基于黃土高原攔水壩建設(shè)探析

楊旭瑜

(府谷縣應(yīng)急救援保障中心,陜西 榆林 719000)

黃土高原區(qū)河流洪水季節(jié)性強(qiáng),水量較少,泥沙較大,建設(shè)攔水壩及易淤積和影響行洪,現(xiàn)以府谷縣清水川溢流堰為例,對黃土高原河流攔水壩建設(shè)類型進(jìn)行分析。

1 概 況

清水川屬黃河右岸一級支流,在府谷縣哈鎮(zhèn)進(jìn)入陜西省境內(nèi),由西北向東南流經(jīng)清水鄉(xiāng)、清水工業(yè)園區(qū)于沙堯則匯入黃河,省內(nèi)河長47km,流域面積為566.8km2,河道比降4.96‰[1]。清水川屬季節(jié)性河流,雨季暴漲,旱季斷流。河川徑流年內(nèi)、年際變化較大,并具有“雙汛型”(“春汛”和“夏汛”)特征。多年平均流量1.2 m3/s,年徑流量0.38億m3,年輸沙量1298萬t。

2 水沙特性分析

2.1 暴雨洪水特性

清水川屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,區(qū)域多年平均降水量 453.5mm,降水量年內(nèi)、年際分布不均,主要集中在 7～9 月份,尤以8月份最多,約占總量的 25%,且多以暴雨形式出現(xiàn)[2]。清水川位于黃河中游局部暴雨中心,為典型降水補(bǔ)給型河流,洪枯水流量懸殊較大,主要由流域超滲產(chǎn)流暴雨形成,洪水主要集中在主汛期,洪水暴漲暴落,具有陡漲陡落、瘦尖洪峰等特點(diǎn)。

2.2 泥沙特性分析

清水川流經(jīng)黃土高塬溝壑區(qū),暴雨期,水流量大,河床擺動大,岸坡沖刷嚴(yán)重,沿線建設(shè)用地和耕地被洪水淘刷侵蝕,水土流失嚴(yán)重。根據(jù)清水水文站實(shí)測資料分析,實(shí)測最大洪峰流量2610m3/s(1989年)。輸沙量年際變化大,與洪水同步,隨水增大而含沙量高,多年平均含沙量為209.6kg/m3。

3 溢流堰壩型方案比選

為了形成一定的濕地水面,改善區(qū)域氣候環(huán)境,涵養(yǎng)水源、改善區(qū)域水環(huán)境,規(guī)劃在清水川電廠段設(shè)計(jì)修筑 3 座低水頭攔水壩。為了建設(shè)適宜當(dāng)?shù)厮硹l件的溢流堰,現(xiàn)就橡膠壩、氣盾壩、液壓壩、溢流混凝土壩四種方案進(jìn)行比選。

3.1 橡膠壩

橡膠壩主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程。由于橡膠的易老化特性和耐沖擊性能差,使其壽命較短,一般不超過15a。相比其它類型的壩,橡膠壩工程造價相對要低,但是壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞;運(yùn)行管理困難,汛期塌壩調(diào)度與蓄水難以協(xié)調(diào),塌壩時間長,洪水暴漲來不及塌壩就被洪水沖毀。需人工定期清理漂浮物;塌壩放水后,出現(xiàn)泥砂淤積覆蓋壩袋,壩袋無法沖水,需人工清理泥砂, 而人工清淤極易損壞壩袋。充水式橡膠壩見圖1。

圖1 充水式橡膠壩示意圖

3.2 氣動盾形閘

氣盾壩是綜合橡膠壩、鋼板壩二者之長的新型擋、泄水建筑物,由盾板、氣 囊、基礎(chǔ)錨固螺栓、氣動充排系統(tǒng)組成,兼具了鋼壩閘、橡膠壩的優(yōu)點(diǎn),落壩與升壩速度較橡膠壩快,漂浮物不會對氣囊造成損傷;不存在斷電造成壩袋塌落不下或塌落不充分的危險(xiǎn),閘板防沖刷性能好。缺點(diǎn):單跨壩體需同時啟閉,氣囊充氣時間較長,調(diào)度運(yùn)行不夠靈活。冬季運(yùn)行需破冰,造價高。典型設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 氣動盾形閘示意圖

3.3 液壓壩

液壓撐桿壩是將“三鉸點(diǎn)變幅運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理”與傳統(tǒng)水閘的優(yōu)化結(jié)合,針對各種水利、地質(zhì)條件下研發(fā)的新閘型。液壓撐桿壩的材料采用的是低碳合金鋼板,受力條件好,堅(jiān)固穩(wěn)定;在無電、 無動力源的情況下,可自動降壩操作;安全可控度高,可根據(jù)閘頂過流水深大小及水流對壩面沖擊成都,通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘板降落;實(shí)現(xiàn)任意高度擋水,閘面可在任意設(shè)定角度范圍內(nèi)停留支撐。缺點(diǎn)是液壓啟閉機(jī)會浸泡于水中,工作環(huán)境差,難于檢修維護(hù);不便設(shè)置檢修閘門,如遇檢修或維護(hù)時則須設(shè)置上下圍堰、抽水排水設(shè)施。設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 液壓壩示意圖

3.4 溢流混凝土壩

混凝土壩泄水方式除壩頂溢流外,還可在壩身中部設(shè)泄水孔(中孔)以便洪水來臨前快速預(yù)泄,或在壩身底部設(shè)泄水孔(底孔)用以降低水位或進(jìn)行沖砂。溢流混凝土壩的主要優(yōu)點(diǎn)是:可以通過壩身泄水或蓄水,省去專設(shè)的泄水和取水建筑物;施工導(dǎo)流和施工度汛比較容易;樞紐布置較緊湊,便于運(yùn)用和管理;當(dāng)遇偶然事故時,即使非溢流壩頂漫流,也不一定失事,安全性較好。其主要缺點(diǎn)是:對地基要求較高,混凝土壩通常建在地質(zhì)條件較好的巖基上;混凝土壩施工中需要溫控設(shè)施,甚至在炎熱氣候情況下不能澆筑混凝土;利用當(dāng)?shù)夭牧陷^少。

4 種壩型方案比選

4種攔水壩優(yōu)缺點(diǎn)比較表,見表1。

表1 4種攔水壩優(yōu)缺點(diǎn)比較表

通過投資、使用性能、運(yùn)行管理等多方面比選,結(jié)合工程實(shí)際情況,溢流混凝土壩優(yōu)點(diǎn)有耐久性好,投資低,無需運(yùn)營維護(hù)管理,后期簡單方便,且本次是對新修河槽設(shè)置蓄水壩,河道斷面的過流流量為20.98～332.88m3/s,即當(dāng)河道來水流量>20.98m3/s時,新修主河槽就會出現(xiàn)局部漫灘情況,當(dāng)>332.88m3/s時新修主河槽就會全面漫灘。壩體較低且不影響河道防洪安全,利于水沙運(yùn)行和清淤,因此推薦選用溢流混凝土壩實(shí)現(xiàn)壅水效果。

5 溢流堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了河道生態(tài)蓄水的需要,設(shè)計(jì)在本工程河段共設(shè)計(jì)3處溢流堰,1#溢流堰回水長度250m,蓄水量為9597m3;2#溢流堰回水長度199.5m,蓄水量為2664m3,3#溢流堰回水長度677.7m,蓄水量為25600m3。各溢流堰的具體設(shè)計(jì)情況如下:

5.1 1#溢流堰

位于樁號Q0+153.50處,設(shè)計(jì)溢流堰高1m、堰頂寬1m,堰體軸線為直線型,堰長20m,堰體為實(shí)用堰,上游側(cè)邊坡1∶0.25,下游側(cè)邊坡1∶0.7,設(shè)計(jì)堰頂高程857.20m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),壩體縱向上每隔10m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。

溢流堰下游布設(shè)消力池,消力池底板高程855.60m,底板厚0.5m,池深0.6m,池長6.0m,消力池尾坎高程856.10m。采用C25鋼筋混凝土澆筑,垂直水流方向每6m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花狀布設(shè)排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡?fù)凉げ?并在孔底布設(shè)20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設(shè)1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長9.0m,設(shè)計(jì)縱向比降4‰。海漫后設(shè)置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側(cè)邊坡1∶3,均采用拋石填充。

5.2 2#溢流堰

位于樁號Q0+355.00處,設(shè)計(jì)溢流堰高1m、堰頂寬1m,堰體軸線為直線型,堰長26m,堰體為實(shí)用堰,上游側(cè)邊坡1∶0.25,下游側(cè)邊坡1∶0.7,設(shè)計(jì)堰頂高程856.40m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),壩體縱上每隔9m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。

溢流堰下游布設(shè)消力池,消力池底板高程854.90m,底板厚0.5m,池深0.5m,池長5.0m,消力池尾坎高程855.40m。采用C25鋼筋混凝土澆筑,垂直水流方向每10m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花狀布設(shè)排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡?fù)凉げ?并在孔底布設(shè)20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設(shè)1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長7.0m,設(shè)計(jì)縱向比降4‰。海漫后設(shè)置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側(cè)邊坡1∶3,均采用拋石填充。

5.3 3#溢流堰(多級跌水)

位于樁號Q1+239.63處,設(shè)計(jì)溢流堰高2.5m、堰頂寬1.0m,堰體軸線為直線型,堰長60m,堰體為矩形斷面結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)堰頂高程854.60m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),堰頂大理石貼面,背水面毛石砌筑,增加美觀度,壩體縱向上每隔10m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。

溢流堰下游布設(shè)三級跌水,每一級跌水寬度5.0m,跌坎高0.3m,頂寬0.5m,每級跌水落差0.8m,底板采用C25鋼筋混凝土,厚度0.5m。三級跌水下設(shè)消力池,消力池底板高程851.60m,底板厚0.5m,池深0.5m,池長6.0m,消力池尾坎高程852.10m。采用C25鋼筋混凝土澆筑,垂直水流方向每10m設(shè)沉降縫一道,縫寬2cm,縫內(nèi)填充聚氯乙烯泡沫板,并設(shè)654型橡膠止水帶一道,縫表層填塞聚硫密封膠。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花狀布設(shè)排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡?fù)凉げ?并在孔底布設(shè)20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設(shè)1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長7.0m,設(shè)計(jì)縱向比降4‰。海漫后設(shè)置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側(cè)邊坡1∶3,均采用拋石填充。

5.4 輔助消能工

1#溢流堰消力池后設(shè)9.0m長1.0m厚格賓石籠海漫,5m長拋石防沖槽;2#溢流堰消力池后設(shè)7.0m長1.0m厚格賓石籠海漫,5m長拋石防沖槽;3#溢流堰消力池后設(shè)7.0m長1.0m厚格賓石籠海漫,5m長拋石防沖槽;。使水流均勻擴(kuò)散,調(diào)整流速分布,保護(hù)下游河床不受沖刷。

6 結(jié) 語

清水川洪水季節(jié)性,且泥沙較大,經(jīng)過分析探討,其它攔水壩在行洪和泥沙方面都有缺點(diǎn),不利于后期運(yùn)營管理,相對來說,溢流混凝土壩比較適用。1#、2#溢流堰堰型尺寸相同,設(shè)計(jì)溢流堰高均為1.0m、堰頂寬1.0m;3#溢流堰設(shè)計(jì)堰高為2.5m、堰頂寬1.0m,溢流堰下游設(shè)三級跌水。溢流堰均采用C25鋼筋混凝土修筑,1#、2#溢流堰回水長度約250m形成水深1.0～0.5m;3#溢流堰回水長度約625m,形成水深2.5～0.5m。該水深即可滿足濕地區(qū)水生植物生長的需要,又能形成一定的水面景觀效果,為黃土高原區(qū)類似工程建設(shè)提供了借鑒。