平原小型梯級調(diào)蓄水庫的引水灌溉方案研究與分析

張 碩，溫斯鈞

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

在新農(nóng)村建設(shè)背景下，農(nóng)村日益富裕起來，人居環(huán)境與生態(tài)功能的要求也成為鄉(xiāng)村發(fā)展追求的目標。發(fā)展鄉(xiāng)村經(jīng)濟、打造農(nóng)業(yè)園區(qū)，在為解決三農(nóng)問題提供思路的同時，也在提升改善著農(nóng)村的生存環(huán)境質(zhì)量，注重人文生態(tài)環(huán)境的提升。在農(nóng)村地區(qū)，部分地區(qū)缺少豐富的水資源，一般都是只兼顧農(nóng)業(yè)灌溉，舍棄引水蓄水、提升生態(tài)功能。但對于平原地帶引水灌溉工程，可以形成以引水灌溉為主，蓄水補水塑造生態(tài)環(huán)境為輔的規(guī)劃思路，塑造經(jīng)濟效益與生態(tài)人居環(huán)境并行的格局。

1 梯級調(diào)蓄工程概況與特點

1.1 工程介紹

輝縣市裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)供蓄水工程是以引水灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、生態(tài)環(huán)境建設(shè)的綜合治理工程，是解決裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)溫室大棚灌溉的骨干水源工程。從20 世紀50 年代開始輝縣市在西部山區(qū)修建了中小型水庫19 座，并建成了庫群聯(lián)合調(diào)度的骨干配水渠網(wǎng)（群庫灌區(qū)），其中北干渠、南干渠均是群庫灌區(qū)的配套干渠。北干渠長44.76 km，引水流量3.0 m3/s，距離裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)僅3.0 km；南干渠長26.1 km，設(shè)計引水流量3.0 m3/s，距離裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)僅1.4 km。為了促進裴寨農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，提升裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)的品質(zhì)，需要興建裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)供蓄水工程，完成裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)大棚的灌溉配水需求，提高灌溉用水保證率。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有一條天然河溝“十里河支溝”，但由于水源缺乏，需從北干渠、南干渠引水灌溉。

1.2 整體規(guī)劃思路

工程整體規(guī)劃的基本思想是：引水灌溉與生態(tài)景觀并行，突出灌溉效益，提升生態(tài)功能。因此計劃從南干渠、北干渠四支渠分兩路向農(nóng)業(yè)園區(qū)引水，一部分水量直接灌溉十里河支溝兩岸大棚，一部分水量進入十里河支溝，設(shè)置梯級調(diào)蓄水庫，作為兩岸灌溉補水水源。梯級調(diào)蓄水庫不僅可以向十里河支溝南北兩岸的農(nóng)業(yè)園區(qū)種植大棚輸水灌溉，而且可以形成梯級水面，塑造生態(tài)景觀，提升社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)整體人文景觀品質(zhì)。

工程整體規(guī)劃包括南、北引水工程、調(diào)蓄水庫及河段綜合治理工程、高效農(nóng)業(yè)園區(qū)滴灌管網(wǎng)等幾部分；其中南、北引水工程主要由引水渠道、管道工程、泵站工程、提水管道工程和高位調(diào)蓄水池等幾部分組成。灌溉面積涉及以裴寨社區(qū)為中心的張村鄉(xiāng)11個行政村，26 個自然村，預(yù)計灌溉高效農(nóng)業(yè)大棚320 公頃。

1.3 工程地質(zhì)特點

1.3.1 庫區(qū)地質(zhì)特點

庫區(qū)位于天然溝道內(nèi)，兩側(cè)岸坡大部分呈直立狀，坡高一般在8～14 m，邊坡下部為中更新統(tǒng)低液限粘土，具若膨脹潛勢。高位水池基礎(chǔ)處于第四系中更新統(tǒng)坡洪積物內(nèi)，局部存在卵石混合土透鏡體，中等透水，為潛在的滲漏通道。

1.3.2 壩址處地質(zhì)特點

在十里河支溝規(guī)劃的梯級調(diào)蓄水庫工程的Ⅰ-Ⅳ攔水壩場區(qū)，壩址處設(shè)計建基面下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，具有遇水軟化的特性。因此規(guī)劃設(shè)計，應(yīng)考慮對壩基抗滑穩(wěn)定的影響。在規(guī)劃的III～IV 壩段之間多夾有厚度0.6～1.4 m 的卵石混合土透鏡體，應(yīng)考慮豐雨期卵石層的側(cè)向滲流對工程的影響。IV 壩軸線附近有一編號為F 的斷層通過，建議考慮該斷層對壩基穩(wěn)定的影響；另外，Ⅳ壩線帶內(nèi)斷層角礫巖成分，以紫紅色雜灰白色頁巖為主，雖結(jié)構(gòu)密實，亦應(yīng)考慮其工程特性對壩基穩(wěn)定的影響。

2 梯級調(diào)蓄水庫方案分析

工程采用從北干渠四支渠、南干渠引水至十里河支溝，引水灌溉與蓄水補水、形成自然景觀，達到引水蓄補、雙重用水的綜合效果，以便引水灌溉工程的經(jīng)濟利益、社會效益、生態(tài)效益更加優(yōu)越。

2.1 壩址及壩軸線選擇原則

壩址和壩軸線的選擇是根據(jù)地形、地質(zhì)、河流走勢等條件綜合考慮決定的，需要考慮壩型、布置要求、施工場地條件、壩體分段施工及導(dǎo)流、工程投資等因素。擬規(guī)劃的調(diào)蓄水庫處于十里河支溝，河勢較陡，落差較大，為了提高蓄水量、降低造價、減少淹沒、附著物賠償?shù)?，同時兼顧生態(tài)與景觀需要，擬建多級大壩，形成梯級調(diào)蓄水庫。針對本工程實際地形地質(zhì)問題，主要遵循以下原則：

（1）根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，優(yōu)先選擇十里河支溝內(nèi)壩址地質(zhì)條件較好的地段，盡可能避開壩基基礎(chǔ)土體松軟、夾雜淤泥質(zhì)、滲漏嚴重、甚至地震斷層地帶。若無法避免，應(yīng)進行工程技術(shù)處理，或者經(jīng)過充分計算論證分析。

（2）根據(jù)十里河支溝實際地形，壩址處宜選擇場外交通便利、方便布置施工廠區(qū)地段，避免出現(xiàn)施工干擾。

（3）因為布置梯級調(diào)蓄水庫，十里河支溝需布置多道擋水建筑物，多個壩址選擇應(yīng)滿足庫區(qū)水位回水要求，避免壩前回水與尾水不能銜接、回水長度過短等問題。

（4）因梯級調(diào)蓄水庫兼做向農(nóng)業(yè)園區(qū)補水灌溉的需求，因此壩址選擇應(yīng)考慮后期補水灌溉的需求。

（5）壩址選擇亦應(yīng)考慮對整個工程的投資影響。

2.2 壩址及壩軸線方案分析

由于該庫區(qū)場地溝道上游較陡，下游段較緩，為保持溝道內(nèi)水面相對連續(xù)，各攔河壩形成水面落差較小，形成較好景觀效果，并根據(jù)上述壩址選擇的原則和現(xiàn)場實地踏勘，擬定4 座梯級水庫與3 座梯級水庫兩種方案，如圖1、圖2 所示。

圖1 4 座梯級水庫壩軸線示意圖

圖2 3 座梯級水庫壩軸線示意圖

4 座梯級水庫方案Ⅰ壩軸線樁號為K0+098.50，壩頂高程187.12 m，壩高6.56 m，Ⅱ壩軸線樁號為K0+226.00，壩頂高程183.91 m，壩高8.90 m，Ⅲ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅳ壩軸線樁號為K0+928.00，壩頂高程179.85 m，壩高8.95 m?？値烊?1.85 萬m3，可滿足灌溉用水需求。

3 座梯級水庫方案， Ⅱ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅲ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅳ壩軸線樁號為K0+928.00，壩頂高程179.85 m，壩高8.95 m。Ⅰ壩軸線樁號為K0+226.00，如果要滿足灌溉用水要求，即總庫容11.85 萬m3，壩頂高程需要達到186.21 m，壩高10.3 m。

根據(jù)兩種方案建筑物布置情況進行比較可知：4座梯級水庫方案的優(yōu)點為：四座大壩壩高較低，庫區(qū)防滲投資較小，由于水位較低對于防止庫區(qū)滲漏和岸坡滑塌比較有利，樞紐布置比較方便，工程量小，工程投資??；缺點為：需要多修建一座大壩。3 座梯級水庫方案的優(yōu)點為：只需要修建3 座大壩。缺點為：Ⅰ壩需要10.3 m 壩高才能滿足需水要求，由于整個工程區(qū)地質(zhì)情況為低液限粘土和泥質(zhì)灰?guī)r，承載力一般，壩高過高對壩體穩(wěn)定及地基承載力不利，當壩高高于10 m 時地基承載力無法滿足要求。綜合考慮以上因素，優(yōu)選4 座梯級調(diào)蓄水庫方案。

2.3 壩型方案分析

根據(jù)4 座梯級水庫方案地形、地質(zhì)和施工條件以及當?shù)亟ㄖ牧系惹闆r，壩頂需要溢流形成梯級景觀水面。因此，排除了土石壩壩型，初步選擇混凝土重力壩和砌石重力壩進行比較。經(jīng)各方面綜合考慮和分析論證，針對混凝土重力壩與砌石重力壩兩種壩型，分析如表1 所示。

表1 混凝土重力壩和砌石重力壩技術(shù)比較

因處于項目建議書階段，從定性分析角度對壩型方案進行了分析。無論混凝土壩或是漿砌石壩，從地質(zhì)條件分析均適合建壩；混凝土筑壩需考慮混凝土的散熱與冷卻，因此壩體需設(shè)縱縫橫縫，漿砌石壩是人工堆砌石材，不需設(shè)縫，但施工質(zhì)量不如混凝土機械施工有保證；混凝土壩整個壩體既是防滲材料，不需另設(shè)防滲材料；漿砌石壩砌石材料需要量很大，漿砌石壩施工質(zhì)量不易控制，不利于機械化作業(yè)，相對混凝土壩工期較長，致使增加工程成本。

而且由于本項目四座大壩高度較低，斷面較小，采用砌石重力壩方案需做混凝土防滲墻，溢流壩段也需要做混凝土面板，施工干擾大；混凝土壩施工技術(shù)已成熟，速度快，便于機械化施工，工期短，可以早日建成投產(chǎn)，發(fā)揮工程效益。因此根據(jù)地形地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)及施工工藝、筑壩材料來源工期等情況綜合分析，選定為混凝土重力壩。

3 梯級調(diào)蓄水庫回水影響分析

梯級調(diào)蓄庫蓄水后，水位抬升可能會對周邊地理環(huán)境、地址問題造成一定影響，因此需要考慮水庫的回水影響。根據(jù)綜合分析，選定擋水建筑物為混凝土重力壩，經(jīng)計算確定4 座梯級調(diào)蓄水庫的壩頂高程、建基面高程、最大壩高、最大溢流高度等壩體參數(shù)如下表2 所示。

表2 壩體參數(shù)表

（1）回水對周邊地理環(huán)境的淹沒影響。水庫直接淹沒范圍受水庫正常蓄水位和汛期、非汛期洪水回水面線控制。裴寨社區(qū)高效農(nóng)業(yè)園區(qū)供蓄水工程水庫的正常蓄水位是通過經(jīng)濟比較并考慮工程蓄水等諸多因素確定的，4 座梯級攔水壩最高正常蓄水位為186.12 m。從安全角度考慮，取20 年一遇洪水時的洪水位作為水庫淹沒影響處理范圍。攔河壩建設(shè)在十里河支溝內(nèi)，最大溢流高度7.9 m，天然溝道兩岸接近垂直，平均深度10.0 m。因此，水庫回水不會造成淹沒影響。

（2）回水對庫岸地質(zhì)災(zāi)害的影響。在水庫回水范圍內(nèi)，兩岸河道內(nèi)水位不斷抬升，可能會引起兩岸滑坡、崩塌等不良物理現(xiàn)象，需要考慮回水對兩岸邊坡工程的影響。工程方案考慮了回水對兩岸較陡段的影響，采取削坡、護坡處理，并進行了穩(wěn)定復(fù)核。因此水庫蓄水后，基本上不存在大范圍塌岸問題。

4 結(jié)語

針對前期項目建議書階段的實施方案，從梯級擋水建筑物的數(shù)量、壩型的選擇等方面定性分析了小型梯級調(diào)蓄水庫的建設(shè)方案的優(yōu)劣，并分析了梯級調(diào)蓄水庫需要考慮壩基地質(zhì)條件與梯級數(shù)量的影響關(guān)系以及庫水回水的影響。對于平原灌區(qū)小型引水灌溉工程，可以采用引水與蓄水、生態(tài)補水與灌溉用水互補的思路進行布局，以達到綜合效益最優(yōu)化。