严寒地区混凝土坝工技术及工程实践
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新疆大坝建设进展

1邓铭江,2于海鸣,1李湘权,1徐康宁

1新疆水利厅 新疆 乌鲁木齐 830000;2新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要:新疆河川径流总量879亿m3,其中97%形成于山区,38178.7MW水能理论蕴藏量皆赋存于山区河段,因此山区水库大坝建设是开发水能资源、实现水资源合理配置与有效调控的重要措施。本文回顾总结了新疆从平原水库建设到山区水库发展的历程,根据已建和在建的59座山区水库的坝工技术特点,对今后大坝建设的发展趋势进行了分析评价。面对当前大规模兴建山区水库的情势,并针对干旱区内陆河流域的特点,提出了大坝建设与供水安全、防洪安全、生态安全、发电效益相协调,电调服从水调,坚持水资源综合利用;防洪兼顾生态,保障河流汛期所需生态流量过程;调节与反调节相结合,协调灌溉与发电用水矛盾的水资源综合调度管理要求。同时,还指出混凝土面板砂砾石堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝是当地材料坝发展的主要方向,高寒地区、高地震区、深厚覆盖层等特殊环境下筑坝技术的不断进步和创新,是提高大坝建设与运行管理技术水平和安全可靠性能的重要保障。

关键词:新疆 大坝 建设

1 引言

新疆国土面积约占全国的1/6,地貌轮廓鲜明,高耸宽大的山脉与广阔平坦的盆地相间排列,具有“三山夹两盆”的地貌特征(昆仑山、塔里木盆地、天山、准噶尔盆地、阿尔泰山)。在远离海洋和高山环抱的综合地理因素影响下,形成典型干旱气候。然而,高大的山体拦截和承接了较多的高空水汽,成为干旱区中的“湿岛”。山区降水形成的河川径流为856.0亿m3,占新疆河川总径流量的97%[1]。因此,修建山区水库,解决水资源年内分配不均及合理配置与有效调控问题,是一种重要的水利工程措施。

新中国成立前,新疆水利基础设施十分落后,仅有巴楚县红海子水库(6700万m3)、乌鲁木齐市红雁池水库(3000万m3)、疏勒县亚马牙水库(500万m3)等3座平原水库[2]。20世纪50年代开始实施大规模的屯垦戍边,兴修水利,一方面在河流出山口修建引水渠首和长距离的引水干渠,另一方面在绿洲内修建大量的平原水库,形成了“上引下蓄,一块天对一块地”的水利工程分布格局。现已建成的577座水库,以小型水库和平原水库为主,总库容101.85亿m3,其中:大型水库24座,库容70.39亿m3;中型水库116座,库容23.92亿m3;小型水库437座,总库容7.54亿m3[3-4]。由于大部分是平原水库,渗漏蒸发损失占入库水量的20%~60%,且调节能力有限,无法满足适时适量供水、合理配置、高效利用水资源的基本要求。新疆水能资源主要集中在河流出山口以上河段,大于10MW以上的河流理论蕴藏量达38178.7MW,截至2008年年底,水电装机容量2185.1MW占总发电负荷的20.07%,年发电量78.45亿kW·h约占年发电量的16.21%[5]

结合干旱区水资源特点以及合理配置、高效利用的要求,新疆确立了“山区水库—引水渠首—防渗渠道—工程配套—节水灌溉—地表水与地下水联调—排水控制”等工程优化组合的水资源开发利用模式[6]。因此,山区水库建设及其龙头作用越发地显现,越发地迫切。20世纪80~90年代,以相继建成克孜尔水库和乌鲁瓦提水库为发端,拉开了大型山区水库建设的序幕。进入21世纪以来,由于国家实施西部大开发战略,自治区积极推行“大企业,大集团战略”,加速水能资源开发利用,一大批大型山区水库相继开工建设或被列入建设议程。经济社会的快速发展,以及应对气候变化给水资源带来的不利影响,都对山区水库的建设提出了迫切的要求。可以说,未来十年是新疆大坝建设快速发展的时期。关注坝工技术的新进展,关注以水库调度为核心的灌溉、生态、防洪、发电等利益与效益间的协调,关注大坝建设对生态环境和河流健康可能造成的影响,已是摆在我们面前的一项十分重要的任务。

2 大坝建设及发展趋势

2.1 大坝建设概况

自20世纪90年代以来,在国家的大力支持下,新疆的水库建设已从平原水库转入山区水库建设。筑坝材料也在当地材料坝的基础上不断改进,混凝土及碾压混凝土重力坝、拱坝、面板坝、沥青心墙坝等坝型不断涌现。近年来已建、在建的大中型水库工程共有60座,其中:黏性土防渗土石坝13座,面板坝19座,沥青混凝土心墙坝11座,混凝土和碾压混凝土坝7座,土工膜防渗土石坝6座,浆砌石坝4座,参见表1~表6。70m以上的高坝有25座,其中坝高大于100m的有14座。很多筑坝技术和指标达到了当时全国的领先水平,有些关键技术成果荣获国家科技进步奖和省部级,并得到推广应用。

表1 新疆黏性土防渗坝工程建设统计表

续表

表2 新疆混凝土面板砂砾石堆石坝工程建设统计表

表3 新疆沥青混凝土防渗心墙坝工程建设统计表

续表

表4 新疆混凝土及碾压混凝土坝工程建设统计表

表5 新疆土工膜防渗坝工程建设统计表

表6 新疆浆砌石坝工程建设统计表

2.2 大坝建设发展趋势

(1)水库建设已从平原水库转入山区水库建设。新疆现虽已建成水库577座,但仍以小型水库和平原水库为主。由于平原水库造成其周边地下水位升高,产生次生盐碱化,渗漏蒸发损失严重,对水资源的调控能力也十分有限。因此,目前一大批山区水库相继开工建设或被纳入议事日程。在山区筑坝建库,无疑对调控天然河道径流量,实现水资源高效利用、合理配置都是极其有益的。

(2)筑坝技术在不断改进推广当地材料坝的基础上,混凝土及碾压混凝土坝不断涌现,各种类型的百米级高坝得到全面发展。自20世纪80年代建成大山口混凝土重力坝、TH混凝土拱坝以来,新疆的坝工建设取得了突飞猛进的发展,筑坝材料也在当地材料坝的基础上不断改进,混凝土及碾压混凝土重力坝、拱坝、面板坝、沥青心墙坝等坝型不断涌现。

(3)水电开发极大地促进了坝工建设的发展。近年来,新疆积极实施“大企业、大集团战略”,一大批国内大企业、大集团进入水电开发市场,围绕9大流域的水能开发已全面展开(参见表7)[7],极大地促进了坝工建设的快速发展。已建成的有吉林台一级水电站(坝高157m)、察汗乌苏水电站(坝高110m)、TKSSK电站(混凝土重力坝与黏土心墙混合坝,坝高49.8m)、CHE电站(坝高71m);正在建设的有WQ水电站(坝高102m)、柳树沟水电站(坝高106m)、SMTS水电站(坝高106m)、JLBLK水电站(坝高146.3m);近期开工建设的阿尔塔什水利枢纽混凝土面板坝坝高162.5m,在叶尔羌河上游拟建的依扎克水电站和在库玛拉克河上拟建的大石峡水电站,其坝高将会超过200m。

(4)更加关注水资源综合利用和生态环境保护。新疆具有典型的“荒漠绿洲,灌溉农业”特征,农业用水占国民经济总用水量的96%,自然生态系统十分脆弱,大规模的水土开发,已经造成许多河流萎缩乃至断流,生态环境破坏严重。进入21世纪以来,新疆水利工程建设,特别是坝工建设,更加注重环境保护。在规划、立项审批和运行调度等各个环节,坚持强调将“供水—防洪—生态—发电”作为流域水资源综合利用的优先序,坚持“电调服从水调”的流域水资源统一调度原则,十分重视生态环境保护目标及需水量的合理确定,以及规划目标实现对环境影响的评价,以维护河流“健康生命”为前提,科学制定满足河道“生态基流”、“生态用水过程线”的水库调度方案,确保水库在调蓄天然河道径流过程的同时,不致对下游河道生态产生重大不利影响。

(5)筑坝关键技术不断取得突破。自克孜尔水库在活断层上筑坝技术取得突破以后,相继在高寒、高地震区、深厚覆盖层、软岩等特殊环境下的筑坝技术也取得了新进展。在地震烈度Ⅷ度区,建成坝高157m的吉林台一级混凝土面板砂砾石堆石坝;在河床覆盖层厚达150m、海拔2960.00m的叶尔羌河上游修建了坝高78m的下坂地水库;在年平均温度仅2.7℃的EH上修建了坝高121.5m的KLSK碾压混凝土重力坝;在软岩坝基、坝肩上建成坝高109m的塔西河石门子碾压混凝土薄拱坝。多座现浇、碾压沥青混凝土心墙坝、土工膜防渗砂砾石坝等相继建成运行,很多关键技术和施工工艺都有所创新。

表7 新疆主要河流水能理论蕴藏量和可开发水能资源统计表

3 大坝建设与经济社会发展及其应对气候变化

3.1 大坝建设与经济社会发展

(1)大坝建设与供水安全。2008年新疆灌溉面积7634万亩,国民经济总用水量528.22亿m3,其中:农业用水487.78亿m3,工业用水11.43亿m3,城乡居民生活用水8.91亿m3,生态环境用水20.10亿m3。在总供水量中,地表水447.78亿m3,地下水79.87亿m3,中水回用0.57亿m3[8]。新疆是以灌溉农业为主导的国民经济发展体系,农业用水占国民经济总用水量(不含生态用水)的96.0%,工业和城镇生活用水以地下水为主,目前已建的水利工程绝大多数都是以满足灌溉用水为主要目的。今后随着城镇及工业化的快速发展,用水结构和供水目标将会发生较大的变化。另外,近年来新疆还规划建成了一批跨流域调水工程,大坝建设在保证长距离供水安全方面发挥了重要的保障作用。

(2)大坝建设与防洪安全。新疆地表水资源年内分配极不均匀,径流量主要集中于夏季(6—8月),其水量占年径流量的60%~80%。绝大多数河流都具有流程短、纵坡大、洪峰高、历时短、破坏力强的特点,叶尔羌河和库玛拉克河因其上游时有高山冰川堰塞湖溃坝型洪水发生,洪水危害较大;天山北坡诸小河流域融雪型洪水与暴雨型洪水的叠加,对人口及基础设施分布稠密的局部地区有较大的破坏力,所以在河流上修建控制性龙头枢纽工程,除对径流进行调节、满足发电外,还必须对洪水进行削峰滞洪,承担下游防洪任务。

(3)大坝建设与生态安全。根据多项研究成果表明[9-11]:新疆天然生态直接耗水量约205亿m3,人工绿洲内生态耗水按总用水量的30%计算为110亿m3,则新疆总的生态需水量为315亿m3[12]。天然生态直接耗水量主要是直通湖泊、湿地和河道内需保持的基本水量,也就是说,大坝的下泄流量过程线,必须要满足河道最小生态基流和生态需水过程的要求,同时水生生物对水温也有特殊的要求。对于那些有河谷林地、湖泊、湿地生态需水过程要求的河流,大坝修建后,还需人工制造洪水过程,对下游河谷林地、湿地等进行淹灌。如:新疆在EH干流修建“635”水库后,为保护下游河谷林,利用水库每年制造2次大于796m3/s的漫滩洪水;在修建吉林台水库后,提出利用水库每年连续5d制造最大洪峰流量大于392m3/s的漫滩洪水;塔里木河流域在其四源流上共规划了“12库59级”的开发方案,届时总库容将达到103.11亿m3,占四源流多年平均河川总径流的41.8%[13]。塔里木河干流首端阿拉尔水文断面的洪水过程,对于河水能否长泄1321km有着至关重要的意义。毫无疑问,这些水库、电站的建成,对满足塔里木河流域的供水要求以及生态环境保护将产生重大的影响;KLSK水库放水闸设计中采用了深层、浅层两套泄水装置,就是为了满足河道内水生生物对水温的要求。

(4)大坝建设与能源供给。目前,国电集团、华能集团、华电集团、大唐集团、葛洲坝集团、新华水电公司等一些大集团公司,再加上一些中小企业和新疆本地的一些企业,共有14个业主单位投资新疆的水电建设,有的以电源点开发为主,有的以获取整条河段水能开发权为主,已建成发电的水电站有3座,正在开工建设的有14座,正在进行前期工作的水电站项目有31项。2009年新疆电力负荷为8300 MW,水电约占19.1%,预计到2020年将达到18000MW,若水电负荷比例继续保持在19.5%左右,届时水电装机容量将达到3510 MW[14]。相当于年减少1956万t标准煤,可减少二氧化碳排放量4929万t,减少二氧化硫排放量342万t。为了提高供电质量,需建设一批具有多年调节性能的大型水电站担任系统调峰任务,改革并完善现有电力体制,推行峰谷电价机制,积极兴建抽水蓄能电站。同时,干旱区内陆河流域水资源综合利用必须在“电调服从水调”总体原则下,努力取得尽可能大的经济效益,绝不能单纯追求发电效益最大化。因此,为了减少发电与供水之间的矛盾,反调节水库的作用不容忽视。

3.2 大坝建设与应对气候变化

全球气候变暖已是不争的事实,新疆气温变化明显高于全国平均值0.65℃。与近30年平均值相比(1971—2000年),近十年春、秋季气温增加幅度超过1℃,冬季增幅超过0.6℃[1]。受气候变化影响,山区降水量普遍增多,许多河流从20世纪80年代末开始,径流量出现连续偏丰现象[15]。冰川变化是气候变暖最敏感的响应指针,有关研究表明:很多冰川过去的变化是以减薄为主,当厚度减薄到一定程度,便出现快速后退的情景[16];随着气候变暖,冰川融水有一个从增加到减少的临界时期,西天山和阿尔泰山为较活动的冰川区,其临界时期为2035—2065年[17]。未来,新疆水资源将呈现先增后减的趋势,气温升高引起的冰川消融及径流增加,是以固体水资源的不断消耗为代价的,因此,难以长期持续。

根据干旱区水资源特征,气候变化将对水循环和水资源演变产生深刻影响,主要表现为:一是部分冰川消失后,冰川融化对河川径流补给量减少;二是部分山区降水量将会有所增加,降水过程和产流系数发生变化,由于失去“固体水库”的调节,径流年际变化加大,年内季节性分布更加不均;三是极端天气气候事件呈增加趋势,给水资源开发利用与减灾带来新的困难,降低水资源对经济社会可持续发展的保障程度,威胁供水安全。

“保障足够的储水设施以应对气候变化”[18]已为国际社会广泛接受,加大储水设施建设和管理是加强调控能力的核心和关键。储水设施不仅包括水库大坝,还包括各种不同种类的设施,如地下水、土壤水、微咸水等。多功能水库大坝是实现水电开发的基础和载体,是应对气候变化最有效的工程性适应措施,在水与水能资源综合利用上具有不可替代的作用。因此,作为重要的储水设施,水库大坝在未来支撑新疆经济社会可持续发展中的地位与作用将进一步得到巩固和加强。

3.3 大坝建设与水资源综合利用

新疆河川径流主要形成于山区,而“绿洲经济,荒漠生态”则主要集中分布在平原区。大多数河流山区河段的开发任务以发电为主,但布置在中、低山区的控制性工程,则要承担出山口以下绿洲经济的供水、防洪和荒漠生态用水等水资源综合利用任务。山区河段水库大坝建设虽然淹没损失较少,移民安置搬迁压力较小,水能开发条件较好,但在干旱区要处理好供水、防洪、生态、发电等水资源综合利用关系,绝非易事。

(1)电调服从水调,坚持水资源综合利用的原则。干旱区按照各业对水资源的依赖程度通常将“供水—防洪—生态—发电”作为流域水资源综合利用的优先序,因此“电调服从水调”是流域水资源统一调度管理的基本原则。“水调”方案包括流域水资源统一调度、防洪调度和旱情紧急情况下的水量调度预案,应由各级水行政主管部门或流域管理机构编制完成,报上级水行政主管部门审核,并报请本级人民政府批准实施。应明确流域内各类水利工程在不同来水情况下的调度方案,水库、水电站等各类水利工程管理单位根据批准的年度水量调度方案,制定年内供用水计划,遵守水量调度指令,服从水量统一调度。

(2)防洪兼顾生态,保障河流汛期所需生态流量过程。人们往往站在自己的角度,将河流天然来水“夏季集中,年内分配不均”视为一种不利条件。俗话说:一方水土养一方人,一条河流养一方生态。干旱区内陆河流下游荒漠区的天然植被,其需水大多集中在6—8月,从这一点讲,河流季节来水的自然过程有他的合理性[19]。因此,应当遵照自然演化规律,充分考虑河流自然生态环境用水的特点和基本要求,对径流调节提出约束条件,合理调度,保障河流汛期所需流量过程,维护河流下游生态环境。现行大坝防洪调度规则的设计通常只从防洪安全出发,忽视了下游生态与环境需水的要求,甚至认为洪水流入荒漠生态区是浪费,加剧了下游生态与环境的缺水程度。因此,需要建立面向生态与环境保护的防洪调度规则[20],在确保防洪安全的前提下,协调国民经济用水,保障汛期所需的流量过程,促进生态环境的良性发展。

(3)调节与反调节相结合,协调灌溉与发电用水矛盾。在水资源综合利用诸多利益矛盾中,灌溉与发电用水矛盾最为突出,特别是非灌溉期(主要是冬季)退入河道的发电用水,利用现有平原水库进行反调节,是目前主要采取的办法。但是,这样一来,以发电为主的大坝建设得越多,平原水库承担的反调节任务则越重,这将会影响到“建设山区水库,逐步替代平原水库”战略计划的实施。当前,许多学者都在研究大坝建设与生态补偿问题,针对新疆的实际情况,还应当研究大坝建设与效益补偿问题。效益补偿包括两个方面:一是反调节水库应当分摊发电效益,二是对造成的水资源损耗应当予以补偿。

4 结语

(1)在干旱内陆河流域,自上而下“山区径流形成—人工绿洲水资源利用—荒漠绿洲径流耗散”是一个完整的水循环过程,在山区构筑高坝大库很容易使人担心下游河道萎缩以及荒漠生态环境保护问题。新疆有大小河流570余条,按照各主要河流的流域规划和水利发展的总体安排,新疆今后一个时期还将兴建一大批山区水库,因此,深入探讨大坝建设与供水、防洪、生态安全,大坝建设与应对气候变化,大坝建设与水资源高效利用、合理配置,对于构建和谐流域与可持续社会经济发展体系具有十分重要的意义。

(2)新疆大坝建设虽比不上长江、黄河上的高坝大库,但因其在高寒地区、高地震区、深厚覆盖层等特殊环境下筑坝技术的不断突破和当地材料坝筑坝技术的不断创新,而在我国大坝建设中占有一席之地。特别是以混凝土面板砂砾石堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝为代表的当地材料坝,近年来得到了快速的发展。因此,针对新疆特殊的气候条件、地质构造、筑坝条件,深入开展研究,借鉴和总结经验,努力在坝工设计、坝基处理、施工工艺和建筑材料等关键技术方面取得不断的进步和创新,对于提高大坝建设和运行管理的技术经济水平、安全可靠性能具有非常重要的促进作用。

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[1] 资料来源于新疆气象部门。