渠首除险加固方案比选分析

赵建国

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 项目区概况

项目区年平均气温在7.9℃。极端最高气温为39.9℃，最低气温为-35.2℃，最低温和最高温分别出现在1月和7月。气温年较差在27.3～28.4℃，日较差在10.2～16.0℃。≥10℃的积温为2006～3432℃，全年实际日照时数为2396～2680h，日照百分率在62%～67%。河源较高，径流以季节性融雪和部分永久性积雪与冰川补给为主，降水次之，地下水径流补给比重较高。灌区作物灌溉期用水量与年径流量来水匹配较好，春夏季用水高峰时，来水量也较大，秋季用水少，来水量也小。灌区总人口约4.13万人，其中农村人口3.7万人，占89.6%，城镇人口0.43万人，占10.4%；人口组成中，汉族占比45.2%，少数民族占比54.8%。年末牲畜存栏42.46万头。农业产值占总产值的68%，工业产值占32%。

工程地质方面，工程区地层岩性单一，地层均为第四系地层。第四系全新统沼泽沉积层(Q4al)，主要分布于河漫滩及河床两岸一级阶的地表，岩性为沼泽土，其组成以含砾粉土、含砾粉砂土和含淤泥砂砾石为主，松散-稍密，含较多植物根系，厚度多小于0.5m。第四系全新统人工堆积层(Q4s)，主要分布在河堤、渠堤和护堤道路位置，主要岩性为砂卵砾石和含土砂砾石，稍密-中密，厚度多小于2m。第四系上更新统至全新统冲洪积层(Q3-4apl)，分布在河床及其两侧的一级阶地和河漫滩，主要岩性为砂卵砾石，稍密-密实，厚度大于26m，是本工程场地的主要地层。水文地质方面，工程区地下水由孔隙潜水和基岩裂隙水组成，项目区地下水和土壤均不存在腐蚀性。

2 工程概况

拜安干渠拦河枢纽工程原设计依托地形于1966年建设了拦河闸式弯道引水渠首，由于当时设计河流设计洪水流量核定偏小，设计洪水流量250m3·s-1，校核洪水流量294m3·s-1，建设标准低，且河道洪水时会携带漂浮物，于1984年5月超标准洪水把拦河闸全部冲毁，于1985年11月对渠首进行改建，主要将原14孔拦河闸更改为78m长挡水堰，并对上下游护岸进行修补加固，渠首人工弯道、进水闸、泄洪冲砂闸运行，至今已49a。渠首改建后运行一直良好，但近20a随着大型灌区的开发，灌区灌溉面积不断加大，导致灌区需水量增大，河道引水比增加，且泄洪冲砂闸由于无水冲砂致使泥砂大量淤积，挡水堰前淤积问题也越来越严重，亟需进行除险加固，保障安全运行。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》中规定本工程中主要建筑物为3级[1]，根据1/400万《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2001)工程区处在地震峰值加速度为0.2g的区域内，其对应的地震基本烈度为Ⅷ度区[2]。本次初步拟定闸堰结合式引水渠首及改建全闸式引水渠首2种改建方案进行比较分析，从中选择比较合适的工程方案。

3 除险加固方案

3.1 改建全闸式引水渠首方案

一次泄洪闸闸室段长度为12m，底板厚度为1.2m，闸室设置孔宽为8m的闸门6孔，中墩厚度为1.2m，边墩厚度为1.0m。

一次泄洪冲砂闸闸室结构采用C25F200W6钢筋混凝土，闸底板上层0.2m厚度位置，浇筑抗冲磨C60硅粉高强高性能混凝土。闸室上部设有闸房和交通桥，交通桥面板采用预制混凝土空心板，桥宽4.0m，公路Ⅱ级。

一次泄洪冲砂闸及引水道上游铺盖长15m，纵坡采用坡比为1/210，表层铺设0.3m厚的混凝土，铺盖前端设有防护基础一座，基础边坡为1∶1.5，深3.0m。

闸室下游为护坦、防冲墙、防冲槽。护坦，在闸后以1∶10的坡度下降，护坦长度10m，宽55.2m，采用厚为0.5m的C25F200W6钢筋混凝土结构，在底板上层0.2m厚度位置，浇筑C60硅粉高强高性能混凝土。防冲墙顶宽为0.5m，底宽2.86m，结构采用C20F250W6抗渗抗冻混凝土现浇而成。防冲槽底宽2.0m，后边坡1∶1.0，长55.2m，厚度为1.0m。

引水道位于河道右岸，首端设置现浇钢筋混凝土台堰，台堰采用宽顶堰形式，顶宽0.5m，堰顶高程853.2m。堰后引水道长180m，在原浆砌石基础上铺设厚度为0.12m的混凝土板防护。

二次进水闸位于引水道末端，为原进水闸维修，闸室段长9.6m，底板厚1.2m，闸室设2孔，单孔宽5.0m，中墩厚0.8m，边墩厚0.5m。

二次冲砂闸位于引水道末端，二次进水闸左侧，闸底板高程851.5m，闸顶高程855.5m。工作门尺寸为4.5m×3.3m(b×h)，检修门尺寸4.5m×2.5m(b×h)。

二次进水闸及冲砂闸共4孔，闸室采用两孔一联的整体式，每2孔闸为一体。闸室维修方案为将原闸室段混凝土表面清理打毛5cm后，重新铺设20cm厚C30.F200.W6钢筋混凝土，在闸底板重新铺设20cm厚的C60高强高性能混凝土防冲、抗磨现浇钢筋混凝土。闸室上部设有闸房和交通桥，交通桥面板采用预制混凝土空心板，桥宽4.0m，公路Ⅱ级。

上下游整治段，上游整治段右岸建设护堤长度为440m，左岸建设护堤长度为217m；下游整治段右岸建设护堤长度为153m，左岸建设护堤长度为153m。纵坡1/900，内、外边坡1∶1.5，堤顶宽为4m，堤高为4m。

3.2 闸堰结合式引水渠首改建方案

泄洪冲砂闸闸室段长度为12m，闸底板厚度1.2m，闸室设置孔宽为8m的闸门3孔，闸墩厚度为1.2m。闸室采用三孔一联的整体式，闸墩下部65cm采用C60硅粉混凝土浇注，上部采用C25F200W6钢筋混凝土结构，底板上层0.2m厚度位置，浇筑抗冲磨C60硅粉高强高性能混凝土。闸室上部设有闸房和交通桥，交通桥面板采用预制混凝土空心板，桥宽4.0m，公路Ⅱ级。

溢流侧堰布置在泄洪冲沙闸南侧，堰体采用梯形实用堰，堰体长度为60m。侧堰迎水面坡度为1∶1，堰顶宽度为0.5m，实用堰表层铺设0.3m厚的钢筋混凝土，堰的尾部接护坦，长度20m，表层采用1.0m钢混软排消能。

右岸设置弯道式引水渠道，弯道口设置台堰，进口挡砂坎采用C25F200W6现浇混凝土结构，弯道式引水渠为梯形断面，底宽13m，长180m，边坡1∶1.5，采用厚度为0.12m的混凝土板护砌。

二次泄洪冲砂闸为原闸维修：闸室段长为9m，底板厚为1.2m，闸室设置孔宽为4.5m的闸门2孔，闸墩厚为0.8m，闸孔总净宽9m。设置一道工作闸门。闸室整体采用钢混结构，底板上层0.2m厚度位置，浇筑抗冲磨C60硅粉高强高性能混凝土。闸室上部设有闸房和交通桥，交通桥面板采用预制混凝土空心板，桥宽4.0m，公路Ⅱ级。

二次冲砂闸后接543m长排沙渠道，渠道采用现浇C20F200W6混凝土板渠道，渠道底面宽为7.0m，深3.0m，边坡1∶1.5，渠道末端接入河道。

二次进水闸也采用原闸维修，进水闸设2孔闸，单孔宽5.0m，进水闸室及进口挡砂坎均采用C25F200W6现浇混凝土结构，闸门采用钢制平板型，配备手电两用螺杆式启闭机3台。

上游整治段右岸护堤长度440m，左岸护堤长度217m；下游整治段右岸护堤长度为134m，下游整治段左岸护堤长134m，均采用梯形形式。堤顶宽4m，内、外边坡1∶1.5。堤高4m，上、下游护坡采用0.15m和0.20m厚的C20F200W4混凝土板衬砌。

4 方案比选分析

具体比选过程详见表1。

表1 方案比选

4.1 工程布置比较

这2种渠首都是某区常见引水渠首。渠首地质条件相同，均处在河床的砂砾石层上部，建闸条件好。改建全闸式引水渠首由一次泄洪冲砂闸、右岸进水道、二次进水闸、二次冲砂闸、上下游整治段和下游防冲槽等建筑组成；闸堰结合式引水渠首由泄洪冲砂闸、左岸(南岸)挡水堰、右岸进水道、二次进水闸、二次冲砂闸、上下游整治段和下游防冲槽等建筑组成。2种种渠首各建筑物布置见上述“工程布置方案”。

闸堰结合式引水渠首方案建筑物之间距离布置相对松散，洪水过水断面大，单宽流量较小，可减少对水闸下游的冲刷；改建全闸式引水渠首主体泄洪建筑物为泄洪冲沙闸，泄洪闸闸室为6孔8m，工程布置相对紧凑，对河道进行了塑窄，有利于冲砂，可过闸单宽流量较大，下游冲刷力度较大。

从2种渠首上下游整治段布置比较，改建全闸式引水渠首多修3孔泄洪闸，为了将主河道进行塑窄引水，上下游整治段工程量较闸堰结合式引水渠首大，但闸堰结合式引水渠首修建60m溢流堰，溢流堰修建工程量大，所以2部分工程量相当。

从工程布置比较分析可知，上述布置方案各有优缺点。

4.2 引水条件

闸堰结合式引水渠首方案，在布置上游整治段时，宽度选取较大，减缓流速的同时，泥沙淤积问题比较严重，甚至会影响上游行洪能力。

全闸式引水渠首方案上下游河道整治段宽度小，上游水流速度大携砂能力强，治理泥沙淤积效果显著。

4.3 工程施工

闸堰结合式引水渠首方案，主体建筑物间距大，施工受空间条件影响小，且施工难度低。

全闸式引水渠首方案，主体建筑物布置紧凑，工程施工强度大，施工工艺相对复杂。

从施工比较可知，方案2闸堰结合方案较优。

4.4 工程运行管理

闸堰结合式引水渠首在某区通常被为“懒汉渠首”，泄洪能力和灵活度较高，这种渠首即使在汛期无人职守，洪水来临时不开泄洪闸，大多数洪水也可安全通过侧堰，不会威胁渠首安全[4]。

全闸式引水渠首可利用洪水预警系统，大大提高防洪安全，且闸前不会发生泥沙淤积现象，维修养护资金少，使用年限长，但全闸式渠首更注重于管理，如果自动化系统配套不完善或出现问题，在洪水来临时未及时开启闸门极易造成水闸被冲毁，管理强度较大。

从工程运行管理比较闸堰结合方案优于全闸式引水渠首方案。

5 比较结论

通过从地形地质条件、枢纽工程布置形式、工程施工、运行管理和工程投资等5方面进行综合比选分析。在工程布置方面，闸堰结合式引水渠首的溢流侧堰较长，洪水过水断面大，单宽流量小，可减少对水闸下游的冲刷影响。在引水方面，虽然在上游段会有泥沙淤积的现象出现，但在溢流堰设置有3孔泄洪冲砂闸，在大流量时冲砂，引水道前不会有泥沙淤积现象，可保证引水质量。在施工方面，闸堰结合方案，主体建筑物布置相对松散，施工场地开阔，施工工艺相对简单。在工程运行方面，其泄洪的灵活程度是最高的，特别能适应山溪性河流，在汛期发生的陡涨陡落洪水，通过侧堰形式也能够安全泄洪，保障工程安全。因此本次除险加固选用闸堰结合式引水渠首方案。