[美] R.D.坦尼 M.R.梅

蘇 燕 譯自英刊《水電與大壩》2009年第4期

很多機構(gòu)正努力恢復科羅拉多河水系特別是揚帕河中的 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)。為保證揚帕河流量,使本地魚類受益,重點是要保持基流,防止其減小太多。揚帕河的春季高峰流量,雖然在量級與歷時方面仍相對“自然”,但由于灌溉用水,基流仍然會降低到不利于本地魚類的程度。水庫擴容將為枯水年份提供臨界水流,以補充揚帕河的低流量,幫助恢復上述本地魚類種群。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爭,從而影響到恢復本地魚棲息地的工作。擴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

揚帕河支流埃爾克黑德河上的原水庫,建于 20世紀 60年代,由科羅拉多州野生動物局設(shè)計規(guī)劃,用作休閑和養(yǎng)魚,庫容為616萬 m3。揚帕河自東向西流經(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。

隨著水庫擴容的計劃變得越來越重要,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。

因為克雷格電站僅在缺水條件下依賴埃爾克黑德水庫的蓄水,因此這種合作實際上大大增加了水庫用于休閑的機會。

1991年,水庫附近的大多數(shù)克雷格市居民購買了野生動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物局早期修建的休閑設(shè)施比較簡陋,因此克雷格市希望對其進行改造。于是,該市將水庫納入科羅拉多國家公園的揚帕河國家公園系統(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行管理和運營。

20世紀 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容的可能性,克雷格市購買了科羅拉多州野生動物局的股份,在不進行水庫改造的情況下滿足了該市的供水需求。但是,面對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。改造所需費用預(yù)計超過100萬美元。而且,為保證原水庫不會放空,科羅拉多野生動物局在庫底以上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,有一個垂直柱狀排水系統(tǒng)和一個直徑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)模可下泄一半的可能最大洪水。原大壩施工包括一條至基巖的混凝土溝,但不包括灌漿帷幕。

表1示出了埃爾克黑德擴建工程的主要特征。

表1 埃爾克黑德擴建工程主要特征

2 新壩和附屬工程

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

(1)大壩加高7.6m,水面上升 6 m,庫容擴大約 1倍;

(2)基礎(chǔ)灌漿;

(3)一個鋪蓋和趾部排水系統(tǒng),以收集和管理滲漏,一臺新儀表;

(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),包括一個高 29m的多閘門進水口塔、直徑為 61 cm和183 cm的鋼襯出水口管道、一個帶有 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,通過澆筑到堅固基巖上的混凝土灌漿帽進行灌漿帷幕的施工。灌漿帽使灌漿密封良好。將灌漿“嘴”鉆進到灌漿帽,并通過它們進行灌漿。

在灌漿帷幕施工過程中,依次進行鉆孔,栓塞滲漏試驗,然后進行灌漿。在測量到的不符合要求的漏水區(qū)域,對驗證孔灌漿,并鉆探和測試附加的驗證孔。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)計有一個陡堰(約 80°),在設(shè)計流量時,略超過堰墻高度的 80%。在仔細考慮了溢洪道墻布置的性能之后,采用該設(shè)計,使施工費用最少。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,因為溢洪道的斜坡下游相當陡,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地,臺地之間是山谷地形,對其下游容量的評估表明,在流量超出一半可能最大洪水時,該山谷將嚴重被淹,并進行消能。

2.3 出水口工程和進水塔

出水口工程包括水庫中的一個進水口塔,不同高程有多扇閘門,包括在水庫底部的兩個進水口。進水塔通過一條在基巖中開挖的長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 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。

進水塔在水庫底部以上的不同高程處有 2個直徑 122.0cm的進(出)水口,一個位于水庫底部的直徑152.4 cm的進水口,一個與隧洞中的鋼管連接的直徑182.9 cm的出水口。所有的進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)置的進水塔中的升桿致動器操作。

除了 122.0cm和152.4 cm的進水塔外,進水口建筑物還包括一個直徑 61 cm、從塔穿過的鋼管,在水庫中有其獨立的進水口。這使得出水口工程的泄水能力量高達2.1 m3/s,當塔排干時,可進行檢查和維護。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,為此大部分時間將使用直徑 61 cm的出水口。

該出水口的排水可由一個監(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,同時操作大、小管道,經(jīng)過篩網(wǎng),通過約 16m3/s的流量。水庫擴建后,當徑流為19.3～61.6 m3/s時,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58.8m、水泥橋面寬0.3m的凈跨鋼“空間桁架”橋梁,可到達進水塔?？臻g桁架設(shè)計可提供一個凈跨結(jié)構(gòu),以在需要移除刀形閘門時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

該工程包括一個出水口工程,水庫中的進水塔有多扇不同高程的進水閘門。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)邦政府列出的揚帕河中的瀕危魚類相競爭。但是,水庫的垂釣用途也很重要,因此,對于魚類恢復計劃,要維持河流生態(tài)系統(tǒng)管理以恢復瀕危魚類和保護其他野生生物價值之間的平衡。

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,防止它們侵入揚帕河下游受保護魚類的棲息地,所有的進水塔均安裝魚篩網(wǎng)。進水口由安裝在塔內(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,配備有一個空氣反沖洗系統(tǒng)。在迷宮式溢洪道進口渠處也安裝了錨,用來栓魚網(wǎng),以防止外來魚游過溢洪道進入埃爾克黑德河下游。

魚篩網(wǎng)配備一個反沖洗系統(tǒng),由篩網(wǎng)兩邊的水頭差驅(qū)動。該魚篩網(wǎng)通過壓頭損失和反沖洗循環(huán)監(jiān)測,當需要時,通過 SCADA遠程起動。由 2臺醫(yī)用壓縮機提供反沖洗空氣,向 2個空氣罐充氣。醫(yī)用壓縮機用于減少壓縮機穿越水庫的噪聲?？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。接下來是測量水頭差,如有必要,重復以上過程。若反沖洗失敗或未能達到要求的水頭差,SCADA會向克雷格市水處理設(shè)施的運行人員報告?？諝夥礇_洗系統(tǒng)有多個冗余,采用多個空氣罐、壓縮機和輔助發(fā)電機,需要時,它們會自動接入。

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,是因為它們可用必要的抬升水頭從水庫外側(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,以容納一臺特殊裝置的起重機,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是因為在反沖洗期間,篩網(wǎng)只需要移動約2.13m閘門的開口間隙。152 cm的閘門有一個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)計過程中,施工方對此進行了必要的調(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施。

4 挑 戰(zhàn)

4.1 庫水位的管理

在施工期間,對徑流進行管理,維持最低庫水位,以保護水庫中的魚類。管理庫水位、維持下游流量與過流是面臨的兩個最重要挑戰(zhàn)。這些要求和有關(guān)的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在整個施工過程中。此外,必須保護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,以保護水庫中的魚種。

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

2個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。當庫水位在第1年下降到原出水口工程底板高程以下時,采用了虹吸管系統(tǒng)進一步泄降庫水位。

4.2 施工順序與工期限制

有關(guān)各方耗時多年才就埃爾克黑德工程達成協(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詳細的施工順序,充分考慮天氣狀況,尋找積極主動的施工承包商,以及利用周末和假日趕工。有些活動按計劃進行,但有些活動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間。2006年 12月,工程基本完工。

4.3 閘門防護

該項目保證了閘門耐久,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,因此需要對碳鋼刀形閘門體進行陰極保護。而通過安裝 315 kg犧牲陽極減輕了腐蝕。定期監(jiān)測殘壓和陽極。

4.4 大壩壩趾處的開挖

壩體包括一個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,同時維持水深約9.14m的最低庫水位,以保護水庫中的魚類。在開挖施工期間,水庫水深實際上約為18.3 m。在開挖、基礎(chǔ)準備和回填澆筑期間,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,當基礎(chǔ)開挖進一步加深時,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)定開挖中采用機器對基礎(chǔ)進行了清理。

4.6 進水塔的開挖

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

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

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,水庫中的外來魚仍能逃出水庫。從揚帕河遷移的、打有標簽并被投進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)計行近流速超過了防止魚撞擊的正常值,因為水庫中外來魚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)測篩網(wǎng)的水頭損失來確定何時必須進行反沖洗。篩網(wǎng)可運行很長時間(數(shù)周),而不必反沖洗,表明篩網(wǎng)不易受堵塞的影響。當用空氣反沖洗篩網(wǎng)時,可以觀察到魚的死亡數(shù)(通過漂浮的死魚進行觀測)。某些魚的死亡率是可接受的,以達到圍堵和降低魚篩網(wǎng)安裝費用的目的。

施工期間遇到了幾項挑戰(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,擴大了庫容,并使多方受益。

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