渠首除險(xiǎn)加固方案比選分析

趙建國(guó)

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)年平均氣溫在7.9℃。極端最高氣溫為39.9℃，最低氣溫為-35.2℃，最低溫和最高溫分別出現(xiàn)在1月和7月。氣溫年較差在27.3～28.4℃，日較差在10.2～16.0℃?！?0℃的積溫為2006～3432℃，全年實(shí)際日照時(shí)數(shù)為2396～2680h，日照百分率在62%～67%。河源較高，徑流以季節(jié)性融雪和部分永久性積雪與冰川補(bǔ)給為主，降水次之，地下水徑流補(bǔ)給比重較高。灌區(qū)作物灌溉期用水量與年徑流量來(lái)水匹配較好，春夏季用水高峰時(shí)，來(lái)水量也較大，秋季用水少，來(lái)水量也小。灌區(qū)總?cè)丝诩s4.13萬(wàn)人，其中農(nóng)村人口3.7萬(wàn)人，占89.6%，城鎮(zhèn)人口0.43萬(wàn)人，占10.4%；人口組成中，漢族占比45.2%，少數(shù)民族占比54.8%。年末牲畜存欄42.46萬(wàn)頭。農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的68%，工業(yè)產(chǎn)值占32%。

工程地質(zhì)方面，工程區(qū)地層巖性單一，地層均為第四系地層。第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4al)，主要分布于河漫灘及河床兩岸一級(jí)階的地表，巖性為沼澤土，其組成以含礫粉土、含礫粉砂土和含淤泥砂礫石為主，松散-稍密，含較多植物根系，厚度多小于0.5m。第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4s)，主要分布在河堤、渠堤和護(hù)堤道路位置，主要巖性為砂卵礫石和含土砂礫石，稍密-中密，厚度多小于2m。第四系上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)沖洪積層(Q3-4apl)，分布在河床及其兩側(cè)的一級(jí)階地和河漫灘，主要巖性為砂卵礫石，稍密-密實(shí)，厚度大于26m，是本工程場(chǎng)地的主要地層。水文地質(zhì)方面，工程區(qū)地下水由孔隙潛水和基巖裂隙水組成，項(xiàng)目區(qū)地下水和土壤均不存在腐蝕性。

2 工程概況

拜安干渠攔河樞紐工程原設(shè)計(jì)依托地形于1966年建設(shè)了攔河閘式彎道引水渠首，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)河流設(shè)計(jì)洪水流量核定偏小，設(shè)計(jì)洪水流量250m3·s-1，校核洪水流量294m3·s-1，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，且河道洪水時(shí)會(huì)攜帶漂浮物，于1984年5月超標(biāo)準(zhǔn)洪水把攔河閘全部沖毀，于1985年11月對(duì)渠首進(jìn)行改建，主要將原14孔攔河閘更改為78m長(zhǎng)擋水堰，并對(duì)上下游護(hù)岸進(jìn)行修補(bǔ)加固，渠首人工彎道、進(jìn)水閘、泄洪沖砂閘運(yùn)行，至今已49a。渠首改建后運(yùn)行一直良好，但近20a隨著大型灌區(qū)的開(kāi)發(fā)，灌區(qū)灌溉面積不斷加大，導(dǎo)致灌區(qū)需水量增大，河道引水比增加，且泄洪沖砂閘由于無(wú)水沖砂致使泥砂大量淤積，擋水堰前淤積問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固，保障安全運(yùn)行。依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定本工程中主要建筑物為3級(jí)[1]，根據(jù)1/400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)工程區(qū)處在地震峰值加速度為0.2g的區(qū)域內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度區(qū)[2]。本次初步擬定閘堰結(jié)合式引水渠首及改建全閘式引水渠首2種改建方案進(jìn)行比較分析，從中選擇比較合適的工程方案。

3 除險(xiǎn)加固方案

3.1 改建全閘式引水渠首方案

一次泄洪閘閘室段長(zhǎng)度為12m，底板厚度為1.2m，閘室設(shè)置孔寬為8m的閘門(mén)6孔，中墩厚度為1.2m，邊墩厚度為1.0m。

一次泄洪沖砂閘閘室結(jié)構(gòu)采用C25F200W6鋼筋混凝土，閘底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強(qiáng)高性能混凝土。閘室上部設(shè)有閘房和交通橋，交通橋面板采用預(yù)制混凝土空心板，橋?qū)?.0m，公路Ⅱ級(jí)。

一次泄洪沖砂閘及引水道上游鋪蓋長(zhǎng)15m，縱坡采用坡比為1/210，表層鋪設(shè)0.3m厚的混凝土，鋪蓋前端設(shè)有防護(hù)基礎(chǔ)一座，基礎(chǔ)邊坡為1∶1.5，深3.0m。

閘室下游為護(hù)坦、防沖墻、防沖槽。護(hù)坦，在閘后以1∶10的坡度下降，護(hù)坦長(zhǎng)度10m，寬55.2m，采用厚為0.5m的C25F200W6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在底板上層0.2m厚度位置，澆筑C60硅粉高強(qiáng)高性能混凝土。防沖墻頂寬為0.5m，底寬2.86m，結(jié)構(gòu)采用C20F250W6抗?jié)B抗凍混凝土現(xiàn)澆而成。防沖槽底寬2.0m，后邊坡1∶1.0，長(zhǎng)55.2m，厚度為1.0m。

引水道位于河道右岸，首端設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土臺(tái)堰，臺(tái)堰采用寬頂堰形式，頂寬0.5m，堰頂高程853.2m。堰后引水道長(zhǎng)180m，在原漿砌石基礎(chǔ)上鋪設(shè)厚度為0.12m的混凝土板防護(hù)。

二次進(jìn)水閘位于引水道末端，為原進(jìn)水閘維修，閘室段長(zhǎng)9.6m，底板厚1.2m，閘室設(shè)2孔，單孔寬5.0m，中墩厚0.8m，邊墩厚0.5m。

二次沖砂閘位于引水道末端，二次進(jìn)水閘左側(cè)，閘底板高程851.5m，閘頂高程855.5m。工作門(mén)尺寸為4.5m×3.3m(b×h)，檢修門(mén)尺寸4.5m×2.5m(b×h)。

二次進(jìn)水閘及沖砂閘共4孔，閘室采用兩孔一聯(lián)的整體式，每2孔閘為一體。閘室維修方案為將原閘室段混凝土表面清理打毛5cm后，重新鋪設(shè)20cm厚C30.F200.W6鋼筋混凝土，在閘底板重新鋪設(shè)20cm厚的C60高強(qiáng)高性能混凝土防沖、抗磨現(xiàn)澆鋼筋混凝土。閘室上部設(shè)有閘房和交通橋，交通橋面板采用預(yù)制混凝土空心板，橋?qū)?.0m，公路Ⅱ級(jí)。

上下游整治段，上游整治段右岸建設(shè)護(hù)堤長(zhǎng)度為440m，左岸建設(shè)護(hù)堤長(zhǎng)度為217m；下游整治段右岸建設(shè)護(hù)堤長(zhǎng)度為153m，左岸建設(shè)護(hù)堤長(zhǎng)度為153m?？v坡1/900，內(nèi)、外邊坡1∶1.5，堤頂寬為4m，堤高為4m。

3.2 閘堰結(jié)合式引水渠首改建方案

泄洪沖砂閘閘室段長(zhǎng)度為12m，閘底板厚度1.2m，閘室設(shè)置孔寬為8m的閘門(mén)3孔，閘墩厚度為1.2m。閘室采用三孔一聯(lián)的整體式，閘墩下部65cm采用C60硅粉混凝土澆注，上部采用C25F200W6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強(qiáng)高性能混凝土。閘室上部設(shè)有閘房和交通橋，交通橋面板采用預(yù)制混凝土空心板，橋?qū)?.0m，公路Ⅱ級(jí)。

溢流側(cè)堰布置在泄洪沖沙閘南側(cè)，堰體采用梯形實(shí)用堰，堰體長(zhǎng)度為60m。側(cè)堰迎水面坡度為1∶1，堰頂寬度為0.5m，實(shí)用堰表層鋪設(shè)0.3m厚的鋼筋混凝土，堰的尾部接護(hù)坦，長(zhǎng)度20m，表層采用1.0m鋼混軟排消能。

右岸設(shè)置彎道式引水渠道，彎道口設(shè)置臺(tái)堰，進(jìn)口擋砂坎采用C25F200W6現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，彎道式引水渠為梯形斷面，底寬13m，長(zhǎng)180m，邊坡1∶1.5，采用厚度為0.12m的混凝土板護(hù)砌。

二次泄洪沖砂閘為原閘維修：閘室段長(zhǎng)為9m，底板厚為1.2m，閘室設(shè)置孔寬為4.5m的閘門(mén)2孔，閘墩厚為0.8m，閘孔總凈寬9m。設(shè)置一道工作閘門(mén)。閘室整體采用鋼混結(jié)構(gòu)，底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強(qiáng)高性能混凝土。閘室上部設(shè)有閘房和交通橋，交通橋面板采用預(yù)制混凝土空心板，橋?qū)?.0m，公路Ⅱ級(jí)。

二次沖砂閘后接543m長(zhǎng)排沙渠道，渠道采用現(xiàn)澆C20F200W6混凝土板渠道，渠道底面寬為7.0m，深3.0m，邊坡1∶1.5，渠道末端接入河道。

二次進(jìn)水閘也采用原閘維修，進(jìn)水閘設(shè)2孔閘，單孔寬5.0m，進(jìn)水閘室及進(jìn)口擋砂坎均采用C25F200W6現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，閘門(mén)采用鋼制平板型，配備手電兩用螺桿式啟閉機(jī)3臺(tái)。

上游整治段右岸護(hù)堤長(zhǎng)度440m，左岸護(hù)堤長(zhǎng)度217m；下游整治段右岸護(hù)堤長(zhǎng)度為134m，下游整治段左岸護(hù)堤長(zhǎng)134m，均采用梯形形式。堤頂寬4m，內(nèi)、外邊坡1∶1.5。堤高4m，上、下游護(hù)坡采用0.15m和0.20m厚的C20F200W4混凝土板襯砌。

4 方案比選分析

具體比選過(guò)程詳見(jiàn)表1。

表1 方案比選

4.1 工程布置比較

這2種渠首都是某區(qū)常見(jiàn)引水渠首。渠首地質(zhì)條件相同，均處在河床的砂礫石層上部，建閘條件好。改建全閘式引水渠首由一次泄洪沖砂閘、右岸進(jìn)水道、二次進(jìn)水閘、二次沖砂閘、上下游整治段和下游防沖槽等建筑組成；閘堰結(jié)合式引水渠首由泄洪沖砂閘、左岸(南岸)擋水堰、右岸進(jìn)水道、二次進(jìn)水閘、二次沖砂閘、上下游整治段和下游防沖槽等建筑組成。2種種渠首各建筑物布置見(jiàn)上述“工程布置方案”。

閘堰結(jié)合式引水渠首方案建筑物之間距離布置相對(duì)松散，洪水過(guò)水?dāng)嗝娲螅瑔螌捔髁枯^小，可減少對(duì)水閘下游的沖刷；改建全閘式引水渠首主體泄洪建筑物為泄洪沖沙閘，泄洪閘閘室為6孔8m，工程布置相對(duì)緊湊，對(duì)河道進(jìn)行了塑窄，有利于沖砂，可過(guò)閘單寬流量較大，下游沖刷力度較大。

從2種渠首上下游整治段布置比較，改建全閘式引水渠首多修3孔泄洪閘，為了將主河道進(jìn)行塑窄引水，上下游整治段工程量較閘堰結(jié)合式引水渠首大，但閘堰結(jié)合式引水渠首修建60m溢流堰，溢流堰修建工程量大，所以2部分工程量相當(dāng)。

從工程布置比較分析可知，上述布置方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

4.2 引水條件

閘堰結(jié)合式引水渠首方案，在布置上游整治段時(shí)，寬度選取較大，減緩流速的同時(shí)，泥沙淤積問(wèn)題比較嚴(yán)重，甚至?xí)绊懮嫌涡泻槟芰Α?/p>

全閘式引水渠首方案上下游河道整治段寬度小，上游水流速度大攜砂能力強(qiáng)，治理泥沙淤積效果顯著。

4.3 工程施工

閘堰結(jié)合式引水渠首方案，主體建筑物間距大，施工受空間條件影響小，且施工難度低。

全閘式引水渠首方案，主體建筑物布置緊湊，工程施工強(qiáng)度大，施工工藝相對(duì)復(fù)雜。

從施工比較可知，方案2閘堰結(jié)合方案較優(yōu)。

4.4 工程運(yùn)行管理

閘堰結(jié)合式引水渠首在某區(qū)通常被為“懶漢渠首”，泄洪能力和靈活度較高，這種渠首即使在汛期無(wú)人職守，洪水來(lái)臨時(shí)不開(kāi)泄洪閘，大多數(shù)洪水也可安全通過(guò)側(cè)堰，不會(huì)威脅渠首安全[4]。

全閘式引水渠首可利用洪水預(yù)警系統(tǒng)，大大提高防洪安全，且閘前不會(huì)發(fā)生泥沙淤積現(xiàn)象，維修養(yǎng)護(hù)資金少，使用年限長(zhǎng)，但全閘式渠首更注重于管理，如果自動(dòng)化系統(tǒng)配套不完善或出現(xiàn)問(wèn)題，在洪水來(lái)臨時(shí)未及時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)極易造成水閘被沖毀，管理強(qiáng)度較大。

從工程運(yùn)行管理比較閘堰結(jié)合方案優(yōu)于全閘式引水渠首方案。

5 比較結(jié)論

通過(guò)從地形地質(zhì)條件、樞紐工程布置形式、工程施工、運(yùn)行管理和工程投資等5方面進(jìn)行綜合比選分析。在工程布置方面，閘堰結(jié)合式引水渠首的溢流側(cè)堰較長(zhǎng)，洪水過(guò)水?dāng)嗝娲螅瑔螌捔髁啃?，可減少對(duì)水閘下游的沖刷影響。在引水方面，雖然在上游段會(huì)有泥沙淤積的現(xiàn)象出現(xiàn)，但在溢流堰設(shè)置有3孔泄洪沖砂閘，在大流量時(shí)沖砂，引水道前不會(huì)有泥沙淤積現(xiàn)象，可保證引水質(zhì)量。在施工方面，閘堰結(jié)合方案，主體建筑物布置相對(duì)松散，施工場(chǎng)地開(kāi)闊，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。在工程運(yùn)行方面，其泄洪的靈活程度是最高的，特別能適應(yīng)山溪性河流，在汛期發(fā)生的陡漲陡落洪水，通過(guò)側(cè)堰形式也能夠安全泄洪，保障工程安全。因此本次除險(xiǎn)加固選用閘堰結(jié)合式引水渠首方案。