金塔縣平交道攔水閘除險加固設(shè)計方案選擇

庹世華，杜錦智

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計院，甘肅 張掖 734000)

1 工程概況

金塔縣平交道攔水閘位于金塔縣鴛鴦灌區(qū)西干渠1+200與討賴河河道分水尖子以下2+240的交叉處(解放村水庫下游約8km處、距離金塔縣城西北3.5km)，是鴛鴦灌區(qū)西干渠上兼有泄洪、輸水功能的交叉建筑物，該水閘始建于1976年，1981年水閘遭洪水毀壞，1982年重建，上游建成10孔泄洪閘，同時在下游建成30孔泄洪閘，閘后由綜合性閘下護(hù)坦、消力池及海漫等建筑物組成，多年運行水閘閘體損壞嚴(yán)重，2003年對上游10孔泄洪閘進(jìn)行了改建加固。該工程的主要功能是在非汛期討賴河河道沒有洪水時，關(guān)閉上、下游兩側(cè)閘門，保障西干渠正常輸水，確保西干渠所屬西壩、中東、古城三鄉(xiāng)鎮(zhèn)和潮湖、生地灣兩個農(nóng)林場站共27萬畝農(nóng)田的正常灌溉，在汛期泄洪期間打開上、下游兩側(cè)閘門，保證河道洪水安全下泄和上游城防河堤的安全，同時西干渠還要正常輸水灌溉。該攔水閘原設(shè)計最大泄洪流量300m3/s，西干渠設(shè)計流量20m3/s，加大流量24.4m3/s，完全滿足鴛鴦灌區(qū)西干渠灌區(qū)的灌溉需水要求，該攔水閘沒有從討賴河河道引水的功能和作用。該水閘為中型水閘，20年一遇設(shè)計洪水流量為135m3/s，50年一遇校核洪水流量為203m3/s。攔水閘處討賴河河道寬度109m，如圖1所示。

2 存在的主要問題

平交道攔水閘在始建和81年水毀后重建時，由于受資金和設(shè)計理念的限制，致使存在的問題較多，主要有以下幾個方面：

(1)上游閘過洪不足，無法滿足泄洪。平交道上游泄洪閘共10孔，孔口尺寸(寬×高)為3.0m×2.8m；下游泄洪閘共30孔，孔口尺寸(寬×高)為3.0m×2.8m。當(dāng)遇大洪水時，即使把上游泄洪閘10孔閘門全部打開，最大過閘流量為100m3/s，遠(yuǎn)小于該閘設(shè)計洪水流量135m3/s和校核洪水流量203m3/s的要求，無法滿足洪水的安全下泄，須將10孔閘左右的渠堤挖開，但在驟遇大洪水時，上游建筑物及渠堤均處洪水包圍之中，工作面狹小，人力及機械無法及時有效地開挖，直接影響洪水安全下泄。同時泄洪期也正是灌溉高峰期，渠堤挖除后，將影響洪后灌溉用水。

(2)干擾渠道輸水，影響農(nóng)田灌溉。鴛鴦池水庫、解放村水庫洪水主要集中在每年的6—8月，此階段也正是灌區(qū)農(nóng)作物生育期灌溉的關(guān)鍵時期，即攔水閘既要下泄河道洪水，又要輸送西干渠灌溉流量。在泄洪期間，為了保證洪水的足量下泄，當(dāng)平交道下游閘門正常開啟時，渠道水流受橫穿下泄河道洪水的影響，大部水流進(jìn)入河道，無法正常輸送，嚴(yán)重影響作物灌溉；為了保證灌溉用水的正常輸送，當(dāng)開啟孔數(shù)較少時，整個上游河道和平交道以上渠道水位嚴(yán)重超高，又對河道和渠道的安全運行造成極大影響。

(3)上游河床堵淤嚴(yán)重，危及城防安全。在泄洪時由于受渠道灌溉輸水的頂抬作用，使進(jìn)入的洪

圖1 現(xiàn)狀平面布置圖

水不能貼渠底下泄，造成平交道上游河底抬高。根據(jù)實測，上游河底與平交道渠底相比，高差已達(dá)1.5m以上，且向上游河道延伸，造成上游河底逐年淤積增高，形成地上懸河，嚴(yán)重威脅到縣城堤防的防洪安全。

(4)工程破損嚴(yán)重，無法安全泄洪。工程經(jīng)過近30年的運行，閘墩混凝土沖蝕嚴(yán)重、閘底板磨蝕斷裂；啟閉機臺承重柱全部斷裂；閘墩從閘槽處幾近全部斷裂，現(xiàn)已不能滿足安全運行要求，無法進(jìn)行安全泄洪。

3 除險加固的主要任務(wù)

根據(jù)存在的主要問題，平交道攔水閘除險加固的主要任務(wù)是：①保證西干渠灌區(qū)27萬畝農(nóng)田的正常輸水灌溉；②按國家標(biāo)準(zhǔn)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》提高攔水閘工程的抗洪能力；③從根本上解決西干渠的正常輸水灌溉和討賴河河道泄洪的主要矛盾；④解決攔水閘上游河床泥沙淤積嚴(yán)重、泄泄不暢，進(jìn)而危及縣城安全的問題；⑤處理工程年久失修、老化破損、設(shè)施配套落后、影響正常運行的問題。

4 除險加固設(shè)計方案選擇

平交道攔水閘目前存在的問題較多，經(jīng)過翻閱當(dāng)初設(shè)計和歷次重建、加固各類資料，與管理單位座談、討論，并經(jīng)本次除險加固詳細(xì)的實地勘測，分析后認(rèn)為，存在較多問題的主要原因有兩個，一個是由于設(shè)計理念的限制而造成工程總體布置不合理，另一個是受到當(dāng)初技術(shù)、經(jīng)濟條件的限制而使得建筑物建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低等，故雖經(jīng)重建、加固，均未能從根本上解決問題。

在一般情況下，根據(jù)水工建筑物的總體布置原則，引水渠道跨過河道時，采用跨河渡槽或者倒虹吸者居多，該工程在當(dāng)初設(shè)計和歷次重建加固時均沒有采用這種形式，而是采用了簡單的攔水閘的布置形式，即當(dāng)河道在非汛期不來洪水時，上、下游閘門關(guān)閉輸水，起的是輸水渡槽的作用，保障西干渠正常輸水；當(dāng)河道在汛期來洪水時，打開上、下游閘門泄洪，起的是河道內(nèi)泄洪閘的作用，保證了河道洪水的安全下泄。這種布置形式的不合理，帶來了兩個較大的負(fù)面問題和長期危害，一個是灌溉輸水與河道泄洪的矛盾無法解決，管理非常不便，致使在泄洪期間，為了保證洪水的足量下泄，當(dāng)平交道下游泄洪閘門正常開啟時，渠道水流受橫穿下泄洪水的影響，無法正常輸送，嚴(yán)重影響作物灌溉，為了保證灌溉用水的正常輸送，當(dāng)開啟孔數(shù)較少時，整個上游河道和平交道以上渠道水位嚴(yán)重超高，又對河道和渠道的安全運行造成極大影響；另一個是沒有充分考慮上游河道泥沙的排放問題，致使造成平交道上游河底抬高，且向上游河道延伸，造成上游縣城河段河底逐年淤積增高，形成地上懸河，嚴(yán)重威脅到縣城堤防的行洪安全。

本次除險加固除了考慮攔水閘泄洪能力不足、閘墩閘底板及上部結(jié)構(gòu)老化失修和破損嚴(yán)重、閘門銹蝕嚴(yán)重及啟閉設(shè)施無法正常啟閉等問題的同時，重點對以上由于工程總體布置不合理而帶來的兩個較大負(fù)面問題根本性地加以解決，據(jù)此設(shè)計提出以下兩種方案進(jìn)行比較。

4.1 平立結(jié)合的閘涵方案一

經(jīng)過詳細(xì)分析攔水閘的地形、地質(zhì)條件、高程、河道形態(tài)等，提出在滿足總的泄洪流量的前提下，為了解決灌溉與泄洪的矛盾及泥沙排放的問題，采取平立結(jié)合的閘涵方案，即在泄洪閘底板下面設(shè)置泄水拉沙涵洞。確定單孔寬度5.8m的泄水拉沙涵洞6孔，涵洞頂部設(shè)置單孔寬度5.8m的上游泄洪閘和下游泄洪閘均為6孔。討賴河河道寬度在平交道處為109m，本方案設(shè)計討賴河道洪水流量由涵洞和泄洪閘共同承擔(dān)，當(dāng)討賴河河道流量發(fā)生小于20年一遇洪水，即來洪流量小于135m3/s的時候，洪水全部從泄水拉沙涵洞內(nèi)通過，對渠道灌溉輸水沒有任何影響，而來洪流量大于20年一遇洪水，即來洪流量大于135m3/s的時候，就需要開啟泄洪閘與涵洞共同泄洪，此時對渠道的灌溉輸水就有了影響，但是這種幾率比較少。為了提高泄水拉沙效果，閘涵布置在河道中間，所以新建閘涵的縱軸線位置布置在現(xiàn)狀上游閘的縱軸線上。將現(xiàn)狀上游10孔泄洪閘及左右部分砂礫土堤和老化失修、破損嚴(yán)重的下游12孔泄洪閘拆除，平面位置就可以滿足新建閘涵的需要，涵洞總長度19.4m，閘頂高程1270.5m，涵洞進(jìn)口高程1268.5m。新建閘涵后，其余下游泄洪閘不再承擔(dān)泄洪任務(wù)，失去了存在的意義，所以對其余下游泄洪閘也全部拆除，用砂礫石夯填渠身，用C15現(xiàn)澆混凝土襯砌渠坡，與現(xiàn)狀西干渠渠坡相接，左右側(cè)總長度67.4m。原上游閘兩側(cè)的渠坡襯砌基本完好，繼續(xù)利用。渠底全部用C15混凝土現(xiàn)澆。涵洞進(jìn)口兩側(cè)渠堤為砂礫土堤，由于涵洞高程較低，泄流沖砂流速較大，會對涵洞進(jìn)口兩側(cè)土堤造成破壞，危及渠堤安全，本次設(shè)計對涵洞進(jìn)口兩側(cè)土堤用C15混凝土護(hù)砌，坡度1∶1.5，基礎(chǔ)用C15混凝土砌石重力式擋墻，兩側(cè)總護(hù)砌長度67.4m。為了上游閘涵與上游河床的平順銜接，上游閘涵向上游以1∶30的坡度與原河床銜接。布置設(shè)計如圖2所示。

經(jīng)計算，該方案主體工程投資為1107萬元。

4.2 跨河渡槽方案二

為了根本性地解決灌溉輸水與河道泄洪的矛盾及泥沙淤積的現(xiàn)實問題，經(jīng)分析攔水閘的地形、地質(zhì)條件、高程、河道形態(tài)及防洪標(biāo)準(zhǔn)下的洪水流量等，提出修建常規(guī)的渠道跨河建筑物，比如跨河渡槽或者倒虹吸等，經(jīng)分析，現(xiàn)狀平交道兩側(cè)西干渠的渠底高差僅為0.17cm，無法滿足修建倒虹吸的條件，如果采取調(diào)緩西干渠設(shè)計縱坡的方式來增加平交道兩側(cè)高差，經(jīng)計算，設(shè)計縱坡需由現(xiàn)狀的1/680調(diào)整為1/6000，只能增加1.5m的高差，這個高差對于該工程基本條件下修建倒虹吸也是不滿足要求的，而且倒虹吸存在清淤困難、管理不方便等缺點，況且西干渠建成時間不長，建筑物較多，西干渠調(diào)緩縱坡斷面增大后，渠右側(cè)的公路還需要改線，所以從多方面考慮，修建倒虹吸工程牽扯的面較為廣泛，不利因素較多，是不可行的。又分析可知，平交道底板與下游現(xiàn)狀河床的高差達(dá)1.74m，平交道右側(cè)西干渠的渠底與平交道底板的高差為0.4m，二者合計利用高差2.14m，從高程、洪水流量和平交道現(xiàn)狀過洪寬度等方面分析，將平交道攔水閘改建成跨河輸水渡槽的方案是可行的。

采用該方案時，首先將上、下游泄洪閘全部拆

圖2 平立結(jié)合的閘涵方案一平面布置圖、縱剖面圖和橫剖面圖

續(xù)圖2 平立結(jié)合的閘涵方案一平面布置圖、縱剖面圖和橫剖面圖

除，并將現(xiàn)狀工程占壓范圍內(nèi)的河道疏通到1268.3m高程，在原攔水閘的位置修建跨河渡槽，渡槽共12跨，每跨長度9m，疏通后渡槽底下河道凈空高度1.5m，槽身采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土梁板式渡槽，橫斷面為矩形，凈寬6.1m，凈高2m，槽身每隔2m設(shè)置C30鋼筋混凝土拉梁一道，截面尺寸0.20m×0.2m，槽身間接縫0.03m。渡槽槽墩為C25混凝土長方形實體重力墩的結(jié)構(gòu)形式，高6.425m，露出河床1.5～1.6m，槽墩基礎(chǔ)采用整體式擴大基礎(chǔ)，為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，坐落在礫砂層上，埋深5m，渡槽底部高程1268.3m開始向上游以1∶30的坡度與原河床相接。在渡槽兩邊墩上、下游設(shè)置長度40m的C15細(xì)粒混凝土砌石翼墻與兩岸連接。當(dāng)河道過校核標(biāo)準(zhǔn)流量203m3/s時，槽底河道水深0.99m，水位低于槽底0.56m，槽下凈空高度滿足行洪要求。

該方案布置如圖3所示。

經(jīng)計算，該方案主體工程投資為1115.35萬元。

4.3 方案比較

閘涵結(jié)合方案一，其優(yōu)點是對現(xiàn)狀工程設(shè)施不進(jìn)行過大的改變，還是維持了現(xiàn)狀平交道攔水閘的基本功能定位，在原位置上改建，沒有新的占地，比較靈活地解決了河道泄洪與渠道灌溉的矛盾，解決了河道泥沙排放的問題，臨時工程量相對較小，臨時工程投資較小。缺點有以下幾個方面：一是，

圖3 跨河渡槽方案二平面布置圖

當(dāng)討賴河河道流量發(fā)生小于20年一遇洪水，即來洪流量小于135m3/s的時候，洪水全部從泄水拉沙涵洞內(nèi)通過，對渠道灌溉輸水沒有任何影響，而來洪流量大于20年一遇洪水即，來洪流量大于135m3/s的時候，就需要開啟泄洪閘與涵洞共同泄洪，此時對渠道的灌溉輸水就有了影響，但是這種幾率比較少；二是，工程建成后產(chǎn)生的管理費用稍多些，包括管理人員的費用和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的維修費用。

跨河渡槽方案二，其優(yōu)點是對現(xiàn)狀工程存在的主要問題從總體布置上做根本性的解決，河道泄洪與渠道灌溉輸水互不干擾，河道泥沙淤積的問題也迎忍而解，工程建成后，節(jié)約了管理人員的費用和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運行維修費用，運行成本相對低，在原位置上改建，沒有新的占地。缺點有以下幾個方面：一是，拆除工程量較大，產(chǎn)生較大地水土流失和環(huán)境污染；二是，施工時，為了渠道灌溉不受影響，需要做導(dǎo)流明渠，臨時工程投資也較大；三是修建渡槽，為了增加渡槽底下河道的過洪能力，槽底河床清除高程較低，這樣較大地改變了河道現(xiàn)狀的河勢和沖淤情況，建成后泥沙有可能重新淤積河道，從而降低了渡槽槽底的河道行洪能力，威脅渡槽和上游河道的防洪安全。

綜上所述，兩種方案各有優(yōu)缺點，從工程投資看，閘涵結(jié)合方案一和跨河渡槽方案二投資較為接近；從工程占地考慮，閘涵結(jié)合方案一和跨河渡槽方案二均在原位置改建，均沒有新增占地，但是渡槽方案拆除工程量較大，產(chǎn)生的水土流失和環(huán)境污染相對較大；從運行管理上看，兩方案較為接近；從排沙效果方面考慮，跨河渡槽方案二較閘涵結(jié)合方案一徹底，效果較好；從病險水閘的評定標(biāo)準(zhǔn)和采取的除險加固措施上看，方案一沒有過大的改變水閘的基本功能定位，通過除險可以保證工程的安全運行，而方案二把攔水閘改變?yōu)槎刹郏瑥氐赘淖兞私ㄖ锏念愋停c國家對水閘除險加固的政策偏離較遠(yuǎn)，因為只有四類閘才可以報廢重建；綜合考慮各方面因素，本次設(shè)計推薦平立結(jié)合的閘涵方案一。

5 結(jié)語

金塔縣平交道攔水閘是一座功能特殊、結(jié)構(gòu)型式非常少有的攔河水閘，建成初期至運行30多年以來歷次除險，均是治標(biāo)不治本，沒有從根本上解決病險問題，本次除險加固真正找出了病險問題的癥結(jié)病因所在，采取了平立結(jié)合的閘涵措施，較為徹底，從根本上解決了西干渠輸水灌溉與討賴河泄洪的矛盾及泥沙淤積等問題，同時符合國家對病險水閘除險加固的政策要求，措施新穎、結(jié)構(gòu)合理、具有獨創(chuàng)性。該工程于2013年除險加固完成運行至今，泄洪排沙正常，灌溉輸水安全有效，完全消除了水閘險情，除險效果特別明顯。