劉 雙 喜

1 基本情況

金溝河屬山溪性多泥沙河流[1]，多年平均徑流量3.49 億m3，年內(nèi)徑流極不均勻，汛期6—8 月份占全年徑流量的68.3%；多年平均輸沙量74.28 萬t，其中最大年輸沙量216.6 萬t；多年平均懸移質(zhì)輸沙量66.03 萬t，推移質(zhì)輸沙量9.25 萬t；最大月平均含沙量221 kg/m3，最小月平均含沙量15.6 kg/m3。泥沙的年內(nèi)分配集中，實測近6 年資料中6—8 月輸沙量占97.0%，而7 月就占全年的55.5%，來沙與來水成正比。

圖1 內(nèi)外庫引水樞紐平面布置圖

由于上游無控制性山區(qū)水庫，泄洪排沙主要靠費爾干式引水渠首完成。為最大程度地減輕泥沙對灌區(qū)輸水工程的磨損，改善下游灌區(qū)各引水口供水隨大河來水漲落而產(chǎn)生水位漲落，渠首調(diào)閘時產(chǎn)生上下游引水口閘門聯(lián)動現(xiàn)象，確保下游閘門供水平穩(wěn)，滿足灌區(qū)節(jié)水灌溉設(shè)施引水的高度平穩(wěn)要求，可研階段確定了渠首樞紐布置型式為閘壩結(jié)合式內(nèi)外庫引水樞紐型式。

2 內(nèi)外庫樞紐特性

內(nèi)外庫引水樞紐制灌溉面積3.53 萬hm2，樞紐上下壩均為混凝土面板砂礫石壩，主要由上壩、下壩、泄洪沖沙閘、內(nèi)庫進(jìn)水閘和內(nèi)庫引水閘組成，屬Ⅲ等中型工程，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇，洪峰流量355.3 m3/s，校核標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，洪峰流量546.3 m3/s。樞紐布置如圖1 所示。

樞紐外庫庫容48.5 萬m3，內(nèi)庫庫容27.3 萬m3。外庫由平均寬50 m 的泄洪沖沙槽形成，通過泄洪閘壅高水位來攔截沉積推移質(zhì)泥沙，將河道泥沙中的推移質(zhì)先淤積在外庫，利用間歇洪水再通過泄洪沖沙閘排至下游，并通過進(jìn)水閘引外庫表層清水，向內(nèi)庫溢流，經(jīng)過內(nèi)庫的進(jìn)一步沉淀，將清水通過內(nèi)庫引水閘引入下游干渠，由此實現(xiàn)了水沙分離、清混分置、泥沙分道行走的目標(biāo)。

3 上壩壩型選擇

初設(shè)階段，壩型主要以土工膜心墻壩、膠凝砂礫石壩、扶臂式擋水墻3 種型式比選。

3.1 土工膜心墻方案

該方案壩長530.63 m，壩高6～16 m，壩頂高程823.00 m，兩側(cè)壩坡均采用1∶2.25，壩體采用砂礫石填筑。壩體兩側(cè)C25 混凝土護(hù)面，內(nèi)外庫板厚20 cm，混凝土板尺寸為3.0 m×3.0 m，兩側(cè)混凝土板下部均鋪設(shè)有長纖針刺非織造兩布一膜土工布，混凝土板上內(nèi)庫蓄水位以下設(shè)置PVC 排水孔，孔徑15 cm，“田”字形布置，間距1.5 m。防滲土工膜位于壩體中部，膜布底部深入壩基以下3 m，膜周為1 m 厚砂保護(hù)層[2]。外庫一側(cè)坡底采用混凝土斜墻一坡到底，齒墻深0.8 m，上覆4 m 深拋石回填防護(hù)，拋石下部鋪設(shè)有濾水無紡布。內(nèi)庫側(cè)坡底布置2 m 高排水棱體，反濾料厚度0.3 m。壩頂?shù)缆穼? m，瀝青混凝土鋪裝。土工膜心墻壩方案橫剖面示意圖如圖2 所示。

圖2 土工膜心墻壩橫剖面示意圖

3.2 膠凝砂礫石壩方案

該方案壩長530.63 m，壩高11～16 m，壩頂高程823.00 m，壩頂寬3 m，大壩為砂礫石地基，每隔20 m 設(shè)置一道橫縫。高程820 m 以下兩側(cè)壩坡均為1∶0.6，以上為3 m 高直墻，壩體外部采用C20 混凝土澆筑（厚1 m），內(nèi)部碾壓膠凝砂礫石（80 kg/m3膠材，其中水泥、粉煤灰各為40 kg/m3，28 d 設(shè)計抗壓強度大于4 MPa）[3]。大壩底部設(shè)C15 混凝土墊層，厚1 m。外庫一側(cè)坡底上覆4 m 深拋石回填防護(hù)，拋石下部鋪設(shè)濾水無紡布，內(nèi)庫側(cè)開挖料回填。膠凝砂礫石壩方案橫剖面示意圖如圖3 所示。

圖3 凝砂礫石壩方案橫剖面示意圖

3.3 扶臂式擋水墻方案

該方案總長521.98 m，墻頂高程823.00 m，為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。墻身高10～13 m，墻寬0.5～0.9 m，底板總寬8.35～10.95 m，厚1 m，每20 m一個分段。其中墻踵懸挑長5.25～7.0 m、墻趾懸挑長2.3～3.05 m，肋板間距5 m，扶肋厚0.5 m，坡比1∶0.6。墻踵底部布置高1 m，寬0.6～1.6 m 抗滑齒。扶壁式擋水墻方案橫剖面示意圖如圖4 所示。

圖4 扶壁式擋水墻橫剖面示意圖

3 種方案壩型比選見表1。

我國自2004 年以來建成第1 座膠凝砂礫石壩圍堰，即壩高16.3 m 的福建尤溪街面水電站下游圍堰。之后，膠凝砂礫石筑壩技術(shù)在福建洪口、云南功果橋、貴州沙沱、四川飛仙關(guān)等圍堰工程中得到陸續(xù)應(yīng)用[4]。國內(nèi)僅于2014 年出版《膠凝混凝土砂礫石壩設(shè)計準(zhǔn)則》外，缺少該壩型設(shè)計的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，近年多座中小型水庫大壩將膠凝砂礫石壩作為備選壩型之一，尚沒有建成永久工程。根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則，對于中低膠凝砂礫石壩，可建在新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化基巖上，非巖石地基需要專門論證。考慮到本工程上壩壩高較低，基底砂礫石層較厚（膠凝砂礫石壩高在11～16 m 之間，基底砂礫石層平均厚度為10 m），需做專門論證，國內(nèi)外沒有非巖石地基筑壩經(jīng)驗供本工程借鑒[5]，國內(nèi)也沒有將膠凝砂礫石壩做永久壩使用案例。由表1 可知：膠凝砂礫石壩方案投資最高，是土工膜心墻壩方案的2 倍，超可研投資限制，首先排除膠凝砂礫石壩方案。

表1 3種上壩壩型比選

上壩比選應(yīng)在土工膜心墻壩、扶臂式擋水墻兩種型式之間做詳細(xì)比選。因壩型選擇涉及內(nèi)容較多[6]，現(xiàn)結(jié)合建筑型式和金屬結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化進(jìn)一步綜合比選。

3.4 綜合比選

綜合比選分為：（1）土工膜心墻砂礫石壩+內(nèi)庫進(jìn)水閘為鋼壩門方案；（2）土工膜心墻砂礫石壩+內(nèi)庫進(jìn)水閘為平板閘門方案；（3）擋水墻+內(nèi)庫進(jìn)水閘為平板閘門方案。3 個方案綜合比選見表2。

表2 綜合比選

分析表明3 個方案布置形式均可行，都能滿足樞紐布置的要求。土工膜心墻砂礫石壩庫投資較低，庫容小，扶壁式擋水墻方案投資略高，但庫容比土工膜心墻砂礫石壩大40%，優(yōu)勢明顯。

4 運行管理適應(yīng)性分析

4.1 土工膜心墻砂礫石壩庫容小，不利于工程運行

該樞紐布置形式的外庫庫容為48.5 萬m3，內(nèi)庫庫容為27.3 萬m3。內(nèi)庫庫容小，不利于內(nèi)庫泥沙的進(jìn)一步沉淀和平穩(wěn)引水，按照汛期通常引水量為10 m3/s 計算，在發(fā)生長時間泄洪時，內(nèi)庫存蓄的清水只能維持下游灌區(qū)平穩(wěn)引水3.1 h；外庫為寬淺式河道，不具備速水攻沙條件，不利于泥沙的下泄排除和輸移遠(yuǎn)送。為滿足工程運行需要，在外庫泥沙淤滿時，需要開啟泄洪沖沙閘進(jìn)行排沙。因內(nèi)庫庫容小，為保證下游灌區(qū)不斷流，必須頻繁啟閉外庫泄洪閘，使外庫水流溢流進(jìn)內(nèi)庫，因啟閉時間間隔短，當(dāng)外庫落閘壅水再次向內(nèi)庫溢流的表層清水因泥沙沉淀時間短會含有粒徑較大的泥沙進(jìn)入內(nèi)庫。泥沙進(jìn)入內(nèi)庫后，內(nèi)外庫引水樞紐“水沙分離、清混分置、泥沙分道行走”[7]的設(shè)計初衷較難實現(xiàn)。為滿足從內(nèi)庫向灌區(qū)的輸水達(dá)到持續(xù)平穩(wěn)的要求，不宜多次進(jìn)行內(nèi)庫泥沙的處理，而且，泥沙處理難度大、費用高。隨著內(nèi)庫泥沙的增多，內(nèi)庫庫容越來越小，內(nèi)庫向下游灌區(qū)的可供清水量也越來越小?！皼]有庫容”的內(nèi)庫，灌區(qū)全區(qū)域節(jié)水灌溉供水的“高平穩(wěn)度、高清潔度、高保障度”要求將無法滿足；因供水不平穩(wěn)，渠首樞紐以下的所有供水閘門將會因上游的調(diào)閘而產(chǎn)生下游的聯(lián)動調(diào)閘，總干渠沿線14座聯(lián)合閘的調(diào)閘職工勞動量沒有因內(nèi)外庫渠首的建設(shè)得到任何改變。因內(nèi)庫未能實現(xiàn)100%排除推移質(zhì)泥沙，進(jìn)入引水干渠的渾水仍然存在磨損干渠和節(jié)水灌溉配水器，灌區(qū)工程的維修養(yǎng)護(hù)工作量相比內(nèi)外庫渠首修建之前沒有得到明顯的減少，灌區(qū)滴灌系統(tǒng)會因泥沙淤賭和磨損而失效或報廢。

4.2 壩體安全是樞紐運行的核心

閘壩結(jié)合式引水樞紐的壩體安全是工程運行的核心，壩體安全和庫容的最大化是實現(xiàn)樞紐設(shè)計初衷的根本保證。上壩是分隔外庫渾水和內(nèi)庫清水的唯一設(shè)施，若上壩發(fā)生損壞而產(chǎn)生滲流破壞或者透水現(xiàn)象，內(nèi)外庫閘壩結(jié)合式引水樞紐將不能實現(xiàn)“清混分置，泥沙分道行走”的目標(biāo)。因外庫較狹窄，平均寬度只有50 m，渠首段河道縱坡為2%以上。水工模型試驗表明：上游來流入外庫時，沿內(nèi)庫弧段壩體邊坡平順進(jìn)入，受壩坡和右岸突出山體束縛，過水?dāng)嗝嫱蝗皇湛s，水流流速逐漸增大，0+172.376 斷面在設(shè)計及校核洪水下最大流速達(dá)到2.37 m/s和2.62 m/s，平均流速分別為2.1 m/s和2.2 m/s，沿程流速逐漸增加，至閘前最大流速為3.59 m/s。高速水流攜帶的大量泥沙對壩體邊坡沖刷磨損嚴(yán)重，如不及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)破損邊坡，隨時會危及樞紐運行安全。扶臂式擋墻結(jié)構(gòu)依靠鋼筋混凝土直墻進(jìn)行擋水，墻體下部厚度0.5～0.9 m，抗沖耐磨性能比砂礫料土工膜心墻壩體外部0.2 m 厚的素混凝土邊坡板優(yōu)越，壩體安全性及耐久性更為可靠。

扶臂式擋墻結(jié)構(gòu)緊湊，自身體積遠(yuǎn)小于砂礫料土工膜心墻壩體，可使外庫平均寬度降低10%以上，增加出庫水流速度，實現(xiàn)速水攻沙，增強外庫淤積泥沙的外泄能力，確保外庫泥沙能夠排泄出去，同時可增大內(nèi)庫庫容24 萬m3，實現(xiàn)內(nèi)庫供水半日調(diào)節(jié)功能，基本杜絕了上下游閘門聯(lián)調(diào)現(xiàn)象，極大地減輕了調(diào)閘及測流工作量，使職工從繁重的引配水工作中解脫出來。

5 閘門安全及投資分析

鋼壩閘是通過驅(qū)動底軸來操控閘門啟閉的一種閘門結(jié)構(gòu)[8]，鋼壩門雖然布置優(yōu)美直觀，但投資較高，運行管理要求高，維護(hù)費用高，當(dāng)門頂溢流翻水時，震動較大，對門體底軸扭矩大，易造成底軸疲勞，對閘門基礎(chǔ)震動易產(chǎn)生裂縫和沉陷，安全隱患較大。相比而言，采用3 孔平板閘門運行靈活，管理方便，門體震動小，基礎(chǔ)危害小，投資較低，使用效果與鋼壩門相同，更適合寒冷地區(qū)的頻繁啟閉閘門。

投資方面，鋼壩閘金屬結(jié)構(gòu)造價為470.19 萬元，是平板鋼閘門103.49 萬元的4.54 倍，因此，通過進(jìn)水閘閘門類型的優(yōu)化，采用普通平板鋼閘門作為進(jìn)水閘的閘門，既能降低工程造價，又能滿足工程運行，使項目效益最大化的發(fā)揮。

6 結(jié) 語

根據(jù)渠首灌溉引水、泥沙處理、防洪、調(diào)蓄等綜合利用功能，為滿足“清混分置，泥沙分道行走”的樞紐布置要求，土工膜心墻砂礫石壩、膠凝壩砂礫石壩和扶壁墻擋水壩均能滿足工程布置條件。結(jié)合灌區(qū)節(jié)水灌溉引水的“高平穩(wěn)度、高清潔度、高保障率”的供水要求，為了最大化地發(fā)揮工程運行效益，從增大內(nèi)庫容，滿足出庫水流平穩(wěn)、潔凈、供水保障率高的要求以及符合工程長久持續(xù)發(fā)揮效益方面分析，選擇了結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)久耐用、運行管理適用性強的扶壁式擋水墻作為上壩壩型，用于分隔內(nèi)外庫的清水和渾水，實現(xiàn)了渠首泥沙處理、洪水宣泄與灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)引水的互不干擾。經(jīng)過優(yōu)化閘門類型，有效地降低了工程投資。扶壁式擋水墻作為低矮壩型尚屬首次，可供其它工程設(shè)計借鑒。