兰州新区水阜河流域调蓄湖规划设计研究

王 磊，毛 力

(1.兰州新区水务管理投资集团有限公司，甘肃 兰州新区 730300；2.兰州新区水务设计研究院有限公司，甘肃 兰州新区 730300)

1 调蓄湖工程概况

水阜河是蔡家河的一级支流，黄河的二级支流，全流域集水面积405.63 km2，河道总长约48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔镇山字墩，依次流经赵家铺、窝窝井，至水阜镇的石涝池、而后流经砂岗村、水阜村、燕儿坪、长川村、老鹳村、最后于石洞镇文山村汇入蔡家河。

2016年在赵家铺村以南修建兰州新区南绕城快速路，横穿截断水阜河，路面高出沟底20余米。水阜河经南绕城快速路截断后全流域集水面积减为379.53 km2，河道长39.08 km，河床平均比降8.4‰。综合新区南绕城北侧建设规划和路网规划，在南绕城下游700 m～1800 m段，规划水阜河河道内设计景观调蓄湖一座，总库容27.4万m3，对上游调蓄湖下泄雨洪进行削峰减洪。

2 调蓄湖区地质圈

2.1 地质条件

调蓄湖位于秦王川南部水阜河道内，现状河底平坦，宽200 m～300 m，湖区内地层岩性为第四系冲洪积粉质壤土层，层厚较大，无不良物理地质现象。

湖区场地无各种构造痕迹，土层厚度17 m～20 m，分布均匀。在钻孔及探坑揭露下，自上而下地层岩性大致为：第四系冲洪积粉质壤土，呈黄色，干燥～稍湿，均质，具水平层理，偶含砾石，松散，其自地表往下1 m～3 m土层含较多植物根系及腐根，其天然含水率为8.5%～11.6%，天然密度为1.41 g/cm3～1.43 g/cm3，压缩系数a1-2=0.28 MPa-1～0.33 MPa-1左右，湿陷系数0.10～0.11，为高压缩性强湿陷性土层。3 m～10 m的土层天然含水率为10.2%～10.6%，天然密度为1.43 g/cm3～1.45 g/cm3，压缩系数a1-2=0.15 MPa-1～0.18 MPa-1左右，湿陷系数0.041～0.057，为中等压缩中等湿陷性土层。10 m～19 m的土层天然含水率为10.7%～11.5%，天然密度为1.52 g/cm3～1.64 g/cm3，压缩系数a1-2=0.22 MPa-1～0.27 MPa-1左右，湿陷系数0.005～0.013，为中等压缩性土层。该场地类别为Ⅱ类。下部则为砂砾石层，由变质砂岩、结晶灰岩、千枚岩、片岩等组成，一般粒径0.5 cm～2.5 cm，砾石含量35%～40%，砂由中粗砂组成，含量60%～65%左右，泥含量较高，可达5%～8%，砾砂层结构向下由中密到密实。

2.2 地质问题

湖区现状地形以水阜沟沟谷地貌为主，沟底平坦。该调蓄湖库区主要地层为人工填土。库区四边均为人工边坡，故湖区所存在的主要工程地质问题是湖区的渗漏、浸没、渗透稳定等问题。

经勘探取样，湖区地下水位埋深大于20 m，土层上部为人工填土，中部为第四系冲洪积粉质壤土，渗透系数介于4.37×10-5cm/s之间，且地层结构单一，分布连续。判定湖区地层属弱透水性，在无防渗措施的情况下湖区渗漏量较小，但不能满足规范设计要求。

湖区岸坡地层属软质不稳定岸坡且驳岸为人工开挖边坡。不考虑水库防渗措施的条件下，湖区蓄水，随水位不断上升，岸边、坝体及坝基渗漏可能造成周围毛细水位上升，不可避免地会产生沉降变形，造成小规模的塌陷，影响库岸的稳定。同时，水湖是注入式人工湖，部分水源为水阜沟上游城市、道路汇聚的雨洪水，常裹挟泥沙和垃圾，对湖区库容、水质造成一定的影响。

2.3 地质处理及建议

为保障调蓄湖质量、运行安全，根据料场土料击实试验数据：最大干密度平均1.75 g/cm3，最优含水率平均为12.7%，结合相关规范，建议湖底基础处理自下而上依次为素土夯填至设计高程，压实系数不小于0.95，10%水泥土垫层80 cm，上铺设土工膜(150 g/0.5/150 g)，土工膜以上设10 cm厚M10水泥砂浆保护层，上铺80 cm素土。关键部位采用3∶7灰土挤密桩进一步处理基础，电焊石笼堆砌。

3 调蓄湖设计

3.1 工程设计

调蓄湖蓄水区域现状为耕地，受水阜河沟道地形、纵坡限制，南北长1.14 km，东西平均宽0.26 km，上下游自然落差约22 m。综合考虑工程经济、实施难易程度，设计在调蓄湖内设置跌水式溢流坝四道，消化自然落差，同时将湖区由北向南按高程等级依次分为4个湖区。设计方案：调蓄湖4个湖区总深均为3.5 m，总库容27.4万m3，其中有效库容13.2万m3，调洪库容14.2万m3。其中1#湖区湖底高程为1897.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1899.5 m，跌差10 m；2#湖区湖底高程为1889.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1891.5 m，跌差10 m；3#湖区湖底高程为1881.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖区湖底高程为1874 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1876 m，跌差2 m。

3.2 景观设计

构建水、岸复合生态系统，恢复水生、湿生、旱生的植被空间演替系列，建设生态岸线、自然与湖体处理系统[1]。综合治理整体水域、陆域和周边环境，恢复湖体周边自然生态系统，提高生物多样性，实现景观自然化；协调水与植物的关系，提高水、土质量，减少水土流失，在促进生态环境优化的同时，提升兰州新区景观档次，增加新区绿化率。

湖体景观设计根据现场实际地形条件，结合“生态、完美、自然”理念，布置湖心岛、木栈道、亲水平台等亲水性景观建筑，给人以美感、亲切感，增强新区人民自豪感、自信感。同时，因地制宜，以“水、岸、绿、游”为四大策略重点，运用多样生态技术及景观设计手段，维护湖体生态，营造碧水绿荫、河岛相映、蓝绿交织的生态纽带，力求打造兰州地区知名的湖体景观体。因此需坚持以下原则：

(1)坚持生态优先原则。保证游人健身、娱乐活动空间的同时，加大绿化面积，减少河道地地表裸露，进一步促进湖体湿地生态形成。

(2)科学恢复策略。在保护当地自然生态环境，保持地域性生态平衡的前提下，优化植物群落结构，维护基底的稳定性，稳固湖体湿地面积，进而减少雨洪冲刷造成的水土流失。

(3)可持续发展原则。遵循自然规律及植物景观的生态属性，均衡搭配植物品种，保持城市湿地与周边自然环境的连续性，保持水域环境和陆域环境的完整性，避免环境的过度分割而造成的环境退化，保持湿地水体、植物与人之间的平衡与稳定，确保城市湿地可持续发展[2]。

4 调洪演算

4.1 水位库容关系

经过平面布置，调蓄湖南北长约1.4 km，东西宽约0.26 km，湖区内设置跌水式溢流坝4道，坝高3.2 m，将调蓄湖分为4个湖区，从北向南依次编号为1～4号湖区。湖均深2 m，其中1、3号湖驳岸高3.8 m，2、4号湖驳岸高3.5 m。水位、库容关系采用水平断面法推求和绘制，并进行汇总统计[3]。水深～库容曲线见图1，水位-库容统计见表1。

表1 调蓄湖库容计算表

图1 水深-库容曲线图

4.2 溢流坝溢流计算

调洪演算以上游汇流雨洪100 a一遇洪峰流量作为入湖流量，通过调洪演算，确定调蓄湖的调洪库容、溢流坝最大泄流量及调蓄湖的最高水位。

调蓄湖整体由4道溢流坝分为4个湖区，每个溢流坝均高3.2 m，基础埋深1.2 m。筑坝材料为电焊石笼，坝前坡比为1∶3，坝后分5及跌水，总跌差为9.5 m～10 m。溢流坝泄流为自由出流，采用宽顶堰流公式进行流量计算[4]：

四道坝泄流计算结果见表2，绘制溢流堰泄流曲线见图2。

表2 溢流坝泄流计算表

图2 溢流坝泄流曲线

5 结语

水阜河流域是兰州新区境内重要的水系之一，承接来自上游调蓄湖、城区及周边山区汇流的雨洪。为保障水阜河上游雨洪满足河道行洪能力，确保河道周边水秦快速路安全，水阜河调蓄湖工程至关重要。

根据现场地质条件、地勘资料，提出调蓄湖目前存在的地质问题及解决措施；统筹考虑水阜河生态，结合“生态、完美、自然”理念，以“水、岸、绿、游”为策略重点，建议在满足水阜河河道行洪能力的前提下，建立以防洪、蓄水、削峰减洪为主，人工生态景观为辅的水阜河景观调蓄湖工程。

结合工程实际，消除上下游22 m落差，在调蓄湖内设置跌水式溢流坝四道，将湖区由北向南按高程等级依次分为4个湖区：1#湖区湖底高程为1897.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1899.5 m，跌差10 m；2#湖区湖底高程为1889.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1891.5 m，跌差10 m；3#湖区湖底高程为1881.5 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1883.5 m，跌差9.5 m，4#湖区湖底高程为1874 m，湖深3.5 m，溢流坝顶高程为1876 m，跌差2 m。

采用水平断面法计算了调蓄湖库容：1#湖库容5.46万m3，2#湖库容8.75万m3，3#湖库容9.12万m3，4#湖库容4.12万m3，绘制水位～库容关系图；宽顶堰流公式计算4道溢流坝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，绘制泄流曲线。