加拿大卡尔加里弓河堰改造项目研究

2013-04-09胡云鹤

水利水电快报 2013年6期

1 工程背景

弓河堰工程位于靠近加拿大卡尔加里市的英格伍德区内，是创造性工程的典范。

1908 年，加拿大太平洋铁路公司修建了西灌区渠首工程，目的是从弓河引水至卡尔加里东部的半干旱地区。直至今天，该工程在周围区域发展过程中仍起着关键作用，引来的水仍用于灌溉和牲畜饲养。

位于弓河上的原始渠首工程是用木料建造的，于1924 年被钢筋混凝土结构所替代。1975 年，渠首工程再次改造，包括以下几个部分:①一座从弓河引水到西部灌区的渠首闸门结构;②一座长152.4 m，高2.6 m 的反弧形溢流堰(即卡尔加里堰);③一座位于溢流堰附近，用于秋、冬季节从弓河引水的泄水道结构;④一座位于河流左岸、溢流堰北端的垂直槽鱼道。

卡尔加里以东的卡尔加里－弓河渠首与比斯帕瓦(Bearspaw)坝之间的河段长100 km。卡尔加里堰是船只和鱼类通过该河段的唯一障碍。虽然1975 年将一座鱼道并入堰内，但建筑物上下游鱼类种群之间存在差异。各种迹象表明，宽1.5 m的垂直槽鱼道并不能帮助鱼类成功地进入上游宽180 m的河流中去。

从1975 年起，超过20 人在卡尔加里堰溺水身亡。该堰具有一种危险的反弧形堰面曲线，这种堰面产生了淹没旋滚或循环水跃，以降低水体能量和下游水流流速。一旦有人越过此堰，就难以从这种循环水跃中游出。

修建卡尔加里弓河堰工程的初衷是重建河堰，以消除极端溺水危害。在维持西部渠首枢纽工程主要功能(从弓河引水到西部灌区)的同时，还必须使非机动船和鱼类顺利通过该河段。为此，不能拆除该堰，只能进行改造。此外，改造不会增高洪水期该堰上游的河流水位。

卡尔加里帕克斯基金会(PFC)是个非盈利组织，致力于保护河谷、支持体育运动等。该组织也对此项目的规划、愿景及筹款有所帮助。

PFC 委托用替代的设计理念来改造该河堰。概念设计研究结果表明，全宽人造急流从技术上可行，且具有以下明显的效益:①增加安全性和适航性;②改善过鱼条件条件及栖息地;③减少艾伯塔省环境安全措施费用;④减少卡尔加里市消防部门水生物救援单位的成本;⑤提供新的急流泛舟娱乐机会;⑥增加卡尔加里以及周边地区的旅游人数，创造了经济效益;⑦增强美感;⑧创造河流、环境以及工程方面的教育机遇。

高达集团(Golder Associates)联合水利咨询公司和娱乐工程规划公司承担了初步设计任务。为进一步发展全宽急流的概念，进行物理模型试验研究，来确定水力安全性能及灌溉引水能力，并评价非机动船通道和鱼道。同时对项目配置提供专家意见，强调急流泛舟娱乐设施设计。物理模型研究结果有助于现有建筑物的最终设计和修改。2006 年，3 家公司受聘承担了该项目最终的规划、设计和建造任务。

2 建设过程

在该堰下游修建跌水建筑物，以提高安全度，并使船只顺利通过该河段。构建一个水池和浅滩序列，以抬升堰下游的水位。水流越过堰，从一个循环水跃到更低的能量驻波，水力特性发生改变。此外，浅滩的几何形状设计主要是为皮划艇项目提供急流泛舟的游乐区域，得到了卡尔加里市娱乐场所安全度提升的额外奖金。

在紧靠堰的下游修建了两条渠道。河道右侧的低水渠(LWC)包括6 个浇注混凝土的巨砾跌水建筑物和5 座构建的水池，来为急流泛舟新手提供通向下游的傍通渠道。该渠道由泛舟者定为Ⅱ级急流险滩。坐落于河流左岸中心和左侧的高水渠(HWC)则包括5 个浇注混凝土的巨砾跌水建筑物和3 座构建的水池。HWC 为有经验的划船者提供急流泛舟游乐区域(Ⅲ级急流险滩)。还修建了一座为鸟类提供栖息和为划船者提供避难的岛屿，将LWC 和HWC 分隔开。

增强过鱼能力包括在现有堰体中切割而成的缺口，以便在流量较小时易于过船和过鱼，且可在LWC 和HWC 中跌水建筑物巨砾混凝土表面形成低流速过鱼通道。垂直槽鱼道边墙也向下游延伸60 m，以限制该堰下游的水池。

岛屿及巨砾混凝土跌水建筑物的外形相对较低，当河流水位超过2 a 一遇洪水事件的水位时，可设计成漫顶溢流;这将确保卡尔加里城区内堰上游的洪水水位不会因堰改造而增加。

3 水力学模型实验

该项目水力设计采用了以下模型:①1∶50 的整体物理模型;②1∶15/1∶22 的水槽物理模型;③1∶12的分段物理模型;④二维的数字计算机模型;以评估整体性能，包括工程水力学(水位、流速、水流流态、泄洪及灌溉引水输送)和跌水建筑物水力学(流速、水流流态、过鱼性状、泛舟涌波及冲刷潜力)。

在艾伯塔省埃德蒙顿(Edmonton)和艾伯塔大学的水力实验室分别进行了物理模型试验。整个工程的整体物理模型建造比例为1∶50。该模型复制了一段长850 m 的弓河河段，包括现有堰上游350 m和下游500 m 的河段。还复制了现有堰、渠首闸门建筑物，泄水和河道水下地形的所有永久部分。

该模型用来验证和比较项目前、后期河道从44 m3的小流量和遇超过百年一遇洪水2 750 m3流量时的各种工况。除整体模型以外，还制作了LWC 跌水建筑物水槽模型(1∶15)和HWC 跌水建筑物水流槽模型(1∶22 和1∶12)。这些模型提供了更多跌水建筑物的水力性能细节，并能重演各种河流流量，从44 m3/s 的小流量到5 a 一遇的洪水流量725 m3/s。

整体物理模型中复制的水力设计构成为跌水建筑物、水池和岛屿尺寸、几何形状和位置奠定了基础。全面数字化地形模型有助于得出施工图纸、工程数量和施工布局。

4 关注自然环境

项目设计的目的之一是改造堰，使其与弓河周围的自然环境相协调。这就需要利用卵石、砾石等天然建筑材料，如等效球形直径1 m(1.4 t)～1.8 m(8 t)的巨砾。在传统的水工结构设计中，通常采用钢筋混凝土、结构钢和/或钢板桩等材料，然而实际上还应在LWC 和HWC 跌水建筑物的设计中考虑:①相当紊动水力环境下连续和变化的水流;②变化的示差水头;③冰的作用/影响;④频繁的冻/融和湿/干循环。

为融入当地自然环境并加快施工步伐，跌水建筑物的设计中引入了大卵石，采用在巨砾之间的空隙中填筑宏面合成纤维增强混凝土的方法，使巨砾结合成整体，以保持结构的整体性，使结构非常坚固，成本效益高，基础准备工作量最小。与传统的钢筋混凝土水工建筑物相比，施工速度快，水的需求小，且施工对水生生态环境的影响较小。由于允许行人赤脚走在建筑物表面，因此不能运用传统的钢纤维进行加固。

同时浇注混凝土巨砾结构更加接近弓河的天然浅滩。采用塑料纤维增强措施，以增加混凝土的抗拉强度，减少温度裂缝，可明显加快施工进度。