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設計研究院，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工程建設的需要，需更新改造。根據(jù)防洪、灌溉取水、人工濕地建設等功能要求，擬建低水頭攔河壩是合理的。其可選擇的壩型有閘堰結合和全閘2種方案。在進行方案選取時綜合考慮了地形地質條件、水流條件、樞紐布置、施工、運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，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，水平口攔河壩位于流經遵化市的沙河主河道上，沙河發(fā)源于興隆大青山東側，經長城口山楂峪入遵化市，于大埝莊南納北嶺河，紀各莊南納魏進河，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。

水平口攔河壩為砌石溢流壩，壩長170m，壩高2.0m，沿壩軸線布設有3處沖沙閘，由于工程年久失修，攔河壩損毀嚴重，溢流堰表層混凝土破損，庫區(qū)淤積嚴重，閘下消能設施已經毀壞，其攔河壩原有的興利功能已經全部喪失。近年來，由于城鄉(xiāng)污水的排放，加之農業(yè)面源污染，沙河水質不斷下降，導致作為引灤入津水源地的于橋水庫水質下降或惡化，依據(jù)《河北省重點地區(qū)中小流域近期治理建設規(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，通過重建水平口攔河壩，建設人工濕地，保護引灤入津水源地上游水質，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，年內徑流量分配極不均勻，在沒有調蓄庫容的情況下，需采用壩或閘壅高水位形成人工濕地，對水體中超標的氨氮、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富營養(yǎng)化水體進行處理，使作為天津水源地的沙河水體能滿足地表水Ⅴ類水質的要求。經水文調節(jié)計算和多方案的比較，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，在壩端兩側和中間位置分別布置2孔一聯(lián)的沖沙閘，共設置6孔。該溢流壩結構及施工較簡單，汛期洪水水位較高，對上游河道穩(wěn)定及村莊防洪不利，且容易出現(xiàn)浸沒現(xiàn)象。

從技術、經濟、防洪、管理運用等方面考慮，經綜合分析比較后確定采用攔河閘較為適宜，但每年運轉和維修費增加，攔河閘可在枯水期關閉或利用小開度壅水，供進水閘引水，洪水期可泄洪排沙，洪水水位不至過高，并在取水口前設沉沙槽，利用邊孔閘定期沖沙，同時可以用閘墩兼做橋墩。閘橋合建節(jié)省造價。因此，攔河壩型式采用攔河閘。雖增加管理運用費用，但能使攔河壩樞紐發(fā)揮最大的效益。克服了原設計溢流壩淤積、壅高水位等缺點。

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t，在低壩取水樞紐中，一般有“側向引水，正向排沙”和“正向引水，側向排沙”2種布置形式，沙河水平口的地形條件不能滿足“正向引水，側向排沙”的要求，采取“側向引水，正向排沙”對樞紐中交通橋、機電設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，河道泥沙進入引水渠大大減少，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，沒有泥沙淤積的庫容，所以防沙沖沙是建壩必須考慮的問題。攔河閘方案在洪水期開啟水閘，恢復原河道行洪斷面，不改變原河床面貌，這樣就不存在洪水期上游泥沙淤積的問題。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。經初步估算泥沙淤積至堰頂高程需要4年時間，如果在溢流壩上設置沖沙閘，沖砂效果不理想，只能在壩前沖刷形成一個漏斗，來大洪水時形成一條大的帶狀泥沙，遠離壩前的泥沙，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，對管理運用的要求亦不同，

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合和全閘2種方案。閘堰結合方案采用實用堰和水閘并存型式，泄洪時堰頂無閘門控制，不易控制閘前水位和過流量，閘門數(shù)量較少，管理工作量小，但在運行過程中，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)一調度，方便開啟，可靈活控制閘前水位和過流量，閘門數(shù)量較多，管理工作量大，可以有效控制河道主槽，攔蓄洪水和調節(jié)性能更強一些。

經多方面論證，各方案均能在水流控制上滿足設計要求，因此，在進行方案選取時應綜合考慮多種因素，從地質條件、樞紐布置、后期運行管理和工程投資等方面進行優(yōu)缺點的對比，具體分析如下。

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

(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，在沒有改變河道原有狀態(tài)的情況下實現(xiàn)了泄洪沖沙、靈活調度用水等任務。對于閘堰結合方案，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，實現(xiàn)了使用和管理的方便性和簡約性。但是該種方案極易在堰體底部產生環(huán)流，進而產生集中的積沙區(qū)。

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

(4)從防洪安全條件看，閘堰結合方案較全閘方案上游產生較高壅水，要抬高洪水位，而全閘方案泄洪時開啟閘孔運行，不存在防洪安全問題。從防洪安全角度出發(fā)考慮，全閘方案優(yōu)越于閘堰結合方案。

(5)從工程投資方面看，閘堰結合方案減少了閘門等金屬結構和機電設備投資費用，相比全閘方案的土建費用增加不多。經分析計算，閘堰結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，特別是沙河水平口河道坡度緩，洪峰流量較大，閘堰結合方案攔蓄洪水和調節(jié)洪水能力較差，如遇超標準洪水，導致上游庫區(qū)淹沒范圍加大，洪水危害加重，全閘方案可以應對超標準洪水，靈活控制閘前水位和過流量，調節(jié)洪水性能更強。針對沙河水平口河道現(xiàn)狀，鑒于工程設計要求布局合理、結構型式簡單，經綜合分析比較，選取全閘方案實現(xiàn)閘前水位和過流量的靈活控制，滿足樞紐布置合理性要求。

4 結語

(1)水利樞紐工程設計需通過論證比較，從多布置方案中選出一項最優(yōu)方案。最優(yōu)方案應該是技術上先進、經濟上合理、施工期短、運行可靠以及管理維修方便的方案。

(2)閘堰結合方案與全閘方案在不同的運用條件下，其經濟技術合理性是不同的。由于遵化水平口攔河壩在滿足濕地建設和灌區(qū)取水要求的情況下，突出的問題是壅高水位帶來的浸沒問題。全閘方案在汛期行洪時可全部開啟閘門泄洪，有效降低攔河壩上游的洪水位，降低壩區(qū)存在的浸沒風險。經過多方案的比較論證，選擇全閘方案是合理的。

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

2017-01-17

付明軍(1970年—)，男，教授級高級工程師。