平原小型梯級調蓄水庫的引水灌溉方案研究與分析

張 碩，溫斯鈞

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

在新農村建設背景下，農村日益富裕起來，人居環境與生態功能的要求也成為鄉村發展追求的目標。發展鄉村經濟、打造農業園區，在為解決三農問題提供思路的同時，也在提升改善著農村的生存環境質量，注重人文生態環境的提升。在農村地區，部分地區缺少豐富的水資源，一般都是只兼顧農業灌溉，舍棄引水蓄水、提升生態功能。但對于平原地帶引水灌溉工程，可以形成以引水灌溉為主，蓄水補水塑造生態環境為輔的規劃思路，塑造經濟效益與生態人居環境并行的格局。

1 梯級調蓄工程概況與特點

1.1 工程介紹

輝縣市裴寨社區高效農業園區供蓄水工程是以引水灌溉為主，兼顧水產養殖、生態環境建設的綜合治理工程，是解決裴寨社區高效農業園區溫室大棚灌溉的骨干水源工程。從20 世紀50 年代開始輝縣市在西部山區修建了中小型水庫19 座，并建成了庫群聯合調度的骨干配水渠網（群庫灌區），其中北干渠、南干渠均是群庫灌區的配套干渠。北干渠長44.76 km，引水流量3.0 m3/s，距離裴寨社區高效農業園區僅3.0 km；南干渠長26.1 km，設計引水流量3.0 m3/s，距離裴寨社區高效農業園區僅1.4 km。為了促進裴寨農業增產，改善農村生態環境，提升裴寨社區高效農業園區的品質，需要興建裴寨社區高效農業園區供蓄水工程，完成裴寨社區高效農業園區大棚的灌溉配水需求，提高灌溉用水保證率。園區內現有一條天然河溝“十里河支溝”，但由于水源缺乏，需從北干渠、南干渠引水灌溉。

1.2 整體規劃思路

工程整體規劃的基本思想是：引水灌溉與生態景觀并行，突出灌溉效益，提升生態功能。因此計劃從南干渠、北干渠四支渠分兩路向農業園區引水，一部分水量直接灌溉十里河支溝兩岸大棚，一部分水量進入十里河支溝，設置梯級調蓄水庫，作為兩岸灌溉補水水源。梯級調蓄水庫不僅可以向十里河支溝南北兩岸的農業園區種植大棚輸水灌溉，而且可以形成梯級水面，塑造生態景觀，提升社區高效農業園區整體人文景觀品質。

工程整體規劃包括南、北引水工程、調蓄水庫及河段綜合治理工程、高效農業園區滴灌管網等幾部分；其中南、北引水工程主要由引水渠道、管道工程、泵站工程、提水管道工程和高位調蓄水池等幾部分組成。灌溉面積涉及以裴寨社區為中心的張村鄉11個行政村，26 個自然村，預計灌溉高效農業大棚320 公頃。

1.3 工程地質特點

1.3.1 庫區地質特點

庫區位于天然溝道內，兩側岸坡大部分呈直立狀，坡高一般在8～14 m，邊坡下部為中更新統低液限粘土，具若膨脹潛勢。高位水池基礎處于第四系中更新統坡洪積物內，局部存在卵石混合土透鏡體，中等透水，為潛在的滲漏通道。

1.3.2 壩址處地質特點

在十里河支溝規劃的梯級調蓄水庫工程的Ⅰ-Ⅳ攔水壩場區，壩址處設計建基面下伏奧陶系中統上馬家溝組中厚層狀泥質灰巖，具有遇水軟化的特性。因此規劃設計，應考慮對壩基抗滑穩定的影響。在規劃的III～IV 壩段之間多夾有厚度0.6～1.4 m 的卵石混合土透鏡體，應考慮豐雨期卵石層的側向滲流對工程的影響。IV 壩軸線附近有一編號為F 的斷層通過，建議考慮該斷層對壩基穩定的影響；另外，Ⅳ壩線帶內斷層角礫巖成分，以紫紅色雜灰白色頁巖為主，雖結構密實，亦應考慮其工程特性對壩基穩定的影響。

2 梯級調蓄水庫方案分析

工程采用從北干渠四支渠、南干渠引水至十里河支溝，引水灌溉與蓄水補水、形成自然景觀，達到引水蓄補、雙重用水的綜合效果，以便引水灌溉工程的經濟利益、社會效益、生態效益更加優越。

2.1 壩址及壩軸線選擇原則

壩址和壩軸線的選擇是根據地形、地質、河流走勢等條件綜合考慮決定的，需要考慮壩型、布置要求、施工場地條件、壩體分段施工及導流、工程投資等因素。擬規劃的調蓄水庫處于十里河支溝，河勢較陡，落差較大，為了提高蓄水量、降低造價、減少淹沒、附著物賠償等，同時兼顧生態與景觀需要，擬建多級大壩，形成梯級調蓄水庫。針對本工程實際地形地質問題，主要遵循以下原則：

（1）根據地質勘察結果，優先選擇十里河支溝內壩址地質條件較好的地段，盡可能避開壩基基礎土體松軟、夾雜淤泥質、滲漏嚴重、甚至地震斷層地帶。若無法避免，應進行工程技術處理，或者經過充分計算論證分析。

（2）根據十里河支溝實際地形，壩址處宜選擇場外交通便利、方便布置施工廠區地段，避免出現施工干擾。

（3）因為布置梯級調蓄水庫，十里河支溝需布置多道擋水建筑物，多個壩址選擇應滿足庫區水位回水要求，避免壩前回水與尾水不能銜接、回水長度過短等問題。

（4）因梯級調蓄水庫兼做向農業園區補水灌溉的需求，因此壩址選擇應考慮后期補水灌溉的需求。

（5）壩址選擇亦應考慮對整個工程的投資影響。

2.2 壩址及壩軸線方案分析

由于該庫區場地溝道上游較陡，下游段較緩，為保持溝道內水面相對連續，各攔河壩形成水面落差較小，形成較好景觀效果，并根據上述壩址選擇的原則和現場實地踏勘，擬定4 座梯級水庫與3 座梯級水庫兩種方案，如圖1、圖2 所示。

圖1 4 座梯級水庫壩軸線示意圖

圖2 3 座梯級水庫壩軸線示意圖

4 座梯級水庫方案Ⅰ壩軸線樁號為K0+098.50，壩頂高程187.12 m，壩高6.56 m，Ⅱ壩軸線樁號為K0+226.00，壩頂高程183.91 m，壩高8.90 m，Ⅲ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅳ壩軸線樁號為K0+928.00，壩頂高程179.85 m，壩高8.95 m。總庫容11.85 萬m3，可滿足灌溉用水需求。

3 座梯級水庫方案， Ⅱ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅲ壩軸線樁號為K0+581.00，壩頂高程181.88 m，壩高8.90 m，Ⅳ壩軸線樁號為K0+928.00，壩頂高程179.85 m，壩高8.95 m。Ⅰ壩軸線樁號為K0+226.00，如果要滿足灌溉用水要求，即總庫容11.85 萬m3，壩頂高程需要達到186.21 m，壩高10.3 m。

根據兩種方案建筑物布置情況進行比較可知：4座梯級水庫方案的優點為：四座大壩壩高較低，庫區防滲投資較小，由于水位較低對于防止庫區滲漏和岸坡滑塌比較有利，樞紐布置比較方便，工程量小，工程投資小；缺點為：需要多修建一座大壩。3 座梯級水庫方案的優點為：只需要修建3 座大壩。缺點為：Ⅰ壩需要10.3 m 壩高才能滿足需水要求，由于整個工程區地質情況為低液限粘土和泥質灰巖，承載力一般，壩高過高對壩體穩定及地基承載力不利，當壩高高于10 m 時地基承載力無法滿足要求。綜合考慮以上因素，優選4 座梯級調蓄水庫方案。

2.3 壩型方案分析

根據4 座梯級水庫方案地形、地質和施工條件以及當地建筑材料等情況，壩頂需要溢流形成梯級景觀水面。因此，排除了土石壩壩型，初步選擇混凝土重力壩和砌石重力壩進行比較。經各方面綜合考慮和分析論證，針對混凝土重力壩與砌石重力壩兩種壩型，分析如表1 所示。

表1 混凝土重力壩和砌石重力壩技術比較

因處于項目建議書階段，從定性分析角度對壩型方案進行了分析。無論混凝土壩或是漿砌石壩，從地質條件分析均適合建壩；混凝土筑壩需考慮混凝土的散熱與冷卻，因此壩體需設縱縫橫縫，漿砌石壩是人工堆砌石材，不需設縫，但施工質量不如混凝土機械施工有保證；混凝土壩整個壩體既是防滲材料，不需另設防滲材料；漿砌石壩砌石材料需要量很大，漿砌石壩施工質量不易控制，不利于機械化作業，相對混凝土壩工期較長，致使增加工程成本。

而且由于本項目四座大壩高度較低，斷面較小，采用砌石重力壩方案需做混凝土防滲墻，溢流壩段也需要做混凝土面板，施工干擾大；混凝土壩施工技術已成熟，速度快，便于機械化施工，工期短，可以早日建成投產，發揮工程效益。因此根據地形地質條件、壩體結構及施工工藝、筑壩材料來源工期等情況綜合分析，選定為混凝土重力壩。

3 梯級調蓄水庫回水影響分析

梯級調蓄庫蓄水后，水位抬升可能會對周邊地理環境、地址問題造成一定影響，因此需要考慮水庫的回水影響。根據綜合分析，選定擋水建筑物為混凝土重力壩，經計算確定4 座梯級調蓄水庫的壩頂高程、建基面高程、最大壩高、最大溢流高度等壩體參數如下表2 所示。

表2 壩體參數表

（1）回水對周邊地理環境的淹沒影響。水庫直接淹沒范圍受水庫正常蓄水位和汛期、非汛期洪水回水面線控制。裴寨社區高效農業園區供蓄水工程水庫的正常蓄水位是通過經濟比較并考慮工程蓄水等諸多因素確定的，4 座梯級攔水壩最高正常蓄水位為186.12 m。從安全角度考慮，取20 年一遇洪水時的洪水位作為水庫淹沒影響處理范圍。攔河壩建設在十里河支溝內，最大溢流高度7.9 m，天然溝道兩岸接近垂直，平均深度10.0 m。因此，水庫回水不會造成淹沒影響。

（2）回水對庫岸地質災害的影響。在水庫回水范圍內，兩岸河道內水位不斷抬升，可能會引起兩岸滑坡、崩塌等不良物理現象，需要考慮回水對兩岸邊坡工程的影響。工程方案考慮了回水對兩岸較陡段的影響，采取削坡、護坡處理，并進行了穩定復核。因此水庫蓄水后，基本上不存在大范圍塌岸問題。

4 結語

針對前期項目建議書階段的實施方案，從梯級擋水建筑物的數量、壩型的選擇等方面定性分析了小型梯級調蓄水庫的建設方案的優劣，并分析了梯級調蓄水庫需要考慮壩基地質條件與梯級數量的影響關系以及庫水回水的影響。對于平原灌區小型引水灌溉工程，可以采用引水與蓄水、生態補水與灌溉用水互補的思路進行布局，以達到綜合效益最優化。