小型攔河閘壩設計探索

◎蔡雷 中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司

隨著全國各地水利工程建設數(shù)量的不斷增多和水文投資額的不斷加大，各地水利設施如雨后春筍般拔地而起，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和民生保障做出了巨大的貢獻。小型攔河閘壩作為水利工程項目建設中的常見類型，具備工程建設規(guī)模較小、建造數(shù)量繁多、分布廣等優(yōu)勢，為區(qū)域灌溉用水等的獲取提供了較大便利。但在實際建造過程中，多數(shù)小型攔河閘壩是當?shù)孛癖娮园l(fā)建造的臨時性工程，其工程質(zhì)量往往較低，很容易造成設計盲目、建設粗糙等問題，對此，文章以呼圖壁河林場口子水閘項目為例，對其設計要點進行歸納總結(jié)，從而為小型攔河閘壩的建設與發(fā)展提供借鑒。

1.工程概況

呼圖壁河林場口子水閘位于六師芳草湖農(nóng)場六分場林場口子，在呼圖壁河芨芨壩樞紐下游10k m的西河上，距呼圖壁縣城20km，閘址地理坐標為東經(jīng)86°49'52.84"，北緯 44°18'35.20"。1983年，設計單位完成了呼圖壁河西河林場口子引水閘的設計，該水閘于1984年10月開工興建，1985年5月竣工運行，整個水閘主要由進水閘、沖沙閘、溢流堰、上下游擋土墻組成。1996年8月24日，呼圖壁河遭遇罕見暴雨性洪水，使西河林場口子引水閘有著多處不同程度的水毀，左岸擋土墻大部分被沖毀，溢流堰亦被沖毀。目前，該閘無法正常引水，處于報廢狀態(tài)。根據(jù)《水閘安全鑒定報告》，該水閘鑒定為四類閘，需降低標準使用或報廢重建。通過現(xiàn)場踏勘，該渠目前主要存在閘防洪標準不足，工程不能正常運行；閘室結(jié)構(gòu)抗?jié)B、抗傾和抗滑不穩(wěn)定；溢流堰被沖毀，抗滑不穩(wěn)定，左岸護岸被沖毀，右岸護岸傾斜，抗傾不穩(wěn)定；啟閉設備老化，沒有配備電源；閘門銹蝕嚴重；交通不便，無管理站房；進水閘后渠道沖刷嚴重；水閘缺少觀測、控制、監(jiān)視系統(tǒng)等問題。

2.建設條件

在了解呼圖壁河林場口子水閘基本現(xiàn)狀后，技術(shù)人員對該小型攔河閘壩的設計建造的基本條件進行分析。首先，就水閘移至東河的緣由及有利條件來看，呼圖壁河流量小于70m/s，河水全部走東河，水流只經(jīng)過一條河流可以減少蒸發(fā)滲漏損失，在東河建閘分水，可以減少兵地爭水矛盾，有利于加強水資源管理及水費征收，且將水閘建在東河比建在西河節(jié)省投資近1000萬元。其次，該項目區(qū)所屬地質(zhì)構(gòu)造單元為南部中低山區(qū)，屬北天山褶皺帶依連哈比爾尕復背斜中的烏魯木齊山前坳陷帶，北部為準噶爾凹陷區(qū)，主要的區(qū)域性斷裂為南部山區(qū)的清水河斷裂、齊古斷裂、吐谷魯斷裂，均為上更新世以來的斷裂活動所造成，并且沿斷裂帶發(fā)生過五級以上的中強地震，上述斷裂距工程區(qū)以南40～70km，對工程影響小。最后，從呼圖壁河林場口子水閘建設的水文條件來看，呼圖壁河是灌區(qū)唯一的地表水源，多年平均徑流量4.575億m，多年平均流量12.775m3/s。年徑流量變化幅度不大，年徑流量最大為5.96億m，最低3.41億m，最大與最小年徑流量比值為1.75。呼圖壁河在下游芨芨壩處分為2條河（東河和西河），東河的水注入東河水庫，西河的水注入大海子水庫。呼圖壁河徑流量年內(nèi)分配不均，汛期早，歷時短，枯水期長。該河由于中山帶植被發(fā)育較好，河流含沙量較小，河水多年平均含沙量5.9kg/m。石門站多年平均懸移質(zhì)含沙量0.48mg/m，多年懸移質(zhì)輸沙總量為22.6萬噸。呼圖壁河的輸沙量年內(nèi)分配不均與，輸沙量主要集中在汛期，5～8月連續(xù)四個月多年平均輸沙量為20.4萬噸，占全年輸沙量的90%以上。上述條件，均為呼圖壁河林場口子小型攔河閘壩建設提供了較有利的條件。

3.攔河閘壩設計中應考慮的因素

在呼圖壁河林場口子攔河閘壩設計中，應考慮的因素包括工程水位抬高與泄洪的關(guān)系、設計長度、攔河閘壩工程形式選型等內(nèi)容。以設計長度為例分析，為保證小型攔河閘壩設計符合安全功能，其攔河閘壩長度一般應采用工程上游河道正常水位時水面寬度的1.2-1.5倍。

4.攔河閘壩設計要點

4.1 工程總體布置及主要建筑物

根據(jù)呼圖壁河林場口子水閘的過閘流量，節(jié)制閘過閘流量為70m/s，分水閘及閘后渠道流量為37.1m/s，水閘工程屬于Ⅳ等小型工程，渠道屬于Ⅲ等中型工程。進一步根據(jù)《水閘設計規(guī)范》9SL265-2001），水閘工程為Ⅳ等小型工程，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。就設計標準而言，呼圖壁河芨芨壩站30 年一遇設計洪水標準為315m/s，100 年一遇校核洪水標準為480m/s。由于東河水庫無溢洪道，當呼圖壁河水量超過70m/s時，東河限流量70m/s，其余洪水主要由西河承擔。因此，東河水閘按70m/s的來水量進行設計。其次，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，擬建場地為II類場地，特征周期為0.45s，對應的抗震設防烈度為7度，地震加速度值為0.10g（g 為重力加速度值）。在對呼圖壁河林場口子小型攔河閘壩進行選址設計時，根據(jù)水閘在原址拆除重建和閘址移至東河重建相關(guān)參數(shù)的對比分析決定。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，在東河新建節(jié)制分水閘一座。在流量70m/s的前提下，初步計算需要布置5 孔閘，單孔寬度5m，閘凈寬25m，閘墩高度3m；采用開敞式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。節(jié)制閘配備弧形鋼閘門5扇，采用卷揚式雙吊點啟閉機，啟門力5t。分水閘布置2孔，單孔寬度5m，閘凈寬10m，閘墩高度 3m，采用開敞式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對比兩種選址方案可知，將水閘移至東河，可以減少蒸發(fā)滲漏損失，提高水的利用效率。當呼圖壁河來水小于70m/s時，芨芨壩分水閘只分水給東河，水流只流經(jīng)一條河流，可以減少蒸發(fā)滲漏損失。在新建的東河水閘處，仍然按照分水比例進行水量分配，東河和西河分水比例為0.47:0.53。綜上，呼圖壁河林場口子水閘除險加固將水閘閘址移至東河進行重建，在河道上布置節(jié)制分水閘一座，閘前設水平防滲鋪蓋，閘后設消能防沖海漫。分水閘和節(jié)制閘夾角60°，布置在節(jié)制閘左側(cè)。分水閘閘后通過扭面和渠道連接。渠道沿現(xiàn)有道路通向西河，線路長度823m，沿途布置農(nóng)橋2座。節(jié)制閘上、下游沿河道左、右岸布置防洪堤，上游防洪堤長度120m，下游防洪堤120m，防洪堤總長度480m。

4.2 水土保持設計

水土保持是工程項目建設必須關(guān)注的重點，也是工程項目設計中必須涵蓋的重要內(nèi)容。在項目建設中，應選擇合適的水土流失預測方法對其流失情況進行預測，預測結(jié)果顯示，因本工程建設所影響的土地面積為23.785hm2，周邊被破壞的各項建筑物后構(gòu)筑物設施面積為23.785hm2，呼圖壁河林場口子水閘工程建設導致的施工作業(yè)區(qū)內(nèi)挖掘、占壓的原始地形地貌也在較大程度上受到了破壞和影響，大大降低了施工作業(yè)區(qū)內(nèi)的水土保持功效，整個工程建設產(chǎn)生的棄土、棄渣量為0.724萬m。在對項目建設導致的新增水土流失量預測上，結(jié)合呼圖壁河林場口子水閘工程建設進度和設計規(guī)劃內(nèi)容，可測得施工期間大致流失的水土量為1608.7t。以引水渠首區(qū)為例，該水利樞紐工程后期多為硬化地表、建筑物工程占壓。紅星渠首除險加固建設完畢后，仍存在一定范圍的擾動疏松地表，如建筑物回填完畢后，局部土地不平整；棄方土料運行的地面不平整，河道清淤后河床不平整等。因此，應對該區(qū)域回填土方進行臨時堆放，引水渠首區(qū)臨時堆土共計0.52萬m，苫布遮蓋3020m2，從而達到水土保持的目的。

4.3 節(jié)能設計

在建設呼圖壁河林場口子水閘時，其施工機械設備主要用來對原泄洪閘進行維修補強，維修閘前鋪蓋，增加一孔泄洪閘泄洪能力，維修閘后消能防沖設施；在泄洪閘右岸布置溢流堰50m；上游清淤長度200m；重建東導流堤，對西導流堤進行加寬加固；建設上、下游導流堤共計400 m；維修原沖沙閘和引水閘，增設閘房；修建砂礫石管理道路15km；修建管理站房220m；為水閘增設自動信息化觀測和監(jiān)控設施。在施工過程中，除險加固工程主要的施工項目包括泄洪閘、溢流堰、引水閘和沖沙閘修補、管理站房、管理道路及河道上下游防護工程，主要工程量有土方開挖9.1萬m，土方填筑4.9萬m，砼與鋼筋砼澆筑1583m，鋼筋98t，漿砌石6972m。此外，該項目耗能還包括施工輔助生產(chǎn)系統(tǒng)能耗、生產(chǎn)生活性建筑物能耗、施工期能耗統(tǒng)計分析和施工交通運輸系統(tǒng)耗能等。

總之，呼圖壁河林場口子水閘工程施工工期的標準煤總能耗為228.8t，其中土石方施工設備能耗量最大，占施工期能耗總量的91.6%,其它能耗占8.4%。以施工機械選用為例，針對土石方施工機械，施工單位計劃安排4臺1m的挖掘機配備14臺自卸汽車，保證挖掘機和自卸車搭配合適，避免出現(xiàn)空車現(xiàn)象。從混凝土施工設備選型來看，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)包括攪拌機、空壓機、膠帶機等，特別是空壓機和攪拌機是混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的主要耗能設備，在下階段空壓機選型上，可選擇效率高、能耗相對較低的活塞式空壓機，攪拌機應選擇傳輸效率好的齒輪傳動設備，從而減少能耗的損失。值得注意的是，拌合站應建設在地勢稍低的位置，可以充分利用地形優(yōu)勢，減少物料運輸造成的能耗損失。

5.經(jīng)濟效益評價

為進一步分析呼圖壁河林場口子水閘建設的經(jīng)濟效益，本文對其費用和收益進行分析。本項目新增費用為新增影子投資費用、新增年運行費、新增流動資金。新增投資費用是根據(jù)呼圖壁河林場口子水閘建造設計的預算資金設計和概算資金設計等，結(jié)合工程建設時市場條件影響下的影子價格，得到整個項目建設的影子投資，其總投資為2082.28萬元，各項影響參數(shù)調(diào)整后得到的影子投資費用為1959.63萬元。新增年運行費主要是為維持呼圖壁河林場口子水閘工程項目的正常運營，以新增固定資產(chǎn)價值、新增固定資產(chǎn)修理費等為新增材料費或者新增其他費用的取費基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上得到各項新增費用，最后估算得到新增年運行費為21.85萬元。新增流動資金主要是以足夠的周轉(zhuǎn)運營資金實現(xiàn)燃料、材料等各項支出的資金支付，以工程年運行費為取費基礎(chǔ)，實現(xiàn)新增流動資金的獲取。

呼圖壁河林場口子水閘工程項目的實施，能夠延長區(qū)域內(nèi)持續(xù)供水時間，較大程度上改變原有的灌溉條件，提高灌溉保證率，不斷提高轄區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的單產(chǎn)效率，助力農(nóng)作物的生長，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展。在呼圖壁河林場口子水閘修建完成并投入使用后，能有效覆蓋轄區(qū)內(nèi)3.48萬畝的灌溉范圍，解決轄區(qū)內(nèi)原有灌溉用水不足等問題，促進農(nóng)作物健康成長。研究人員結(jié)合轄區(qū)內(nèi)農(nóng)作物歷年生長情況和農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，對水閘工程修建后的經(jīng)濟效益進行計算，可以得出該工程分攤效益為226.65萬元，其經(jīng)濟內(nèi)部收益率為：EIRR=9.80%；經(jīng)濟凈現(xiàn)值：ENPV（i=8%）=317萬元；效益費用比：EBCR=1.15；靜態(tài)投資回收期：T=10.59年。

6.結(jié)論

本文在對呼圖壁河林場口子水閘地理水文條件進行分析的基礎(chǔ)上，探究了該工程建設的基本條件，認為呼圖壁河林場口子水閘工程能有效依托自身地理優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢等，在綜合考量工程水位抬高與泄洪的關(guān)系、設計長度等影響攔河閘壩設計因素的基礎(chǔ)上，分析了呼圖壁河林場口子水閘建設的工程總體布置及主要建筑物、水土保持設計內(nèi)容和節(jié)能設計措施，最后對呼圖壁河林場口子水閘的經(jīng)濟效益進行分析，為同類型小型攔河閘壩的建設提供更多經(jīng)驗借鑒。