梨園河引水樞紐除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案選擇

楊金華

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

1 工程概況

梨園河為黑河最大的支流，年徑流量2.36億m3。臨澤縣梨園河引水樞紐位于甘肅省張掖市臨澤縣倪家營(yíng)鎮(zhèn)政府以南3km的梨園河出山口處。工程始建于1953年，布置型式為古老的印度式有壩引水樞紐工程，設(shè)計(jì)灌溉面積32.14萬(wàn)畝，實(shí)際灌溉面積30.66萬(wàn)畝，擔(dān)負(fù)著臨澤縣新華鎮(zhèn)、倪家營(yíng)鎮(zhèn)、小屯鄉(xiāng)、沙河鎮(zhèn)及臨澤農(nóng)場(chǎng)、臨澤牛場(chǎng)和張掖市甘州區(qū)的甘浚鎮(zhèn)等共計(jì)41個(gè)行政村、兩個(gè)農(nóng)牧場(chǎng)的灌溉任務(wù)，樞紐位置十分重要。梨園河引水樞紐工程主要建筑物包括溢流壩及其兩側(cè)的東、西干渠進(jìn)水閘和沖沙閘。

溢流壩：溢流壩位于東西干渠沖沙閘之間，為漿砌石砌筑，壩長(zhǎng)30m，高3.5m，為WES曲線(xiàn)型實(shí)用堰，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

進(jìn)水閘：東干渠進(jìn)水閘位于溢流壩右側(cè)，共3孔，孔口尺寸2.25m×1.2m。

西干渠進(jìn)水閘位于溢流壩左側(cè)，共設(shè)4孔，孔口尺寸2.25m×1.2m。進(jìn)水閘安裝平板鋼閘門(mén)及螺桿式啟閉機(jī)。

沖沙閘：沖沙閘兩岸分設(shè)3孔，東干渠1孔，西干渠2孔。

梨園河引水樞紐2008年列入《全國(guó)大中型病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》，2009年5月鑒定為三類(lèi)閘，2012年1月甘肅省水利廳組織技術(shù)審查，2012年4月省發(fā)改委批復(fù)，2013年開(kāi)工建設(shè)，2016年通過(guò)完工驗(yàn)收，目前樞紐運(yùn)行正常。

2 除險(xiǎn)加固工程任務(wù)和規(guī)模

2.1 工程存在主要問(wèn)題

引水樞紐原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，又已超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限，老化破損嚴(yán)重，工程存在的主要問(wèn)題是：

(1)原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，達(dá)不到SL252- 2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定規(guī)范要求。

(2)溢流壩于1999年7月12日全部被洪水沖毀，2000年對(duì)溢流壩進(jìn)行了應(yīng)急加固，為砂礫石填腹?jié){砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。復(fù)核計(jì)算，溢流壩及泄沖閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。該工程地處8度地震區(qū)，壩體不滿(mǎn)足DL5073- 2000《水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

(3)引水樞紐進(jìn)水閘防沙效果差，沖沙閘后消能防沖不符合SL265- 2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定。

(4)閘門(mén)銹蝕變形，啟閉機(jī)失靈；水閘無(wú)觀測(cè)設(shè)施，無(wú)防汛搶險(xiǎn)道路，已有供電線(xiàn)路線(xiàn)偏小，現(xiàn)有管理房屋破舊，管理設(shè)施不能滿(mǎn)足工程管理需要。

2.2 工程任務(wù)和規(guī)模

引水樞紐除險(xiǎn)加固工程的主要任務(wù)是將原樞紐不滿(mǎn)足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)及抗滑穩(wěn)定要求的沖沙閘和溢流壩拆除重建，對(duì)老化失修、破損嚴(yán)重的西干渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固，東干渠進(jìn)水閘拆除重建，改建為雙側(cè)引水的閘壩結(jié)合式水閘樞紐。改建后的水閘樞紐要滿(mǎn)足灌區(qū)農(nóng)田的引水灌溉要求，并能有效地解決推移質(zhì)沖排問(wèn)題。

3 引水樞紐布置方案

梨園河泥沙含量大，屬多泥沙河流，兩岸均有引水任務(wù)，在多泥沙河流上設(shè)計(jì)左右岸雙向引水樞紐工程布置難度較大，原有樞紐布置就存在兩岸引水沖沙不利，分水不準(zhǔn)確等諸多弊端；因此本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的難點(diǎn)如何科學(xué)合理布置樞紐形式，較好地解決引水和排沙及兩岸分水矛盾，使樞紐引水、沖沙、分水、方便管理等多個(gè)目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。為此，根據(jù)梨園河樞紐的地形條件，設(shè)計(jì)提出4種方案進(jìn)行比較。

3.1 閘壩結(jié)合方案1

該方案布置形式同現(xiàn)狀，采用印度式有壩引水樞紐布置形式，兩側(cè)引水，樞紐建筑物由東西干渠進(jìn)水閘、泄沖閘、溢流壩、及上下游護(hù)岸組成。

泄沖閘與溢流壩呈“一”字形垂直河道布置，東干渠泄沖閘布置在溢流壩右側(cè)，西干渠泄沖閘布置在溢流壩左側(cè)，泄沖閘為開(kāi)敞式水閘，東干渠1孔，西干渠2孔。泄沖閘底板高程1666.9m，與原河床基本同高，閘前設(shè)20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋、導(dǎo)流墻及沉砂槽，閘后設(shè)護(hù)坦消能及混凝土四面體防沖。

溢流壩設(shè)在東、西干渠泄沖閘之間，為克-奧曲線(xiàn)型實(shí)用堰，壩長(zhǎng)22m，壩高5.15m，壩前設(shè)鋼筋混凝土防滲鋪蓋，壩后設(shè)消能護(hù)坦及混凝土四面體防沖。

西干渠進(jìn)水閘位于樞紐左側(cè)，把原進(jìn)水閘采用“金包銀”型式除險(xiǎn)加固。改建后進(jìn)水閘2孔，閘孔尺寸4.0m×4.0m(寬×高)，閘底板比泄沖閘底板高1.6m。東干渠進(jìn)水閘位于樞紐右側(cè)，拆除重建。重建后的進(jìn)水閘為開(kāi)敞式水閘，1孔，閘孔尺寸3.0m×4.0m(寬×高)，閘底板比泄沖閘底板高1.6m。具體布置形式如圖1所示。

圖1 閘壩結(jié)合方案1平面圖

3.2 攔河閘方案2

該方案布置仍維持兩側(cè)引水方式，樞紐建筑物由泄沖閘、進(jìn)水閘及上下游護(hù)岸組成。

垂直河道布置5孔泄沖閘，兩側(cè)布置東西干渠進(jìn)水閘，泄沖閘5孔，孔口尺寸5.0m×5.6m，閘底板高程1666.9m，與原河床基本同高，閘前設(shè)20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋、導(dǎo)流墻及沉砂槽，閘后設(shè)分水導(dǎo)墻及護(hù)坦消能防沖。

東、西干渠進(jìn)水閘分別位于樞紐左右兩側(cè)，把原進(jìn)水閘采用“金包銀”型式除險(xiǎn)加固，改建后西干渠進(jìn)水閘2孔，東干渠進(jìn)水閘1孔，閘底板比泄沖閘底板高1.6m，閘孔尺寸4.0×4.0m(寬×高)。具體布置形式如圖2所示。

圖2 攔河閘方案2平面圖

3.3 閘壩結(jié)合方案3

該方案布置采用一側(cè)引水方式，樞紐主要建筑物從左至右依次由3孔進(jìn)水閘、3孔泄沖閘、溢流壩及倒虹吸等組成。

3孔進(jìn)水閘布置在樞紐左岸原西干渠進(jìn)水閘處，重建后的進(jìn)水閘底板比泄沖閘底板高1.6m，左側(cè)2孔孔口尺寸3.5m×4.0m，直引水入西干渠，右側(cè)1孔孔口尺寸3.0m×4.0m，出口設(shè)沉沙池，接河底倒虹吸把水送入右岸東干渠。

泄洪沖砂閘布置于進(jìn)水閘右側(cè)，為開(kāi)敞式水閘，共設(shè)3孔，孔口尺寸6.0m×5.6m，底板高程1666.9m，閘前設(shè)20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋、導(dǎo)流墻及沉砂槽，閘后設(shè)分水導(dǎo)墻及護(hù)坦消能防沖。

溢流壩設(shè)在河道右側(cè)，為克-奧曲線(xiàn)型實(shí)用堰，壩長(zhǎng)22m，壩高5.15m，壩前設(shè)有20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋，壩后設(shè)護(hù)坦消能及混凝土四面體防沖。具體布置形式如圖3所示。

圖3 閘壩結(jié)合方案3平面圖

3.4 閘壩結(jié)合方案4

該方案將原樞紐不滿(mǎn)足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)及穩(wěn)定要求的泄沖閘、溢流壩拆除重建，對(duì)老化失修、破損嚴(yán)重的西干渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固，東干渠進(jìn)水閘拆除重建。該方案采用兩側(cè)引水方式，西干渠進(jìn)水閘布置在原位置，東干渠進(jìn)水閘布置在泄洪沖沙閘與溢流壩之間，東干渠進(jìn)水閘引入的水量巧妙地通過(guò)實(shí)用堰的廊道進(jìn)入東干渠。樞紐主要建筑物從左至右依次由西干渠進(jìn)水閘、泄洪沖砂閘、東干渠進(jìn)水閘、溢流壩及上下游護(hù)岸組成。

西干渠進(jìn)水閘位于樞紐左側(cè)，將原進(jìn)水閘采用“金包銀”型式除險(xiǎn)加固，改建后進(jìn)水閘2孔，閘底板比泄沖閘底板高1.6m，閘孔尺寸4.0m×4.0m(寬×高)。

泄洪沖沙閘垂直河道布置在東、西干渠進(jìn)水閘之間，為開(kāi)敞式水閘，3孔，孔口尺寸6.0m×5.6m，泄沖閘底板高程1666.90m，與原河床基本同高，閘前設(shè)20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋、導(dǎo)流墻及沉砂槽，閘后設(shè)護(hù)坦消能及混凝土四面體防沖。

東干渠進(jìn)水閘布置在泄沖閘與溢流壩之間，為開(kāi)敞式水閘，1孔，閘孔尺寸3.0m×4.0m(寬×高)，閘底板比泄沖閘底板高1.6m。

溢流壩布置在河道右側(cè)，采用梯形實(shí)用堰，壩長(zhǎng)22m，壩高5.15m，壩內(nèi)布置輸水廊道，將東干渠進(jìn)水閘引進(jìn)的灌溉流量通過(guò)廊道引入東干渠。溢流壩前設(shè)20m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋，壩后設(shè)護(hù)坦消能及混凝土四面體防沖。具體布置形式如圖4所示。

圖4 閘壩結(jié)合方案4平面圖

4 設(shè)計(jì)方案比選

設(shè)計(jì)提出的前3種方案在以往工程中常見(jiàn)，第4種方案具有創(chuàng)造性。閘壩結(jié)合方案1為印度式有壩引水樞紐，優(yōu)點(diǎn)是泄沖閘閘門(mén)開(kāi)啟頻率相對(duì)較低，管理較方便；溢流壩施工簡(jiǎn)單，金屬結(jié)構(gòu)較少，在4種方案中投資最省。閘壩結(jié)合方案1的缺點(diǎn)是兩側(cè)引水不利排沙，泥沙在溢流壩前河道上游形成淤積三角洲，枯水期東、西干渠引水比較不易，應(yīng)根據(jù)需要靈活調(diào)整；汛期東、西干渠泄沖閘需輪流開(kāi)啟排沙，運(yùn)行管理方便程度不如閘壩結(jié)合方案3和閘壩結(jié)合方案4。

攔河閘方案2的優(yōu)點(diǎn)是利用攔河閘開(kāi)啟泄洪排沙，可以有效地控制河道主槽；汛期能夠保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的閘前調(diào)節(jié)庫(kù)容和沉沙沖沙庫(kù)容，便于兩岸引水。攔河閘方案2缺點(diǎn)是中間三孔泄洪閘只有在汛期大洪水時(shí)才有開(kāi)啟泄洪，宜造成閘前淤積，閘門(mén)開(kāi)啟困難；泄沖閘閘門(mén)開(kāi)啟頻繁，管理要求較高，洪水來(lái)臨時(shí)若不能及時(shí)開(kāi)啟泄洪，宜造成運(yùn)行事故；樞紐施工復(fù)雜，土建工程工程量較大，金屬結(jié)構(gòu)較多，投資在4個(gè)方案中最大。

閘壩結(jié)合方案3的優(yōu)點(diǎn)是采用單側(cè)進(jìn)水，泄沖閘布置在主河槽一側(cè)，宜于形成穩(wěn)定的沉沙、排沙河槽，引水沖沙效果較好；泄沖閘閘門(mén)開(kāi)啟頻率低，管理方便；溢流壩施工簡(jiǎn)單，金屬結(jié)構(gòu)較少。缺點(diǎn)是東、西干渠高程相差小，閘后輸水的倒虹吸管存在被泥砂淤積的隱患。該方案投資少于攔河閘方案2，大于閘壩結(jié)合方案1和閘壩結(jié)合方案4。

閘壩結(jié)合方案4的優(yōu)點(diǎn)是泄沖閘布置在主河槽一側(cè)集中排沙，溢流壩前於平后宜于在泄沖閘前形成穩(wěn)定的沉沙、排沙河槽，引水沖沙效果較好；閘門(mén)開(kāi)啟頻率低，管理方便；溢流壩施工簡(jiǎn)單且廊道可作為輸水通道，金屬結(jié)構(gòu)較少。閘壩結(jié)合方案四的缺點(diǎn)是投資大于閘壩結(jié)合方案1，但投資少于攔河閘方案2和閘壩結(jié)合方案3。

綜上所述，4種方案從引水沖沙效果看，閘壩結(jié)合方案4最好，攔河閘方案1相對(duì)較好，閘壩結(jié)合方案3倒虹吸管存在被泥砂淤積的隱患，閘壩結(jié)合方案1引水沖沙效果最差。從運(yùn)行管理上看，攔河閘方案泄沖閘閘門(mén)開(kāi)啟頻繁，管理要求較高，洪水來(lái)臨時(shí)若不能及時(shí)開(kāi)啟泄洪，宜造成運(yùn)行事故，閘壩結(jié)合各方案管理均較方便。從工程投資看，各方案工程投資從高到低依次為攔河閘方案2、閘壩結(jié)合方案3、閘壩結(jié)合方案4、閘壩結(jié)合方案1。綜合考慮各方面因素，閘壩結(jié)合方案4優(yōu)勢(shì)明顯，為設(shè)計(jì)推薦方案。

5 結(jié)語(yǔ)

在西北內(nèi)陸河多泥沙河流上，引水樞紐工程的布置需要兼顧引水、沖沙、防洪、運(yùn)行管理方便等多種因素，梨園河引水樞紐在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮河流特征，根據(jù)地形特征，巧妙利用梯形實(shí)用堰內(nèi)部的空間作為跨河輸水通道，將原來(lái)的兩側(cè)引水沖沙變?yōu)閱蝹?cè)集中引水沖沙，既避免了兩側(cè)引水不均勻和保證率低的問(wèn)題，又節(jié)約投資和方便管理，布置形式科學(xué)合理。自2015年建成投入使用以來(lái)，引水保證率高，沖沙效果好，分水準(zhǔn)確科學(xué)，發(fā)揮了較好的作用。2018年，該項(xiàng)目榮獲甘肅省建設(shè)廳優(yōu)秀設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)，為本年度全省唯一一個(gè)獲獎(jiǎng)的水利設(shè)計(jì)項(xiàng)目。