淺談鬧德海水庫庫區(qū)沉砂堰方案的選擇

王 鑫

（遼寧省鬧德海水庫管理局 遼寧 阜新 123000）

鬧德海水庫位于遼寧省彰武縣滿堂紅鄉(xiāng)，距阜新100km，一座防洪滯沙、農(nóng)田灌溉、工業(yè)供水等綜合利用的大（2）型水庫，是柳河上僅有的一座已建大型控制性工程。水庫樞紐工程由溢流壩段、排沙中孔、擋水壩段、輸水洞和底孔等建筑物組成。水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，千年校核。設(shè)計(jì)庫容為1.339億m3；校核庫容為2.17億m3。水庫工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。水庫現(xiàn)向阜新提供城市和生活用水，日供水10萬t。

由于阜新地區(qū)水資源極度匱乏，嚴(yán)重制約了阜新市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，隨著城市供水需求的增加，對(duì)鬧德海水庫的興利蓄水效益也提出了更迫切的要求。根據(jù)鬧德海水庫除險(xiǎn)加固工程計(jì)劃安排，2008年3月～8月，將進(jìn)行大壩壩前泄水孔加固工程施工。施工期間需要放空水庫，修筑3.5m高的圍堰擋水，造成輸水洞無法正常啟用放水，施工期間河道水質(zhì)超標(biāo)，滿足不了施工期繼續(xù)向阜新市城市用水的需要，因此急需解決施工期間鬧德海水庫向阜新市供水的實(shí)際難題以保證施工期繼續(xù)供水。

鬧德海水庫為河道型水庫，位于柳河上游，為多泥沙河流，施工期間河道來水濁度均大于500NTU，無法滿足自來水處理廠要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要在水庫放空時(shí)段內(nèi)，在大壩上游修建一座既透水又?jǐn)r砂的臨時(shí)沉砂堰來沉淀河水，降低下游取水的濁度。從壩前修筑的施工圍堰里取水，通過壩后自來水公司幅流沉砂池沉淀后供應(yīng)的方式供給阜新市用水，為水庫除險(xiǎn)加固期間滿足阜新市工農(nóng)業(yè)用水需要提供技術(shù)支持。

1 沉砂堰方案的選定

選擇沉砂堰方案前，水庫在養(yǎng)畜牧河三家子水文站做了一次堰前安裝滲水管濾沙取水的方案現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濾水管濾水時(shí)間的增加，濾水水質(zhì)效果也將增加，濁度變化非常明顯；但濾水流量隨著時(shí)間增加逐步減小，濾水水質(zhì)效果與濾水流量成反比例關(guān)系。采用塑料濾水管外包土工布或?yàn)V布時(shí)，極易在濾布內(nèi)部產(chǎn)生淤堵和表面產(chǎn)生濾餅，最終將出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，無法滿足施工期工程正常濾水的要求。

通過一年多的前期工作和各種方案比較，最終認(rèn)為采取冬季冰上沉排方案很合適，既能降低沉砂堰工程的投資，又能保證冬季施工，3月初放空水庫時(shí)立即投入使用。

堰高暫時(shí)按3m高設(shè)計(jì)。待水庫放空后，視上游來水含砂量大小和沉砂堰沉砂運(yùn)行效果情況，再加高或加厚。

2 沉砂堰軸線的選定

鬧德海水庫壩前4km以內(nèi)為V型河谷，水流進(jìn)入河谷段后流速加劇，大量泥沙隨水流帶至壩下，致使壩下取水濁度得不到保證。因此，在河谷段內(nèi)修堰攔河沉砂最好。通過現(xiàn)場查勘和各勘測斷面比較，選擇C4斷面稍向上游為宜。此處河谷狹窄，堰軸線短，工程量小；右岸施工場地平坦，對(duì)外交通方便；距大壩3km左右，距離較合適。

3 堰體結(jié)構(gòu)型式

沉砂堰為冬季冰上沉排。堰高3m、頂寬2.7m、上游坡比1∶1、下游坡比1∶2。堰內(nèi)部用30cm厚柴排和40cm厚石籠依次分層相疊，堰表面上下游和頂面鋪一層30cm厚整體表面石籠。堰底部鋪一層30cm厚底部石籠，其上下游分別再向堰上下游坡腳外延4m長，以便堰體沉向河床時(shí)，將河床淤積物擠壓出堰底，增大堰底部摩擦力。另外，為防止堰基淘刷，在堰上下游坡腳處采用石籠護(hù)腳。

為使水流向堰頂中間集中，堰頂中間為水平段，長度等于堰長的一半；兩側(cè)向岸邊上傾斜，坡比為1∶2.5。

石籠：用12＃鉛絲編織，網(wǎng)眼大約為10cm～12cm。石籠內(nèi)塊石粒徑不小于15cm。

柴排：先用14＃鉛絲將柳條（或其他樹條）按間距20cm綁扎而形成的直徑15cm左右梢龍，再將梢龍用10＃鉛絲扎成1m見方十字格，梢龍中間充填秸稈和少量土體并壓實(shí)。石籠和柴排之間在柳條結(jié)點(diǎn)處用8＃鉛絲從頂至底豎向連接，以使整個(gè)沉砂堰成為一個(gè)整體。堰體下游兩側(cè)岸邊采用石籠護(hù)腳，增加堰體穩(wěn)定。

4 穩(wěn)定計(jì)算

本沉砂堰結(jié)構(gòu)近似于堆石壩，按堆石壩校核其抗滑穩(wěn)定，計(jì)算方法與重力壩相同。

按沉砂堰上游水位與堰高相同時(shí)的最不利情況進(jìn)行穩(wěn)定校核；同時(shí)考慮堰頂過流時(shí)對(duì)堰體的沖擊力，將安全系數(shù)適當(dāng)擴(kuò)大。

按抗剪公式計(jì)算。同時(shí)，考慮粘滯力的影響。

式中，k——抗剪安全穩(wěn)定系數(shù)。《水利水電施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定不小于1.05。

f——抗剪摩擦系數(shù)。因考慮原河床為巖石，且表面淤積不會(huì)太深，加之堰體底部石籠的擠壓排淤，f取0.4。

∑W——作用于基礎(chǔ)截面的總垂直力。包括堰體石籠、柴排、護(hù)腳重量和上游坡面水壓重。

因?yàn)檠唧w透水，為安全考慮，石籠和柴排的重量按浮容重計(jì)算。

CA——作用于基礎(chǔ)截面的粘滯力。C取0.05。

∑P——作用于基礎(chǔ)截面以上的總水平推力。即上游坡水推力。

計(jì)算結(jié)果：k＝1.27，滿足規(guī)范要求。

5 施工方法

鬧德海攔砂堰借鑒冰上沉排護(hù)岸的經(jīng)驗(yàn)，采取冬季冰上沉排的施工方法。

12月末1月初左右，待庫區(qū)冰面凍結(jié)達(dá)0.5m以上時(shí)，在堰軸線冰面上，用編織袋土按勘測地形堆砌出攔砂堰河床地形土膜，人工冰上砌筑堰體。柴排中間秸稈要壓緊并填土后灑水凍實(shí)，使柴排成為整體。

待堰體下沉前，在堰上下游邊線處，用手風(fēng)鉆每隔1m間距打孔，形成鉆透冰層的孔，使堰體靠自重隨冰層一起緩慢沉入水中。堰體向下沉降時(shí)，其兩岸用132kW推土機(jī)牽引捆綁連接在兩堰頭的鋼絲繩，調(diào)整、緩沖沉降方向和速度。

為防止沉下去的堰體隨下部冰塊下滑，在堰體下部冰面縱、橫向分別隔5m間距鉆孔、裝藥，堰體下沉前爆破破冰（具體設(shè)計(jì)另做），使冰面在下沉?xí)r斷裂、擠壓，防止堰體整體向下滑動(dòng)。

6 效益分析

在水庫加固施工期，水庫放空2008年3月至2008年8月時(shí)間內(nèi)，保證阜新市城市生活用水，供水能力按2007年供水能力為5萬m3/d；可供水1375萬m3，按現(xiàn)行水價(jià)，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益726萬元。

阜新地區(qū)是水資源十分緊缺的地區(qū)，在加固施工期間保證阜新市的生活用水，可增強(qiáng)阜新市的供水安全。換算成工業(yè)增產(chǎn)值：阜新市的相應(yīng)指標(biāo)為93元/m3，1370萬m3工業(yè)供水的工業(yè)產(chǎn)值為147069萬元。

鬧德海水庫自1942年建成以來，至今已經(jīng)運(yùn)行了57年，沒有考慮下放生態(tài)流量，在本次加固期除去保證阜新城市供水任務(wù)同時(shí),對(duì)多余水量可以保證下游河道生態(tài)基流，在一定程度上改善柳河下游河道的生態(tài)環(huán)境。陜西水利

[1]朱鑒遠(yuǎn).水利水電工程泥沙設(shè)計(jì)[M].北京：中國水利水電出版社.2010-11-01。

[2]山西省水利科學(xué)研究所.禹門口沉沙池水工泥沙模型試驗(yàn)研究報(bào)告 (第二階段)［R］.1986.9.