美国埃尔克黑德水库扩容与鱼类保护

[美] R.D.坦尼 M.R.梅

苏 燕 译自英刊《水电与大坝》2009年第4期

很多机构正努力恢复科罗拉多河水系特别是扬帕河中的 4种濒危鱼类:科罗拉多鲤鱼(Colorado Pikeminnow)、剃刀背臙脂鱼 (Razorback Sucker)、鲭鱼(Bonytail)和驼背白鲑(Humpback Chub)。为保证扬帕河流量,使本地鱼类受益,重点是要保持基流,防止其减小太多。扬帕河的春季高峰流量,虽然在量级与历时方面仍相对“自然”,但由于灌溉用水,基流仍然会降低到不利于本地鱼类的程度。水库扩容将为枯水年份提供临界水流,以补充扬帕河的低流量,帮助恢复上述本地鱼类种群。众多供垂钓的非本地鱼种可能游出水库而与上述本地鱼竞争,从而影响到恢复本地鱼栖息地的工作。扩容后的水库也将为其他工程伙伴提供更多的水源,满足克雷格市(饮用水)和克雷格发电厂(燃煤电厂冷却水)的用水需求及其未来的用水需要。

1 背 景

扬帕河支流埃尔克黑德河上的原水库,建于 20世纪 60年代,由科罗拉多州野生动物局设计规划,用作休闲和养鱼,库容为616万 m3。扬帕河自东向西流经科罗拉多州的西北角,是科罗拉多河的支流。大坝位于科罗拉多州莫弗特(Moffat)和鲁特(Route)县境内,距克雷格市东北约 16 km。

随着水库扩容的计划变得越来越重要,克雷格燃煤电厂的开发商也开始规划其供水需求。克雷格电站得以在埃尔克黑德水库扩容工程中得到改造,除原用于休闲与养鱼外还满足了其供水需求,这促成了最初的合作。

因为克雷格电站仅在缺水条件下依赖埃尔克黑德水库的蓄水,因此这种合作实际上大大增加了水库用于休闲的机会。

1991年,水库附近的大多数克雷格市居民购买了野生动物局持有的水库股份,以支持市政供水系统。由于科罗拉多州野生动物局早期修建的休闲设施比较简陋,因此克雷格市希望对其进行改造。于是,该市将水库纳入科罗拉多国家公园的扬帕河国家公园系统,从而获得资金用于改造重要的休闲设施,并由科罗拉多国家公园进行管理和运营。

20世纪 80年代中期,为改善该市的市政供水,克雷格市和科罗拉多州政府研究了埃尔克黑德水库扩容的可能性,克雷格市购买了科罗拉多州野生动物局的股份,在不进行水库改造的情况下满足了该市的供水需求。但是,面对这座日益老化的大坝建筑物,该市必须维修原有出水口工程、改造溢洪道并处理大坝右坝肩的渗漏。改造所需费用预计超过100万美元。而且,为保证原水库不会放空,科罗拉多野生动物局在库底以上10.6m处修建了出水口工程,将其购买的自流库容690万 m3限制到209万m3。

原坝为土坝,高24.4m,有一个垂直柱状排水系统和一个直径91.4 cm的单层出水口,离水库底部约10.6 m。一座浴缸形的混凝土溢洪道,按其规模可下泄一半的可能最大洪水。原大坝施工包括一条至基岩的混凝土沟,但不包括灌浆帷幕。

表1示出了埃尔克黑德扩建工程的主要特征。

表1 埃尔克黑德扩建工程主要特征

2 新坝和附属工程

新坝为分区土坝,高 32 m。2005～2006年,对该坝进行了加高,以增加库容,更新设施,为扬帕河濒危鱼类供水。改造工程主要特性如下:

(1)大坝加高7.6m,水面上升 6 m,库容扩大约 1倍;

(2)基础灌浆;

(3)一个铺盖和趾部排水系统,以收集和管理渗漏,一台新仪表;

(4)两圈迷宫型溢洪道,超高为0.3m,用于通过流速约 821 m3/s的可能最大洪水;

(5)新开挖的出水口工程,带有集鱼栅网,包括一个高 29m的多闸门进水口塔、直径为 61 cm和183 cm的钢衬出水口管道、一个带有 107 cm固定锥形阀和 46 cm射流闸门的控制室;

(6)改造受影响的县级公路,包括加高低于库水位以下的道路,重新规划受工程影响的道路;

(7)科罗拉多国家公园新配套设施,包括新的混凝土船用坡道、滑雪滩区、野营地和有关设施;

(8)改良水库周边 4个区域的湿地,改良面积约15 hm2;

(9)出水口工程鱼栅网首次在落基山地区得到大规模应用,所有的闸门都设置有栅网。

2.1 灌浆帷幕

埃尔克黑德坝建于强度不同的砂岩和页岩基岩上。坝基处布置 2排防渗灌浆帷幕用以减少渗漏。在山谷底部,通过钻穿山谷底部的冲积层,进行灌浆帷幕的施工并通过套管灌浆。

在坝肩上和山谷底部以上的土坝基础部分,通过浇筑到坚固基岩上的混凝土灌浆帽进行灌浆帷幕的施工。灌浆帽使灌浆密封良好。将灌浆“嘴”钻进到灌浆帽,并通过它们进行灌浆。

在灌浆帷幕施工过程中,依次进行钻孔,栓塞渗漏试验,然后进行灌浆。在测量到的不符合要求的漏水区域,对验证孔灌浆,并钻探和测试附加的验证孔。自原坝施工以来,右坝肩出现漏水,于是将灌浆孔的间距加密到0.6m。

2.2 溢洪道

溢洪道设计有一个陡堰(约 80°),在设计流量时,略超过堰墙高度的 80%。在仔细考虑了溢洪道墙布置的性能之后,采用该设计,使施工费用最少。美国内务部和垦务局建议根据最新研究和模型试验的结果来布置迷宫式溢洪道墙。

为使混凝土施工量最小,选择了迷宫式溢洪道,因为溢洪道的斜坡下游相当陡,足以使水流能在比常规溢洪道堰顶窄得多的断面内通过。

溢洪道斜槽底部的消力池能通过一半的可能最大洪水。由于历史的原因形成了台地,台地之间是山谷地形,对其下游容量的评估表明,在流量超出一半可能最大洪水时,该山谷将严重被淹,并进行消能。

2.3 出水口工程和进水塔

出水口工程包括水库中的一个进水口塔,不同高程有多扇闸门,包括在水库底部的两个进水口。进水塔通过一条在基岩中开挖的长154m的隧洞与下游控制室相连。隧洞内布设了直径分别为 183 cm和 61 cm的两条钢管,并用长 30cm一段的常规混凝土在上下游端回填。混凝土回填采用二次灌浆法。至今,该隧洞没有发现渗漏。

进水塔在水库底部以上的不同高程处有 2个直径 122.0cm的进(出)水口,一个位于水库底部的直径152.4 cm的进水口,一个与隧洞中的钢管连接的直径182.9 cm的出水口。所有的进水口和出水口都受带不锈钢叶片的钢制刀形闸门的控制。这些闸门由在水库可能最大洪水高程以上设置的进水塔中的升杆致动器操作。

除了 122.0cm和152.4 cm的进水塔外,进水口建筑物还包括一个直径 61 cm、从塔穿过的钢管,在水库中有其独立的进水口。这使得出水口工程的泄水能力量高达2.1 m3/s,当塔排干时,可进行检查和维护。由于埃尔克黑德河的流量和任何预期的输水往往低于该流量,为此大部分时间将使用直径 61 cm的出水口。

该出水口的排水可由一个监控与数据采集系统(SCADA)操作,若要调整较大出水口处的泄水,则需在大坝处操作。在泄水期间,同时操作大、小管道,经过筛网,通过约 16m3/s的流量。水库扩建后,当径流为19.3～61.6 m3/s时,那些没有经过筛网的水通过溢洪道下泄。

水库泄洪每年持续约 6周,在泄洪期间,供垂钓的外来鱼种仍能通过溢洪道游离水库。

从坝顶通过一座长58.8m、水泥桥面宽0.3m的净跨钢“空间桁架”桥梁,可到达进水塔。空间桁架设计可提供一个净跨结构,以在需要移除刀形闸门时起到支撑维修车辆或刀形闸门载荷的作用。塔的建筑物结构包括一个单轨,除不能起吊整套最大刀形闸门以外,可起吊所有其他单部件。183 cm的最大刀形闸门需要在塔中拆卸为 3件,才能起吊。

3 鱼类保护

该工程包括一个出水口工程,水库中的进水塔有多扇不同高程的进水闸门。水库中有供垂钓的外来鱼,据了解,这些鱼游离水库与联邦政府列出的扬帕河中的濒危鱼类相竞争。但是,水库的垂钓用途也很重要,因此,对于鱼类恢复计划,要维持河流生态系统管理以恢复濒危鱼类和保护其他野生生物价值之间的平衡。

为了将外来垂钓鱼种(如小口鲈鱼、刺盖太阳鱼和白斑狗鱼)留在水库中,防止它们侵入扬帕河下游受保护鱼类的栖息地,所有的进水塔均安装鱼筛网。进水口由安装在塔内侧的刀形闸门控制,以便于鱼筛网安装在每个闸门开口的外侧。

鱼筛网为不锈钢楔形丝筛网(鼓形筛网),网孔0.6 cm,筛网直径 69～213 cm,配备有一个空气反冲洗系统。在迷宫式溢洪道进口渠处也安装了锚,用来栓鱼网,以防止外来鱼游过溢洪道进入埃尔克黑德河下游。

鱼筛网配备一个反冲洗系统,由筛网两边的水头差驱动。该鱼筛网通过压头损失和反冲洗循环监测,当需要时,通过 SCADA远程起动。由 2台医用压缩机提供反冲洗空气,向 2个空气罐充气。医用压缩机用于减少压缩机穿越水库的噪声。空气反冲洗的顺序是打开代用闸门,保持水流通过,关闭筛网需要反冲洗的闸门,然后进行气爆。气爆完成后,重新打开该闸门,并关闭代用闸门。接下来是测量水头差,如有必要,重复以上过程。若反冲洗失败或未能达到要求的水头差,SCADA会向克雷格市水处理设施的运行人员报告。空气反冲洗系统有多个冗余,采用多个空气罐、压缩机和辅助发电机,需要时,它们会自动接入。

在塔外侧安装鼓形筛网,以便于在塔内侧安装刀形闸门。之所以选用刀形闸门,是因为它们可用必要的抬升水头从水库外侧密封。这些刀形闸门的性能良好,能按要求密封。在塔内侧安装刀形闸门,便于检修,它还将有助于闸门杆免受冬季水库冰盖力的影响。

为大坝安全起见,水库底部出水口处的鱼筛网必须是可移动的。为了满足水库泄降水位与放空的调节要求,在任何情况下,下部出口必须畅通。该出水口上0.6 cm网孔是存在的又一安全隐患,如果空气反冲洗系统失效或者诸如塑料袋之类的漂浮物将筛网堵塞,便不能确保在紧急情况下降低或泄降水库。空气反冲洗系统的冗余并不能解除这一隐患。

在施工期间,修改了塔的设计,以容纳一台特殊装置的起重机,用于安装水库底部 152 cm的主闸门上的筛网。之所以选择这种起重机是因为在反冲洗期间,筛网只需要移动约2.13m闸门的开口间隙。152 cm的闸门有一个固定在塔表面的不锈钢轨道上的直径 213 cm的鼓形筛网。如果需要从闸门开口取下鱼筛网,则需将水库放空,闸门支撑环上配备有扁钢拦污栅,栅孔为7.6 cm×15.2 cm,以防下游106.6 cm的固定锥形阀夹带渣滓。

为给鱼筛网的控制装置提供空间,该出水塔建筑物必须加高 1 m。在施工图设计过程中,施工方对此进行了必要的调整,工程师小组、承包商和供货商的合作也确保了工程的顺利实施。

4 挑 战

4.1 库水位的管理

在施工期间,对径流进行管理,维持最低库水位,以保护水库中的鱼类。管理库水位、维持下游流量与过流是面临的两个最重要挑战。这些要求和有关的挑战体现在整个施工过程中。此外,必须保护埃尔克黑德水库的外来鱼种。通过水库的水流采用不同的方法过筛,以将鱼留在水库中。在施工期间,必须保持低库水位,以保护水库中的鱼种。

为维持水库和下游河道的流量,同时不让外来鱼种游入,采用了各种引水和水管理技术。施工过程中,在 2个径流季节运行老设施,然后过渡到新设施,并拆除老设施。针对引水工程的每一个阶段,修建了临时和永久的鱼筛网。整个工程的大多数规划都考虑了库水位。

2个施工季的春季径流峰值为33.6m3/s。原出水口工程只能通过18.3m3/s的流量。新的出水口设施在第2年建成后,与原出水口工程和溢洪道一起用于引水。当库水位在第1年下降到原出水口工程底板高程以下时,采用了虹吸管系统进一步泄降库水位。

4.2 施工顺序与工期限制

有关各方耗时多年才就埃尔克黑德工程达成协议,并促成施工。根据要求,工程必须在 2 a内完工。工地高程在 1828m以上,施工季节短,每年的施工时间通常为 4月或 5月一直到 10月或 11月。在径流结束和冬季来临之间,也有一段短时间,径流通常在 6月或 7月衰减,冬季通常在 10月或 11月开始。解决方案是制定一个详细的施工顺序,充分考虑天气状况,寻找积极主动的施工承包商,以及利用周末和假日赶工。有些活动按计划进行,但有些活动却因天气原因而不能顺利开展,因此,必须充分利用非工作日和在 2005年及 2006年冬季停工期的这段时间。2006年 12月,工程基本完工。

4.3 闸门防护

该项目保证了闸门耐久,不易受腐蚀。

由于鱼筛网不锈钢表面、刀形闸门圆盘、刀形闸门体和塔钢筋的碳钢中产生电位差或电压,因此需要对碳钢刀形闸门体进行阴极保护。而通过安装 315 kg牺牲阳极减轻了腐蚀。定期监测残压和阳极。

4.4 大坝坝趾处的开挖

坝体包括一个开挖到原大坝下游基岩的新的心墙槽。心墙槽和坝趾施工必须完成,同时维持水深约9.14m的最低库水位,以保护水库中的鱼类。在开挖施工期间,水库水深实际上约为18.3 m。在开挖、基础准备和回填浇筑期间,为避免原坝体失稳,将以约30.5m宽的“板块”逐步开挖。

4.5 大坝基础条件

大坝基础含有许多无法预知的材料,包括煤、破碎基岩和某些很软的材料。清除了基础中的主要煤层,当基础开挖进一步加深时,便需加固坝体。右(西)坝肩有破碎的基岩,因而产生了各种渗漏。通过基础灌浆程序对此进行了处理。在左(东)坝肩基础开挖期间,遇到了某些非常软的材料,包括有机材料和直径为几厘米的树枝。调整开挖并作基础处理,挖除软材料,在浇筑覆盖材料之前,在陡的、潜在的不稳定开挖中采用机器对基础进行了清理。

4.6 进水塔的开挖

在靠近现有水库的进水塔的施工中,需开挖18.3 m深的岩层,而进水塔引渠的施工,则需要开挖长约45.7m的岩层。为了保护水库中的鱼类,要求水库最小水深约为9.1m。

制订了详细的施工工序。2006年春季径流减小后,在基岩和水下完成了一条长 45.7 m和深10.6 m以上的进水塔引渠,为此承包商采用了各种施工方法,包括长臂挖掘机和临时板桩。

5 结 语

鱼筛网已经发挥了应有的功能,经过出水口工程的流量为16m3/s,没有发生机械或操作事故。这些筛网只安装在水库的闸控出水口处,溢洪道上并没有安装,因此,当每年的融雪径流超过安装有筛网的出水口工程的容量时,水库中的外来鱼仍能逃出水库。从扬帕河迁移的、打有标签并被投进埃尔克黑德水库的某些外来鱼,可能已通过溢洪道逃逸。这是预料之中的,但如果逃逸鱼的数量很大,则可能必须在溢洪道上设置筛网。

过筛网的设计行近流速超过了防止鱼撞击的正常值,因为水库中外来鱼的受伤不致酿成大问题,一定的死亡率是可以接受的。

通过监测筛网的水头损失来确定何时必须进行反冲洗。筛网可运行很长时间(数周),而不必反冲洗,表明筛网不易受堵塞的影响。当用空气反冲洗筛网时,可以观察到鱼的死亡数(通过漂浮的死鱼进行观测)。某些鱼的死亡率是可接受的,以达到围堵和降低鱼筛网安装费用的目的。

施工期间遇到了几项挑战,其中有正常的挑战(例如,工期、引水和放水问题),也有特殊的挑战,然而通过业主、承包商和工程师小组之间的有效合作,所有问题已成功解决。工程在预算内按期完工,改造了设施,扩大了库容,并使多方受益。

遇到并克服了与阳极保护的翻新和 SCADA编程有关的某些挑战。筛网出水口工程的运行经验令人满意,大坝功能符合设计要求,渗漏小,多种鱼类得到保护,出水口工程使大坝运行更加灵活。将来,埃尔克黑德地区的蓄水需求可能增加,随着时间的推移,为有效利用扬帕河下游河水,埃尔克黑德水库将会变得越来越重要。