青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)枯水期臨時引水工程設(shè)計實(shí)踐

李程，王敏

（1.蕪湖市水利工程建設(shè)管理處，安徽 蕪湖 241001；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.水利部長江治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

青弋江分洪道工程起始端位于蕪湖市灣沚區(qū)紅楊鎮(zhèn)十甲任村，末端位于蕪湖市三山區(qū)澛港上游，全長47.28km，是水陽江、青弋江、漳河流域防洪治理總布局中的重要骨干性工程，工程主要任務(wù)為減輕水陽江中游防洪壓力，提高流域下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時滿足地區(qū)除澇及航運(yùn)要求。因青弋江分洪道十甲任節(jié)制閘工程建設(shè)，需在閘址上下游修筑圍堰，截斷青弋江干流[1]。在豐水期，因該區(qū)域河網(wǎng)密集，圍堰下游水位無較大影響，在枯水期，圍堰下游來水減小和水位下降，導(dǎo)致灣沚區(qū)水廠無法正常取水。為確保灣沚水廠在枯水期取到保質(zhì)保量的水源，在十甲任節(jié)制閘施工期新建臨時引水工程，將十甲任節(jié)制閘上游來水引向圍堰下游青弋江干流段，確保灣沚區(qū)供水安全。

1 引水規(guī)模分析

灣沚區(qū)臨時引水工程主要目的是滿足枯水期灣沚區(qū)用水需求，確定其引水規(guī)模主要需要考慮以下兩個方面：一是保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設(shè)計水位（高程2.4m，國家1985 高程，下同）；二是取水口處水體滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

要保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設(shè)計水位，需采取兩項(xiàng)工程措施：一是將青弋江來水引向圍堰下游，使取水口有一定的水量補(bǔ)充；二是在取水口下游合適位置筑攔水堰抬高水位，確保枯水期正常取水。要保證取水口處水質(zhì)滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)保證取水口處的水體處在流動狀態(tài)，且更換時間需控制在15 天以內(nèi)。根據(jù)以上分析，必須合理確定引水工程規(guī)模，才能盡可能消除十甲任節(jié)制閘施工圍堰造成的對灣沚水廠取水的不利影響。

根據(jù)灣沚水廠設(shè)計文件和實(shí)際運(yùn)行情況，水廠的設(shè)計規(guī)模為10 萬噸/日，枯水期的供水量約為6.0 萬噸/日，從滿足水量要求，引水工程設(shè)計流量應(yīng)不小于1.0m3/s。從滿足水質(zhì)要求，荊山河口至取水口青弋江干流總長約4.5km，枯水期水體總體積約300 萬m3，按每15 天對該水體更換一次計算，引水工程設(shè)計流量為2.3m3/s。綜合以上兩種因素，確定引水工程的輸水流量為3.0m3/s。

2 引水方案選擇

2.1 引水方案

根據(jù)工程區(qū)水系及地形條件可確定不同的引水線路，主要有以下兩條可行線路，其平面示意圖如圖1 所示。

圖1 引水方案布置示意圖

圖2 典型橫斷面示意圖

線路1：埋管直通方案。在十甲任節(jié)制閘的西側(cè)灘地埋設(shè)管道，通過管道將圍堰上游水源引向下游。

線路2：東莞河-荊山河方案。充分利用現(xiàn)有河道，引水線路為：始于青弋江分洪道進(jìn)口段，經(jīng)擬建的馬元閘，借道東莞河至與荊山河交界處（三汊河口），最后由荊山河匯入青弋江下游干流。

在線路2 中，枯水期荊山河在上游三汊河口的最低水位為4.5～5.0m，在下游匯入青弋江處的最低水位3.5～4.0m，上下游水位差0.8～1.0m，但荊山河現(xiàn)狀河床高程為5.0～6.0m，荊山河段成為引水線路中的高地，無法自然引流，為確?？菟谝€路的連通性，須在荊山河段采取工程措施將東莞河來水輸入青弋江。線路2在荊山河段考慮的工程措施主要有以下三個方案。

方案一，東莞河筑壩方案，在荊山河與東莞河相交的東莞河夫子闕做一個臨時壩，通過該臨時壩抬高河道水位，將青弋江上游來水通過荊山河輸送到青弋江下游，工程投資約180 萬元。

方案二，在荊山河與東莞河交匯處荊山河口處做一個小擋水壩，架設(shè)6 臺55Kw 的潛水泵，通過6 臺泵向荊山河抽水入青弋江，工程投資約180 萬元。

方案三，在東莞河與青弋江之間的荊山河現(xiàn)狀河槽的基礎(chǔ)上，開挖一條溝渠，通過自流將上游來水引向青弋江下游，工程投資約90 萬元。

2.2 方案對比

線路1 的主要優(yōu)點(diǎn)是工程安全可靠，不會因引水造成河道沖刷，但該線路的缺點(diǎn)是造價昂貴，為了滿足引水流量要求，至少需要埋設(shè)2 根500m 長直徑1.6m 的管道，投資估算約650 萬元，另外，該線路對十甲任節(jié)制閘施工將會產(chǎn)生一定干擾。

線路2 的主要優(yōu)點(diǎn)是工程造價低，根據(jù)荊山河段不用的輸水方式，費(fèi)用為90～180 萬元不等，該線路的主要缺點(diǎn)是荊山河段無法自然引流，須采取措施將東莞河來水引入青弋江。

對比2.1 節(jié)荊山河段三種輸水措施方案，其優(yōu)缺點(diǎn)及工程投資估算對比如表1 所示。

表1 荊山河段輸水方案對比表

方案一的優(yōu)點(diǎn)是臨時筑壩工程位置集中，方便施工及維護(hù)管理，但存在兩個方面的問題，一是因上游有大流量來水可能，大流量來水對臨時壩體帶來沖刷，土壩被沖毀的概率較高，一旦沖毀則需重建，后期維護(hù)費(fèi)較多，沖毀期間則無法保證輸水；二是在十甲任節(jié)制閘工程施工期間如果上游來水量過大，臨時壩減弱了導(dǎo)流河道的行洪能力，上游水位雍高，對十甲任節(jié)制閘工程基坑安全有較大影響。

方案二優(yōu)點(diǎn)是不影響十甲任節(jié)制閘工程建設(shè)，對灣沚取水水質(zhì)、水量有保證，缺點(diǎn)是供電困難，人員管理、后期維護(hù)復(fù)雜，造價偏高，且不可控風(fēng)險因素較多。

方案三造價最低，對灣沚取水有保證，即使在枯水期水位很低時，也能通過其他工程措施配合該方案進(jìn)行彌補(bǔ)，且不影響上游來水正常過流及十甲任節(jié)制閘工程基坑安全，缺點(diǎn)是工程線路較長，施工影響較大。

綜合上述分析，推薦選擇線路2 作為引水線路，對于荊山河段輸水方式，從工程風(fēng)險控制、運(yùn)行成本和實(shí)施難度等方面綜合考慮，推薦選用方案三明渠輸水方式。

3 引水方案設(shè)計

3.1 荊山河段明渠線路

荊山河靠近青弋江進(jìn)口處有一條鄉(xiāng)村道路，道路路面高程約11m，因此引水明渠線路有直線和曲線兩種方案。直線方案就是明渠不繞路直接穿過此路進(jìn)入青弋江，明渠穿路時采用埋設(shè)鋼筋混凝土管過流，渠道長度約2.2km。曲線方案是沿現(xiàn)狀河道的深泓線開挖，可減小明渠開挖深度，但明渠總長度約3.2km，比直線方案長約1.0km。由于渠道長度延長，在同等斷面情況下輸水能力會下降；同時渠道要穿過一座橋梁，此橋橋墩埋深較淺，在橋下開挖風(fēng)險較大。為保證引水明渠的輸水效果，降低工程風(fēng)險，推薦采用直線方案。

3.2 明渠橫縱斷面設(shè)計

明渠橫斷面按明渠均勻流公式計算

式中：Q 為輸水流量，m3/s，據(jù)第1 節(jié)分析為3.0 m3/s；ω 為明渠過水?dāng)嗝婷娣e，m2，梯形渠道時ω=(b+mh)h，b 為渠道底寬，m，h 為設(shè)計水深，m，m 為渠道邊坡系數(shù)；R 為水力半徑，m；C 為謝才系數(shù)，m0.5/s，按式（2）計算；n 為糙率，取0.025；i 為明渠縱坡，荊山河兩側(cè)水位差約0.8～1.0m，明渠長度2200m，為最大限度發(fā)揮輸水明渠的輸水潛能同時不增加土方開挖量，渠道縱坡確定為1/3000。

由于明渠主要沿荊山河原河道的深泓線開挖，土質(zhì)大部分為淤泥質(zhì)土和粉砂，根據(jù)河道現(xiàn)狀地形高程確定渠道開挖深度2.2～3.5m，為保證邊坡穩(wěn)定，擬定的渠道邊坡為1:3。

當(dāng)渠道水深為1.2m，渠道底寬為2.0m 時，根據(jù)式（1），明渠的過水流量為3.4m3/s，滿足設(shè)計引水流量要求，這時渠道流速為0.51m/s，粉砂不沖流速為0.7m/s～0.8m/s[3]，滿足不沖不淤要求。

根據(jù)實(shí)地測量，荊山河在東莞河口處的水位4.5～5.0m，按最不利水位4.5m 設(shè)計，渠道進(jìn)口處渠底高程為3.3m。

根據(jù)以上計算，擬定的引水明渠縱橫斷面為：明渠縱坡1/3000，渠道底寬2m，渠道邊坡1:3，渠道進(jìn)口處渠底高程度3.3m，出口處渠底高程度2.7m。

3.3 穿路涵設(shè)計

根據(jù)前面的分析比較，荊山河段明渠穿越鄉(xiāng)村道路時需設(shè)鋼筋混凝土涵管。穿路涵的孔徑取決于設(shè)計流量和上下游的水位差。根據(jù)地形條件擬采用平涵方案，當(dāng)采用平涵方案時，應(yīng)將涵管盡可能低埋，使涵管滿足有壓出流條件，也就是其涵洞前水深超過涵洞高度的1.5倍，這樣穿路涵在通過設(shè)計流量時，涵洞屬有壓淹沒出流，其過流能力按下式計算[4]：

式中：m1為壓力流時的流量系數(shù)，按式（4）計算；A 為涵洞過水?dāng)嗝娣e，m2；z 為涵洞上下游水位差，m；L 為涵洞長度，m。

涵洞的上下游水位差控制在0.1m，洞底高程1.5m，選用直徑1.2m 的鋼筋混凝土圓管，管頂高程2.7m，過路涵兩側(cè)填土邊坡1:2，涵洞總長度為38m，根據(jù)式（3）計算，單根涵管過水流量為1.1m3/s，因此確定需要埋設(shè)3 根涵管。

4 結(jié)論

青弋江下游區(qū)域地形平坦，水系密布，水文條件復(fù)雜，一般情況下無水資源短缺問題，但因青弋江分洪道工程施工造成灣沚區(qū)枯水期臨時性水資源短缺，本文從枯水期臨時引水方案的角度出發(fā)，探討了一種適合青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)的引水方案。通過不同引水線路和不同輸水方式對比分析，確定借道東莞河、荊山河的引水線路，考慮引水工程建設(shè)投資、工程影響和維護(hù)要求等因數(shù)，荊山河段推薦采用疏挖明渠輸水方案。通過對引水河道的過流能力和抗沖能力進(jìn)行復(fù)核分析和相關(guān)工程設(shè)計，為十甲任節(jié)制閘施工期灣沚區(qū)供水提供了安全保障，也為青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)枯水期臨時引水工程實(shí)踐提供參考借鑒。