湛江市南渡河引水工程取水口優(yōu)化設計

王樂然

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州510635）

取水口作為取水工程的第一個取水設施，其選擇是否恰當，直接影響取水的水質(zhì)和水量、取水的安全可靠、投資、施工、運行管理以及河流的綜合利用［1］。取水口設計過程中往往容易忽略一些客觀條件的限制，給工程建設帶來不便，影響工程建設進度，亦或是在工程投入運行后影響運行安全及供水保障，制約了引水工程社會效益及經(jīng)濟效益的發(fā)揮，因此對取水口進行合理性的優(yōu)化設計是有必要的。

1 工程概況

南渡河引水工程位于湛江市境內(nèi)，是一宗跨縣級行政區(qū)的引調(diào)水工程，輸水線路總長度61.1 km，以南渡河作為供水水源，為雷州市及徐聞縣提供農(nóng)業(yè)灌溉及城市用水而建的引水工程。工程供水對象為雷州市西南片7個鎮(zhèn)、徐聞縣中西片13個鎮(zhèn)及農(nóng)場農(nóng)業(yè)灌溉和城市用水，灌溉總面積約45.5萬畝，年平均引水量1.60億m3，最大引水規(guī)模為12.1 m3/s［2］。

南渡河取水口是湛江市南渡河引水工程兩個取水口之一，位于湛江市南渡河出海口水閘上游約24 km處，獨立布置于河岸右側。取水口與泵站相隔約9.1 km，通過盾構隧洞引水至泵站，泵站加壓將南渡河原水輸送至雷州市及徐聞縣各地，為社會發(fā)展提供可靠的水源保證。取水口平面布置見圖1。

圖1 取水口平面布置示意圖

2 地形地質(zhì)條件

本工程處于雷州半島，區(qū)域地貌類型總體屬于濱海低山丘陵地貌，南部瀕臨南海，取水部位地形平緩，以農(nóng)田為主，平均高程2 m～4 m。該范圍處于第四系松散堆積層，主要為人工填土層、淤泥或淤質(zhì)粘土層、粘土，從上往下主要地層分布為：

①人工填土層，為土黃～褐黃色粉質(zhì)黏土和粉土，層厚1 m～2 m，平均標慣17擊，承載力特征值fak=120 kPa～140 kPa；

②-1淤質(zhì)黏性土，局部見夾淤質(zhì)中細砂，層厚0.60 m～31.3 m，高壓縮性，平均標慣3擊，承載力特征值fak=50 k Pa～60 kPa；

②-2淤質(zhì)細砂，局部夾淤質(zhì)黏土層，層厚0.70 m～9.60 m，平均標貫9擊，承載力特征值fak=80 kPa～100 kPa。

3 南渡河取水口的總體布置

取水口采用岸塔式取水口型式，設計運行水位1.0 m，最高運行水位5.2 m，最低運行水位0.1 m。取水口由引水渠及進水閘兩部分組成。引水渠為梯形明渠，布置于堤外灘地，渠道長度300 m，渠底寬6.2 m，頂部開口寬度35.2 m，兩側邊坡坡比1∶2，放坡至現(xiàn)狀河灘地高程，渠底及兩側邊坡均采用砼護面。進水閘孔口尺寸為：3.4 m×3.4 m（凈寬×凈高），平面尺寸為10.6 m×7.2 m（長×寬），閘室內(nèi)順水流方向設置攔污柵、檢修閘門、工作閘門，閘室上部設置啟閉機室，閘前采用喇叭式進水口與引水渠相接［2］。

圖2 引水渠橫剖面示意圖（單位：m）

取水口布置有以下優(yōu)缺點：

1）開敞式明渠結構簡單，施工方便；明渠過流斷面大，過流條件良好；渠底應力小，無需進行地基處理。但是渠底開挖至淤質(zhì)粘土層，該土層壓縮性高、含水量大、承載力低，在外部干擾下自穩(wěn)性較差，開挖過程中引水渠邊坡易產(chǎn)生沉降、滑移現(xiàn)象，渠道完工后也將成為影響結構安全的隱患。

2）從圖2可見，明渠渠頂為河灘地（高程2.0 m～2.5 m），取水口最高運行水位為5.2 m，當取水口處于高運行水位工況或在河道行洪期間，河道水位高于現(xiàn)狀引水渠頂高程，在長期運行過程中，河道水流中的漂浮物、泥沙會淤積、堵塞在引水渠內(nèi)，影響取水口的正常取水功能，且漂浮物推移至進水閘攔污柵前也將影響進水閘的運行安全。為保證取水口的取水條件不受影響，工程運行期間必須定期清理引水渠內(nèi)的淤積物，后續(xù)維護管理麻煩，運行成本較大。

圖3 進水閘橫剖面示意圖（單位：m）

3）由于歷史遺留問題，現(xiàn)狀河灘地內(nèi)均為基本農(nóng)田。引水渠采用大放坡結構設計，為滿足上述布置，渠頂寬度35.2 m范圍內(nèi)均為永久征地范圍，涉及永久征地面積較大且占用大量基本農(nóng)田。

4 取水口布置的優(yōu)化：

4.1 引水渠布置的問題

為保證取水條件不受影響，減少工程占地面積，引水渠采用暗涵結構。經(jīng)計算，箱涵孔口尺寸采用4.5 m×3 m（寬×高）能滿足工程取水的過流要求。考慮到工程區(qū)范圍淤泥層深厚，箱涵施工開挖輔以鋼板樁作為臨時支護措施，在保證開挖安全的同時減少放坡開挖占地范圍，箱涵施工完畢后覆土還耕。

箱涵結構10 m設置一道結構分縫，根據(jù)南渡河取水口地質(zhì)資料，取水口范圍建基面為淤泥質(zhì)粘土層，地基承載力f=50 kPa～60 kPa。經(jīng)計算，引水渠完建時基底平均應力值為66.6 kPa，需進行地基處理。底板范圍采用格構式攪拌樁（直徑0.6 m，間距0.45m）加固基底淤泥，攪拌樁有效長度8 m，順水流方向格構排樁2.1 m間隙內(nèi)換填厚1m塊石，提高地基承載力。引水渠優(yōu)化方案見圖4。

圖4 引水渠優(yōu)化方案示意圖（單位：m）

4.2 攔污柵布置的問題

開敞式引水明渠改成箱涵后雖然能避免永久征地并解決渠道內(nèi)容易淤積的問題，但同時也帶來了新的問題：河道垃圾將從箱涵進水首端進入涵內(nèi)，因此，攔污柵位置需調(diào)整至引水箱涵進水側，阻攔涵洞外漂浮垃圾。攔污柵與進水閘分離后，在引水箱涵進口側首個分縫段設置攔污柵與檢修閘門，并將箱涵寬度由4.5m漸變擴寬至6m，以解決柵片阻流的影響。

為平順水流及連接現(xiàn)狀河床岸坡，攔污柵前布置八字翼墻結構，由河道向攔污柵側收縮，即由寬度14.0m縮窄自6.0m，同時在底板上游側設置攔砂坎，攔砂坎頂高0.8m，可減少河道泥沙順水流進入引水箱涵。考慮到下臥淤泥質(zhì)粘土層最大厚度達20.0m，地質(zhì)情況較差，擬采用與箱涵同樣的地基處理措施，提高地基承載力。攔污柵結構布置優(yōu)化后攔污柵與進水閘功能分離，避免了與引水暗涵銜接時相互干擾的問題，其檢修、維護及垃圾清理均由汽車吊實現(xiàn)。攔污柵優(yōu)化布置方案見圖5。

圖5 攔污柵優(yōu)化方案示意圖（單位：m）

4.3 進水閘的優(yōu)化

結合上述攔污柵結構的優(yōu)化調(diào)整，進水閘閘孔直接與箱涵銜接，取消了原有閘前連接擋墻。考慮到取水口后引水隧洞出口已設置閘門設施，取水口進水閘原有工作閘門功能重復，可取消進水閘工作閘門，僅保留一道檢修閘門以備輸水豎井及引水隧洞檢修使用。優(yōu)化后的進水閘孔口尺寸與箱涵同尺寸相同，為4.5 m×3 m（寬×高），閘室長度縮短2.6 m。由于進水連接擋墻的取消，進水閘工程量大幅減少，節(jié)省了工程投資。進水閘優(yōu)化布置方案見圖6。

圖6 進水閘優(yōu)化方案示意圖（單位：m）

4.4 優(yōu)化后取水口的結構布置

南渡河取水口進行上述優(yōu)化調(diào)整后，其結構布置沿水流方向調(diào)整為翼墻、攔污柵、引水箱涵、進水閘（見圖7）。

優(yōu)化后的取水口在布置上有以下特點：

（1）引水渠范圍為封閉引水，攔污柵設置于箱涵進水前端，將河道漂浮物阻攔在引水渠外，且進水前端翼墻段底板設置攔砂坎，更能有效防止河道推移質(zhì)順水流淤積于引水箱涵及輸水豎井內(nèi)，優(yōu)化后的方案能有效解決引水渠因淤積問題而產(chǎn)生的運行安全及維護管理等問題。

圖7 取水口優(yōu)化方案平面布置示意圖（單位：m）

（2）引水箱涵采用鋼板樁支護開挖，可大幅度減少了臨時征地范圍，除了在必要的運行檢修通道區(qū)域需永久占地外，與基本農(nóng)田交叉的其他范圍均可在完工后覆土還耕，節(jié)省了取水口的征地投資費用。

（3）攔污柵前翼墻的布置能有效穩(wěn)固河道的岸坡，防止因水流的沖刷、淘蝕對取水前端結構的破壞，為取水口的安全運行提供了保障。

（4）引水箱涵方案結構布置較原方案復雜，對施工質(zhì)量要求更高，且增加了箱涵及其基礎處理、翼墻灌注樁等工程量，優(yōu)化后的取水口方案工程直接投資增加1233萬元（原設計方案取水口直接投資為764萬元，引水工程總投資29.2億元）。優(yōu)化后的取水口雖然工程直接投資增加較大，但從后期運行維護、工程布置合理性、取水口的重要性及安全性等各方面綜合考慮，引水箱涵的優(yōu)化方案是可行的［3］。

5 結語

引水工程中取水口的布置需考慮諸多因素，但具有一定的共同性。通過對開敞式明渠取水口的設計方案進行優(yōu)化，不但保證了取水口取水功能不受影響，又解決了引水渠道運行期間容易淤積，工程布置永久占地范圍大等問題，值得類似工程參考。