金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程建筑物布置形式比選

贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100）

1 問題的提出

金溝河發(fā)源于依連哈比爾尕山北側(cè)科爾達(dá)拉河源頭的31號(hào)冰川，河流水網(wǎng)發(fā)育，呈樹狀水系，為典型的冰川融雪型補(bǔ)給河流，地勢(shì)由南向北傾斜，最高海拔5256 m，最低僅300 m 左右。流域地處新疆維吾爾自治區(qū)中西部的沙灣縣境內(nèi)，流域總面積2626 km2，其中金溝河出山口以上面積為1688 km2。從河源至出山口（海拔820 m）主河道長約94 km，平均縱坡46‰。紅山頭水文站多年平均流量為11.22 m3/s，多年平均徑流量為3.55×108m3。

金溝河渠首引水樞紐工程位于沙灣縣西南約28 km 的金溝河上，行政區(qū)劃隸屬于沙灣縣，從沙灣縣城至沙灣縣水泥廠6 km 為公路，從水泥廠至工程區(qū)22 km 為便道或引水渠道伴行路，交通較為方便。金溝河引水樞紐工程主要承擔(dān)灌溉工程任務(wù)，灌區(qū)總土地面積116 萬畝，控制灌溉面積52.99 萬畝，是自治區(qū)糧食和棉花的主產(chǎn)區(qū)。金溝河現(xiàn)狀引水樞紐工程位于金溝河中游河段出山口，始建于1959 年，于1960 年竣工投入運(yùn)行，是一個(gè)以灌溉為主的費(fèi)爾干式引水建筑物，正面引水，側(cè)面沖沙。工程現(xiàn)狀由進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、泄洪閘、自潰壩、上游整治段組成。引水樞紐運(yùn)行已55 年，工程已嚴(yán)重老化，防洪能力下降，工程存在嚴(yán)重的安全隱患，引水樞紐分別于與1988 年、2001 年兩次進(jìn)行加高處理，但仍未根本性解決現(xiàn)狀引水樞紐建筑物老化、帶病運(yùn)行等問題。

工程進(jìn)水閘和泄洪沖沙閘混凝土嚴(yán)重老化，閘門整體變形嚴(yán)重，止水偏離埋件，漏水嚴(yán)重，閘前、閘后淤積嚴(yán)重，河床逐年抬高，帶病運(yùn)行過程中存在很大的安全隱患，嚴(yán)重威脅金溝河下游灌區(qū)灌溉的安全。鑒于引水樞紐存在的諸多隱患問題，已威脅到整個(gè)工程的安全運(yùn)行，金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施迫在眉睫。

2 建筑物布置型式比選

2.1 方案一：直線型引水樞紐

金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程直線型引水樞紐為攔河閘式引水樞紐型式，其將泄洪閘、進(jìn)水閘和沖沙閘錯(cuò)開布置，自潰壩、左右側(cè)導(dǎo)流堤長度分別為50 m、180 m、430 m，線型沉沙沖沙槽長×寬為145 m×8.5 m，縱坡1∶35，引水渠新建部分長度590 m，重建的長350 m 的輸沙道與原沖沙渠相連。施工導(dǎo)流則采用河床一次性攔斷+圍堰擋水的方式，借助泄洪閘左側(cè)孔洞和導(dǎo)流明渠引水，并通過右側(cè)孔洞實(shí)現(xiàn)泄流。

2.2 方案二：彎道型引水樞紐

彎道型引水樞紐也屬于攔河閘式引水樞紐型式，金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程彎道型引水樞紐布置型式與直線型基本相同，將泄洪閘、進(jìn)水閘和沖沙閘錯(cuò)開布置，自潰壩、左右側(cè)導(dǎo)流堤長度分別為55 m、50 m、415 m，采取依地形彎道式沉沙、沖沙方式，沉沙沖沙槽長×寬為215 m×8.5 m，轉(zhuǎn)彎半徑175 m，縱坡1∶225，引水渠新建部分長度653 m，重建的長419 m 的輸沙道與原沖沙渠相連。施工導(dǎo)流與直線型方案相同。

2.3 方案三：內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式

金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐工程由泄洪沖沙閘、引水閘、溢流堰、上下壩等建筑組成。分為上、下段和溢流堰段的攔水壩沿水流方向?qū)⒀永m(xù)河道的上下壩內(nèi)外庫分開，攔水壩長686.2 m，外庫表層水經(jīng)由上壩溢流堰引入內(nèi)庫，內(nèi)外庫庫容分別為35.8 萬m3和61.4 萬m3，容沙能力較強(qiáng)。泄洪沖沙閘尺寸長×寬為20 m×6.5 m，進(jìn)水閘長×寬為4.5 m×4.5 m，鋼壩門布置尺寸為35 m×2 m。建成泄洪沖沙閘、溢流堰、上壩后，截流通過圍堰布置進(jìn)行，待水流引入泄洪沖沙閘過流后回收。內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐型式還使金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)過洪能力從現(xiàn)狀的130 m3/s 提升至465 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，有效緩解了防洪壓力。

2.4 布置型式的比選

基于上述對(duì)直線型和彎道型攔河閘式渠首引水樞紐型式和內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式的分析，從施工難易程度、運(yùn)行管理、投資經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行布置型式的比選，結(jié)果見表1。

表1 金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程引水樞紐型式比選

2.4.1 施工難易程度

由于工程所在區(qū)域河流水量大，含沙量高，且無天然的人工彎道可以利用，所以直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐型式施工難度較大[1]。而金溝河流域河床寬度大，壩址處河床寬度最寬可達(dá)175.5m，對(duì)于內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐型式而言，建筑物較單一，布置簡單，施工難度更低。

2.4.2 運(yùn)行管理

（1）直線型攔河閘式引水樞紐布置型式由于采取正向泄洪沖沙方式，平順束窄的沉沙沖沙槽能借助洪水將泥沙沖向下游，受金溝河流域來水不均的限制，引水比較高時(shí)必須間歇式?jīng)_沙，所以沉沙沖沙槽實(shí)際運(yùn)行過程中可能面臨無水沖沙的情況。該型式施工導(dǎo)流采用河床一次性攔斷+圍堰擋水，通過原泄洪閘左右兩側(cè)泄孔泄流[2]。泄洪閘前置，在遇沙后進(jìn)水口封堵，引水量減小，后置的進(jìn)水閘和沖沙閘則只能依靠泄洪閘引流，增大了運(yùn)行管理難度。此外，直線型引水樞紐使得全部水流經(jīng)由泄洪沖沙閘流出，給上游泄洪閘引水排沙工況造成較大的運(yùn)行壓力，泄洪閘一旦出現(xiàn)問題，必將徹底喪失引水排沙功能。直線型引水樞紐實(shí)行全河道攔截導(dǎo)流，增加施工難度和投資的同時(shí)，降低了圍堰導(dǎo)流的保障度。

（2）彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式主要通過減小彎道寬度和轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)現(xiàn)彎道環(huán)流，金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程兩側(cè)山體高而陡峭，所圍成的彎曲河道天然彎曲度并不大，若人工引水彎道轉(zhuǎn)彎半徑減小，轉(zhuǎn)彎曲度增大，則必將增加河道總寬度，難以保證其與上游河道銜接的平順性。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)，引水彎道所需沖沙流量為進(jìn)水閘的2.2～2.5倍[3]，設(shè)計(jì)流量為100 m3/s～120 m3/s，鑒于金溝河流域洪水過程線，沖沙橫向環(huán)流的產(chǎn)生至少需要2年一遇的洪水，在短時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到彎道環(huán)流的理想運(yùn)行狀態(tài)，但引水與防沙矛盾突出，運(yùn)行管理難度大。

（3）內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐型式由平均寬度50 m 的泄洪沖沙槽形成外庫，其主要通過壩段右側(cè)的雍高水位將河道泥沙中沉積推移質(zhì)攔截在外，并借助間歇性洪水經(jīng)由壩段右側(cè)泄洪沖沙閘排出，外庫表層清水由泄洪閘上游溢流堰引至內(nèi)庫溢流和進(jìn)一步沉淀，待推移質(zhì)和懸疑質(zhì)泥沙水沙分離后將清水由河道下壩左岸引水閘引入干渠，供水質(zhì)量有了保證[4]。內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)蓄，沖沙引水分開后能有效避免無水沖沙，保證渠首除險(xiǎn)加固工程防沙沖沙效果，并延緩泥沙淤積，再加上合理的調(diào)度運(yùn)行，便可實(shí)現(xiàn)日調(diào)節(jié)、日穩(wěn)定的狀態(tài)，使下游閘點(diǎn)的調(diào)閘工作量大大減輕。

2.4.3 投資經(jīng)濟(jì)性

直線型攔河閘式引水樞紐布置型式直接投資約7491.81 萬元，彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式直接投資約9183.28 萬元，內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐布置型式直接投資約7178.65 萬元，投資額最小。

由綜合比選結(jié)果可以看出，直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式在技術(shù)可行性、施工難易程度、運(yùn)行管理、投資經(jīng)濟(jì)性等方面均難以滿足工程建設(shè)實(shí)際。金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程引水樞紐最終采用內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式。

3 內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式具體布置

金溝河引水樞紐工程采用內(nèi)外庫引水樞紐布置型式，工程由泄洪沖沙閘、引水閘、溢流堰、上下壩等建筑組成。引水樞紐外庫正常水位821.00 m，設(shè)計(jì)洪水位821.40 m，校核洪水位821.87 m，內(nèi)庫正常蓄水位820.20 m。

3.1 泄洪沖沙閘

泄洪沖沙閘位于主河床右側(cè)，左側(cè)與下壩相連，右側(cè)與護(hù)岸連接。泄洪沖沙閘總長20 m，共設(shè)3 孔，采用開敞式平底閘，閘孔凈寬均為6.5 m，為C25 鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，閘下為C20 混凝土防滲墻。閘底板高程815.00 m，閘頂高程823.00 m，閘總高14.5 m。

3.2 引水閘

引水閘位于下壩中部，與泄洪沖沙閘一字布置，閘后出口翼墻與原樞紐上游導(dǎo)流堤相接，并經(jīng)240 m 長原引水彎道將導(dǎo)向原進(jìn)水閘入渠。引水閘閘井為單孔，孔口尺寸4 m×4 m，閘長18.25 m，閘室底板高程812.00 m，閘頂高程823.00 m，閘凈高12 m，為C25 鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，后接1:8 陡坡與消力池連接。

3.3 溢流堰

溢流堰位于上壩段內(nèi)，泄洪沖沙閘左側(cè)。溢流堰寬30 m，堰頂高程820.2 m，為寬頂折線堰，堰高11.46 m，頂寬16.28 m，堰邊坡為1∶2.25，堰身外殼為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)填沙礫石。堰頂上部布置鋼壩門，門高2 m。

3.4 擋水壩

擋水壩分別由上壩、下壩組成。上壩位于樞紐上游，為復(fù)合土工膜心墻壩，壩長530.63 m，為梯形斷面，高6 m～14.5 m，壩頂寬度3 m，壩頂高程823.00 m，上下游邊坡均為1∶2.25。壩體主要采用沙礫石填筑，內(nèi)庫側(cè)坡底布置排水棱體。外庫右側(cè)坡底采用砼斜墻一坡到底，上覆2 m 厚鉛絲石籠防沖結(jié)構(gòu)。壩身兩側(cè)均采用混凝土板護(hù)坡，板厚0.2 m。下壩位于內(nèi)庫下游，為復(fù)合土工膜斜墻壩。壩長132.05 m，為梯形斷面，高10 m～14.5 m，壩頂寬度4.5 m，壩頂高程823.00 m，上、下游邊坡分別為1∶2.25、1∶2。壩體主要采用沙礫石填筑，壩身引水面采用混凝土板護(hù)坡，板厚0.2 m，底部鋪設(shè)PE 復(fù)合土工膜。下游護(hù)坡采用0.5 m×0.5 m預(yù)制網(wǎng)格梁護(hù)坡，坡底布置1 m 寬干砌石排水溝。

4 結(jié)論

本文分析結(jié)果表明，內(nèi)外庫閘壩結(jié)合型式能保證泄洪沖沙閘前河槽沉沙排沙的穩(wěn)定性，引水沖沙效果良好，減少供水泥沙含量，有效改善水質(zhì)，抑制泥沙對(duì)樞紐工程所可能造成的沖刷破壞，在充分掌握來水情況及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，能靈活調(diào)控樞紐工程的運(yùn)行，充分發(fā)揮樞紐工程引水防沙的積極作用。金溝河渠首除險(xiǎn)加固工程內(nèi)外庫閘壩結(jié)合引水樞紐能有效解決渠首樞紐泥沙淤積、引水難等問題，在技術(shù)可行性、施工難易程度、運(yùn)行管理、投資經(jīng)濟(jì)性等方面均優(yōu)于直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式。