金溝河渠首除險加固工程建筑物布置形式比選

贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100）

1 問題的提出

金溝河發源于依連哈比爾尕山北側科爾達拉河源頭的31號冰川，河流水網發育，呈樹狀水系，為典型的冰川融雪型補給河流，地勢由南向北傾斜，最高海拔5256 m，最低僅300 m 左右。流域地處新疆維吾爾自治區中西部的沙灣縣境內，流域總面積2626 km2，其中金溝河出山口以上面積為1688 km2。從河源至出山口（海拔820 m）主河道長約94 km，平均縱坡46‰。紅山頭水文站多年平均流量為11.22 m3/s，多年平均徑流量為3.55×108m3。

金溝河渠首引水樞紐工程位于沙灣縣西南約28 km 的金溝河上，行政區劃隸屬于沙灣縣，從沙灣縣城至沙灣縣水泥廠6 km 為公路，從水泥廠至工程區22 km 為便道或引水渠道伴行路，交通較為方便。金溝河引水樞紐工程主要承擔灌溉工程任務，灌區總土地面積116 萬畝，控制灌溉面積52.99 萬畝，是自治區糧食和棉花的主產區。金溝河現狀引水樞紐工程位于金溝河中游河段出山口，始建于1959 年，于1960 年竣工投入運行，是一個以灌溉為主的費爾干式引水建筑物，正面引水，側面沖沙。工程現狀由進水閘、泄洪沖沙閘、泄洪閘、自潰壩、上游整治段組成。引水樞紐運行已55 年，工程已嚴重老化，防洪能力下降，工程存在嚴重的安全隱患，引水樞紐分別于與1988 年、2001 年兩次進行加高處理，但仍未根本性解決現狀引水樞紐建筑物老化、帶病運行等問題。

工程進水閘和泄洪沖沙閘混凝土嚴重老化，閘門整體變形嚴重，止水偏離埋件，漏水嚴重，閘前、閘后淤積嚴重，河床逐年抬高，帶病運行過程中存在很大的安全隱患，嚴重威脅金溝河下游灌區灌溉的安全。鑒于引水樞紐存在的諸多隱患問題，已威脅到整個工程的安全運行，金溝河渠首除險加固工程的實施迫在眉睫。

2 建筑物布置型式比選

2.1 方案一：直線型引水樞紐

金溝河渠首除險加固工程直線型引水樞紐為攔河閘式引水樞紐型式，其將泄洪閘、進水閘和沖沙閘錯開布置，自潰壩、左右側導流堤長度分別為50 m、180 m、430 m，線型沉沙沖沙槽長×寬為145 m×8.5 m，縱坡1∶35，引水渠新建部分長度590 m，重建的長350 m 的輸沙道與原沖沙渠相連。施工導流則采用河床一次性攔斷+圍堰擋水的方式，借助泄洪閘左側孔洞和導流明渠引水，并通過右側孔洞實現泄流。

2.2 方案二：彎道型引水樞紐

彎道型引水樞紐也屬于攔河閘式引水樞紐型式，金溝河渠首除險加固工程彎道型引水樞紐布置型式與直線型基本相同，將泄洪閘、進水閘和沖沙閘錯開布置，自潰壩、左右側導流堤長度分別為55 m、50 m、415 m，采取依地形彎道式沉沙、沖沙方式，沉沙沖沙槽長×寬為215 m×8.5 m，轉彎半徑175 m，縱坡1∶225，引水渠新建部分長度653 m，重建的長419 m 的輸沙道與原沖沙渠相連。施工導流與直線型方案相同。

2.3 方案三：內外庫閘壩結合型式

金溝河渠首除險加固工程內外庫閘壩結合引水樞紐工程由泄洪沖沙閘、引水閘、溢流堰、上下壩等建筑組成。分為上、下段和溢流堰段的攔水壩沿水流方向將延續河道的上下壩內外庫分開，攔水壩長686.2 m，外庫表層水經由上壩溢流堰引入內庫，內外庫庫容分別為35.8 萬m3和61.4 萬m3，容沙能力較強。泄洪沖沙閘尺寸長×寬為20 m×6.5 m，進水閘長×寬為4.5 m×4.5 m，鋼壩門布置尺寸為35 m×2 m。建成泄洪沖沙閘、溢流堰、上壩后，截流通過圍堰布置進行，待水流引入泄洪沖沙閘過流后回收。內外庫閘壩結合引水樞紐型式還使金溝河渠首除險加固工程設計過洪能力從現狀的130 m3/s 提升至465 m3/s，校核洪水標準50年一遇，有效緩解了防洪壓力。

2.4 布置型式的比選

基于上述對直線型和彎道型攔河閘式渠首引水樞紐型式和內外庫閘壩結合型式的分析，從施工難易程度、運行管理、投資經濟性等角度進行布置型式的比選，結果見表1。

表1 金溝河渠首除險加固工程引水樞紐型式比選

2.4.1 施工難易程度

由于工程所在區域河流水量大，含沙量高，且無天然的人工彎道可以利用，所以直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐型式施工難度較大[1]。而金溝河流域河床寬度大，壩址處河床寬度最寬可達175.5m，對于內外庫閘壩結合引水樞紐型式而言，建筑物較單一，布置簡單，施工難度更低。

2.4.2 運行管理

（1）直線型攔河閘式引水樞紐布置型式由于采取正向泄洪沖沙方式，平順束窄的沉沙沖沙槽能借助洪水將泥沙沖向下游，受金溝河流域來水不均的限制，引水比較高時必須間歇式沖沙，所以沉沙沖沙槽實際運行過程中可能面臨無水沖沙的情況。該型式施工導流采用河床一次性攔斷+圍堰擋水，通過原泄洪閘左右兩側泄孔泄流[2]。泄洪閘前置，在遇沙后進水口封堵，引水量減小，后置的進水閘和沖沙閘則只能依靠泄洪閘引流，增大了運行管理難度。此外，直線型引水樞紐使得全部水流經由泄洪沖沙閘流出，給上游泄洪閘引水排沙工況造成較大的運行壓力，泄洪閘一旦出現問題，必將徹底喪失引水排沙功能。直線型引水樞紐實行全河道攔截導流，增加施工難度和投資的同時，降低了圍堰導流的保障度。

（2）彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式主要通過減小彎道寬度和轉彎半徑實現彎道環流，金溝河渠首除險加固工程兩側山體高而陡峭，所圍成的彎曲河道天然彎曲度并不大，若人工引水彎道轉彎半徑減小，轉彎曲度增大，則必將增加河道總寬度，難以保證其與上游河道銜接的平順性。根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)，引水彎道所需沖沙流量為進水閘的2.2～2.5倍[3]，設計流量為100 m3/s～120 m3/s，鑒于金溝河流域洪水過程線，沖沙橫向環流的產生至少需要2年一遇的洪水，在短時間內就可達到彎道環流的理想運行狀態，但引水與防沙矛盾突出，運行管理難度大。

（3）內外庫閘壩結合引水樞紐型式由平均寬度50 m 的泄洪沖沙槽形成外庫，其主要通過壩段右側的雍高水位將河道泥沙中沉積推移質攔截在外，并借助間歇性洪水經由壩段右側泄洪沖沙閘排出，外庫表層清水由泄洪閘上游溢流堰引至內庫溢流和進一步沉淀，待推移質和懸疑質泥沙水沙分離后將清水由河道下壩左岸引水閘引入干渠，供水質量有了保證[4]。內外庫閘壩結合型式運行能實現靈活調蓄，沖沙引水分開后能有效避免無水沖沙，保證渠首除險加固工程防沙沖沙效果，并延緩泥沙淤積，再加上合理的調度運行，便可實現日調節、日穩定的狀態，使下游閘點的調閘工作量大大減輕。

2.4.3 投資經濟性

直線型攔河閘式引水樞紐布置型式直接投資約7491.81 萬元，彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式直接投資約9183.28 萬元，內外庫閘壩結合引水樞紐布置型式直接投資約7178.65 萬元，投資額最小。

由綜合比選結果可以看出，直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式在技術可行性、施工難易程度、運行管理、投資經濟性等方面均難以滿足工程建設實際。金溝河渠首除險加固工程引水樞紐最終采用內外庫閘壩結合型式。

3 內外庫閘壩結合型式具體布置

金溝河引水樞紐工程采用內外庫引水樞紐布置型式，工程由泄洪沖沙閘、引水閘、溢流堰、上下壩等建筑組成。引水樞紐外庫正常水位821.00 m，設計洪水位821.40 m，校核洪水位821.87 m，內庫正常蓄水位820.20 m。

3.1 泄洪沖沙閘

泄洪沖沙閘位于主河床右側，左側與下壩相連，右側與護岸連接。泄洪沖沙閘總長20 m，共設3 孔，采用開敞式平底閘，閘孔凈寬均為6.5 m，為C25 鋼筋混凝土整體結構，閘下為C20 混凝土防滲墻。閘底板高程815.00 m，閘頂高程823.00 m，閘總高14.5 m。

3.2 引水閘

引水閘位于下壩中部，與泄洪沖沙閘一字布置，閘后出口翼墻與原樞紐上游導流堤相接，并經240 m 長原引水彎道將導向原進水閘入渠。引水閘閘井為單孔，孔口尺寸4 m×4 m，閘長18.25 m，閘室底板高程812.00 m，閘頂高程823.00 m，閘凈高12 m，為C25 鋼筋混凝土整體結構，后接1:8 陡坡與消力池連接。

3.3 溢流堰

溢流堰位于上壩段內，泄洪沖沙閘左側。溢流堰寬30 m，堰頂高程820.2 m，為寬頂折線堰，堰高11.46 m，頂寬16.28 m，堰邊坡為1∶2.25，堰身外殼為鋼筋混凝土結構，內填沙礫石。堰頂上部布置鋼壩門，門高2 m。

3.4 擋水壩

擋水壩分別由上壩、下壩組成。上壩位于樞紐上游，為復合土工膜心墻壩，壩長530.63 m，為梯形斷面，高6 m～14.5 m，壩頂寬度3 m，壩頂高程823.00 m，上下游邊坡均為1∶2.25。壩體主要采用沙礫石填筑，內庫側坡底布置排水棱體。外庫右側坡底采用砼斜墻一坡到底，上覆2 m 厚鉛絲石籠防沖結構。壩身兩側均采用混凝土板護坡，板厚0.2 m。下壩位于內庫下游，為復合土工膜斜墻壩。壩長132.05 m，為梯形斷面，高10 m～14.5 m，壩頂寬度4.5 m，壩頂高程823.00 m，上、下游邊坡分別為1∶2.25、1∶2。壩體主要采用沙礫石填筑，壩身引水面采用混凝土板護坡，板厚0.2 m，底部鋪設PE 復合土工膜。下游護坡采用0.5 m×0.5 m預制網格梁護坡，坡底布置1 m 寬干砌石排水溝。

4 結論

本文分析結果表明，內外庫閘壩結合型式能保證泄洪沖沙閘前河槽沉沙排沙的穩定性，引水沖沙效果良好，減少供水泥沙含量，有效改善水質，抑制泥沙對樞紐工程所可能造成的沖刷破壞，在充分掌握來水情況及泥沙運動規律的基礎上，能靈活調控樞紐工程的運行，充分發揮樞紐工程引水防沙的積極作用。金溝河渠首除險加固工程內外庫閘壩結合引水樞紐能有效解決渠首樞紐泥沙淤積、引水難等問題，在技術可行性、施工難易程度、運行管理、投資經濟性等方面均優于直線型和彎道型攔河閘式引水樞紐布置型式。