美國埃爾克黑德水庫擴(kuò)容與魚類保護(hù)

[美] R.D.坦尼 M.R.梅

蘇 燕 譯自英刊《水電與大壩》2009年第4期

很多機(jī)構(gòu)正努力恢復(fù)科羅拉多河水系特別是揚(yáng)帕河中的 4種瀕危魚類:科羅拉多鯉魚(Colorado Pikeminnow)、剃刀背臙脂魚 (Razorback Sucker)、鯖魚(Bonytail)和駝背白鮭(Humpback Chub)。為保證揚(yáng)帕河流量,使本地魚類受益,重點(diǎn)是要保持基流,防止其減小太多。揚(yáng)帕河的春季高峰流量,雖然在量級(jí)與歷時(shí)方面仍相對(duì)“自然”,但由于灌溉用水,基流仍然會(huì)降低到不利于本地魚類的程度。水庫擴(kuò)容將為枯水年份提供臨界水流,以補(bǔ)充揚(yáng)帕河的低流量,幫助恢復(fù)上述本地魚類種群。眾多供垂釣的非本地魚種可能游出水庫而與上述本地魚競(jìng)爭(zhēng),從而影響到恢復(fù)本地魚棲息地的工作。擴(kuò)容后的水庫也將為其他工程伙伴提供更多的水源,滿足克雷格市(飲用水)和克雷格發(fā)電廠(燃煤電廠冷卻水)的用水需求及其未來的用水需要。

1 背 景

揚(yáng)帕河支流埃爾克黑德河上的原水庫,建于 20世紀(jì) 60年代,由科羅拉多州野生動(dòng)物局設(shè)計(jì)規(guī)劃,用作休閑和養(yǎng)魚,庫容為616萬 m3。揚(yáng)帕河自東向西流經(jīng)科羅拉多州的西北角,是科羅拉多河的支流。大壩位于科羅拉多州莫弗特(Moffat)和魯特(Route)縣境內(nèi),距克雷格市東北約 16 km。

隨著水庫擴(kuò)容的計(jì)劃變得越來越重要,克雷格燃煤電廠的開發(fā)商也開始規(guī)劃其供水需求?？死赘耠娬镜靡栽诎柨撕诘滤畮鞌U(kuò)容工程中得到改造,除原用于休閑與養(yǎng)魚外還滿足了其供水需求,這促成了最初的合作。

因?yàn)榭死赘耠娬緝H在缺水條件下依賴埃爾克黑德水庫的蓄水,因此這種合作實(shí)際上大大增加了水庫用于休閑的機(jī)會(huì)。

1991年,水庫附近的大多數(shù)克雷格市居民購買了野生動(dòng)物局持有的水庫股份,以支持市政供水系統(tǒng)。由于科羅拉多州野生動(dòng)物局早期修建的休閑設(shè)施比較簡(jiǎn)陋,因此克雷格市希望對(duì)其進(jìn)行改造。于是,該市將水庫納入科羅拉多國家公園的揚(yáng)帕河國家公園系統(tǒng),從而獲得資金用于改造重要的休閑設(shè)施,并由科羅拉多國家公園進(jìn)行管理和運(yùn)營。

20世紀(jì) 80年代中期,為改善該市的市政供水,克雷格市和科羅拉多州政府研究了埃爾克黑德水庫擴(kuò)容的可能性,克雷格市購買了科羅拉多州野生動(dòng)物局的股份,在不進(jìn)行水庫改造的情況下滿足了該市的供水需求。但是,面對(duì)這座日益老化的大壩建筑物,該市必須維修原有出水口工程、改造溢洪道并處理大壩右壩肩的滲漏。改造所需費(fèi)用預(yù)計(jì)超過100萬美元。而且,為保證原水庫不會(huì)放空,科羅拉多野生動(dòng)物局在庫底以上10.6m處修建了出水口工程,將其購買的自流庫容690萬 m3限制到209萬m3。

原壩為土壩,高24.4m,有一個(gè)垂直柱狀排水系統(tǒng)和一個(gè)直徑91.4 cm的單層出水口,離水庫底部約10.6 m。一座浴缸形的混凝土溢洪道,按其規(guī)?？上滦挂话氲目赡茏畲蠛樗Ｔ髩问┕ぐㄒ粭l至基巖的混凝土溝,但不包括灌漿帷幕。

表1示出了埃爾克黑德擴(kuò)建工程的主要特征。

表1 埃爾克黑德擴(kuò)建工程主要特征

2 新壩和附屬工程

新壩為分區(qū)土壩,高 32 m。2005～2006年,對(duì)該壩進(jìn)行了加高,以增加庫容,更新設(shè)施,為揚(yáng)帕河瀕危魚類供水。改造工程主要特性如下:

(1)大壩加高7.6m,水面上升 6 m,庫容擴(kuò)大約 1倍;

(2)基礎(chǔ)灌漿;

(3)一個(gè)鋪蓋和趾部排水系統(tǒng),以收集和管理滲漏,一臺(tái)新儀表;

(4)兩圈迷宮型溢洪道,超高為0.3m,用于通過流速約 821 m3/s的可能最大洪水;

(5)新開挖的出水口工程,帶有集魚柵網(wǎng),包括一個(gè)高 29m的多閘門進(jìn)水口塔、直徑為 61 cm和183 cm的鋼襯出水口管道、一個(gè)帶有 107 cm固定錐形閥和 46 cm射流閘門的控制室;

(6)改造受影響的縣級(jí)公路,包括加高低于庫水位以下的道路,重新規(guī)劃受工程影響的道路;

(7)科羅拉多國家公園新配套設(shè)施,包括新的混凝土船用坡道、滑雪灘區(qū)、野營地和有關(guān)設(shè)施;

(8)改良水庫周邊 4個(gè)區(qū)域的濕地,改良面積約15 hm2;

(9)出水口工程魚柵網(wǎng)首次在落基山地區(qū)得到大規(guī)模應(yīng)用,所有的閘門都設(shè)置有柵網(wǎng)。

2.1 灌漿帷幕

埃爾克黑德壩建于強(qiáng)度不同的砂巖和頁巖基巖上。壩基處布置 2排防滲灌漿帷幕用以減少滲漏。在山谷底部,通過鉆穿山谷底部的沖積層,進(jìn)行灌漿帷幕的施工并通過套管灌漿。

在壩肩上和山谷底部以上的土壩基礎(chǔ)部分,通過澆筑到堅(jiān)固基巖上的混凝土灌漿帽進(jìn)行灌漿帷幕的施工。灌漿帽使灌漿密封良好。將灌漿“嘴”鉆進(jìn)到灌漿帽,并通過它們進(jìn)行灌漿。

在灌漿帷幕施工過程中,依次進(jìn)行鉆孔,栓塞滲漏試驗(yàn),然后進(jìn)行灌漿。在測(cè)量到的不符合要求的漏水區(qū)域,對(duì)驗(yàn)證孔灌漿,并鉆探和測(cè)試附加的驗(yàn)證孔。自原壩施工以來,右壩肩出現(xiàn)漏水,于是將灌漿孔的間距加密到0.6m。

2.2 溢洪道

溢洪道設(shè)計(jì)有一個(gè)陡堰(約 80°),在設(shè)計(jì)流量時(shí),略超過堰墻高度的 80%。在仔細(xì)考慮了溢洪道墻布置的性能之后,采用該設(shè)計(jì),使施工費(fèi)用最少。美國內(nèi)務(wù)部和墾務(wù)局建議根據(jù)最新研究和模型試驗(yàn)的結(jié)果來布置迷宮式溢洪道墻。

為使混凝土施工量最小,選擇了迷宮式溢洪道,因?yàn)橐绾榈赖男逼孪掠蜗喈?dāng)陡,足以使水流能在比常規(guī)溢洪道堰頂窄得多的斷面內(nèi)通過。

溢洪道斜槽底部的消力池能通過一半的可能最大洪水。由于歷史的原因形成了臺(tái)地,臺(tái)地之間是山谷地形,對(duì)其下游容量的評(píng)估表明,在流量超出一半可能最大洪水時(shí),該山谷將嚴(yán)重被淹,并進(jìn)行消能。

2.3 出水口工程和進(jìn)水塔

出水口工程包括水庫中的一個(gè)進(jìn)水口塔,不同高程有多扇閘門,包括在水庫底部的兩個(gè)進(jìn)水口。進(jìn)水塔通過一條在基巖中開挖的長(zhǎng)154m的隧洞與下游控制室相連。隧洞內(nèi)布設(shè)了直徑分別為 183 cm和 61 cm的兩條鋼管,并用長(zhǎng) 30cm一段的常規(guī)混凝土在上下游端回填?；炷粱靥畈捎枚喂酀{法。至今,該隧洞沒有發(fā)現(xiàn)滲漏。

進(jìn)水塔在水庫底部以上的不同高程處有 2個(gè)直徑 122.0cm的進(jìn)(出)水口,一個(gè)位于水庫底部的直徑152.4 cm的進(jìn)水口,一個(gè)與隧洞中的鋼管連接的直徑182.9 cm的出水口。所有的進(jìn)水口和出水口都受帶不銹鋼葉片的鋼制刀形閘門的控制。這些閘門由在水庫可能最大洪水高程以上設(shè)置的進(jìn)水塔中的升桿致動(dòng)器操作。

除了 122.0cm和152.4 cm的進(jìn)水塔外,進(jìn)水口建筑物還包括一個(gè)直徑 61 cm、從塔穿過的鋼管,在水庫中有其獨(dú)立的進(jìn)水口。這使得出水口工程的泄水能力量高達(dá)2.1 m3/s,當(dāng)塔排干時(shí),可進(jìn)行檢查和維護(hù)。由于埃爾克黑德河的流量和任何預(yù)期的輸水往往低于該流量,為此大部分時(shí)間將使用直徑 61 cm的出水口。

該出水口的排水可由一個(gè)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)操作,若要調(diào)整較大出水口處的泄水,則需在大壩處操作。在泄水期間,同時(shí)操作大、小管道,經(jīng)過篩網(wǎng),通過約 16m3/s的流量。水庫擴(kuò)建后,當(dāng)徑流為19.3～61.6 m3/s時(shí),那些沒有經(jīng)過篩網(wǎng)的水通過溢洪道下泄。

水庫泄洪每年持續(xù)約 6周,在泄洪期間,供垂釣的外來魚種仍能通過溢洪道游離水庫。

從壩頂通過一座長(zhǎng)58.8m、水泥橋面寬0.3m的凈跨鋼“空間桁架”橋梁,可到達(dá)進(jìn)水塔?？臻g桁架設(shè)計(jì)可提供一個(gè)凈跨結(jié)構(gòu),以在需要移除刀形閘門時(shí)起到支撐維修車輛或刀形閘門載荷的作用。塔的建筑物結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單軌,除不能起吊整套最大刀形閘門以外,可起吊所有其他單部件。183 cm的最大刀形閘門需要在塔中拆卸為 3件,才能起吊。

3 魚類保護(hù)

該工程包括一個(gè)出水口工程,水庫中的進(jìn)水塔有多扇不同高程的進(jìn)水閘門。水庫中有供垂釣的外來魚,據(jù)了解,這些魚游離水庫與聯(lián)邦政府列出的揚(yáng)帕河中的瀕危魚類相競(jìng)爭(zhēng)。但是,水庫的垂釣用途也很重要,因此,對(duì)于魚類恢復(fù)計(jì)劃,要維持河流生態(tài)系統(tǒng)管理以恢復(fù)瀕危魚類和保護(hù)其他野生生物價(jià)值之間的平衡。

為了將外來垂釣魚種(如小口鱸魚、刺蓋太陽魚和白斑狗魚)留在水庫中,防止它們侵入揚(yáng)帕河下游受保護(hù)魚類的棲息地,所有的進(jìn)水塔均安裝魚篩網(wǎng)。進(jìn)水口由安裝在塔內(nèi)側(cè)的刀形閘門控制,以便于魚篩網(wǎng)安裝在每個(gè)閘門開口的外側(cè)。

魚篩網(wǎng)為不銹鋼楔形絲篩網(wǎng)(鼓形篩網(wǎng)),網(wǎng)孔0.6 cm,篩網(wǎng)直徑 69～213 cm,配備有一個(gè)空氣反沖洗系統(tǒng)。在迷宮式溢洪道進(jìn)口渠處也安裝了錨,用來栓魚網(wǎng),以防止外來魚游過溢洪道進(jìn)入埃爾克黑德河下游。

魚篩網(wǎng)配備一個(gè)反沖洗系統(tǒng),由篩網(wǎng)兩邊的水頭差驅(qū)動(dòng)。該魚篩網(wǎng)通過壓頭損失和反沖洗循環(huán)監(jiān)測(cè),當(dāng)需要時(shí),通過 SCADA遠(yuǎn)程起動(dòng)。由 2臺(tái)醫(yī)用壓縮機(jī)提供反沖洗空氣,向 2個(gè)空氣罐充氣。醫(yī)用壓縮機(jī)用于減少壓縮機(jī)穿越水庫的噪聲?？諝夥礇_洗的順序是打開代用閘門,保持水流通過,關(guān)閉篩網(wǎng)需要反沖洗的閘門,然后進(jìn)行氣爆。氣爆完成后,重新打開該閘門,并關(guān)閉代用閘門。接下來是測(cè)量水頭差,如有必要,重復(fù)以上過程。若反沖洗失敗或未能達(dá)到要求的水頭差,SCADA會(huì)向克雷格市水處理設(shè)施的運(yùn)行人員報(bào)告?？諝夥礇_洗系統(tǒng)有多個(gè)冗余,采用多個(gè)空氣罐、壓縮機(jī)和輔助發(fā)電機(jī),需要時(shí),它們會(huì)自動(dòng)接入。

在塔外側(cè)安裝鼓形篩網(wǎng),以便于在塔內(nèi)側(cè)安裝刀形閘門。之所以選用刀形閘門,是因?yàn)樗鼈兛捎帽匾奶^從水庫外側(cè)密封。這些刀形閘門的性能良好,能按要求密封。在塔內(nèi)側(cè)安裝刀形閘門,便于檢修,它還將有助于閘門桿免受冬季水庫冰蓋力的影響。

為大壩安全起見,水庫底部出水口處的魚篩網(wǎng)必須是可移動(dòng)的。為了滿足水庫泄降水位與放空的調(diào)節(jié)要求,在任何情況下,下部出口必須暢通。該出水口上0.6 cm網(wǎng)孔是存在的又一安全隱患,如果空氣反沖洗系統(tǒng)失效或者諸如塑料袋之類的漂浮物將篩網(wǎng)堵塞,便不能確保在緊急情況下降低或泄降水庫?？諝夥礇_洗系統(tǒng)的冗余并不能解除這一隱患。

在施工期間,修改了塔的設(shè)計(jì),以容納一臺(tái)特殊裝置的起重機(jī),用于安裝水庫底部 152 cm的主閘門上的篩網(wǎng)。之所以選擇這種起重機(jī)是因?yàn)樵诜礇_洗期間,篩網(wǎng)只需要移動(dòng)約2.13m閘門的開口間隙。152 cm的閘門有一個(gè)固定在塔表面的不銹鋼軌道上的直徑 213 cm的鼓形篩網(wǎng)。如果需要從閘門開口取下魚篩網(wǎng),則需將水庫放空,閘門支撐環(huán)上配備有扁鋼攔污柵,柵孔為7.6 cm×15.2 cm,以防下游106.6 cm的固定錐形閥夾帶渣滓。

為給魚篩網(wǎng)的控制裝置提供空間,該出水塔建筑物必須加高 1 m。在施工圖設(shè)計(jì)過程中,施工方對(duì)此進(jìn)行了必要的調(diào)整,工程師小組、承包商和供貨商的合作也確保了工程的順利實(shí)施。

4 挑 戰(zhàn)

4.1 庫水位的管理

在施工期間,對(duì)徑流進(jìn)行管理,維持最低庫水位,以保護(hù)水庫中的魚類。管理庫水位、維持下游流量與過流是面臨的兩個(gè)最重要挑戰(zhàn)。這些要求和有關(guān)的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在整個(gè)施工過程中。此外,必須保護(hù)埃爾克黑德水庫的外來魚種。通過水庫的水流采用不同的方法過篩,以將魚留在水庫中。在施工期間,必須保持低庫水位,以保護(hù)水庫中的魚種。

為維持水庫和下游河道的流量,同時(shí)不讓外來魚種游入,采用了各種引水和水管理技術(shù)。施工過程中,在 2個(gè)徑流季節(jié)運(yùn)行老設(shè)施,然后過渡到新設(shè)施,并拆除老設(shè)施。針對(duì)引水工程的每一個(gè)階段,修建了臨時(shí)和永久的魚篩網(wǎng)。整個(gè)工程的大多數(shù)規(guī)劃都考慮了庫水位。

2個(gè)施工季的春季徑流峰值為33.6m3/s。原出水口工程只能通過18.3m3/s的流量。新的出水口設(shè)施在第2年建成后,與原出水口工程和溢洪道一起用于引水。當(dāng)庫水位在第1年下降到原出水口工程底板高程以下時(shí),采用了虹吸管系統(tǒng)進(jìn)一步泄降庫水位。

4.2 施工順序與工期限制

有關(guān)各方耗時(shí)多年才就埃爾克黑德工程達(dá)成協(xié)議,并促成施工。根據(jù)要求,工程必須在 2 a內(nèi)完工。工地高程在 1828m以上,施工季節(jié)短,每年的施工時(shí)間通常為 4月或 5月一直到 10月或 11月。在徑流結(jié)束和冬季來臨之間,也有一段短時(shí)間,徑流通常在 6月或 7月衰減,冬季通常在 10月或 11月開始。解決方案是制定一個(gè)詳細(xì)的施工順序,充分考慮天氣狀況,尋找積極主動(dòng)的施工承包商,以及利用周末和假日趕工。有些活動(dòng)按計(jì)劃進(jìn)行,但有些活動(dòng)卻因天氣原因而不能順利開展,因此,必須充分利用非工作日和在 2005年及 2006年冬季停工期的這段時(shí)間。2006年 12月,工程基本完工。

4.3 閘門防護(hù)

該項(xiàng)目保證了閘門耐久,不易受腐蝕。

由于魚篩網(wǎng)不銹鋼表面、刀形閘門圓盤、刀形閘門體和塔鋼筋的碳鋼中產(chǎn)生電位差或電壓,因此需要對(duì)碳鋼刀形閘門體進(jìn)行陰極保護(hù)。而通過安裝 315 kg犧牲陽極減輕了腐蝕。定期監(jiān)測(cè)殘壓和陽極。

4.4 大壩壩趾處的開挖

壩體包括一個(gè)開挖到原大壩下游基巖的新的心墻槽。心墻槽和壩趾施工必須完成,同時(shí)維持水深約9.14m的最低庫水位,以保護(hù)水庫中的魚類。在開挖施工期間,水庫水深實(shí)際上約為18.3 m。在開挖、基礎(chǔ)準(zhǔn)備和回填澆筑期間,為避免原壩體失穩(wěn),將以約30.5m寬的“板塊”逐步開挖。

4.5 大壩基礎(chǔ)條件

大壩基礎(chǔ)含有許多無法預(yù)知的材料,包括煤、破碎基巖和某些很軟的材料。清除了基礎(chǔ)中的主要煤層,當(dāng)基礎(chǔ)開挖進(jìn)一步加深時(shí),便需加固壩體。右(西)壩肩有破碎的基巖,因而產(chǎn)生了各種滲漏。通過基礎(chǔ)灌漿程序?qū)Υ诉M(jìn)行了處理。在左(東)壩肩基礎(chǔ)開挖期間,遇到了某些非常軟的材料,包括有機(jī)材料和直徑為幾厘米的樹枝。調(diào)整開挖并作基礎(chǔ)處理,挖除軟材料,在澆筑覆蓋材料之前,在陡的、潛在的不穩(wěn)定開挖中采用機(jī)器對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了清理。

4.6 進(jìn)水塔的開挖

在靠近現(xiàn)有水庫的進(jìn)水塔的施工中,需開挖18.3 m深的巖層,而進(jìn)水塔引渠的施工,則需要開挖長(zhǎng)約45.7m的巖層。為了保護(hù)水庫中的魚類,要求水庫最小水深約為9.1m。

制訂了詳細(xì)的施工工序。2006年春季徑流減小后,在基巖和水下完成了一條長(zhǎng) 45.7 m和深10.6 m以上的進(jìn)水塔引渠,為此承包商采用了各種施工方法,包括長(zhǎng)臂挖掘機(jī)和臨時(shí)板樁。

5 結(jié) 語

魚篩網(wǎng)已經(jīng)發(fā)揮了應(yīng)有的功能,經(jīng)過出水口工程的流量為16m3/s,沒有發(fā)生機(jī)械或操作事故。這些篩網(wǎng)只安裝在水庫的閘控出水口處,溢洪道上并沒有安裝,因此,當(dāng)每年的融雪徑流超過安裝有篩網(wǎng)的出水口工程的容量時(shí),水庫中的外來魚仍能逃出水庫。從揚(yáng)帕河遷移的、打有標(biāo)簽并被投進(jìn)埃爾克黑德水庫的某些外來魚,可能已通過溢洪道逃逸。這是預(yù)料之中的,但如果逃逸魚的數(shù)量很大,則可能必須在溢洪道上設(shè)置篩網(wǎng)。

過篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)行近流速超過了防止魚撞擊的正常值,因?yàn)樗畮熘型鈦眙~的受傷不致釀成大問題,一定的死亡率是可以接受的。

通過監(jiān)測(cè)篩網(wǎng)的水頭損失來確定何時(shí)必須進(jìn)行反沖洗。篩網(wǎng)可運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)周),而不必反沖洗,表明篩網(wǎng)不易受堵塞的影響。當(dāng)用空氣反沖洗篩網(wǎng)時(shí),可以觀察到魚的死亡數(shù)(通過漂浮的死魚進(jìn)行觀測(cè))。某些魚的死亡率是可接受的,以達(dá)到圍堵和降低魚篩網(wǎng)安裝費(fèi)用的目的。

施工期間遇到了幾項(xiàng)挑戰(zhàn),其中有正常的挑戰(zhàn)(例如,工期、引水和放水問題),也有特殊的挑戰(zhàn),然而通過業(yè)主、承包商和工程師小組之間的有效合作,所有問題已成功解決。工程在預(yù)算內(nèi)按期完工,改造了設(shè)施,擴(kuò)大了庫容,并使多方受益。

遇到并克服了與陽極保護(hù)的翻新和 SCADA編程有關(guān)的某些挑戰(zhàn)。篩網(wǎng)出水口工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)令人滿意,大壩功能符合設(shè)計(jì)要求,滲漏小,多種魚類得到保護(hù),出水口工程使大壩運(yùn)行更加靈活。將來,埃爾克黑德地區(qū)的蓄水需求可能增加,隨著時(shí)間的推移,為有效利用揚(yáng)帕河下游河水,埃爾克黑德水庫將會(huì)變得越來越重要。