青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)枯水期臨時(shí)引水工程設(shè)計(jì)實(shí)踐

李程，王敏

（1.蕪湖市水利工程建設(shè)管理處，安徽 蕪湖 241001；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.水利部長(zhǎng)江治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

青弋江分洪道工程起始端位于蕪湖市灣沚區(qū)紅楊鎮(zhèn)十甲任村，末端位于蕪湖市三山區(qū)澛港上游，全長(zhǎng)47.28km，是水陽(yáng)江、青弋江、漳河流域防洪治理總布局中的重要骨干性工程，工程主要任務(wù)為減輕水陽(yáng)江中游防洪壓力，提高流域下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足地區(qū)除澇及航運(yùn)要求。因青弋江分洪道十甲任節(jié)制閘工程建設(shè)，需在閘址上下游修筑圍堰，截?cái)嗲噙闪鱗1]。在豐水期，因該區(qū)域河網(wǎng)密集，圍堰下游水位無(wú)較大影響，在枯水期，圍堰下游來(lái)水減小和水位下降，導(dǎo)致灣沚區(qū)水廠無(wú)法正常取水。為確保灣沚水廠在枯水期取到保質(zhì)保量的水源，在十甲任節(jié)制閘施工期新建臨時(shí)引水工程，將十甲任節(jié)制閘上游來(lái)水引向圍堰下游青弋江干流段，確保灣沚區(qū)供水安全。

1 引水規(guī)模分析

灣沚區(qū)臨時(shí)引水工程主要目的是滿足枯水期灣沚區(qū)用水需求，確定其引水規(guī)模主要需要考慮以下兩個(gè)方面：一是保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設(shè)計(jì)水位（高程2.4m，國(guó)家1985 高程，下同）；二是取水口處水體滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

要保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設(shè)計(jì)水位，需采取兩項(xiàng)工程措施：一是將青弋江來(lái)水引向圍堰下游，使取水口有一定的水量補(bǔ)充；二是在取水口下游合適位置筑攔水堰抬高水位，確保枯水期正常取水。要保證取水口處水質(zhì)滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)保證取水口處的水體處在流動(dòng)狀態(tài)，且更換時(shí)間需控制在15 天以內(nèi)。根據(jù)以上分析，必須合理確定引水工程規(guī)模，才能盡可能消除十甲任節(jié)制閘施工圍堰造成的對(duì)灣沚水廠取水的不利影響。

根據(jù)灣沚水廠設(shè)計(jì)文件和實(shí)際運(yùn)行情況，水廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為10 萬(wàn)噸/日，枯水期的供水量約為6.0 萬(wàn)噸/日，從滿足水量要求，引水工程設(shè)計(jì)流量應(yīng)不小于1.0m3/s。從滿足水質(zhì)要求，荊山河口至取水口青弋江干流總長(zhǎng)約4.5km，枯水期水體總體積約300 萬(wàn)m3，按每15 天對(duì)該水體更換一次計(jì)算，引水工程設(shè)計(jì)流量為2.3m3/s。綜合以上兩種因素，確定引水工程的輸水流量為3.0m3/s。

2 引水方案選擇

2.1 引水方案

根據(jù)工程區(qū)水系及地形條件可確定不同的引水線路，主要有以下兩條可行線路，其平面示意圖如圖1 所示。

圖1 引水方案布置示意圖

圖2 典型橫斷面示意圖

線路1：埋管直通方案。在十甲任節(jié)制閘的西側(cè)灘地埋設(shè)管道，通過(guò)管道將圍堰上游水源引向下游。

線路2：東莞河-荊山河方案。充分利用現(xiàn)有河道，引水線路為：始于青弋江分洪道進(jìn)口段，經(jīng)擬建的馬元閘，借道東莞河至與荊山河交界處（三汊河口），最后由荊山河匯入青弋江下游干流。

在線路2 中，枯水期荊山河在上游三汊河口的最低水位為4.5～5.0m，在下游匯入青弋江處的最低水位3.5～4.0m，上下游水位差0.8～1.0m，但荊山河現(xiàn)狀河床高程為5.0～6.0m，荊山河段成為引水線路中的高地，無(wú)法自然引流，為確保枯水期引水線路的連通性，須在荊山河段采取工程措施將東莞河來(lái)水輸入青弋江。線路2在荊山河段考慮的工程措施主要有以下三個(gè)方案。

方案一，東莞河筑壩方案，在荊山河與東莞河相交的東莞河夫子闕做一個(gè)臨時(shí)壩，通過(guò)該臨時(shí)壩抬高河道水位，將青弋江上游來(lái)水通過(guò)荊山河輸送到青弋江下游，工程投資約180 萬(wàn)元。

方案二，在荊山河與東莞河交匯處荊山河口處做一個(gè)小擋水壩，架設(shè)6 臺(tái)55Kw 的潛水泵，通過(guò)6 臺(tái)泵向荊山河抽水入青弋江，工程投資約180 萬(wàn)元。

方案三，在東莞河與青弋江之間的荊山河現(xiàn)狀河槽的基礎(chǔ)上，開(kāi)挖一條溝渠，通過(guò)自流將上游來(lái)水引向青弋江下游，工程投資約90 萬(wàn)元。

2.2 方案對(duì)比

線路1 的主要優(yōu)點(diǎn)是工程安全可靠，不會(huì)因引水造成河道沖刷，但該線路的缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，為了滿足引水流量要求，至少需要埋設(shè)2 根500m 長(zhǎng)直徑1.6m 的管道，投資估算約650 萬(wàn)元，另外，該線路對(duì)十甲任節(jié)制閘施工將會(huì)產(chǎn)生一定干擾。

線路2 的主要優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)低，根據(jù)荊山河段不用的輸水方式，費(fèi)用為90～180 萬(wàn)元不等，該線路的主要缺點(diǎn)是荊山河段無(wú)法自然引流，須采取措施將東莞河來(lái)水引入青弋江。

對(duì)比2.1 節(jié)荊山河段三種輸水措施方案，其優(yōu)缺點(diǎn)及工程投資估算對(duì)比如表1 所示。

表1 荊山河段輸水方案對(duì)比表

方案一的優(yōu)點(diǎn)是臨時(shí)筑壩工程位置集中，方便施工及維護(hù)管理，但存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是因上游有大流量來(lái)水可能，大流量來(lái)水對(duì)臨時(shí)壩體帶來(lái)沖刷，土壩被沖毀的概率較高，一旦沖毀則需重建，后期維護(hù)費(fèi)較多，沖毀期間則無(wú)法保證輸水；二是在十甲任節(jié)制閘工程施工期間如果上游來(lái)水量過(guò)大，臨時(shí)壩減弱了導(dǎo)流河道的行洪能力，上游水位雍高，對(duì)十甲任節(jié)制閘工程基坑安全有較大影響。

方案二優(yōu)點(diǎn)是不影響十甲任節(jié)制閘工程建設(shè)，對(duì)灣沚取水水質(zhì)、水量有保證，缺點(diǎn)是供電困難，人員管理、后期維護(hù)復(fù)雜，造價(jià)偏高，且不可控風(fēng)險(xiǎn)因素較多。

方案三造價(jià)最低，對(duì)灣沚取水有保證，即使在枯水期水位很低時(shí)，也能通過(guò)其他工程措施配合該方案進(jìn)行彌補(bǔ)，且不影響上游來(lái)水正常過(guò)流及十甲任節(jié)制閘工程基坑安全，缺點(diǎn)是工程線路較長(zhǎng)，施工影響較大。

綜合上述分析，推薦選擇線路2 作為引水線路，對(duì)于荊山河段輸水方式，從工程風(fēng)險(xiǎn)控制、運(yùn)行成本和實(shí)施難度等方面綜合考慮，推薦選用方案三明渠輸水方式。

3 引水方案設(shè)計(jì)

3.1 荊山河段明渠線路

荊山河靠近青弋江進(jìn)口處有一條鄉(xiāng)村道路，道路路面高程約11m，因此引水明渠線路有直線和曲線兩種方案。直線方案就是明渠不繞路直接穿過(guò)此路進(jìn)入青弋江，明渠穿路時(shí)采用埋設(shè)鋼筋混凝土管過(guò)流，渠道長(zhǎng)度約2.2km。曲線方案是沿現(xiàn)狀河道的深泓線開(kāi)挖，可減小明渠開(kāi)挖深度，但明渠總長(zhǎng)度約3.2km，比直線方案長(zhǎng)約1.0km。由于渠道長(zhǎng)度延長(zhǎng)，在同等斷面情況下輸水能力會(huì)下降；同時(shí)渠道要穿過(guò)一座橋梁，此橋橋墩埋深較淺，在橋下開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)較大。為保證引水明渠的輸水效果，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，推薦采用直線方案。

3.2 明渠橫縱斷面設(shè)計(jì)

明渠橫斷面按明渠均勻流公式計(jì)算

式中：Q 為輸水流量，m3/s，據(jù)第1 節(jié)分析為3.0 m3/s；ω 為明渠過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2，梯形渠道時(shí)ω=(b+mh)h，b 為渠道底寬，m，h 為設(shè)計(jì)水深，m，m 為渠道邊坡系數(shù)；R 為水力半徑，m；C 為謝才系數(shù)，m0.5/s，按式（2）計(jì)算；n 為糙率，取0.025；i 為明渠縱坡，荊山河兩側(cè)水位差約0.8～1.0m，明渠長(zhǎng)度2200m，為最大限度發(fā)揮輸水明渠的輸水潛能同時(shí)不增加土方開(kāi)挖量，渠道縱坡確定為1/3000。

由于明渠主要沿荊山河原河道的深泓線開(kāi)挖，土質(zhì)大部分為淤泥質(zhì)土和粉砂，根據(jù)河道現(xiàn)狀地形高程確定渠道開(kāi)挖深度2.2～3.5m，為保證邊坡穩(wěn)定，擬定的渠道邊坡為1:3。

當(dāng)渠道水深為1.2m，渠道底寬為2.0m 時(shí)，根據(jù)式（1），明渠的過(guò)水流量為3.4m3/s，滿足設(shè)計(jì)引水流量要求，這時(shí)渠道流速為0.51m/s，粉砂不沖流速為0.7m/s～0.8m/s[3]，滿足不沖不淤要求。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量，荊山河在東莞河口處的水位4.5～5.0m，按最不利水位4.5m 設(shè)計(jì)，渠道進(jìn)口處渠底高程為3.3m。

根據(jù)以上計(jì)算，擬定的引水明渠縱橫斷面為：明渠縱坡1/3000，渠道底寬2m，渠道邊坡1:3，渠道進(jìn)口處渠底高程度3.3m，出口處渠底高程度2.7m。

3.3 穿路涵設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析比較，荊山河段明渠穿越鄉(xiāng)村道路時(shí)需設(shè)鋼筋混凝土涵管。穿路涵的孔徑取決于設(shè)計(jì)流量和上下游的水位差。根據(jù)地形條件擬采用平涵方案，當(dāng)采用平涵方案時(shí)，應(yīng)將涵管盡可能低埋，使涵管滿足有壓出流條件，也就是其涵洞前水深超過(guò)涵洞高度的1.5倍，這樣穿路涵在通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，涵洞屬有壓淹沒(méi)出流，其過(guò)流能力按下式計(jì)算[4]：

式中：m1為壓力流時(shí)的流量系數(shù)，按式（4）計(jì)算；A 為涵洞過(guò)水?dāng)嗝娣e，m2；z 為涵洞上下游水位差，m；L 為涵洞長(zhǎng)度，m。

涵洞的上下游水位差控制在0.1m，洞底高程1.5m，選用直徑1.2m 的鋼筋混凝土圓管，管頂高程2.7m，過(guò)路涵兩側(cè)填土邊坡1:2，涵洞總長(zhǎng)度為38m，根據(jù)式（3）計(jì)算，單根涵管過(guò)水流量為1.1m3/s，因此確定需要埋設(shè)3 根涵管。

4 結(jié)論

青弋江下游區(qū)域地形平坦，水系密布，水文條件復(fù)雜，一般情況下無(wú)水資源短缺問(wèn)題，但因青弋江分洪道工程施工造成灣沚區(qū)枯水期臨時(shí)性水資源短缺，本文從枯水期臨時(shí)引水方案的角度出發(fā)，探討了一種適合青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)的引水方案。通過(guò)不同引水線路和不同輸水方式對(duì)比分析，確定借道東莞河、荊山河的引水線路，考慮引水工程建設(shè)投資、工程影響和維護(hù)要求等因數(shù)，荊山河段推薦采用疏挖明渠輸水方案。通過(guò)對(duì)引水河道的過(guò)流能力和抗沖能力進(jìn)行復(fù)核分析和相關(guān)工程設(shè)計(jì)，為十甲任節(jié)制閘施工期灣沚區(qū)供水提供了安全保障，也為青弋江平原河網(wǎng)地區(qū)枯水期臨時(shí)引水工程實(shí)踐提供參考借鑒。