興凱湖總排干攔污工程設(shè)計

楊大勇，姜樹輝，成光民

(密山市水利勘測設(shè)計處，黑龍江密山158300)

1 工程概況

興凱湖總排干是興凱湖國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)重要的排水骨干工程。該工程于1994年竣工，主要由長520 m穿湖崗總排干及其上游長4.36 km總排干工程組成。興凱湖總排干工程及所屬3條排水溝建成后，該流域內(nèi)的坡洪和農(nóng)田排水改道匯入興凱湖，解放了大量湖濱澇區(qū)土地，新開墾農(nóng)田約2 533 hm2。隨著興凱湖總排干北部農(nóng)田開墾面積的逐步增加，流域內(nèi)濕地和草原日益減少，上游區(qū)水土流失越來越嚴(yán)重。在汛期坡洪夾帶大量泥砂和秸桿等雜物進(jìn)入興凱湖，造成興凱湖入湖口局部自然環(huán)境和水質(zhì)均受到一定程度的污染。興凱湖總排干按10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其下游設(shè)計流量為67 m3/s，設(shè)計溝底寬30 m，設(shè)計水深1.82 m，安全超高1.0 m。

興凱湖國家級自然保護(hù)區(qū)管委會，對興凱湖總排干所造成的局部污染問題非常重視。因此，當(dāng)?shù)厝嗣裾M織水利部門專家，深入實地進(jìn)行勘察和調(diào)查研究。市水利部門于2010年完成了興凱湖總排干攔污工程初步設(shè)計和技術(shù)設(shè)計，該攔污工程主要建設(shè)內(nèi)容為:①在總排干末端新建一座攔污閘;②在攔污閘上游1.2 km處，新建一道導(dǎo)流鎖壩，通過導(dǎo)流鎖壩把總排干水先引入溝東側(cè)濕地，在新建攔污閘上游50 m處，重新匯入總排干，最后排入興凱湖。該工程已于2010年10月末竣工，并移交給興凱湖自然保護(hù)區(qū)管委會管理。

2 工程建設(shè)的必要性和可行性

自1994年興凱湖總排干工程竣工后，興凱湖總排干已有16 a向興凱湖排泄大量泥砂、雜物和受污染的水體，導(dǎo)致入湖口堆積了大量泥砂和污物。污染物不僅嚴(yán)重影響入湖口興凱湖國家級自然保護(hù)區(qū)景觀，而且污染著入湖口區(qū)域的水質(zhì)。

興凱湖不僅是國家級自然保護(hù)區(qū)，也是國際重要濕地和國家級旅游景區(qū)，是非常難得的自然景觀。本區(qū)屬興凱湖自然保護(hù)區(qū)的核心，也是密興旅游公路兩岸濕地向湖面的過渡帶。因此，通過必要的工程建設(shè)，有效治理興凱湖總排干污染是非常必要的。本次攔污工程設(shè)計經(jīng)過市、縣水務(wù)局領(lǐng)導(dǎo)和專家組深入現(xiàn)場勘察，充分考慮了灌溉、排水、攔污、濕地補(bǔ)水等功能。因此，工程措施具有可操作性及針對性，興凱湖總排干攔污工程建設(shè)是必要的，也是可行的。

3 攔污工程措施

興凱湖總排干攔污工程主要由以下2項工程組成:①在總排干末端(K0+545 m處)新建一座4孔，寬6 m、高2.6 m攔污閘(含攔污柵、節(jié)制閘);②在攔污閘上游1.2 km處總排干上(樁號K1+745 m)新建一道長36 m倒流鎖壩(由均質(zhì)土壩及干砌石護(hù)坡組成)，把總排干水導(dǎo)入溝東側(cè)濕地(2.1 km2)，在新建攔污閘上游50 m處，重新匯入總排干，最后排入興凱湖。

導(dǎo)流鎖壩和攔污閘的作用是把總排干帶來的泥砂、秸稈、雜物和帶農(nóng)田有機(jī)物污染的水體經(jīng)過濕地的沉淀、攔截、水生植物的生物膜分解等過程，達(dá)到基本根治入湖口面的污染問題和水體的農(nóng)藥、化肥等有機(jī)物污染問題。同時，通過導(dǎo)流鎖壩和攔污閘(設(shè)節(jié)制閘)的調(diào)控作用，保證濕地在枯水期生態(tài)需水的要求。

4 區(qū)域自然概況

4.1 氣象及水文地質(zhì)

本區(qū)屬寒溫帶大陸氣候，夏季受東南季風(fēng)控制，雨量集中，暴雨多集中在7～8月份。冬季受西伯利亞大陸氣團(tuán)控制，氣候干燥寒冷，少降水。本區(qū)多年平均降雨量550～600 mm，多年平均氣溫2.9℃，最高氣溫可達(dá)36℃，最低氣溫－34℃，無霜期 100～130 d。本區(qū)季節(jié)性凍土深 1.8～2.0 m。

本區(qū)地處興凱湖湖積平原區(qū)，地下水類型大體分為第四系砂礫石孔隙潛水和孔隙承壓水2種，孔隙水和承壓水之間存在著穩(wěn)定的相對不透水層。上部孔隙潛水賦存于砂層中，地下水位較高(69～69.5 m)，局部接近地表。

4.2 地形地貌及工程地質(zhì)

本區(qū)位于興凱湖平原區(qū)，地形平坦，地面高程70.30～79.5 m。主要地貌單元為南部的湖崗(沿東西向繞湖岸線帶狀分布)及北部的低漫灘區(qū)(寬2～3 km)，低漫灘區(qū)局部地域常年積水，形成濕地。地質(zhì)結(jié)構(gòu)自晚更新世以來，處于緩慢的以沉降為主的相對穩(wěn)定階段，本區(qū)地震烈度＜VI°。

本區(qū)地表主要分布厚層第四系晚更新統(tǒng)、全新統(tǒng)湖相堆積物，地層最厚達(dá)170 m。在地表70 m以內(nèi)第四系地層巖性以灰黃色、灰褐色細(xì)砂、中砂、粗砂、細(xì)礫和高、中液限黏土組成，細(xì)礫層呈稍密、中密狀態(tài)，黏質(zhì)土層呈可塑、軟塑狀態(tài)。

5 攔污閘工程設(shè)計

5.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

攔污閘工程根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)GB50201－94中的表3.0.1規(guī)定，攔污閘工程等級為IV等，防洪標(biāo)準(zhǔn)可采用10～20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。由于攔污閘在發(fā)生洪水時開閘運(yùn)行，因此，不影響總排干泄洪?？紤]工程安全和經(jīng)濟(jì)2個方面因素，本次設(shè)計洪水采用10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，同時按20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。

5.2 設(shè)計依據(jù)

攔污閘工程設(shè)計，主要依據(jù)水利部《水閘設(shè)計規(guī)范》，并按照興凱湖自然保護(hù)區(qū)管委會管理條例及保護(hù)條例進(jìn)行規(guī)劃。主要參考資料為《興凱湖總排干設(shè)計圖》、《興凱湖澇區(qū)灌溉、排澇規(guī)劃》、《興凱湖湖濱灌區(qū)地質(zhì)勘察報告》。

5.3 攔污閘的規(guī)模確定及運(yùn)行

攔污閘主要攔截總排干洪水夾帶的秸桿及雜物，其主要功能就是攔污及清除雜物。攔污閘的工程規(guī)模確定主要依據(jù)興凱湖總排干10 a一遇設(shè)計流量(Q設(shè)=67 m3/s)，在汛期能夠正常通過攔污閘。同時，在整個水稻生育期(5～8月份)，正常引入湖水，保證本區(qū)800 hm2水田灌溉，即正常引入Q加大=1.56 m3/s湖水，滿足灌溉要求。同時，攔污閘必須具備足夠的攔污能力，并有效清除總排干水流夾帶的雜物。經(jīng)過計算確定攔污閘閘底板高程為68.90 m，與總排干設(shè)計溝底相同，滿足排水和水田灌溉引水要求。經(jīng)水力計算，攔污閘為4孔，寬6 m、高2.6 m，為開敞式閘，其設(shè)計過流能力72 m3/s，大于總排干設(shè)計流量67 m3/s，滿足泄洪要求。

閘墩頂高程71.76 m，高于排干10 a一遇71.00 m洪水位的0.76 m，高于排干20 a一遇71.21 m洪水位的0.55 m，滿足防洪要求。根據(jù)本區(qū)水工建筑物防凍要求，閘基礎(chǔ)埋深2.0 m，攔污閘基礎(chǔ)采用漿砌石結(jié)構(gòu)(厚1.2 m)，閘底板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(厚0.8 m)。閘墩厚度0.6 m，閘孔凈寬6 m。閘兩岸采用鋼筋混凝土U型擋土墻與渠道兩岸聯(lián)接。閘上、下游渠道邊坡采用混凝土板護(hù)砌，閘上、下游渠底采用干砌石進(jìn)行防護(hù)。

攔污柵為工字鋼骨架，用直徑18 mm鋼筋(間距5 cm)豎向焊接在工字鋼骨架上。攔污柵傾斜角58°，攔污柵上部兩端用鉸支座固定于閘墩上，用液壓油缸啟閉(雙吊點)。攔污柵在關(guān)閉狀態(tài)下正常攔截雜物，在開啟狀態(tài)時水平橫臥于閘墩上，便于清理雜物。在閘墩上設(shè)寬1.3 m，總長34.03 m混凝土人行便橋，向兩岸運(yùn)送雜物。

在6個閘墩上共設(shè)12根混凝土柱(雙柱支承)，柱高3.15 m，12根柱共同支承混凝土啟閉臺(總長28.23 m，寬2.7 m)。在啟閉臺上共設(shè)4組液壓油缸(共8臺)，用鉸支座固定液壓油缸，用于啟閉攔污柵。4組液壓油缸由1臺液壓站提供動力，液壓站用1臺15 kW柴油發(fā)電機(jī)組提供電力。一扇閘門開啟(雙吊點)時間＜5 min，4扇閘門全部開啟時間＜20 min。

5.4 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)及運(yùn)行

在攔污閘閘室下游側(cè)設(shè)節(jié)制閘，節(jié)制閘由4扇(寬6 m×高1.6 m)鋼結(jié)構(gòu)平板閘門組成，用4組(共8臺)液壓油缸啟閉。節(jié)制閘在關(guān)閉狀態(tài)下有效攔截排干來水，提高閘前水位，調(diào)節(jié)濕地生態(tài)需水量及水位。同時，在攔污柵開啟(撈雜物)時，節(jié)制閘處于關(guān)閉狀態(tài)，防止雜物流入興凱湖。

根據(jù)實測資料，興凱湖多年平均水位68.85 m，攔污閘設(shè)計閘底板高程68.90 m，湖西公路西側(cè)(閘東側(cè))濕地高程69.80～70.5 m。為保證濕地枯水期生態(tài)需水量及水位，本次設(shè)計濕地保證水位采用70.5 m。設(shè)計閘門高度計算如下:70.5－68.9=1.6 m，最后確定閘門高度1.6 m，閘門凈寬6 m(設(shè)計閘墩凈寬6 m)，共設(shè)4扇平板鋼閘門。節(jié)制閘的主要功能是調(diào)節(jié)濕地水位，在攔污柵開啟(撈雜物)時，節(jié)制閘處于關(guān)閉狀態(tài)，防止雜物流入興凱湖。

節(jié)制閘在汛期(7～8月份)4扇閘門處于開啟狀態(tài)(不擋水狀態(tài))，在5～6月份和9～10月份，當(dāng)濕地?zé)o坡洪補(bǔ)給，處于非淹沒狀態(tài)時，關(guān)閉節(jié)制閘，抬高閘前水位至70.5 m，保證濕地生態(tài)需水量和水位。按照設(shè)計節(jié)制閘的最大閘門開啟高度2.0 m，既從70.5 m，抬高到72.5 m。每年5～8月份當(dāng)閘西北的800 hm2水田需要引湖水灌溉時開閘引水，在汛期節(jié)制閘處于泄洪(開閘)狀態(tài)。

6 設(shè)計體會

本工程設(shè)計通過深入現(xiàn)場實際勘察，收集總排干末端興凱湖湖積平原及濕地的地形、地勢、湖水位等資料，分析興凱湖總排干上游區(qū)水土流失，導(dǎo)致興凱湖入湖口造成局部污染的原因。經(jīng)多方案比較充分考慮了攔污、泄洪、灌溉、濕地生態(tài)蓄水等問題，為今后興凱湖湖濱區(qū)污染綜合治理提供新的思路和工程措施。

［1］王楓林.上橋抽水站攔污閘設(shè)計［J］.山西建筑，2009，35(27):367－368.