美國埃爾克黑德水庫擴容與魚類保護

[美] R.D.坦尼 M.R.梅

蘇 燕 譯自英刊《水電與大壩》2009年第4期

很多機構正努力恢復科羅拉多河水系特別是揚帕河中的 4種瀕危魚類:科羅拉多鯉魚(Colorado Pikeminnow)、剃刀背臙脂魚 (Razorback Sucker)、鯖魚(Bonytail)和駝背白鮭(Humpback Chub)。為保證揚帕河流量,使本地魚類受益,重點是要保持基流,防止其減小太多。揚帕河的春季高峰流量,雖然在量級與歷時方面仍相對“自然”,但由于灌溉用水,基流仍然會降低到不利于本地魚類的程度。水庫擴容將為枯水年份提供臨界水流,以補充揚帕河的低流量,幫助恢復上述本地魚類種群。眾多供垂釣的非本地魚種可能游出水庫而與上述本地魚競爭,從而影響到恢復本地魚棲息地的工作。擴容后的水庫也將為其他工程伙伴提供更多的水源,滿足克雷格市(飲用水)和克雷格發電廠(燃煤電廠冷卻水)的用水需求及其未來的用水需要。

1 背 景

揚帕河支流埃爾克黑德河上的原水庫,建于 20世紀 60年代,由科羅拉多州野生動物局設計規劃,用作休閑和養魚,庫容為616萬 m3。揚帕河自東向西流經科羅拉多州的西北角,是科羅拉多河的支流。大壩位于科羅拉多州莫弗特(Moffat)和魯特(Route)縣境內,距克雷格市東北約 16 km。

隨著水庫擴容的計劃變得越來越重要,克雷格燃煤電廠的開發商也開始規劃其供水需求?？死赘耠娬镜靡栽诎柨撕诘滤畮鞌U容工程中得到改造,除原用于休閑與養魚外還滿足了其供水需求,這促成了最初的合作。

因為克雷格電站僅在缺水條件下依賴埃爾克黑德水庫的蓄水,因此這種合作實際上大大增加了水庫用于休閑的機會。

1991年,水庫附近的大多數克雷格市居民購買了野生動物局持有的水庫股份,以支持市政供水系統。由于科羅拉多州野生動物局早期修建的休閑設施比較簡陋,因此克雷格市希望對其進行改造。于是,該市將水庫納入科羅拉多國家公園的揚帕河國家公園系統,從而獲得資金用于改造重要的休閑設施,并由科羅拉多國家公園進行管理和運營。

20世紀 80年代中期,為改善該市的市政供水,克雷格市和科羅拉多州政府研究了埃爾克黑德水庫擴容的可能性,克雷格市購買了科羅拉多州野生動物局的股份,在不進行水庫改造的情況下滿足了該市的供水需求。但是,面對這座日益老化的大壩建筑物,該市必須維修原有出水口工程、改造溢洪道并處理大壩右壩肩的滲漏。改造所需費用預計超過100萬美元。而且,為保證原水庫不會放空,科羅拉多野生動物局在庫底以上10.6m處修建了出水口工程,將其購買的自流庫容690萬 m3限制到209萬m3。

原壩為土壩,高24.4m,有一個垂直柱狀排水系統和一個直徑91.4 cm的單層出水口,離水庫底部約10.6 m。一座浴缸形的混凝土溢洪道,按其規模可下泄一半的可能最大洪水。原大壩施工包括一條至基巖的混凝土溝,但不包括灌漿帷幕。

表1示出了埃爾克黑德擴建工程的主要特征。

表1 埃爾克黑德擴建工程主要特征

2 新壩和附屬工程

新壩為分區土壩,高 32 m。2005～2006年,對該壩進行了加高,以增加庫容,更新設施,為揚帕河瀕危魚類供水。改造工程主要特性如下:

(1)大壩加高7.6m,水面上升 6 m,庫容擴大約 1倍;

(2)基礎灌漿;

(3)一個鋪蓋和趾部排水系統,以收集和管理滲漏,一臺新儀表;

(4)兩圈迷宮型溢洪道,超高為0.3m,用于通過流速約 821 m3/s的可能最大洪水;

(5)新開挖的出水口工程,帶有集魚柵網,包括一個高 29m的多閘門進水口塔、直徑為 61 cm和183 cm的鋼襯出水口管道、一個帶有 107 cm固定錐形閥和 46 cm射流閘門的控制室;

(6)改造受影響的縣級公路,包括加高低于庫水位以下的道路,重新規劃受工程影響的道路;

(7)科羅拉多國家公園新配套設施,包括新的混凝土船用坡道、滑雪灘區、野營地和有關設施;

(8)改良水庫周邊 4個區域的濕地,改良面積約15 hm2;

(9)出水口工程魚柵網首次在落基山地區得到大規模應用,所有的閘門都設置有柵網。

2.1 灌漿帷幕

埃爾克黑德壩建于強度不同的砂巖和頁巖基巖上。壩基處布置 2排防滲灌漿帷幕用以減少滲漏。在山谷底部,通過鉆穿山谷底部的沖積層,進行灌漿帷幕的施工并通過套管灌漿。

在壩肩上和山谷底部以上的土壩基礎部分,通過澆筑到堅固基巖上的混凝土灌漿帽進行灌漿帷幕的施工。灌漿帽使灌漿密封良好。將灌漿“嘴”鉆進到灌漿帽,并通過它們進行灌漿。

在灌漿帷幕施工過程中,依次進行鉆孔,栓塞滲漏試驗,然后進行灌漿。在測量到的不符合要求的漏水區域,對驗證孔灌漿,并鉆探和測試附加的驗證孔。自原壩施工以來,右壩肩出現漏水,于是將灌漿孔的間距加密到0.6m。

2.2 溢洪道

溢洪道設計有一個陡堰(約 80°),在設計流量時,略超過堰墻高度的 80%。在仔細考慮了溢洪道墻布置的性能之后,采用該設計,使施工費用最少。美國內務部和墾務局建議根據最新研究和模型試驗的結果來布置迷宮式溢洪道墻。

為使混凝土施工量最小,選擇了迷宮式溢洪道,因為溢洪道的斜坡下游相當陡,足以使水流能在比常規溢洪道堰頂窄得多的斷面內通過。

溢洪道斜槽底部的消力池能通過一半的可能最大洪水。由于歷史的原因形成了臺地,臺地之間是山谷地形,對其下游容量的評估表明,在流量超出一半可能最大洪水時,該山谷將嚴重被淹,并進行消能。

2.3 出水口工程和進水塔

出水口工程包括水庫中的一個進水口塔,不同高程有多扇閘門,包括在水庫底部的兩個進水口。進水塔通過一條在基巖中開挖的長154m的隧洞與下游控制室相連。隧洞內布設了直徑分別為 183 cm和 61 cm的兩條鋼管,并用長 30cm一段的常規混凝土在上下游端回填。混凝土回填采用二次灌漿法。至今,該隧洞沒有發現滲漏。

進水塔在水庫底部以上的不同高程處有 2個直徑 122.0cm的進(出)水口,一個位于水庫底部的直徑152.4 cm的進水口,一個與隧洞中的鋼管連接的直徑182.9 cm的出水口。所有的進水口和出水口都受帶不銹鋼葉片的鋼制刀形閘門的控制。這些閘門由在水庫可能最大洪水高程以上設置的進水塔中的升桿致動器操作。

除了 122.0cm和152.4 cm的進水塔外,進水口建筑物還包括一個直徑 61 cm、從塔穿過的鋼管,在水庫中有其獨立的進水口。這使得出水口工程的泄水能力量高達2.1 m3/s,當塔排干時,可進行檢查和維護。由于埃爾克黑德河的流量和任何預期的輸水往往低于該流量,為此大部分時間將使用直徑 61 cm的出水口。

該出水口的排水可由一個監控與數據采集系統(SCADA)操作,若要調整較大出水口處的泄水,則需在大壩處操作。在泄水期間,同時操作大、小管道,經過篩網,通過約 16m3/s的流量。水庫擴建后,當徑流為19.3～61.6 m3/s時,那些沒有經過篩網的水通過溢洪道下泄。

水庫泄洪每年持續約 6周,在泄洪期間,供垂釣的外來魚種仍能通過溢洪道游離水庫。

從壩頂通過一座長58.8m、水泥橋面寬0.3m的凈跨鋼“空間桁架”橋梁,可到達進水塔?？臻g桁架設計可提供一個凈跨結構,以在需要移除刀形閘門時起到支撐維修車輛或刀形閘門載荷的作用。塔的建筑物結構包括一個單軌,除不能起吊整套最大刀形閘門以外,可起吊所有其他單部件。183 cm的最大刀形閘門需要在塔中拆卸為 3件,才能起吊。

3 魚類保護

該工程包括一個出水口工程,水庫中的進水塔有多扇不同高程的進水閘門。水庫中有供垂釣的外來魚,據了解,這些魚游離水庫與聯邦政府列出的揚帕河中的瀕危魚類相競爭。但是,水庫的垂釣用途也很重要,因此,對于魚類恢復計劃,要維持河流生態系統管理以恢復瀕危魚類和保護其他野生生物價值之間的平衡。

為了將外來垂釣魚種(如小口鱸魚、刺蓋太陽魚和白斑狗魚)留在水庫中,防止它們侵入揚帕河下游受保護魚類的棲息地,所有的進水塔均安裝魚篩網。進水口由安裝在塔內側的刀形閘門控制,以便于魚篩網安裝在每個閘門開口的外側。

魚篩網為不銹鋼楔形絲篩網(鼓形篩網),網孔0.6 cm,篩網直徑 69～213 cm,配備有一個空氣反沖洗系統。在迷宮式溢洪道進口渠處也安裝了錨,用來栓魚網,以防止外來魚游過溢洪道進入埃爾克黑德河下游。

魚篩網配備一個反沖洗系統,由篩網兩邊的水頭差驅動。該魚篩網通過壓頭損失和反沖洗循環監測,當需要時,通過 SCADA遠程起動。由 2臺醫用壓縮機提供反沖洗空氣,向 2個空氣罐充氣。醫用壓縮機用于減少壓縮機穿越水庫的噪聲?？諝夥礇_洗的順序是打開代用閘門,保持水流通過,關閉篩網需要反沖洗的閘門,然后進行氣爆。氣爆完成后,重新打開該閘門,并關閉代用閘門。接下來是測量水頭差,如有必要,重復以上過程。若反沖洗失敗或未能達到要求的水頭差,SCADA會向克雷格市水處理設施的運行人員報告?？諝夥礇_洗系統有多個冗余,采用多個空氣罐、壓縮機和輔助發電機,需要時,它們會自動接入。

在塔外側安裝鼓形篩網,以便于在塔內側安裝刀形閘門。之所以選用刀形閘門,是因為它們可用必要的抬升水頭從水庫外側密封。這些刀形閘門的性能良好,能按要求密封。在塔內側安裝刀形閘門,便于檢修,它還將有助于閘門桿免受冬季水庫冰蓋力的影響。

為大壩安全起見,水庫底部出水口處的魚篩網必須是可移動的。為了滿足水庫泄降水位與放空的調節要求,在任何情況下,下部出口必須暢通。該出水口上0.6 cm網孔是存在的又一安全隱患,如果空氣反沖洗系統失效或者諸如塑料袋之類的漂浮物將篩網堵塞,便不能確保在緊急情況下降低或泄降水庫?？諝夥礇_洗系統的冗余并不能解除這一隱患。

在施工期間,修改了塔的設計,以容納一臺特殊裝置的起重機,用于安裝水庫底部 152 cm的主閘門上的篩網。之所以選擇這種起重機是因為在反沖洗期間,篩網只需要移動約2.13m閘門的開口間隙。152 cm的閘門有一個固定在塔表面的不銹鋼軌道上的直徑 213 cm的鼓形篩網。如果需要從閘門開口取下魚篩網,則需將水庫放空,閘門支撐環上配備有扁鋼攔污柵,柵孔為7.6 cm×15.2 cm,以防下游106.6 cm的固定錐形閥夾帶渣滓。

為給魚篩網的控制裝置提供空間,該出水塔建筑物必須加高 1 m。在施工圖設計過程中,施工方對此進行了必要的調整,工程師小組、承包商和供貨商的合作也確保了工程的順利實施。

4 挑 戰

4.1 庫水位的管理

在施工期間,對徑流進行管理,維持最低庫水位,以保護水庫中的魚類。管理庫水位、維持下游流量與過流是面臨的兩個最重要挑戰。這些要求和有關的挑戰體現在整個施工過程中。此外,必須保護埃爾克黑德水庫的外來魚種。通過水庫的水流采用不同的方法過篩,以將魚留在水庫中。在施工期間,必須保持低庫水位,以保護水庫中的魚種。

為維持水庫和下游河道的流量,同時不讓外來魚種游入,采用了各種引水和水管理技術。施工過程中,在 2個徑流季節運行老設施,然后過渡到新設施,并拆除老設施。針對引水工程的每一個階段,修建了臨時和永久的魚篩網。整個工程的大多數規劃都考慮了庫水位。

2個施工季的春季徑流峰值為33.6m3/s。原出水口工程只能通過18.3m3/s的流量。新的出水口設施在第2年建成后,與原出水口工程和溢洪道一起用于引水。當庫水位在第1年下降到原出水口工程底板高程以下時,采用了虹吸管系統進一步泄降庫水位。

4.2 施工順序與工期限制

有關各方耗時多年才就埃爾克黑德工程達成協議,并促成施工。根據要求,工程必須在 2 a內完工。工地高程在 1828m以上,施工季節短,每年的施工時間通常為 4月或 5月一直到 10月或 11月。在徑流結束和冬季來臨之間,也有一段短時間,徑流通常在 6月或 7月衰減,冬季通常在 10月或 11月開始。解決方案是制定一個詳細的施工順序,充分考慮天氣狀況,尋找積極主動的施工承包商,以及利用周末和假日趕工。有些活動按計劃進行,但有些活動卻因天氣原因而不能順利開展,因此,必須充分利用非工作日和在 2005年及 2006年冬季停工期的這段時間。2006年 12月,工程基本完工。

4.3 閘門防護

該項目保證了閘門耐久,不易受腐蝕。

由于魚篩網不銹鋼表面、刀形閘門圓盤、刀形閘門體和塔鋼筋的碳鋼中產生電位差或電壓,因此需要對碳鋼刀形閘門體進行陰極保護。而通過安裝 315 kg犧牲陽極減輕了腐蝕。定期監測殘壓和陽極。

4.4 大壩壩趾處的開挖

壩體包括一個開挖到原大壩下游基巖的新的心墻槽。心墻槽和壩趾施工必須完成,同時維持水深約9.14m的最低庫水位,以保護水庫中的魚類。在開挖施工期間,水庫水深實際上約為18.3 m。在開挖、基礎準備和回填澆筑期間,為避免原壩體失穩,將以約30.5m寬的“板塊”逐步開挖。

4.5 大壩基礎條件

大壩基礎含有許多無法預知的材料,包括煤、破碎基巖和某些很軟的材料。清除了基礎中的主要煤層,當基礎開挖進一步加深時,便需加固壩體。右(西)壩肩有破碎的基巖,因而產生了各種滲漏。通過基礎灌漿程序對此進行了處理。在左(東)壩肩基礎開挖期間,遇到了某些非常軟的材料,包括有機材料和直徑為幾厘米的樹枝。調整開挖并作基礎處理,挖除軟材料,在澆筑覆蓋材料之前,在陡的、潛在的不穩定開挖中采用機器對基礎進行了清理。

4.6 進水塔的開挖

在靠近現有水庫的進水塔的施工中,需開挖18.3 m深的巖層,而進水塔引渠的施工,則需要開挖長約45.7m的巖層。為了保護水庫中的魚類,要求水庫最小水深約為9.1m。

制訂了詳細的施工工序。2006年春季徑流減小后,在基巖和水下完成了一條長 45.7 m和深10.6 m以上的進水塔引渠,為此承包商采用了各種施工方法,包括長臂挖掘機和臨時板樁。

5 結 語

魚篩網已經發揮了應有的功能,經過出水口工程的流量為16m3/s,沒有發生機械或操作事故。這些篩網只安裝在水庫的閘控出水口處,溢洪道上并沒有安裝,因此,當每年的融雪徑流超過安裝有篩網的出水口工程的容量時,水庫中的外來魚仍能逃出水庫。從揚帕河遷移的、打有標簽并被投進埃爾克黑德水庫的某些外來魚,可能已通過溢洪道逃逸。這是預料之中的,但如果逃逸魚的數量很大,則可能必須在溢洪道上設置篩網。

過篩網的設計行近流速超過了防止魚撞擊的正常值,因為水庫中外來魚的受傷不致釀成大問題,一定的死亡率是可以接受的。

通過監測篩網的水頭損失來確定何時必須進行反沖洗。篩網可運行很長時間(數周),而不必反沖洗,表明篩網不易受堵塞的影響。當用空氣反沖洗篩網時,可以觀察到魚的死亡數(通過漂浮的死魚進行觀測)。某些魚的死亡率是可接受的,以達到圍堵和降低魚篩網安裝費用的目的。

施工期間遇到了幾項挑戰,其中有正常的挑戰(例如,工期、引水和放水問題),也有特殊的挑戰,然而通過業主、承包商和工程師小組之間的有效合作,所有問題已成功解決。工程在預算內按期完工,改造了設施,擴大了庫容,并使多方受益。

遇到并克服了與陽極保護的翻新和 SCADA編程有關的某些挑戰。篩網出水口工程的運行經驗令人滿意,大壩功能符合設計要求,滲漏小,多種魚類得到保護,出水口工程使大壩運行更加靈活。將來,埃爾克黑德地區的蓄水需求可能增加,隨著時間的推移,為有效利用揚帕河下游河水,埃爾克黑德水庫將會變得越來越重要。