加拿大卡爾加里弓河堰改造項目研究

1 工程背景

弓河堰工程位于靠近加拿大卡爾加里市的英格伍德區內，是創造性工程的典范。

1908 年，加拿大太平洋鐵路公司修建了西灌區渠首工程，目的是從弓河引水至卡爾加里東部的半干旱地區。直至今天，該工程在周圍區域發展過程中仍起著關鍵作用，引來的水仍用于灌溉和牲畜飼養。

位于弓河上的原始渠首工程是用木料建造的，于1924 年被鋼筋混凝土結構所替代。1975 年，渠首工程再次改造，包括以下幾個部分:①一座從弓河引水到西部灌區的渠首閘門結構;②一座長152.4 m，高2.6 m 的反弧形溢流堰(即卡爾加里堰);③一座位于溢流堰附近，用于秋、冬季節從弓河引水的泄水道結構;④一座位于河流左岸、溢流堰北端的垂直槽魚道。

卡爾加里以東的卡爾加里－弓河渠首與比斯帕瓦(Bearspaw)壩之間的河段長100 km。卡爾加里堰是船只和魚類通過該河段的唯一障礙。雖然1975 年將一座魚道并入堰內，但建筑物上下游魚類種群之間存在差異。各種跡象表明，寬1.5 m的垂直槽魚道并不能幫助魚類成功地進入上游寬180 m的河流中去。

從1975 年起，超過20 人在卡爾加里堰溺水身亡。該堰具有一種危險的反弧形堰面曲線，這種堰面產生了淹沒旋滾或循環水躍，以降低水體能量和下游水流流速。一旦有人越過此堰，就難以從這種循環水躍中游出。

修建卡爾加里弓河堰工程的初衷是重建河堰，以消除極端溺水危害。在維持西部渠首樞紐工程主要功能(從弓河引水到西部灌區)的同時，還必須使非機動船和魚類順利通過該河段。為此，不能拆除該堰，只能進行改造。此外，改造不會增高洪水期該堰上游的河流水位。

卡爾加里帕克斯基金會(PFC)是個非盈利組織，致力于保護河谷、支持體育運動等。該組織也對此項目的規劃、愿景及籌款有所幫助。

PFC 委托用替代的設計理念來改造該河堰。概念設計研究結果表明，全寬人造急流從技術上可行，且具有以下明顯的效益:①增加安全性和適航性;②改善過魚條件條件及棲息地;③減少艾伯塔省環境安全措施費用;④減少卡爾加里市消防部門水生物救援單位的成本;⑤提供新的急流泛舟娛樂機會;⑥增加卡爾加里以及周邊地區的旅游人數，創造了經濟效益;⑦增強美感;⑧創造河流、環境以及工程方面的教育機遇。

高達集團(Golder Associates)聯合水利咨詢公司和娛樂工程規劃公司承擔了初步設計任務。為進一步發展全寬急流的概念，進行物理模型試驗研究，來確定水力安全性能及灌溉引水能力，并評價非機動船通道和魚道。同時對項目配置提供專家意見，強調急流泛舟娛樂設施設計。物理模型研究結果有助于現有建筑物的最終設計和修改。2006 年，3 家公司受聘承擔了該項目最終的規劃、設計和建造任務。

2 建設過程

在該堰下游修建跌水建筑物，以提高安全度，并使船只順利通過該河段。構建一個水池和淺灘序列，以抬升堰下游的水位。水流越過堰，從一個循環水躍到更低的能量駐波，水力特性發生改變。此外，淺灘的幾何形狀設計主要是為皮劃艇項目提供急流泛舟的游樂區域，得到了卡爾加里市娛樂場所安全度提升的額外獎金。

在緊靠堰的下游修建了兩條渠道。河道右側的低水渠(LWC)包括6 個澆注混凝土的巨礫跌水建筑物和5 座構建的水池，來為急流泛舟新手提供通向下游的傍通渠道。該渠道由泛舟者定為Ⅱ級急流險灘。坐落于河流左岸中心和左側的高水渠(HWC)則包括5 個澆注混凝土的巨礫跌水建筑物和3 座構建的水池。HWC 為有經驗的劃船者提供急流泛舟游樂區域(Ⅲ級急流險灘)。還修建了一座為鳥類提供棲息和為劃船者提供避難的島嶼，將LWC 和HWC 分隔開。

增強過魚能力包括在現有堰體中切割而成的缺口，以便在流量較小時易于過船和過魚，且可在LWC 和HWC 中跌水建筑物巨礫混凝土表面形成低流速過魚通道。垂直槽魚道邊墻也向下游延伸60 m，以限制該堰下游的水池。

島嶼及巨礫混凝土跌水建筑物的外形相對較低，當河流水位超過2 a 一遇洪水事件的水位時，可設計成漫頂溢流;這將確保卡爾加里城區內堰上游的洪水水位不會因堰改造而增加。

3 水力學模型實驗

該項目水力設計采用了以下模型:①1∶50 的整體物理模型;②1∶15/1∶22 的水槽物理模型;③1∶12的分段物理模型;④二維的數字計算機模型;以評估整體性能，包括工程水力學(水位、流速、水流流態、泄洪及灌溉引水輸送)和跌水建筑物水力學(流速、水流流態、過魚性狀、泛舟涌波及沖刷潛力)。

在艾伯塔省埃德蒙頓(Edmonton)和艾伯塔大學的水力實驗室分別進行了物理模型試驗。整個工程的整體物理模型建造比例為1∶50。該模型復制了一段長850 m 的弓河河段，包括現有堰上游350 m和下游500 m 的河段。還復制了現有堰、渠首閘門建筑物，泄水和河道水下地形的所有永久部分。

該模型用來驗證和比較項目前、后期河道從44 m3的小流量和遇超過百年一遇洪水2 750 m3流量時的各種工況。除整體模型以外，還制作了LWC 跌水建筑物水槽模型(1∶15)和HWC 跌水建筑物水流槽模型(1∶22 和1∶12)。這些模型提供了更多跌水建筑物的水力性能細節，并能重演各種河流流量，從44 m3/s 的小流量到5 a 一遇的洪水流量725 m3/s。

整體物理模型中復制的水力設計構成為跌水建筑物、水池和島嶼尺寸、幾何形狀和位置奠定了基礎。全面數字化地形模型有助于得出施工圖紙、工程數量和施工布局。

4 關注自然環境

項目設計的目的之一是改造堰，使其與弓河周圍的自然環境相協調。這就需要利用卵石、礫石等天然建筑材料，如等效球形直徑1 m(1.4 t)～1.8 m(8 t)的巨礫。在傳統的水工結構設計中，通常采用鋼筋混凝土、結構鋼和/或鋼板樁等材料，然而實際上還應在LWC 和HWC 跌水建筑物的設計中考慮:①相當紊動水力環境下連續和變化的水流;②變化的示差水頭;③冰的作用/影響;④頻繁的凍/融和濕/干循環。

為融入當地自然環境并加快施工步伐，跌水建筑物的設計中引入了大卵石，采用在巨礫之間的空隙中填筑宏面合成纖維增強混凝土的方法，使巨礫結合成整體，以保持結構的整體性，使結構非常堅固，成本效益高，基礎準備工作量最小。與傳統的鋼筋混凝土水工建筑物相比，施工速度快，水的需求小，且施工對水生生態環境的影響較小。由于允許行人赤腳走在建筑物表面，因此不能運用傳統的鋼纖維進行加固。

同時澆注混凝土巨礫結構更加接近弓河的天然淺灘。采用塑料纖維增強措施，以增加混凝土的抗拉強度，減少溫度裂縫，可明顯加快施工進度。

5 結 語

2008 年12 月，該工程開始施工，2011 年4 月30日完工。從2011 年5 月開始，一直在進行性能測試。卡爾加里弓河堰的成功轉型，不僅提高了其安全性和過魚能力，還為大眾提供了一項新的娛樂設施。

因在水資源利用、能源生產和社會發展作出的貢獻，該工程已獲艾伯塔省咨詢工程公司所授予的兩項優秀獎，并有望獲“加拿大咨詢工程師公司獎”。