 而 形 成，河 道 下 陷 、 两岸无 堤防 。拦河坝作 用 是拦 截 河 道 蓄水为灌 区 提 供 水 源 ， 因 此 ，拦河坝是 整 个 工程的 龙 头 ， 其 布 置 主 要 是 选择 合 理 的坝 址 和正 常 蓄水位， 满足 灌溉 所需 水 量要求
15、 。 坝 址 、坝 型 和正 常 蓄水位的 选择应统 一 考虑 ， 互 为 选择 条件 。坝 址 选择 综合 考虑 了 河 谷 型 式 、 淹没影响 、 地 形 地 质 条件 、 与 灌 区 、 取 水 泵站 等 部 位的 总 体 布 置 协 调 等因 素 ， 尤 以 选择 河 谷较 窄 、 溢 洪 道 布 置 条件较 优 为 主 控 因 素 。蓄水 位 选择 以 满足 灌 区 灌溉 用 水为标 准 ， 尽 可能 减 少 水 库 淹没 ， 同 时考虑 下 游 生 态 ， 将 多 余 的水 量自 由 下 泄到 下 游。 坝 型选择 主 要根据 地 形 地 质 条件 、 另 结 合 当 地 天然 建 材 供 应 条件 。坝 址处 河 道 宽浅 、 覆盖 层 较 厚 ， 附近 可 用 砾 石 粘 土 料较 为 丰富 ，坝 型 最 终选择 粘 土心 墙 坝。为 满足 蓄水 要求 兼顾 泄 洪 ， 在 粘 土心 墙 坝 左 坝段中布 置 开 敞 式 溢 洪 道 ，利5 用 一 处 天然 裸露 的 花岗 岩 平 台 作 基 础 ， 同 时也 简 化 了 消 能 防冲 设施。 5.1.2 粘土心墙坝 拦河坝 总 体布 置从 左 岸 至 右 岸 依 次 为 ： 左 岸 粘 土心 墙 坝、 浆砌 石 溢 洪 道 、灌 溉 放 水 管 （坝
