哈萨克斯坦额尔齐斯——卡拉干达运河调水工程
2013-08-29 19:19:01   来源:

  【摘要】额尔齐斯—卡拉干达运河是哈萨克斯坦境内现已建成的最大的调水工程.本文介绍了该干渠的地质情况、线路走向、土坝和水泵站等建筑物的布置,阐述了干渠及其主要建筑物的施工方式和特点。干渠的施工经验可供我国南水北调东线工程借鉴。
  
  【关键词】调水工程;干渠;工程地质;设计;施工;哈萨克斯坦
  
  1工程概况
  
  根据计算[1],哈萨克斯坦中部地区需要用水30亿立方米(按照95%的保证率),其中19亿立方米用于满足工业和城市居民的需要,7亿立方米用于农业的发展,4亿立方米是被水库水面蒸发和不能回收的渗流损失。而该地区几条最大的河流——努拉河及其支流丘鲁拜努拉河、萨雷苏河、卡拉金吉尔河和伊希姆河上游段的多年平均径流量为401万~648万立方米,95%保证率的径流量还要少得多,因此战后在一些河流上建成了许多调节水库,如努拉河上的撒马尔罕水库、伊希姆河上游段的舍鲁拜努拉河水库及金吉尔水库、维亚切斯拉夫水库等。尽管如此,当地水资源量仍不能满足工农业发展的要求,而且进一步调节和利用当地径流和地下水源的可能性已经不大,故调节外部水源对这一地区工农业的发展将具有重要的作用。
  
  计算表明,哈萨克斯坦中部地区可以利用的水有地下水1亿立方米,废水回收3.5亿立方米,河流径流调节3.2亿立方米和额尔齐斯一卡拉干达运河的供水22.3亿立方米。这样额尔齐斯—卡拉干达运河的供水量占哈萨克斯坦中部地区用水量的75%。
  
  从西伯利亚的鄂毕河和叶尼塞河调节部分径流来保证中亚和哈萨克斯坦地区用水的想法早在1871年就有人提出来了。经过多年的科学研究和设计论证,科研和设计人员取得了统一的意见,即在额尔齐斯河中游取水是比较可行的方案。后来前苏联水工设计院及哈萨克斯坦科学院和电力研究所进行了多次野外勘测,并编制了从额尔齐斯河向努拉河流域供水的8个线路方案。经过进一步的研究并根据投资、施工、运行管理条件和其他指标的比较,希迭尔特河方案是所研究的运河线路方案中最有效的方案,并得到哈萨克斯坦中央鉴定委员会和前苏联国家经济委员会的批准。
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河横跨巴浦洛达尔和卡拉干达两个州[2],其首部取水枢纽位于额尔齐斯河支流别洛伊河上,途经埃基巴斯图兹市,到卡拉干达市区结束,全长458公里。从额尔齐斯河到希迭尔特河和努拉河分水岭的统计提水高度为418.00米,沿线共建成以下工程:22座提水泵站和4座汲送渗流水的水泵站,最大提水高度22米;14座土坝;3座拦水建筑物;12座泄水建筑物、放水口或跌水板;1条倒虹吸管;5条渠下涵管;17座专用跨渠桥梁,运河被水工建筑物分割成34个渠段;通达各建筑物的公路,总长524公里;输电线路,总长703公里,其中220千伏线路411公里,110千伏线路42公里,35千伏线路250公里;通讯线路,总长616公里;8个管理人员新村,总面积4.27万平方米.
  
  2工程地质
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河在工程地质方面可以分成4个区:(1)从额尔齐斯河至105公里处,这里一部分是在两侧筑堤,另一部分是在砂砾岩的第四纪沉积层上开挖渠道;(2)额尔齐斯河与希迭尔特河的分水岭段(从105公里至175公里处),这里是穿过古生代残积层的厚厚的岩层开挖出来的;(3)希迭尔特平原段(从175公里至380公里处),这里是外露的岩层与各种松散的冲积层和粘土沉积层相交替;(4)希迭尔特河、努拉河和科克列克特河的分水岭段(从380公里至460公里处),这一段的工程地质条件与希迭尔特平原段的差不多,除了古生代砂质岩和新第三纪粘土外,这里还有冲积层、亚粘土和亚沙土覆盖层。
  
  总体来说,额尔齐斯—卡拉干达运河的工程地质条件是比较好的,但是在某些区段具有透水性很大的砾石层和承载能力很差的软塑性土。
  
  设计中所进行的渗流计算表明,大部分渠段渗流量不大于20~40(l/s·km)。有相当长的渠段的地下水水位虽位于运河河底以下,但是在0~105,234~243,329~362和420~489公里处地下水水位相当高,而构成堤坡的岩土的渗流系数达到100m/d。因此,在水工建筑物的基坑中必须采取强排水措施,某些渠段渗流量很大,必须采取专门的防渗措施。
  
  设计建筑物的天然地基是稳定的.在坝基软弱的亚粘土、粉沙土和砂砾土沉积层中做了防渗齿墙。坝和地基的总的渗透损失不大,从0.03立方米每秒(诶基巴斯图兹坝)到0.75立方米每秒(4号坝),但是8~10号坝的总渗透损失超过1立方米每秒。这是因为这些水利枢纽位于泥碳岩溶化石灰岩地基上,因此在这些水利枢纽上也做了防渗处理。
  
  3工程设计
  
  运河的首部取水枢纽位于额尔齐斯河左岸支流别洛伊河上,距额尔齐斯河的主河槽9公里,取水枢纽的建筑物包括:壅水土坝及泄水建筑物,第一级提水泵站,别洛伊河上游段的加深和拓宽段。泵站位于基岸上,提水高度17米.从一级泵站开始,运河向西沿着平坦的额尔芬斯盆地延伸102.9公里到达2号泵站,用5级泵站(2~6号泵站)将运河升高91米,4~5号泵站之间是一条时令小河——任格尔达河谷,在该河谷中修建了诶基巴斯图兹土坝,该坝形成了一座备用调节水库,其总库容1730万立方米,有效库容146万立方米。运河从6号泵站起进入希迭尔特河(额尔齐斯河的左岸支流)河谷,前40公里运河通过相当平坦的地形。运河在该河谷中被建成梯级枢纽,即从诶基巴斯图兹国营农场到“拖拉机手”国营农场中心区长225公里,建筑了11座梯级土坝,并相应地布置了水泵站,每级提水高度大约20米,其水库的主要特性如附表所列。由于这些水库的形成,即使在停止供水的情况下也能向用户供水3亿立方米.
  
  附表各水库和土坝的主要参数
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  运河从希迭尔特河谷上游水库出来后,穿过努拉河与希迭尔特河的分水岭自流进入图兹达河(努拉河的支流)河谷,在图兹达河谷建筑了最后一座土坝,同时形成一座备用调节水库,其总库容2540万立方米,有效库容2140万立方米。用2座溢流堰式跌水坎和图兹达水库的泄水建筑物使水位高程下降24米。运河这一段的长度为75公里。运河从图兹达水库出来沿着图兹达河与努拉河交汇,在这里分岔,一小部分水量用倒虹吸管穿过努拉河进入卡拉干达,并在卡拉干达—铁米尔套索洛尼奇克自来水一级泵站结束;运河的主要水量沿着努拉河进入给铁米尔套工业区供水的萨马尔汗水库;还有一部分沿着努拉河进入给切图、阿塔苏、杰兹卡兹甘工业区供水的努拉—萨雷苏渠道和给切利诺格勒州供水的努拉—伊希姆渠道。
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河所有14座土坝都是用当地的亚粘土和砂砾土建筑的.坝顶宽按照4级公路标准取8~10米,上下游边坡坡度为1∶3,坝的上游边坡在浪溅区范围内采用厚20~30厘米的钢筋混凝土板护面,而坝高较低的用块石护面,坝高变化在8~30米之间,坝顶长在0.3~3.7公里之间,所有土坝总长24.7公里。13座坝的坝基和与河谷的衔接段是岩质土,有1座坝的坝基是有岩溶标志的石灰岩.坝体主要是用亚粘土填筑的,但许多坝的下游楔形体也用了碎石土、砂砾土和有效开挖的石料.坝体土压实到容重为:粘土11.5~19.0千牛/立方米,砂砾土16.5~18.0千牛/立方米。采用切入亚粘土和沙土地基的截水墙作为防渗措施,清除风化岩土,在岩土地基中设置截水墙和带混凝土垫层的灌浆帷幕。下游边坡的排水棱体主要是使用河床沉积层的砂砾土做成的。
  
  运河梯级泵站的提水高度几乎是相等的。1、6、16和22号泵站的保证提水高度为14~18米,而其余18座为18.5~22.3米。泵站的布置是采取将泵房与取水池分开布置,用压力管道连接。建筑物的底部任意地(不回填)置于引水渠的水斗中,用工作桥与岸上连接。泵房的这种布置对所有泵站可采用同一种形式的结构,只是因地基土类的差别而使基础板的结构有所不同。泵站施工区的工程地质条件相差很大,有15座泵站是建在岩土地基上。
  
  泵房平面上成多面体形状,所有泵机组布置在一整块基础板(成角度为60°的扇形区)上,圆形进水,吸水管为低、短、展宽形式,进口段用支墩分成两个岔。吸水管孔口设置混合式粗拦污栅,而在检修水泵时在同一门槽中放下平板滑动金属闸门。闸门和拦污栅用起重量为5吨的电葫芦操作.泵房的最大尺寸:基础板为22.4米,内径17.2米,高(无上部结构)为14.6米。
  
  取水池采用真空中断阀,阀门由机械传动,水泵停机时自动动作。每台泵有一根压力管道,管道是外露的,进行过防腐处理,钢管直径为2600毫米,长50.4~107米不等。
  
  在泵站中安装转桨式水泵,水泵转轮直径185厘米。1、6、16和22号泵站的水泵型号为ο∏11-185,其他泵站的水泵型号为ο∏10-185;电机采用вдс325/44-18型,为立式、同步、单相。水泵机组的主要参数如下:单机流量14~19立方米每秒,最佳压力水头17~21米,转速每分钟333转,所需功率4200~4900千瓦,电压6000伏,效率为87%。
  
  降压变电站和室外配电装置位于泵站厂房左侧的露天场地上。7号和17号泵站的变电站是地区变电站。
  
  根据用水量的需求,确定了额尔齐斯—卡拉干达运河的过流能力:从渠首到诶基巴斯图兹水库(长133公里处)为75立方米每秒,这一段的渠道横断面是按照过流能力为75立方米每秒设计的。在这种情况下,渠道的横断面采用梯形,其具体尺寸为:边坡为1∶2.5~1∶3.0,渠深7.5米,底宽3米,水面宽40米;从诶基巴斯图兹水库到希迭尔特河谷(从133公里到173公里处),运河的过流能力降为64立方米每秒,因此这一段的断面也相应地减小为:水深5.5米,底宽3米,水面宽40米,边坡1∶2.5.希迭尔特河谷段到努拉河(从173公里到445公里处),过流能力为57立方米每秒。运河的主要流量到达努拉河后流入努拉河,以满足铁米尔套市、切利诺格勒和卡拉干达州南部地区的工业用水,在努拉河之后(从445公里到448公里处),运河向卡拉干达市的供水流量仅为13立方米每秒。
  
  根据保证均匀水力情况的条件来确定渠底的比降。当运河在亚沙土和亚粘土段不冲流速为0.4~0.5米每秒时,渠底比降设计为0.000035-0.00006;在亚粘土和粘土段不冲流速为0.6~0.9米每秒时,渠底比降设计为0.000065~0.0001;在岩质土段不冲流速为0.7~1.0米每秒,根据技术经济条件渠底比降设计为0.0001~0.0002。
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河1962年开工建设,1967年年底第一期工程(长133公里)建成,通过验收后即投入临时运行,保证了诶基巴斯图兹工业区的供水。1972全线通水试运行。1974年12月通过了专门组成的国家验收委员会的验收,正式投入运行。额尔齐斯—卡拉干达运河包括保护带、公路和施工场地的占地面积为4.36万公顷.
  
  4工程施工
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河线路总长458公里,其中开挖和填筑段共长354公里,水库、泵站和有压输水管段总长101公里,倒虹吸段长3公里。在297公里开挖段中,沙土和亚沙土段长74公里,粘土和亚粘土段长135公里,石质土段长88公里;填筑段长57公里。运河的主要成型工程量如下:土石方工程量为9690万立方米,其中软土开挖量为6210万立方米,岩质土开挖量为1350万立方米,回填土为2170万立方米;混凝土和钢筋混凝土共30.5万立方米,抛石53万立方米,碎石护面27万立方米,排水和反滤层共30.5万立方米,金属结构和机械安装量为1.9万吨,水力机械设备安装量6400吨。
  
  在额尔齐斯—卡拉干达运河的施工[3~6]高峰期(1970年)曾达到8073人,采用了100多台挖土机,其中大多数都是铲斗容量为3~5立方米的зм-5/45型和зщ-4/40型步行式挖土机,以及зг-400型万能挖土机;200多台铲土机,其主要是铲斗容量为15立方米的д-392型和д511型铲土机,约300台推土机和600多辆各种型号的载重汽车。
  
  在施工中广泛推广土石方工程“工程队施工法”[7],即根据协议工作单按照单位最终产量(运河全断面挖方量)来支付报酬,根据这个原则组织挖土机工程队和铲运机工程队。每一个挖土机工程队拥有8台з-2503型挖土机和3台功率为74kw的д-271型推土机,至少2台зщ-5/45型和зщ-4/40型挖土机,以及1台д-271型推土机,1台зг-400型或cз-3型、з-2005型挖土机,5~6辆кpа3-256型自卸卡车。铲运机工程队拥有至少60辆д-357型和д-392型自行式铲运机,18台吨-180型和дзт-250型拖拉机,15辆推土机和松土机,7辆д-551型轮胎压路机和7辆3ил型槽车。在土的运输距离为1000~4000米时使用自行式铲运机。在由拖挂式铲运机组成的铲运机工程队中拥有50辆д-274型和д-498型铲运机,8-10辆吨-100型拖拉机,推土机、松土机、轮胎压路机和槽车共12~15台。在距离为200~1000米时使用拖挂式铲运机运土。在额尔齐斯—卡拉干达运河的施工中,挖土机完成了7600多万立方米的成型挖方量,占总土方量的77%。运河建筑物施工时,成型工程量与实际工程量的换算系数为1.73,即挖土机完成了1.2亿立方米的土石方工程量。
  
  施工实践表明[5,7],为了挖土机能正常工作,在冬季软土冻结时和夏季遇到岩质土时,在挖土机开挖前必须要采用爆破工程把土弄松,每天至少要松动250~300米长的运河线路,即4000~5000立方米的土供挖土机开挖。
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河的设计过流能力为20亿立方米/年,试运行后对建筑物的原体观测表明,运河的线路选择是正确的。例如,运河无法回收的渗流损失为5800万立方米/年(设计值为6000万立方米/年),占过流能力的2.2%;在平水年份蒸发损失为1.02亿立方米/年,占5%;合计平均损失为1.6亿立方米/年,占运河过流能力的7%;干旱年份总损失为2.5亿立方米/年,占11.3%。
  
  额尔齐斯—卡拉干达运河的水量平衡中要灌溉7.1万公顷农田,其中巴浦洛达尔州5.1万公顷,卡拉干达州2万公顷。此外,向邻近伊希姆河地区提供5200万立方米灌溉用水,向萨雷苏河流域供水7000万立方米,向努拉河流域提供2360万立方米灌溉用水。总共从额尔齐斯河提供农业供水5.5亿立方米/年。由于运河水的灌溉[8],巴浦洛达尔州种植的春小麦产量为1780公斤/公顷,而得不到运河水灌溉的产量仅为410公斤/公顷。
  
  5结论
  
  从额尔齐斯—卡拉干达运河的施工经验中可以得出以下结论:(1)在冬季零下温度情况下,研制和应用铲运机铲运粘土填筑运河堤坝的工艺是最有效的方法,这可以整年施工,从而可缩短运河的施工期限,改善技术的应用,降低土方工程的成本;(2)按照运河全断面挖方工程量支付土方费用的“工程队施工法”是最好的方式,它可以提高劳动生产率和报酬,改善工程质量,大大缩短施工期限和降低工程施工费用,并大大减少了“胡子工程”。
  
  综上所述,额尔齐斯—卡拉干达运河的线路走向、主要建筑物的布置及其施工经验可供我国南水北调工程参考。
  
  作者简介:杨立信(1952-),男,安徽庐江人,高级工程师。
  
  作者单位:南京水利科学研究院
  
  来源:《水利发展研究》
  
  

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