某渠首除险加固枢纽布置方案比选

2021-08-06于志昂

河南水利与南水北调 2021年5期

于志昂

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆昌吉 831100)

0 引言

三眼泉引水渠首1984年建成并投入运行，渠首运行日久，现溢流堰及其消能设施已完全破坏，冲沙闸、引水闸尺寸过小，闸前淤积，闸室结构存在安全隐患，冲沙闸和引水闸闸后消能防冲设施布置不合理，闸门及启闭机已报废。建筑物结构老损破坏严重，不能发挥应有的社会效益，存在重大安全隐患，经评定渠首为四类闸，需要对三眼泉渠首拆除重建。针对三眼泉渠首除险加固工程，对枢纽布置的三种方案进行比选，优选出适合的布置方式，对区域内类似工程提供借鉴。

1 工程基本情况

三眼泉渠首站位于龙王庙水库上游约2.00～3.00 km处河谷内，距县城约8.00 km的木垒河上游出山口处，该渠首是一座集引水、排砂、泄洪为一体的拦河闸坝式引水工程。控制灌溉面积0.43万hm2，引水流量为2.90 m3/s，渠首区最高气温36.90℃，最低气温-31.70℃，最大冻土深度1.40 m，最大积雪深度41.90 cm，多年平均年降水量315.70 mm。渠首工程为Ⅲ等中型，其主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别4级，临时性建筑物级别5级。闸址区出露地层岩性主要为第四系卵砾石层及石炭系上统凝灰质砂岩，其中凝灰质砂岩呈薄-中厚层状结构，属坚硬岩，抗风化能力强，强度较高，河床左岸依托于Ⅱ级阶地阶坡，边坡稳定。右岸：山体表层多被第四系坡积物覆盖，局部基岩出露，岩层倾向下游，偏向岸里，边坡稳定。场区地震动峰值加速度值0.20 g，对应地震基本烈度为Ⅷ度。

2 渠首布置方案拟定

根据闸址区的地形地质条件、枢纽布置、工程施工和工程投资等因素拟定了三种方案。

2.1 拦河闸式布置

渠首由泄洪闸、冲砂闸、引水闸及导流堤等组成。引水闸布置于最右侧(河道东岸)。根据河道水流及饮水和冲砂需求，引水闸闸室轴线与冲砂闸成6°夹角。闸室长度14.00 m，布设单孔，孔净宽2.00 m，总宽度为3.20 m。泄洪闸和冲砂闸位于引水闸左侧布置(河道西岸)，泄洪闸净宽26.00 m，总宽31.60 m，共分为4孔，单孔净宽6.50 m；底板高程1 388.70 m，闸室段长14 m；冲砂闸净宽6.00 m，总宽8.40 m，共分为2孔，单孔净宽3.00 m，闸底板高程1 387.20 m，闸室长度为14.00 m，闸墩顶部高程为1 393.70 m。在引水闸和泄洪闸前设置曲线导砂坎，引导水砂流向冲砂闸。

2.2 底栏栅式布置

渠首由底拦栅坝、泄洪冲砂闸、溢流坝、导砂坎及导流堤等建筑物组成。底栏栅引水廊道布置于河道最右侧(河道东岸)，便于和下游输水干渠连接。引水廊道设在坝体内，设计取水流量3.80 m3/s，引水廊道布置2排，每个廊道宽度2.00 m廊道，廊道垂直于水流方向长5.00 m，栅条顺河道水流方向布置，栅面向下游倾斜，底坡i=0.10，栅条采用梯形型钢，顶宽14.00 mm，底宽6.00 mm，高40.00 mm，间隙8.00 mm。引水廊道右岸设引水闸控制室，引水闸闸室垂直于泄洪闸布置，闸室长2.00 m，宽6.00 m，两孔，每孔净宽2.00 m。溢流坝布置于最左侧，采用WES堰，且无闸控制，堰顶高程为1 390.10 m，堰净宽为20.50 m、堰高为2.40 m。

冲砂闸位于底栏栅引水廊道和溢流坝中间，位于河道主流一侧，冲砂闸闸室采用整体开敞式钢筋混凝土结构。闸底板高程1 387.70 m，闸室段长11.00 m、净宽6.00 m，总宽8.40 m，共分为2孔，单孔净宽3.00 m，闸墩顶高程为1 394.20 m。同样在底拦栅和溢流堰前修建导砂坎，方便冲砂。

2.3 拦河闸坝式布置

渠首由引水闸、冲砂闸、溢流坝、导砂坎及导流堤等建筑物组成。溢流坝布置于河道西岸，采用WES堰，且无闸控制，堰顶高程为1 390.20 m。冲砂闸在溢流堰右侧，冲砂闸闸室采用整体开敞式，闸底板高程1 387.20 m。引水闸布设于冲砂闸右侧，根据闸室的地形条件，引水闸与冲砂闸成9°角度布设，闸室段长为12.00 m。导砂坎修建在引水闸前端，将水沙导向冲砂闸。

3 方案比选

通过对拦河闸式、底栏栅式及拦河闸坝式进行了同等深度的比较论证工作，三种方案的工程布局是一致地具体细部比选详见表1。

表1 枢纽布置比选比较表

3.1 工程布置

根据闸址处地形条件，河床宽度为45.00 m较窄，对于拦河闸坝式布置形式而言，布置形式较单一。对于底栏栅式枢纽布置形式，建筑物种类较多，底栏栅坝上装有金属栅栏，结构较复杂，底栏栅式枢纽布置形式较为复杂。对于拦河闸式来说，闸门孔数较多，布置结构复杂，因此从工程布置来看拦河闸坝式枢纽布置形式较优。

3.2 引水条件

拦河闸式枢纽布置基本不改变枢纽上下游河道的形态，即可壅水沉沙，又可以开闸泄水冲沙，能灵活地调节水位及流量，闸门的启闭来调整上游河道主流的方向，取水口始终保持良好的引水条件。但闸门孔数较多，调度运行不易操作。

底栏栅式枢纽布置细砂易进入廊道，栅条空隙易被推移质或悬浮物堵塞，经常需要处理，引水条件较差。

拦河闸坝式枢纽布置，由于引水口左岸布置两小孔冲砂闸，能灵活地调节水位及流量，保证引水口的引水量，引水能得到保证。

从引水条件上，拦河闸坝式枢纽布置行较优。

3.3 冲沙效果

拦河闸式枢纽布置，采用拦河闸壅水，引水防沙效果较好，它既适用于上有河道为砂卵石河床的情况，也适用于中游砂砾河床，即可蓄水灌溉，又可以开闸泄水排沙，可排除上游壅水段淤积的泥沙，冲排沙能力强。

底栏栅式枢纽布置细砂易进入廊道，需要在引水干渠设置排沙道或沉砂池排入原河道。与拦河闸直接开闸泄水排沙相比效果较差，冲排沙能力弱。

拦河闸坝式枢纽布置溢流堰右岸布置小孔冲砂闸，用于河道小流量冲砂，防沙能得到保证，冲砂效果较好。

3.4 运行管理

拦河闸坝式枢纽布置运行安全，管理方便；底栏栅式枢纽布置栅条空隙易被泥沙或悬浮物堵塞，若洪水中带有巨石，可能会破坏栅条，需要经常现场检查维修栅条，冬季栅条易为冰屑堵塞。经常需要人工处理，管理相对复杂。拦河闸式枢纽布置闸门孔数较多，闸门孔数较多，运行管理复杂。

3.5 投资

工程总投资：拦河闸式枢纽布置方案为1 770.07万元，底栏栅式枢纽布置方案为1 833.36万元，拦河闸坝式枢纽布置方案为1 068.52万元，拦河闸坝式枢纽布置较拦河闸式、底栏栅式枢纽布置方案节省投资701.55万元、764.84万元，拦河闸坝式投资较小，并且拦河闸坝式引水枢纽布置形式紧凑，结构简单，冲沙效果良好。