拉斯特引水樞紐改建工程方案對(duì)比研究

王 力

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆地區(qū)水資源匱乏，季節(jié)性河流在緩解水資源短缺中發(fā)揮著重要作用，通常利用下游水庫在豐水期補(bǔ)水蓄水以緩解流域枯水期旱情。豐水期河流徑流量較大，水庫可能遭遇高水位洪水。因而，須在引水的同時(shí)采取泄洪措施，防止引水閘損毀。拉斯特引水樞紐是集水庫引水、豐水期泄洪以及沖砂于一體的水利設(shè)施，但由于年久失修，工程需要改造、重建。

1 工程概況

拉斯特河發(fā)源于薩吾爾山脈的木斯島冰峰，流域地處阿勒泰地區(qū)吉木乃縣境內(nèi)，主要由積雪融化和沿途泉水匯集而成，河流徑流量呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化特征。拉斯特引水樞紐位于科克克也木也爾站下游1 km處，從河道右岸至左岸依次布置進(jìn)水閘、沖砂閘和溢流堰，是紅旗水庫的引水渠首，其主要功能是為紅旗水庫輸水。紅旗水庫承擔(dān)著下游托普鐵列克灌區(qū)的灌溉用水、農(nóng)村及城鎮(zhèn)人畜生活用水、農(nóng)業(yè)生態(tài)用水。但由于年久失修，水利設(shè)施已經(jīng)不能完全發(fā)揮其作用。因此，需要對(duì)拉斯特引水樞紐進(jìn)行改造，提升其引水流量及泄流能力，保證下游灌溉水量，提高其工程經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[1]。

2 原有水利設(shè)施存在的問題

原有拉斯特引水樞紐工程水利設(shè)施由進(jìn)水閘、沖砂閘和溢流堰組成。進(jìn)水閘由于年久失修、泥沙淤積以及河流水量增加，孔口尺寸、閘頂高程不能滿足引水要求，上下游防沖不符合規(guī)范要求；沖砂閘沖砂效果差強(qiáng)人意，泄洪能力不足，閘頂高程不滿足要求，上下游防沖不符合規(guī)范要求；溢流堰前淤積嚴(yán)重，洪水期河道推移質(zhì)較多，不能滿足泄洪要求。此外，堰后沸砂，堰體基礎(chǔ)設(shè)置深度較淺、部分堰體出現(xiàn)斷裂滲漏。因而，隨時(shí)間的延續(xù)，管涌破壞勢必然加劇。另外，原有水閘設(shè)施無電器設(shè)備和閘房，工程存在嚴(yán)重缺陷。盡管閘門滿足強(qiáng)度要求，但啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、老化嚴(yán)重，存在安全重大隱患。

3 改造重建工程方案

原有拉斯特引水樞紐工程進(jìn)水閘、沖砂閘、溢流堰老舊，溢流堰堰前淤積，堰后沖刷成坑，進(jìn)水閘和沖砂閘沖刷嚴(yán)重，難以發(fā)揮其功能，見圖1。重建工程重新復(fù)核了引水樞紐的特征水位，并依據(jù)引水樞紐現(xiàn)狀及計(jì)算成果，擬定兩種方案：方案一拆除重建方案；方案二新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案。

圖1 拉斯特河引水樞紐平面示意圖

3.1 拆除重建方案

綜合考慮實(shí)地地形、地質(zhì)條件，以及現(xiàn)有引水樞紐結(jié)構(gòu)形式、尺寸、安全系數(shù)等因素之后，擬拆除現(xiàn)有的進(jìn)水閘、泄洪沖砂閘、溢流堰，并在原閘址處新建進(jìn)水閘、沖砂閘和泄洪閘，并提高閘頂高程。在引水閘前設(shè)置擋沙坎，提高引水流量并降低引水的泥沙含量。采用新型水泥和水閘鋼材提高水閘的穩(wěn)定性，并在閘后接消力池、海漫，防止水躍侵蝕引水渠。沖砂閘設(shè)計(jì)為2孔寬頂堰，每孔凈寬3.0 m，采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，和新型C60F200W6硅粉混凝土現(xiàn)澆，從而提高水閘穩(wěn)固性。閘前設(shè)導(dǎo)砂坎、混凝土鋪蓋，其中鋪蓋前設(shè)防沖齒墻，閘后接短護(hù)坦、軟排，末端設(shè)防沖齒墻，齒墻上設(shè)排水孔。

由于原有溢流堰為直角梯形溢流堰，堰頂高程較高，流量系數(shù)較小，且堰前泥沙淤積嚴(yán)重，部分堰底基礎(chǔ)破壞，泄洪能力不足且穩(wěn)固性較差。為此，重建方案擬完全拆除溢流堰，并在原址上新建泄洪閘。泄洪閘設(shè)計(jì)為3孔寬頂堰，每孔凈寬5.0 m，采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘室設(shè)檢修門、工作門各一道，閘門寬均為5.0 m。檢修門采用平面鋼閘門結(jié)構(gòu)；工作門采用弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)，雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。閘上設(shè)有檢修橋、工作橋、交通橋。閘前設(shè)混凝土鋪蓋，鋪蓋前設(shè)防沖齒墻，閘后接短護(hù)坦、軟排。其中，護(hù)坦長20 m，末端設(shè)防沖齒墻，齒墻上設(shè)排水孔，間距為2.0 m×2.0 m，按照梅花樁排列布置。

3.2 新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案

本套方案仍與上述方案類似，對(duì)進(jìn)水閘和沖砂閘予以拆除重建，增加閘頂高程、采用新材料以增加穩(wěn)固性。進(jìn)水閘前增加擋沙坎、閘后接消力池、海漫；沖砂閘前設(shè)導(dǎo)砂坎、混凝土鋪蓋。閘后接短護(hù)坦、軟排，末端設(shè)防沖齒墻，齒墻上設(shè)排水孔。在進(jìn)水閘和沖砂閘拆除重建的基礎(chǔ)上，該方案選擇改造溢流堰而非拆除重建溢流堰。原溢流堰堰頂寬度0.5 m，堰高3.95 m，長度40 m，類似寬頂堰。本方案將寬頂堰改造為實(shí)用堰，增加流量系數(shù)。通常，寬頂堰的流量系數(shù)小于0.385，而實(shí)用堰的流量系數(shù)在0.38～0.50之間[2]。改造方案主要是降低堰高，將原有堰頂部去掉35 cm，然后采用C20F200W6混凝土補(bǔ)強(qiáng)，采用C60F200W6硅粉混凝土新增15 cm表層，以抗沖。于此同時(shí)，改變堰后的護(hù)坦，增加防沖齒墻。從整體上看，堰頂高程降低0.2 m，增強(qiáng)了泄洪能力，且材料強(qiáng)度增加，防洪能力加強(qiáng)。對(duì)于破損的堰底基礎(chǔ)，采用漿砌石對(duì)基礎(chǔ)部位補(bǔ)強(qiáng)加固，并在堰后接短護(hù)坦、軟排，末端設(shè)防沖齒墻，齒墻上設(shè)排水孔，以降低泄洪水躍對(duì)河道下游的沖刷力。

3.3 方案比選

兩套方案相比，最大差別是方案一完全拆除了現(xiàn)有溢流堰，改為泄洪閘，而方案二保留了大部分溢流堰基礎(chǔ)，將類寬頂溢流堰改成類實(shí)用堰形式。從功能上看，方案一和方案二在引水、沖砂功能上類似，只是在泄洪應(yīng)對(duì)方式上存在差異，其中方案一采用泄洪閘泄洪，流量系數(shù)高，防泥沙淤積效果好。通過閘門啟閉高度的控制，既可以保證水庫引水，又可以在豐水期泄洪，但方案二保留了溢流堰，通過改變堰的形式以增加泄洪能力，堰頂高程降低了0.2 m。由于拉斯特河豐水期和枯水期水位相差大，豐水期僅限于春夏融冰期，而枯水期較長，且部分時(shí)期內(nèi)處于斷流的狀態(tài)。堰頂高程的部分降低，增加了水利設(shè)施在豐水期的泄洪能力，但不影響工程在枯水期的蓄水能力。在防止泥沙淤積上，由于工程建有沖砂閘，在合理的控制下，可以防止溢流堰前的泥沙淤積。因此，在功能上，兩種方案均能達(dá)到工程建設(shè)要求。

從施工時(shí)間上，拆除重建方案混凝土均為新澆筑，施工在時(shí)間安排上相對(duì)自由，施工工藝上相對(duì)簡單；新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案進(jìn)水閘、沖砂閘混凝土均為新澆筑，施工時(shí)間也無任何障礙。從經(jīng)濟(jì)上比較，由于兩種方案均有新建引水閘和沖砂閘成本，總體成本差異只是在溢流堰的新建、改造。方案一拆掉舊有寬頂堰，新建沖砂閘，投資較大，而方案二僅部分地改變堰的形式，對(duì)其上部進(jìn)行處理，并增加防沖齒墻，比新建泄洪閘施工相對(duì)簡單，投資較省，方案對(duì)比見表1。新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案的運(yùn)行管理方便，避免了泄洪閘需要定期啟閉的人力成本，閘門銹蝕更換成本等，運(yùn)行成本較拆除重建方案低。

表1 方案比選

4 總結(jié)

對(duì)于季節(jié)性河流的引水樞紐工程須具備豐水季泄水、枯水季蓄水的功能。對(duì)比分析拆堰建泄洪閘和保留堰底基礎(chǔ)、改變堰形式的方案，就功能而言，兩種方案均可在河道流量較小時(shí)開啟沖砂閘，保證進(jìn)水閘前“門前清”，河道流量較大時(shí)可以開啟多孔泄洪閘對(duì)河道進(jìn)行沖沙，解決河道和閘前的淤積問題，溢流堰前泥沙淤積通過沖砂閘管理來予以緩解，不影響到渠首的正常運(yùn)行；對(duì)比運(yùn)行條件，兩種方案都比較穩(wěn)定，但新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案運(yùn)行成本較低；從投資方面分析，新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案成本較低。通過綜合比選，拉斯特引水樞紐改建工程推薦選擇新建進(jìn)水閘、沖砂閘改造溢流堰方案。