付明軍

河北省遵化水平口攔河壩壩型方案的優(yōu)化比選

付明軍

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

遵化水平口攔河壩原為漿砌石溢流壩，因泥沙淤積和水源地保護(hù)工程建設(shè)的需要，需更新改造。根據(jù)防洪、灌溉取水、人工濕地建設(shè)等功能要求，擬建低水頭攔河壩是合理的。其可選擇的壩型有閘堰結(jié)合和全閘2種方案。在進(jìn)行方案選取時(shí)綜合考慮了地形地質(zhì)條件、水流條件、樞紐布置、施工、運(yùn)行管理和投資等多種因素，擇優(yōu)選取了全閘方案。

低水頭攔河壩；閘堰結(jié)合方案；全閘方案；方案比選

1 工程概況

遵化市位于河北省東北部燕山南麓，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，水平口攔河壩位于流經(jīng)遵化市的沙河主河道上，沙河發(fā)源于興隆大青山東側(cè)，經(jīng)長(zhǎng)城口山楂峪入遵化市，于大埝莊南納北嶺河，紀(jì)各莊南納魏進(jìn)河，集于水平口，沙河出水平口后，于薊縣蒼山莊東與黎河匯合后入于橋水庫(kù)。

水平口攔河壩為砌石溢流壩，壩長(zhǎng)170m，壩高2.0m，沿壩軸線布設(shè)有3處沖沙閘，由于工程年久失修，攔河壩損毀嚴(yán)重，溢流堰表層混凝土破損，庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，閘下消能設(shè)施已經(jīng)毀壞，其攔河壩原有的興利功能已經(jīng)全部喪失。近年來(lái)，由于城鄉(xiāng)污水的排放，加之農(nóng)業(yè)面源污染，沙河水質(zhì)不斷下降，導(dǎo)致作為引灤入津水源地的于橋水庫(kù)水質(zhì)下降或惡化，依據(jù)《河北省重點(diǎn)地區(qū)中小流域近期治理建設(shè)規(guī)劃》，按照水利部的統(tǒng)一要求和河北省水利廳的部署安排，通過(guò)重建水平口攔河壩，建設(shè)人工濕地，保護(hù)引灤入津水源地上游水質(zhì)，改善和提高水環(huán)境承載力。

2 樞紐布置

沙河水平口河道水面寬，水位較低，年內(nèi)徑流量分配極不均勻，在沒(méi)有調(diào)蓄庫(kù)容的情況下，需采用壩或閘壅高水位形成人工濕地，對(duì)水體中超標(biāo)的氨氮、總磷等污染物采取壅水等措施形成較大面積表流濕地，利用表流濕地和人工潛流濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行處理，使作為天津水源地的沙河水體能滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)的要求。經(jīng)水文調(diào)節(jié)計(jì)算和多方案的比較，確定攔河壩為水頭2.5m的低水頭攔河壩。

2.1 攔河壩型式

原漿砌石溢流壩壩面高程比河底高程高2m，在壩端兩側(cè)和中間位置分別布置2孔一聯(lián)的沖沙閘，共設(shè)置6孔。該溢流壩結(jié)構(gòu)及施工較簡(jiǎn)單，汛期洪水水位較高，對(duì)上游河道穩(wěn)定及村莊防洪不利，且容易出現(xiàn)浸沒(méi)現(xiàn)象。

從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、防洪、管理運(yùn)用等方面考慮，經(jīng)綜合分析比較后確定采用攔河閘較為適宜，但每年運(yùn)轉(zhuǎn)和維修費(fèi)增加，攔河閘可在枯水期關(guān)閉或利用小開(kāi)度壅水，供進(jìn)水閘引水，洪水期可泄洪排沙，洪水水位不至過(guò)高，并在取水口前設(shè)沉沙槽，利用邊孔閘定期沖沙，同時(shí)可以用閘墩兼做橋墩。閘橋合建節(jié)省造價(jià)。因此，攔河壩型式采用攔河閘。雖增加管理運(yùn)用費(fèi)用，但能使攔河壩樞紐發(fā)揮最大的效益?？朔嗽O(shè)計(jì)溢流壩淤積、壅高水位等缺點(diǎn)。

2.2 防沙沖沙型式

沙河多年平均含沙量0.78kg/m3，輸沙量12.5萬(wàn)t，在低壩取水樞紐中，一般有“側(cè)向引水，正向排沙”和“正向引水，側(cè)向排沙”2種布置形式，沙河水平口的地形條件不能滿足“正向引水，側(cè)向排沙”的要求，采取“側(cè)向引水，正向排沙”對(duì)樞紐中交通橋、機(jī)電設(shè)備等其他建筑物的布置不利，考慮引水灌溉一般在非汛期，河道徑流量較小，相應(yīng)輸沙量也小，攔河壩建成后采取“蓄清排渾”的泥沙處置原則，在非汛期灌溉取水時(shí)，河道泥沙進(jìn)入引水渠大大減少，即使有部分泥沙，也集聚在攔砂坎前，在下一次汛期隨泄洪排出。

沙河水平口攔河壩為低水頭攔河壩，壩高僅2.5m，沒(méi)有泥沙淤積的庫(kù)容，所以防沙沖沙是建壩必須考慮的問(wèn)題。攔河閘方案在洪水期開(kāi)啟水閘，恢復(fù)原河道行洪斷面，不改變?cè)哟裁婷?，這樣就不存在洪水期上游泥沙淤積的問(wèn)題。如果采用溢流壩，因壩前水深較淺，很快被泥沙淤滿，多余的泥沙將被帶入灌區(qū)引水口，影響灌區(qū)取水。經(jīng)初步估算泥沙淤積至堰頂高程需要4年時(shí)間，如果在溢流壩上設(shè)置沖沙閘，沖砂效果不理想，只能在壩前沖刷形成一個(gè)漏斗，來(lái)大洪水時(shí)形成一條大的帶狀泥沙，遠(yuǎn)離壩前的泥沙，因流速較小，沖不走泥沙。在沖沙效果上，攔河閘明顯優(yōu)越于溢流壩。

從防洪安全和防沙沖沙角度，攔河壩型式采用攔河閘是合理的，但攔河閘的型式不同，對(duì)管理運(yùn)用的要求亦不同，

3 攔河閘型式比選

作為低水頭攔河閘，可供選擇的閘型有閘堰結(jié)合和全閘2種方案。閘堰結(jié)合方案采用實(shí)用堰和水閘并存型式，泄洪時(shí)堰頂無(wú)閘門控制，不易控制閘前水位和過(guò)流量，閘門數(shù)量較少，管理工作量小，但在運(yùn)行過(guò)程中，堰前易形成積沙區(qū)，使排沙作用降低，需定期清除。全閘方案均為閘門控制，可統(tǒng)一調(diào)度，方便開(kāi)啟，可靈活控制閘前水位和過(guò)流量，閘門數(shù)量較多，管理工作量大，可以有效控制河道主槽，攔蓄洪水和調(diào)節(jié)性能更強(qiáng)一些。

經(jīng)多方面論證，各方案均能在水流控制上滿足設(shè)計(jì)要求，因此，在進(jìn)行方案選取時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素，從地質(zhì)條件、樞紐布置、后期運(yùn)行管理和工程投資等方面進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，具體分析如下。

(1)從地質(zhì)條件看，全閘方案能夠充分利用原有河道泄洪和沖沙裝置布置，基本不會(huì)對(duì)河道的原有狀態(tài)進(jìn)行改變，水閘則主要建在第四系土層的上部，所具有的地質(zhì)條件較好，對(duì)于閘堰結(jié)合方案，堰體基礎(chǔ)對(duì)地基的要求高，如地基滲漏性大，需對(duì)堰體基礎(chǔ)做適當(dāng)處理。

(2)從樞紐布置上看，全閘方案工程布局較為緊湊，各閘孔的功能較為明確，在沒(méi)有改變河道原有狀態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)了泄洪沖沙、靈活調(diào)度用水等任務(wù)。對(duì)于閘堰結(jié)合方案，泄洪孔的數(shù)量有了大幅度的消減，減少了后期管理工作量，實(shí)現(xiàn)了使用和管理的方便性和簡(jiǎn)約性。但是該種方案極易在堰體底部產(chǎn)生環(huán)流，進(jìn)而產(chǎn)生集中的積沙區(qū)。

(3)從工程運(yùn)行條件看，全閘方案的閘門都是控制式閘門，較易實(shí)現(xiàn)調(diào)度的統(tǒng)一性，能夠較為靈活地進(jìn)行閘前水位和過(guò)流量的控制。但是由于閘門數(shù)量過(guò)多使得運(yùn)行的安全性有所降低，實(shí)際管理過(guò)程中工作量較大，閘堰結(jié)合方案則是采用無(wú)閘控制，安全性高，閘門數(shù)量少，實(shí)際操作和管理過(guò)程中的工作量較小。但是閘堰結(jié)合方案不能夠進(jìn)行靈活的水位和過(guò)流量控制，極易在堰體前產(chǎn)生集中的積沙區(qū)，必須進(jìn)行定期處理。

(4)從防洪安全條件看，閘堰結(jié)合方案較全閘方案上游產(chǎn)生較高壅水，要抬高洪水位，而全閘方案泄洪時(shí)開(kāi)啟閘孔運(yùn)行，不存在防洪安全問(wèn)題。從防洪安全角度出發(fā)考慮，全閘方案優(yōu)越于閘堰結(jié)合方案。

(5)從工程投資方面看，閘堰結(jié)合方案減少了閘門等金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備投資費(fèi)用，相比全閘方案的土建費(fèi)用增加不多。經(jīng)分析計(jì)算，閘堰結(jié)合方案的工程投資小于全閘方案。

綜上所述，雖然閘堰方案的工程投資較小，管理工作量小，但存在堰前集沙等缺點(diǎn)，特別是沙河水平口河道坡度緩，洪峰流量較大，閘堰結(jié)合方案攔蓄洪水和調(diào)節(jié)洪水能力較差，如遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，導(dǎo)致上游庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍加大，洪水危害加重，全閘方案可以應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，靈活控制閘前水位和過(guò)流量，調(diào)節(jié)洪水性能更強(qiáng)。針對(duì)沙河水平口河道現(xiàn)狀，鑒于工程設(shè)計(jì)要求布局合理、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，經(jīng)綜合分析比較，選取全閘方案實(shí)現(xiàn)閘前水位和過(guò)流量的靈活控制，滿足樞紐布置合理性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)水利樞紐工程設(shè)計(jì)需通過(guò)論證比較，從多布置方案中選出一項(xiàng)最優(yōu)方案。最優(yōu)方案應(yīng)該是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、施工期短、運(yùn)行可靠以及管理維修方便的方案。

(2)閘堰結(jié)合方案與全閘方案在不同的運(yùn)用條件下，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性是不同的。由于遵化水平口攔河壩在滿足濕地建設(shè)和灌區(qū)取水要求的情況下，突出的問(wèn)題是壅高水位帶來(lái)的浸沒(méi)問(wèn)題。全閘方案在汛期行洪時(shí)可全部開(kāi)啟閘門泄洪，有效降低攔河壩上游的洪水位，降低壩區(qū)存在的浸沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)多方案的比較論證，選擇全閘方案是合理的。

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TV86

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1672-2469(2017)03-0003-02

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.002

2017-01-17

付明軍(1970年—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。