蘭州新區水阜河流域調蓄湖規劃設計研究

王 磊，毛 力

(1.蘭州新區水務管理投資集團有限公司，甘肅 蘭州新區 730300；2.蘭州新區水務設計研究院有限公司，甘肅 蘭州新區 730300)

1 調蓄湖工程概況

水阜河是蔡家河的一級支流，黃河的二級支流，全流域集水面積405.63 km2，河道總長約48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔鎮山字墩，依次流經趙家鋪、窩窩井，至水阜鎮的石澇池、而后流經砂崗村、水阜村、燕兒坪、長川村、老鸛村、最后于石洞鎮文山村匯入蔡家河。

2016年在趙家鋪村以南修建蘭州新區南繞城快速路，橫穿截斷水阜河，路面高出溝底20余米。水阜河經南繞城快速路截斷后全流域集水面積減為379.53 km2，河道長39.08 km，河床平均比降8.4‰。綜合新區南繞城北側建設規劃和路網規劃，在南繞城下游700 m～1800 m段，規劃水阜河河道內設計景觀調蓄湖一座，總庫容27.4萬m3，對上游調蓄湖下泄雨洪進行削峰減洪。

2 調蓄湖區地質圈

2.1 地質條件

調蓄湖位于秦王川南部水阜河道內，現狀河底平坦，寬200 m～300 m，湖區內地層巖性為第四系沖洪積粉質壤土層，層厚較大，無不良物理地質現象。

湖區場地無各種構造痕跡，土層厚度17 m～20 m，分布均勻。在鉆孔及探坑揭露下，自上而下地層巖性大致為：第四系沖洪積粉質壤土，呈黃色，干燥～稍濕，均質，具水平層理，偶含礫石，松散，其自地表往下1 m～3 m土層含較多植物根系及腐根，其天然含水率為8.5%～11.6%，天然密度為1.41 g/cm3～1.43 g/cm3，壓縮系數a1-2=0.28 MPa-1～0.33 MPa-1左右，濕陷系數0.10～0.11，為高壓縮性強濕陷性土層。3 m～10 m的土層天然含水率為10.2%～10.6%，天然密度為1.43 g/cm3～1.45 g/cm3，壓縮系數a1-2=0.15 MPa-1～0.18 MPa-1左右，濕陷系數0.041～0.057，為中等壓縮中等濕陷性土層。10 m～19 m的土層天然含水率為10.7%～11.5%，天然密度為1.52 g/cm3～1.64 g/cm3，壓縮系數a1-2=0.22 MPa-1～0.27 MPa-1左右，濕陷系數0.005～0.013，為中等壓縮性土層。該場地類別為Ⅱ類。下部則為砂礫石層，由變質砂巖、結晶灰巖、千枚巖、片巖等組成，一般粒徑0.5 cm～2.5 cm，礫石含量35%～40%，砂由中粗砂組成，含量60%～65%左右，泥含量較高，可達5%～8%，礫砂層結構向下由中密到密實。

2.2 地質問題

湖區現狀地形以水阜溝溝谷地貌為主，溝底平坦。該調蓄湖庫區主要地層為人工填土。庫區四邊均為人工邊坡，故湖區所存在的主要工程地質問題是湖區的滲漏、浸沒、滲透穩定等問題。

經勘探取樣，湖區地下水位埋深大于20 m，土層上部為人工填土，中部為第四系沖洪積粉質壤土，滲透系數介于4.37×10-5cm/s之間，且地層結構單一，分布連續。判定湖區地層屬弱透水性，在無防滲措施的情況下湖區滲漏量較小，但不能滿足規范設計要求。

湖區岸坡地層屬軟質不穩定岸坡且駁岸為人工開挖邊坡。不考慮水庫防滲措施的條件下，湖區蓄水，隨水位不斷上升，岸邊、壩體及壩基滲漏可能造成周圍毛細水位上升，不可避免地會產生沉降變形，造成小規模的塌陷，影響庫岸的穩定。同時，水湖是注入式人工湖，部分水源為水阜溝上游城市、道路匯聚的雨洪水，常裹挾泥沙和垃圾，對湖區庫容、水質造成一定的影響。

2.3 地質處理及建議

為保障調蓄湖質量、運行安全，根據料場土料擊實試驗數據：最大干密度平均1.75 g/cm3，最優含水率平均為12.7%，結合相關規范，建議湖底基礎處理自下而上依次為素土夯填至設計高程，壓實系數不小于0.95，10%水泥土墊層80 cm，上鋪設土工膜(150 g/0.5/150 g)，土工膜以上設10 cm厚M10水泥砂漿保護層，上鋪80 cm素土。關鍵部位采用3∶7灰土擠密樁進一步處理基礎，電焊石籠堆砌。

3 調蓄湖設計

3.1 工程設計

調蓄湖蓄水區域現狀為耕地，受水阜河溝道地形、縱坡限制，南北長1.14 km，東西平均寬0.26 km，上下游自然落差約22 m。綜合考慮工程經濟、實施難易程度，設計在調蓄湖內設置跌水式溢流壩四道，消化自然落差，同時將湖區由北向南按高程等級依次分為4個湖區。設計方案：調蓄湖4個湖區總深均為3.5 m，總庫容27.4萬m3，其中有效庫容13.2萬m3，調洪庫容14.2萬m3。其中1#湖區湖底高程為1897.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1899.5 m，跌差10 m；2#湖區湖底高程為1889.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1891.5 m，跌差10 m；3#湖區湖底高程為1881.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖區湖底高程為1874 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1876 m，跌差2 m。

3.2 景觀設計

構建水、岸復合生態系統，恢復水生、濕生、旱生的植被空間演替系列，建設生態岸線、自然與湖體處理系統[1]。綜合治理整體水域、陸域和周邊環境，恢復湖體周邊自然生態系統，提高生物多樣性，實現景觀自然化；協調水與植物的關系，提高水、土質量，減少水土流失，在促進生態環境優化的同時，提升蘭州新區景觀檔次，增加新區綠化率。

湖體景觀設計根據現場實際地形條件，結合“生態、完美、自然”理念，布置湖心島、木棧道、親水平臺等親水性景觀建筑，給人以美感、親切感，增強新區人民自豪感、自信感。同時，因地制宜，以“水、岸、綠、游”為四大策略重點，運用多樣生態技術及景觀設計手段，維護湖體生態，營造碧水綠蔭、河島相映、藍綠交織的生態紐帶，力求打造蘭州地區知名的湖體景觀體。因此需堅持以下原則：

(1)堅持生態優先原則。保證游人健身、娛樂活動空間的同時，加大綠化面積，減少河道地地表裸露，進一步促進湖體濕地生態形成。

(2)科學恢復策略。在保護當地自然生態環境，保持地域性生態平衡的前提下，優化植物群落結構，維護基底的穩定性，穩固湖體濕地面積，進而減少雨洪沖刷造成的水土流失。

(3)可持續發展原則。遵循自然規律及植物景觀的生態屬性，均衡搭配植物品種，保持城市濕地與周邊自然環境的連續性，保持水域環境和陸域環境的完整性，避免環境的過度分割而造成的環境退化，保持濕地水體、植物與人之間的平衡與穩定，確保城市濕地可持續發展[2]。

4 調洪演算

4.1 水位庫容關系

經過平面布置，調蓄湖南北長約1.4 km，東西寬約0.26 km，湖區內設置跌水式溢流壩4道，壩高3.2 m，將調蓄湖分為4個湖區，從北向南依次編號為1～4號湖區。湖均深2 m，其中1、3號湖駁岸高3.8 m，2、4號湖駁岸高3.5 m。水位、庫容關系采用水平斷面法推求和繪制，并進行匯總統計[3]。水深～庫容曲線見圖1，水位-庫容統計見表1。

表1 調蓄湖庫容計算表

圖1 水深-庫容曲線圖

4.2 溢流壩溢流計算

調洪演算以上游匯流雨洪100 a一遇洪峰流量作為入湖流量，通過調洪演算，確定調蓄湖的調洪庫容、溢流壩最大泄流量及調蓄湖的最高水位。

調蓄湖整體由4道溢流壩分為4個湖區，每個溢流壩均高3.2 m，基礎埋深1.2 m。筑壩材料為電焊石籠，壩前坡比為1∶3，壩后分5及跌水，總跌差為9.5 m～10 m。溢流壩泄流為自由出流，采用寬頂堰流公式進行流量計算[4]：

四道壩泄流計算結果見表2，繪制溢流堰泄流曲線見圖2。

表2 溢流壩泄流計算表

圖2 溢流壩泄流曲線

5 結語

水阜河流域是蘭州新區境內重要的水系之一，承接來自上游調蓄湖、城區及周邊山區匯流的雨洪。為保障水阜河上游雨洪滿足河道行洪能力，確保河道周邊水秦快速路安全，水阜河調蓄湖工程至關重要。

根據現場地質條件、地勘資料，提出調蓄湖目前存在的地質問題及解決措施；統籌考慮水阜河生態，結合“生態、完美、自然”理念，以“水、岸、綠、游”為策略重點，建議在滿足水阜河河道行洪能力的前提下，建立以防洪、蓄水、削峰減洪為主，人工生態景觀為輔的水阜河景觀調蓄湖工程。

結合工程實際，消除上下游22 m落差，在調蓄湖內設置跌水式溢流壩四道，將湖區由北向南按高程等級依次分為4個湖區：1#湖區湖底高程為1897.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1899.5 m，跌差10 m；2#湖區湖底高程為1889.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1891.5 m，跌差10 m；3#湖區湖底高程為1881.5 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖區湖底高程為1874 m，湖深3.5 m，溢流壩頂高程為1876 m，跌差2 m。

采用水平斷面法計算了調蓄湖庫容：1#湖庫容5.46萬m3，2#湖庫容8.75萬m3，3#湖庫容9.12萬m3，4#湖庫容4.12萬m3，繪制水位～庫容關系圖；寬頂堰流公式計算4道溢流壩不同堰上水深的泄流流量：1#湖堰深0.5 m泄流流量58.0 m3/s，2#湖堰深0.8 m泄流流量66.9 m3/s，3#湖堰深0.6 m泄流流量65.0 m3/s，4#湖堰深0.8 m泄流流量54.8 m3/s，繪制泄流曲線。