渠首除險加固方案比選分析

趙建國

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 項目區概況

項目區年平均氣溫在7.9℃。極端最高氣溫為39.9℃，最低氣溫為-35.2℃，最低溫和最高溫分別出現在1月和7月。氣溫年較差在27.3～28.4℃，日較差在10.2～16.0℃。≥10℃的積溫為2006～3432℃，全年實際日照時數為2396～2680h，日照百分率在62%～67%。河源較高，徑流以季節性融雪和部分永久性積雪與冰川補給為主，降水次之，地下水徑流補給比重較高。灌區作物灌溉期用水量與年徑流量來水匹配較好，春夏季用水高峰時，來水量也較大，秋季用水少，來水量也小。灌區總人口約4.13萬人，其中農村人口3.7萬人，占89.6%，城鎮人口0.43萬人，占10.4%；人口組成中，漢族占比45.2%，少數民族占比54.8%。年末牲畜存欄42.46萬頭。農業產值占總產值的68%，工業產值占32%。

工程地質方面，工程區地層巖性單一，地層均為第四系地層。第四系全新統沼澤沉積層(Q4al)，主要分布于河漫灘及河床兩岸一級階的地表，巖性為沼澤土，其組成以含礫粉土、含礫粉砂土和含淤泥砂礫石為主，松散-稍密，含較多植物根系，厚度多小于0.5m。第四系全新統人工堆積層(Q4s)，主要分布在河堤、渠堤和護堤道路位置，主要巖性為砂卵礫石和含土砂礫石，稍密-中密，厚度多小于2m。第四系上更新統至全新統沖洪積層(Q3-4apl)，分布在河床及其兩側的一級階地和河漫灘，主要巖性為砂卵礫石，稍密-密實，厚度大于26m，是本工程場地的主要地層。水文地質方面，工程區地下水由孔隙潛水和基巖裂隙水組成，項目區地下水和土壤均不存在腐蝕性。

2 工程概況

拜安干渠攔河樞紐工程原設計依托地形于1966年建設了攔河閘式彎道引水渠首，由于當時設計河流設計洪水流量核定偏小，設計洪水流量250m3·s-1，校核洪水流量294m3·s-1，建設標準低，且河道洪水時會攜帶漂浮物，于1984年5月超標準洪水把攔河閘全部沖毀，于1985年11月對渠首進行改建，主要將原14孔攔河閘更改為78m長擋水堰，并對上下游護岸進行修補加固，渠首人工彎道、進水閘、泄洪沖砂閘運行，至今已49a。渠首改建后運行一直良好，但近20a隨著大型灌區的開發，灌區灌溉面積不斷加大，導致灌區需水量增大，河道引水比增加，且泄洪沖砂閘由于無水沖砂致使泥砂大量淤積，擋水堰前淤積問題也越來越嚴重，亟需進行除險加固，保障安全運行。依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》中規定本工程中主要建筑物為3級[1]，根據1/400萬《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2001)工程區處在地震峰值加速度為0.2g的區域內，其對應的地震基本烈度為Ⅷ度區[2]。本次初步擬定閘堰結合式引水渠首及改建全閘式引水渠首2種改建方案進行比較分析，從中選擇比較合適的工程方案。

3 除險加固方案

3.1 改建全閘式引水渠首方案

一次泄洪閘閘室段長度為12m，底板厚度為1.2m，閘室設置孔寬為8m的閘門6孔，中墩厚度為1.2m，邊墩厚度為1.0m。

一次泄洪沖砂閘閘室結構采用C25F200W6鋼筋混凝土，閘底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強高性能混凝土。閘室上部設有閘房和交通橋，交通橋面板采用預制混凝土空心板，橋寬4.0m，公路Ⅱ級。

一次泄洪沖砂閘及引水道上游鋪蓋長15m，縱坡采用坡比為1/210，表層鋪設0.3m厚的混凝土，鋪蓋前端設有防護基礎一座，基礎邊坡為1∶1.5，深3.0m。

閘室下游為護坦、防沖墻、防沖槽。護坦，在閘后以1∶10的坡度下降，護坦長度10m，寬55.2m，采用厚為0.5m的C25F200W6鋼筋混凝土結構，在底板上層0.2m厚度位置，澆筑C60硅粉高強高性能混凝土。防沖墻頂寬為0.5m，底寬2.86m，結構采用C20F250W6抗滲抗凍混凝土現澆而成。防沖槽底寬2.0m，后邊坡1∶1.0，長55.2m，厚度為1.0m。

引水道位于河道右岸，首端設置現澆鋼筋混凝土臺堰，臺堰采用寬頂堰形式，頂寬0.5m，堰頂高程853.2m。堰后引水道長180m，在原漿砌石基礎上鋪設厚度為0.12m的混凝土板防護。

二次進水閘位于引水道末端，為原進水閘維修，閘室段長9.6m，底板厚1.2m，閘室設2孔，單孔寬5.0m，中墩厚0.8m，邊墩厚0.5m。

二次沖砂閘位于引水道末端，二次進水閘左側，閘底板高程851.5m，閘頂高程855.5m。工作門尺寸為4.5m×3.3m(b×h)，檢修門尺寸4.5m×2.5m(b×h)。

二次進水閘及沖砂閘共4孔，閘室采用兩孔一聯的整體式，每2孔閘為一體。閘室維修方案為將原閘室段混凝土表面清理打毛5cm后，重新鋪設20cm厚C30.F200.W6鋼筋混凝土，在閘底板重新鋪設20cm厚的C60高強高性能混凝土防沖、抗磨現澆鋼筋混凝土。閘室上部設有閘房和交通橋，交通橋面板采用預制混凝土空心板，橋寬4.0m，公路Ⅱ級。

上下游整治段，上游整治段右岸建設護堤長度為440m，左岸建設護堤長度為217m；下游整治段右岸建設護堤長度為153m，左岸建設護堤長度為153m。縱坡1/900，內、外邊坡1∶1.5，堤頂寬為4m，堤高為4m。

3.2 閘堰結合式引水渠首改建方案

泄洪沖砂閘閘室段長度為12m，閘底板厚度1.2m，閘室設置孔寬為8m的閘門3孔，閘墩厚度為1.2m。閘室采用三孔一聯的整體式，閘墩下部65cm采用C60硅粉混凝土澆注，上部采用C25F200W6鋼筋混凝土結構，底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強高性能混凝土。閘室上部設有閘房和交通橋，交通橋面板采用預制混凝土空心板，橋寬4.0m，公路Ⅱ級。

溢流側堰布置在泄洪沖沙閘南側，堰體采用梯形實用堰，堰體長度為60m。側堰迎水面坡度為1∶1，堰頂寬度為0.5m，實用堰表層鋪設0.3m厚的鋼筋混凝土，堰的尾部接護坦，長度20m，表層采用1.0m鋼混軟排消能。

右岸設置彎道式引水渠道，彎道口設置臺堰，進口擋砂坎采用C25F200W6現澆混凝土結構，彎道式引水渠為梯形斷面，底寬13m，長180m，邊坡1∶1.5，采用厚度為0.12m的混凝土板護砌。

二次泄洪沖砂閘為原閘維修：閘室段長為9m，底板厚為1.2m，閘室設置孔寬為4.5m的閘門2孔，閘墩厚為0.8m，閘孔總凈寬9m。設置一道工作閘門。閘室整體采用鋼混結構，底板上層0.2m厚度位置，澆筑抗沖磨C60硅粉高強高性能混凝土。閘室上部設有閘房和交通橋，交通橋面板采用預制混凝土空心板，橋寬4.0m，公路Ⅱ級。

二次沖砂閘后接543m長排沙渠道，渠道采用現澆C20F200W6混凝土板渠道，渠道底面寬為7.0m，深3.0m，邊坡1∶1.5，渠道末端接入河道。

二次進水閘也采用原閘維修，進水閘設2孔閘，單孔寬5.0m，進水閘室及進口擋砂坎均采用C25F200W6現澆混凝土結構，閘門采用鋼制平板型，配備手電兩用螺桿式啟閉機3臺。

上游整治段右岸護堤長度440m，左岸護堤長度217m；下游整治段右岸護堤長度為134m，下游整治段左岸護堤長134m，均采用梯形形式。堤頂寬4m，內、外邊坡1∶1.5。堤高4m，上、下游護坡采用0.15m和0.20m厚的C20F200W4混凝土板襯砌。

4 方案比選分析

具體比選過程詳見表1。

表1 方案比選

4.1 工程布置比較

這2種渠首都是某區常見引水渠首。渠首地質條件相同，均處在河床的砂礫石層上部，建閘條件好。改建全閘式引水渠首由一次泄洪沖砂閘、右岸進水道、二次進水閘、二次沖砂閘、上下游整治段和下游防沖槽等建筑組成；閘堰結合式引水渠首由泄洪沖砂閘、左岸(南岸)擋水堰、右岸進水道、二次進水閘、二次沖砂閘、上下游整治段和下游防沖槽等建筑組成。2種種渠首各建筑物布置見上述“工程布置方案”。

閘堰結合式引水渠首方案建筑物之間距離布置相對松散，洪水過水斷面大，單寬流量較小，可減少對水閘下游的沖刷；改建全閘式引水渠首主體泄洪建筑物為泄洪沖沙閘，泄洪閘閘室為6孔8m，工程布置相對緊湊，對河道進行了塑窄，有利于沖砂，可過閘單寬流量較大，下游沖刷力度較大。

從2種渠首上下游整治段布置比較，改建全閘式引水渠首多修3孔泄洪閘，為了將主河道進行塑窄引水，上下游整治段工程量較閘堰結合式引水渠首大，但閘堰結合式引水渠首修建60m溢流堰，溢流堰修建工程量大，所以2部分工程量相當。

從工程布置比較分析可知，上述布置方案各有優缺點。

4.2 引水條件

閘堰結合式引水渠首方案，在布置上游整治段時，寬度選取較大，減緩流速的同時，泥沙淤積問題比較嚴重，甚至會影響上游行洪能力。

全閘式引水渠首方案上下游河道整治段寬度小，上游水流速度大攜砂能力強，治理泥沙淤積效果顯著。

4.3 工程施工

閘堰結合式引水渠首方案，主體建筑物間距大，施工受空間條件影響小，且施工難度低。

全閘式引水渠首方案，主體建筑物布置緊湊，工程施工強度大，施工工藝相對復雜。

從施工比較可知，方案2閘堰結合方案較優。

4.4 工程運行管理

閘堰結合式引水渠首在某區通常被為“懶漢渠首”，泄洪能力和靈活度較高，這種渠首即使在汛期無人職守，洪水來臨時不開泄洪閘，大多數洪水也可安全通過側堰，不會威脅渠首安全[4]。

全閘式引水渠首可利用洪水預警系統，大大提高防洪安全，且閘前不會發生泥沙淤積現象，維修養護資金少，使用年限長，但全閘式渠首更注重于管理，如果自動化系統配套不完善或出現問題，在洪水來臨時未及時開啟閘門極易造成水閘被沖毀，管理強度較大。

從工程運行管理比較閘堰結合方案優于全閘式引水渠首方案。

5 比較結論

通過從地形地質條件、樞紐工程布置形式、工程施工、運行管理和工程投資等5方面進行綜合比選分析。在工程布置方面，閘堰結合式引水渠首的溢流側堰較長，洪水過水斷面大，單寬流量小，可減少對水閘下游的沖刷影響。在引水方面，雖然在上游段會有泥沙淤積的現象出現，但在溢流堰設置有3孔泄洪沖砂閘，在大流量時沖砂，引水道前不會有泥沙淤積現象，可保證引水質量。在施工方面，閘堰結合方案，主體建筑物布置相對松散，施工場地開闊，施工工藝相對簡單。在工程運行方面，其泄洪的靈活程度是最高的，特別能適應山溪性河流，在汛期發生的陡漲陡落洪水，通過側堰形式也能夠安全泄洪，保障工程安全。因此本次除險加固選用閘堰結合式引水渠首方案。