金溝河引水樞紐擋水建筑物型式比選研究

高 鑫

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

金溝河引水樞紐工程位于金溝河中游河段，始建于1959年，1960年竣工投入運行，是一個以灌溉為主的第一代費爾干式引水工程[1]。金溝河來水不均，洪水較為集中，灌溉季節(jié)引水比達70%以上，費爾干式引水樞紐已無法有效形成彎道環(huán)流沖砂。由于運行時間長久，該引水樞紐人工彎道不能起到應有的作用，導致河床及閘前后淤積，建筑物過流不足，防洪能力下降，每年需要清淤，影響工程運行[2]。鑒于金溝河引水樞紐存在的諸多隱患問題，同時現(xiàn)有的費爾干式布置形式在高引水比情況下，無法解決泥沙淤積問題[3]。因此，建議拆除重建。

本次樞紐重建工程采用內外庫引水樞紐方案。內外庫引水樞紐具有一定的淤積庫容，主要將河道泥沙中的推移質先淤積在外庫，利用間歇洪水將泥沙帶入樞紐下游。內外庫之間布置一道擋墻，將外庫渾水與內庫清水分割開，當內庫需水量不足時，打開內庫進水閘，引外庫表層清水，向內庫溢流。再經(jīng)過內庫的進一步沉淀，將水通過內庫引水閘將水引向下游[4]。這樣的布置形式很好地解決了高引水比情況下的泥沙問題，目前該工程已開工。

2 擋水建筑物形式比選研究

內庫由上游擋水建筑物和下游擋水壩共同圍成，由于金溝河引水樞紐工程選址于出山口位置，河谷寬度較窄，并且地質條件為砂卵礫石，第四系沖積堆積，厚度5～15.80m，屬于深厚覆蓋層，因此上游擋水建筑物在此工程中至關重要，本文從施工角度出發(fā)，結合地質條件，從常見的水工建筑物形式中選取土工膜心墻壩、膠凝砂礫石壩、扶臂式擋水墻三種形式作為比選方案。

2.1 土工膜心墻方案

根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，設計土工膜心墻壩作為上游擋水建筑物。壩長530.63m，壩高6～16.06m，壩頂高程823.000m，兩側壩坡均采用1∶2.25，壩體主要采用砂礫石填筑。C25混凝土護坡板位于兩側壩坡面，內外庫板厚20cm，混凝土板尺寸為3.0m×3.0m，兩側混凝土板下部均鋪設有濾水無紡布，混凝土板上內庫蓄水位以下設置了排水孔。防滲土工膜位于壩體中部，膜布底部深入壩基以下3m，采用兩布一膜，膜厚0.5mm，采用長纖針刺非織造土工布，膜周為1m厚砂保護層[5]。外庫一側坡底采用混凝土斜墻一坡到底，齒墻深0.8m，上覆4m深拋石回填防護，拋石下部鋪設有濾水無紡布。內庫側坡底布置2m高排水棱體，反濾料厚度0.3m。壩頂?shù)缆穼挾?m，采用瀝青混凝土鋪裝。土工膜心墻壩橫剖面簡圖如圖1所示。

2.2 膠凝砂礫石壩方案

根據(jù)SL678- 2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》，設計膠凝砂礫石壩作為上游擋水建筑物。壩長530.63m，壩高11～16m，壩頂高程823.000m，壩頂寬3m，大壩為砂礫石地基，每隔20m設置一道橫縫[6]。高程820m以下兩側壩坡均采用1∶0.6，以上為3m高直墻，壩體外部采用C20混凝土澆筑，內部碾壓膠凝砂礫石[7]。大壩底部設C15混凝土墊層，厚1m。外庫一側坡底上覆4m深拋石回填防護，拋石下部鋪設有濾水無紡布，內庫側開挖料回填。膠凝砂礫石壩橫剖面簡圖如圖2所示。

圖2 膠凝砂礫石壩橫剖面圖

2.3 扶壁式擋水墻方案

根據(jù)SL191- 2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》，設計扶臂式擋水墻作為上游擋水建筑物。總長530.63mm，墻頂高程823.000m，為C25鋼筋混凝土結構。墻身總高10～13m，墻寬0.5m～0.9m，底板總寬8.35～10.95m，厚1m，每20m一個分段[8]。其中墻踵懸挑長5.25～7.0m、墻趾懸挑長2.3～3.05m，肋板間距5m，扶肋厚0.5m，坡比1/0.6。墻踵底部布置高1m，寬0.6～1.6m抗滑齒。扶壁式擋水墻橫剖面簡圖如圖3所示。

圖3 扶臂式擋水墻典型橫剖面圖

項目土工膜心墻壩方案膠凝砂礫石壩扶臂式擋土墻地質條件砂卵礫石,第四系沖積堆積,厚度5～15.80m,承載力350kPa,下伏紫紅色泥巖、砂巖,巖體強風化層厚3m,弱風化層厚3～10m。特征參數(shù)壩高6～16m,內外側壩坡1∶2.25。壩高11～16m,內外側壩坡1∶0.6。墻高10～13m,內側扶臂坡比1∶0.6。天然建筑材料壩殼料和墊層料選用當?shù)亓蠄錾暗[料,C25混凝土護坡外部C20常態(tài)混凝土防滲層,底部C15混凝土墊層,內部膠凝砂礫石C25鋼筋混凝土耐久性兩布一膜防滲性能好,在壩殼保護下抗紫外線、抗低溫性能較好,使用期長。混凝土結構強度高,抗?jié)B性能好,耐久性高,具有一定的抗沖刷性。應力變形土工膜防滲體設有伸縮節(jié),對壩體不均勻沉降的敏感性小。自身無變形,但在砂礫石基礎上易發(fā)生不均勻沉降。對當?shù)貧夂虻倪m應能力目前廣泛使用的高密度聚乙烯復合土工膜具有較大的使用溫度范圍施工期應控制澆筑溫度,大體積混凝土冬季保溫,完建后對氣候適應力強避免在較熱或較冷天氣澆筑混凝土,完建后對氣候適應力強施工條件各方案均采用機械化進行壩體的施工,混凝土重力壩比土石壩施工難度大墻壁薄,無大型機械施工平臺土工膜心墻“Z”形鋪膜并有粗沙保護層填筑,施工工藝較為復雜。但在施工過程中焊縫容易出現(xiàn)接觸張口,引起滲漏膠凝大體積混凝土澆筑時雖然水化熱較低,但仍需控制溫度,注意養(yǎng)護,常規(guī)混凝土與碾壓混凝土施工有干擾,寒冷地區(qū)過冬時混凝土需要保溫處理施工期要做好混凝土表面養(yǎng)護防曬工作。由于是薄壁高墻結構,模板支設和鋼筋架立均較為困難工程投資724.71萬元1785.06萬元1304.40萬元

2.4 方案比選結果

以上3個方案均能滿足工程布置要求，但是其中膠凝砂礫石壩方案投資最高，是土工膜心墻壩方案的2倍。根據(jù)SL678- 2014，對于中低膠凝砂礫石壩，可建在新鮮、微風化或弱風化基巖上，非巖石地基需要專門論證。目前，國內外所有膠凝砂礫石壩均布置在基巖上，沒有非巖石地基筑壩經(jīng)驗供本工程借鑒，國內也沒有將膠凝砂礫石壩做永久壩使用案列[9]。因此不推薦膠凝砂礫石壩方案。

扶臂式擋水墻相比與土工膜心墻壩投資高，但是扶臂式擋墻結構，依靠鋼筋混凝土直墻進行擋水，混凝土結構的防沖效果與砂礫料土工膜心墻相比，更為可靠。并且扶臂式擋墻結構緊湊，可以增大內庫庫容。扶壁式擋水墻優(yōu)勢更加明顯，因此推薦扶壁式擋水墻。3個方案的具體比選情況見表1。

3 結語

根據(jù)金溝河特殊的地質地形條件，從工程實際出發(fā)，通過詳細的布置和概算分析，得出最優(yōu)方案為扶壁式擋水墻。雖然最終選取了傳統(tǒng)的混凝土結構，但為高引水比，多泥沙河流的建筑物設計提供了借鑒，并為今后類似工程設計提供思路。

[1] 孫麗. 金溝河引水渠首泥沙處理的設計[J]. 中國水運. 2016, 16(06): 222- 223.

[2] 逢煥春. 新建瑪納斯河彎道式引水渠引水防沙技術研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2013(08).

[3] 新疆水利水力勘測設計研究院. 金溝河流域規(guī)劃報告[R]. 新疆. 2008.

[4] 新疆水利水力勘測設計研究院. 金溝河引水樞紐初步設計報告[R]. 新疆. 2015

[5] SL274- 2001. 碾壓式土石壩設計規(guī)范[S].

[6] SL678- 2014. 膠結顆粒料筑壩技術導則[S].

[7] 陳濤. 膠凝砂礫石壩的設計思想與設計準則[J]. 水利科技與經(jīng)濟, 2008(04).

[8] 劉永富, 李海波, 馬振梅. 淺談?chuàng)跬翂τ嬎愀叨鹊娜≈礫J]. 水利規(guī)劃與設計, 2004(03).

[9] 楊晉營, 燕荷葉, 閆國保. 工程條件對膠凝砂礫石壩的影響分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2016(01).