加拿大卡爾加里弓河堰改造項目研究

1 工程背景

弓河堰工程位于靠近加拿大卡爾加里市的英格伍德區(qū)內(nèi)，是創(chuàng)造性工程的典范。

1908 年，加拿大太平洋鐵路公司修建了西灌區(qū)渠首工程，目的是從弓河引水至卡爾加里東部的半干旱地區(qū)。直至今天，該工程在周圍區(qū)域發(fā)展過程中仍起著關(guān)鍵作用，引來的水仍用于灌溉和牲畜飼養(yǎng)。

位于弓河上的原始渠首工程是用木料建造的，于1924 年被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所替代。1975 年，渠首工程再次改造，包括以下幾個部分:①一座從弓河引水到西部灌區(qū)的渠首閘門結(jié)構(gòu);②一座長152.4 m，高2.6 m 的反弧形溢流堰(即卡爾加里堰);③一座位于溢流堰附近，用于秋、冬季節(jié)從弓河引水的泄水道結(jié)構(gòu);④一座位于河流左岸、溢流堰北端的垂直槽魚道。

卡爾加里以東的卡爾加里－弓河渠首與比斯帕瓦(Bearspaw)壩之間的河段長100 km?？柤永镅呤谴缓汪~類通過該河段的唯一障礙。雖然1975 年將一座魚道并入堰內(nèi)，但建筑物上下游魚類種群之間存在差異。各種跡象表明，寬1.5 m的垂直槽魚道并不能幫助魚類成功地進入上游寬180 m的河流中去。

從1975 年起，超過20 人在卡爾加里堰溺水身亡。該堰具有一種危險的反弧形堰面曲線，這種堰面產(chǎn)生了淹沒旋滾或循環(huán)水躍，以降低水體能量和下游水流流速。一旦有人越過此堰，就難以從這種循環(huán)水躍中游出。

修建卡爾加里弓河堰工程的初衷是重建河堰，以消除極端溺水危害。在維持西部渠首樞紐工程主要功能(從弓河引水到西部灌區(qū))的同時，還必須使非機動船和魚類順利通過該河段。為此，不能拆除該堰，只能進行改造。此外，改造不會增高洪水期該堰上游的河流水位。

卡爾加里帕克斯基金會(PFC)是個非盈利組織，致力于保護河谷、支持體育運動等。該組織也對此項目的規(guī)劃、愿景及籌款有所幫助。

PFC 委托用替代的設(shè)計理念來改造該河堰。概念設(shè)計研究結(jié)果表明，全寬人造急流從技術(shù)上可行，且具有以下明顯的效益:①增加安全性和適航性;②改善過魚條件條件及棲息地;③減少艾伯塔省環(huán)境安全措施費用;④減少卡爾加里市消防部門水生物救援單位的成本;⑤提供新的急流泛舟娛樂機會;⑥增加卡爾加里以及周邊地區(qū)的旅游人數(shù)，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益;⑦增強美感;⑧創(chuàng)造河流、環(huán)境以及工程方面的教育機遇。

高達集團(Golder Associates)聯(lián)合水利咨詢公司和娛樂工程規(guī)劃公司承擔了初步設(shè)計任務。為進一步發(fā)展全寬急流的概念，進行物理模型試驗研究，來確定水力安全性能及灌溉引水能力，并評價非機動船通道和魚道。同時對項目配置提供專家意見，強調(diào)急流泛舟娛樂設(shè)施設(shè)計。物理模型研究結(jié)果有助于現(xiàn)有建筑物的最終設(shè)計和修改。2006 年，3 家公司受聘承擔了該項目最終的規(guī)劃、設(shè)計和建造任務。

2 建設(shè)過程

在該堰下游修建跌水建筑物，以提高安全度，并使船只順利通過該河段。構(gòu)建一個水池和淺灘序列，以抬升堰下游的水位。水流越過堰，從一個循環(huán)水躍到更低的能量駐波，水力特性發(fā)生改變。此外，淺灘的幾何形狀設(shè)計主要是為皮劃艇項目提供急流泛舟的游樂區(qū)域，得到了卡爾加里市娛樂場所安全度提升的額外獎金。

在緊靠堰的下游修建了兩條渠道。河道右側(cè)的低水渠(LWC)包括6 個澆注混凝土的巨礫跌水建筑物和5 座構(gòu)建的水池，來為急流泛舟新手提供通向下游的傍通渠道。該渠道由泛舟者定為Ⅱ級急流險灘。坐落于河流左岸中心和左側(cè)的高水渠(HWC)則包括5 個澆注混凝土的巨礫跌水建筑物和3 座構(gòu)建的水池。HWC 為有經(jīng)驗的劃船者提供急流泛舟游樂區(qū)域(Ⅲ級急流險灘)。還修建了一座為鳥類提供棲息和為劃船者提供避難的島嶼，將LWC 和HWC 分隔開。

增強過魚能力包括在現(xiàn)有堰體中切割而成的缺口，以便在流量較小時易于過船和過魚，且可在LWC 和HWC 中跌水建筑物巨礫混凝土表面形成低流速過魚通道。垂直槽魚道邊墻也向下游延伸60 m，以限制該堰下游的水池。

島嶼及巨礫混凝土跌水建筑物的外形相對較低，當河流水位超過2 a 一遇洪水事件的水位時，可設(shè)計成漫頂溢流;這將確?？柤永锍菂^(qū)內(nèi)堰上游的洪水水位不會因堰改造而增加。

3 水力學模型實驗

該項目水力設(shè)計采用了以下模型:①1∶50 的整體物理模型;②1∶15/1∶22 的水槽物理模型;③1∶12的分段物理模型;④二維的數(shù)字計算機模型;以評估整體性能，包括工程水力學(水位、流速、水流流態(tài)、泄洪及灌溉引水輸送)和跌水建筑物水力學(流速、水流流態(tài)、過魚性狀、泛舟涌波及沖刷潛力)。

在艾伯塔省埃德蒙頓(Edmonton)和艾伯塔大學的水力實驗室分別進行了物理模型試驗。整個工程的整體物理模型建造比例為1∶50。該模型復制了一段長850 m 的弓河河段，包括現(xiàn)有堰上游350 m和下游500 m 的河段。還復制了現(xiàn)有堰、渠首閘門建筑物，泄水和河道水下地形的所有永久部分。

該模型用來驗證和比較項目前、后期河道從44 m3的小流量和遇超過百年一遇洪水2 750 m3流量時的各種工況。除整體模型以外，還制作了LWC 跌水建筑物水槽模型(1∶15)和HWC 跌水建筑物水流槽模型(1∶22 和1∶12)。這些模型提供了更多跌水建筑物的水力性能細節(jié)，并能重演各種河流流量，從44 m3/s 的小流量到5 a 一遇的洪水流量725 m3/s。

整體物理模型中復制的水力設(shè)計構(gòu)成為跌水建筑物、水池和島嶼尺寸、幾何形狀和位置奠定了基礎(chǔ)。全面數(shù)字化地形模型有助于得出施工圖紙、工程數(shù)量和施工布局。

4 關(guān)注自然環(huán)境

項目設(shè)計的目的之一是改造堰，使其與弓河周圍的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。這就需要利用卵石、礫石等天然建筑材料，如等效球形直徑1 m(1.4 t)～1.8 m(8 t)的巨礫。在傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常采用鋼筋混凝土、結(jié)構(gòu)鋼和/或鋼板樁等材料，然而實際上還應在LWC 和HWC 跌水建筑物的設(shè)計中考慮:①相當紊動水力環(huán)境下連續(xù)和變化的水流;②變化的示差水頭;③冰的作用/影響;④頻繁的凍/融和濕/干循環(huán)。

為融入當?shù)刈匀画h(huán)境并加快施工步伐，跌水建筑物的設(shè)計中引入了大卵石，采用在巨礫之間的空隙中填筑宏面合成纖維增強混凝土的方法，使巨礫結(jié)合成整體，以保持結(jié)構(gòu)的整體性，使結(jié)構(gòu)非常堅固，成本效益高，基礎(chǔ)準備工作量最小。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土水工建筑物相比，施工速度快，水的需求小，且施工對水生生態(tài)環(huán)境的影響較小。由于允許行人赤腳走在建筑物表面，因此不能運用傳統(tǒng)的鋼纖維進行加固。

同時澆注混凝土巨礫結(jié)構(gòu)更加接近弓河的天然淺灘。采用塑料纖維增強措施，以增加混凝土的抗拉強度，減少溫度裂縫，可明顯加快施工進度。

5 結(jié) 語

2008 年12 月，該工程開始施工，2011 年4 月30日完工。從2011 年5 月開始，一直在進行性能測試?？柤永锕友叩某晒D(zhuǎn)型，不僅提高了其安全性和過魚能力，還為大眾提供了一項新的娛樂設(shè)施。

因在水資源利用、能源生產(chǎn)和社會發(fā)展作出的貢獻，該工程已獲艾伯塔省咨詢工程公司所授予的兩項優(yōu)秀獎，并有望獲“加拿大咨詢工程師公司獎”。