蘭州新區(qū)水阜河流域調(diào)蓄湖規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

王 磊，毛 力

(1.蘭州新區(qū)水務(wù)管理投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州新區(qū) 730300；2.蘭州新區(qū)水務(wù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州新區(qū) 730300)

1 調(diào)蓄湖工程概況

水阜河是蔡家河的一級(jí)支流，黃河的二級(jí)支流，全流域集水面積405.63 km2，河道總長(zhǎng)約48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔鎮(zhèn)山字墩，依次流經(jīng)趙家鋪、窩窩井，至水阜鎮(zhèn)的石澇池、而后流經(jīng)砂崗村、水阜村、燕兒坪、長(zhǎng)川村、老鸛村、最后于石洞鎮(zhèn)文山村匯入蔡家河。

2016年在趙家鋪村以南修建蘭州新區(qū)南繞城快速路，橫穿截?cái)嗨泛?，路面高出溝?0余米。水阜河經(jīng)南繞城快速路截?cái)嗪笕饔蚣娣e減為379.53 km2，河道長(zhǎng)39.08 km，河床平均比降8.4‰。綜合新區(qū)南繞城北側(cè)建設(shè)規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃，在南繞城下游700 m～1800 m段，規(guī)劃水阜河河道內(nèi)設(shè)計(jì)景觀調(diào)蓄湖一座，總庫容27.4萬m3，對(duì)上游調(diào)蓄湖下泄雨洪進(jìn)行削峰減洪。

2 調(diào)蓄湖區(qū)地質(zhì)圈

2.1 地質(zhì)條件

調(diào)蓄湖位于秦王川南部水阜河道內(nèi)，現(xiàn)狀河底平坦，寬200 m～300 m，湖區(qū)內(nèi)地層巖性為第四系沖洪積粉質(zhì)壤土層，層厚較大，無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。

湖區(qū)場(chǎng)地?zé)o各種構(gòu)造痕跡，土層厚度17 m～20 m，分布均勻。在鉆孔及探坑揭露下，自上而下地層巖性大致為：第四系沖洪積粉質(zhì)壤土，呈黃色，干燥～稍濕，均質(zhì)，具水平層理，偶含礫石，松散，其自地表往下1 m～3 m土層含較多植物根系及腐根，其天然含水率為8.5%～11.6%，天然密度為1.41 g/cm3～1.43 g/cm3，壓縮系數(shù)a1-2=0.28 MPa-1～0.33 MPa-1左右，濕陷系數(shù)0.10～0.11，為高壓縮性強(qiáng)濕陷性土層。3 m～10 m的土層天然含水率為10.2%～10.6%，天然密度為1.43 g/cm3～1.45 g/cm3，壓縮系數(shù)a1-2=0.15 MPa-1～0.18 MPa-1左右，濕陷系數(shù)0.041～0.057，為中等壓縮中等濕陷性土層。10 m～19 m的土層天然含水率為10.7%～11.5%，天然密度為1.52 g/cm3～1.64 g/cm3，壓縮系數(shù)a1-2=0.22 MPa-1～0.27 MPa-1左右，濕陷系數(shù)0.005～0.013，為中等壓縮性土層。該場(chǎng)地類別為Ⅱ類。下部則為砂礫石層，由變質(zhì)砂巖、結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖、片巖等組成，一般粒徑0.5 cm～2.5 cm，礫石含量35%～40%，砂由中粗砂組成，含量60%～65%左右，泥含量較高，可達(dá)5%～8%，礫砂層結(jié)構(gòu)向下由中密到密實(shí)。

2.2 地質(zhì)問題

湖區(qū)現(xiàn)狀地形以水阜溝溝谷地貌為主，溝底平坦。該調(diào)蓄湖庫區(qū)主要地層為人工填土。庫區(qū)四邊均為人工邊坡，故湖區(qū)所存在的主要工程地質(zhì)問題是湖區(qū)的滲漏、浸沒、滲透穩(wěn)定等問題。

經(jīng)勘探取樣，湖區(qū)地下水位埋深大于20 m，土層上部為人工填土，中部為第四系沖洪積粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)介于4.37×10-5cm/s之間，且地層結(jié)構(gòu)單一，分布連續(xù)。判定湖區(qū)地層屬弱透水性，在無防滲措施的情況下湖區(qū)滲漏量較小，但不能滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

湖區(qū)岸坡地層屬軟質(zhì)不穩(wěn)定岸坡且駁岸為人工開挖邊坡。不考慮水庫防滲措施的條件下，湖區(qū)蓄水，隨水位不斷上升，岸邊、壩體及壩基滲漏可能造成周圍毛細(xì)水位上升，不可避免地會(huì)產(chǎn)生沉降變形，造成小規(guī)模的塌陷，影響庫岸的穩(wěn)定。同時(shí)，水湖是注入式人工湖，部分水源為水阜溝上游城市、道路匯聚的雨洪水，常裹挾泥沙和垃圾，對(duì)湖區(qū)庫容、水質(zhì)造成一定的影響。

2.3 地質(zhì)處理及建議

為保障調(diào)蓄湖質(zhì)量、運(yùn)行安全，根據(jù)料場(chǎng)土料擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：最大干密度平均1.75 g/cm3，最優(yōu)含水率平均為12.7%，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，建議湖底基礎(chǔ)處理自下而上依次為素土夯填至設(shè)計(jì)高程，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，10%水泥土墊層80 cm，上鋪設(shè)土工膜(150 g/0.5/150 g)，土工膜以上設(shè)10 cm厚M10水泥砂漿保護(hù)層，上鋪80 cm素土。關(guān)鍵部位采用3∶7灰土擠密樁進(jìn)一步處理基礎(chǔ)，電焊石籠堆砌。

3 調(diào)蓄湖設(shè)計(jì)

3.1 工程設(shè)計(jì)

調(diào)蓄湖蓄水區(qū)域現(xiàn)狀為耕地，受水阜河溝道地形、縱坡限制，南北長(zhǎng)1.14 km，東西平均寬0.26 km，上下游自然落差約22 m。綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)、實(shí)施難易程度，設(shè)計(jì)在調(diào)蓄湖內(nèi)設(shè)置跌水式溢流壩四道，消化自然落差，同時(shí)將湖區(qū)由北向南按高程等級(jí)依次分為4個(gè)湖區(qū)。設(shè)計(jì)方案：調(diào)蓄湖4個(gè)湖區(qū)總深均為3.5 m，總庫容27.4萬m3，其中有效庫容13.2萬m3，調(diào)洪庫容14.2萬m3。其中1#湖區(qū)湖底高程為1897.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1899.5 m，跌差10 m；2#湖區(qū)湖底高程為1889.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1891.5 m，跌差10 m；3#湖區(qū)湖底高程為1881.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖區(qū)湖底高程為1874 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1876 m，跌差2 m。

3.2 景觀設(shè)計(jì)

構(gòu)建水、岸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水生、濕生、旱生的植被空間演替系列，建設(shè)生態(tài)岸線、自然與湖體處理系統(tǒng)[1]。綜合治理整體水域、陸域和周邊環(huán)境，恢復(fù)湖體周邊自然生態(tài)系統(tǒng)，提高生物多樣性，實(shí)現(xiàn)景觀自然化；協(xié)調(diào)水與植物的關(guān)系，提高水、土質(zhì)量，減少水土流失，在促進(jìn)生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的同時(shí)，提升蘭州新區(qū)景觀檔次，增加新區(qū)綠化率。

湖體景觀設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形條件，結(jié)合“生態(tài)、完美、自然”理念，布置湖心島、木棧道、親水平臺(tái)等親水性景觀建筑，給人以美感、親切感，增強(qiáng)新區(qū)人民自豪感、自信感。同時(shí)，因地制宜，以“水、岸、綠、游”為四大策略重點(diǎn)，運(yùn)用多樣生態(tài)技術(shù)及景觀設(shè)計(jì)手段，維護(hù)湖體生態(tài)，營(yíng)造碧水綠蔭、河島相映、藍(lán)綠交織的生態(tài)紐帶，力求打造蘭州地區(qū)知名的湖體景觀體。因此需堅(jiān)持以下原則：

(1)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先原則。保證游人健身、娛樂活動(dòng)空間的同時(shí)，加大綠化面積，減少河道地地表裸露，進(jìn)一步促進(jìn)湖體濕地生態(tài)形成。

(2)科學(xué)恢復(fù)策略。在保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境，保持地域性生態(tài)平衡的前提下，優(yōu)化植物群落結(jié)構(gòu)，維護(hù)基底的穩(wěn)定性，穩(wěn)固湖體濕地面積，進(jìn)而減少雨洪沖刷造成的水土流失。

(3)可持續(xù)發(fā)展原則。遵循自然規(guī)律及植物景觀的生態(tài)屬性，均衡搭配植物品種，保持城市濕地與周邊自然環(huán)境的連續(xù)性，保持水域環(huán)境和陸域環(huán)境的完整性，避免環(huán)境的過度分割而造成的環(huán)境退化，保持濕地水體、植物與人之間的平衡與穩(wěn)定，確保城市濕地可持續(xù)發(fā)展[2]。

4 調(diào)洪演算

4.1 水位庫容關(guān)系

經(jīng)過平面布置，調(diào)蓄湖南北長(zhǎng)約1.4 km，東西寬約0.26 km，湖區(qū)內(nèi)設(shè)置跌水式溢流壩4道，壩高3.2 m，將調(diào)蓄湖分為4個(gè)湖區(qū)，從北向南依次編號(hào)為1～4號(hào)湖區(qū)。湖均深2 m，其中1、3號(hào)湖駁岸高3.8 m，2、4號(hào)湖駁岸高3.5 m。水位、庫容關(guān)系采用水平斷面法推求和繪制，并進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)[3]。水深～庫容曲線見圖1，水位-庫容統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 調(diào)蓄湖庫容計(jì)算表

圖1 水深-庫容曲線圖

4.2 溢流壩溢流計(jì)算

調(diào)洪演算以上游匯流雨洪100 a一遇洪峰流量作為入湖流量，通過調(diào)洪演算，確定調(diào)蓄湖的調(diào)洪庫容、溢流壩最大泄流量及調(diào)蓄湖的最高水位。

調(diào)蓄湖整體由4道溢流壩分為4個(gè)湖區(qū)，每個(gè)溢流壩均高3.2 m，基礎(chǔ)埋深1.2 m。筑壩材料為電焊石籠，壩前坡比為1∶3，壩后分5及跌水，總跌差為9.5 m～10 m。溢流壩泄流為自由出流，采用寬頂堰流公式進(jìn)行流量計(jì)算[4]：

四道壩泄流計(jì)算結(jié)果見表2，繪制溢流堰泄流曲線見圖2。

表2 溢流壩泄流計(jì)算表

圖2 溢流壩泄流曲線

5 結(jié)語

水阜河流域是蘭州新區(qū)境內(nèi)重要的水系之一，承接來自上游調(diào)蓄湖、城區(qū)及周邊山區(qū)匯流的雨洪。為保障水阜河上游雨洪滿足河道行洪能力，確保河道周邊水秦快速路安全，水阜河調(diào)蓄湖工程至關(guān)重要。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、地勘資料，提出調(diào)蓄湖目前存在的地質(zhì)問題及解決措施；統(tǒng)籌考慮水阜河生態(tài)，結(jié)合“生態(tài)、完美、自然”理念，以“水、岸、綠、游”為策略重點(diǎn)，建議在滿足水阜河河道行洪能力的前提下，建立以防洪、蓄水、削峰減洪為主，人工生態(tài)景觀為輔的水阜河景觀調(diào)蓄湖工程。

結(jié)合工程實(shí)際，消除上下游22 m落差，在調(diào)蓄湖內(nèi)設(shè)置跌水式溢流壩四道，將湖區(qū)由北向南按高程等級(jí)依次分為4個(gè)湖區(qū)：1#湖區(qū)湖底高程為1897.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1899.5 m，跌差10 m；2#湖區(qū)湖底高程為1889.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1891.5 m，跌差10 m；3#湖區(qū)湖底高程為1881.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖區(qū)湖底高程為1874 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1876 m，跌差2 m。

采用水平斷面法計(jì)算了調(diào)蓄湖庫容：1#湖庫容5.46萬m3，2#湖庫容8.75萬m3，3#湖庫容9.12萬m3，4#湖庫容4.12萬m3，繪制水位～庫容關(guān)系圖；寬頂堰流公式計(jì)算4道溢流壩不同堰上水深的泄流流量：1#湖堰深0.5 m泄流流量58.0 m3/s，2#湖堰深0.8 m泄流流量66.9 m3/s，3#湖堰深0.6 m泄流流量65.0 m3/s，4#湖堰深0.8 m泄流流量54.8 m3/s，繪制泄流曲線。