基于黃土高原攔水壩建設探析

楊旭瑜

(府谷縣應急救援保障中心,陜西 榆林 719000)

黃土高原區河流洪水季節性強,水量較少,泥沙較大,建設攔水壩及易淤積和影響行洪,現以府谷縣清水川溢流堰為例,對黃土高原河流攔水壩建設類型進行分析。

1 概 況

清水川屬黃河右岸一級支流,在府谷縣哈鎮進入陜西省境內,由西北向東南流經清水鄉、清水工業園區于沙堯則匯入黃河,省內河長47km,流域面積為566.8km2,河道比降4.96‰[1]。清水川屬季節性河流,雨季暴漲,旱季斷流。河川徑流年內、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氣候,區域多年平均降水量 453.5mm,降水量年內、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[2]。清水川位于黃河中游局部暴雨中心,為典型降水補給型河流,洪枯水流量懸殊較大,主要由流域超滲產流暴雨形成,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。

2.2 泥沙特性分析

清水川流經黃土高塬溝壑區,暴雨期,水流量大,河床擺動大,岸坡沖刷嚴重,沿線建設用地和耕地被洪水淘刷侵蝕,水土流失嚴重。根據清水水文站實測資料分析,實測最大洪峰流量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,改善區域氣候環境,涵養水源、改善區域水環境,規劃在清水川電廠段設計修筑 3 座低水頭攔水壩。為了建設適宜當地水沙條件的溢流堰,現就橡膠壩、氣盾壩、液壓壩、溢流混凝土壩四種方案進行比選。

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;運行管理困難,汛期塌壩調度與蓄水難以協調,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、基礎錨固螺栓、氣動充排系統組成,兼具了鋼壩閘、橡膠壩的優點,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,閘板防沖刷性能好。缺點:單跨壩體需同時啟閉,氣囊充氣時間較長,調度運行不夠靈活。冬季運行需破冰,造價高。典型設計見圖2。

圖2 氣動盾形閘示意圖

3.3 液壓壩

液壓撐桿壩是將“三鉸點變幅運動機構原理”與傳統水閘的優化結合,針對各種水利、地質條件下研發的新閘型。液壓撐桿壩的材料采用的是低碳合金鋼板,受力條件好,堅固穩定;在無電、 無動力源的情況下,可自動降壩操作;安全可控度高,可根據閘頂過流水深大小及水流對壩面沖擊成都,通過液壓系統實現閘板降落;實現任意高度擋水,閘面可在任意設定角度范圍內停留支撐。缺點是液壓啟閉機會浸泡于水中,工作環境差,難于檢修維護;不便設置檢修閘門,如遇檢修或維護時則須設置上下圍堰、抽水排水設施。設計見圖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,還可在壩身中部設泄水孔(中孔)以便洪水來臨前快速預泄,或在壩身底部設泄水孔(底孔)用以降低水位或進行沖砂。溢流混凝土壩的主要優點是:可以通過壩身泄水或蓄水,省去專設的泄水和取水建筑物;施工導流和施工度汛比較容易;樞紐布置較緊湊,便于運用和管理;當遇偶然事故時,即使非溢流壩頂漫流,也不一定失事,安全性較好。其主要缺點是:對地基要求較高,混凝土壩通常建在地質條件較好的巖基上;混凝土壩施工中需要溫控設施,甚至在炎熱氣候情況下不能澆筑混凝土;利用當地材料較少。

4 種壩型方案比選

4種攔水壩優缺點比較表,見表1。

表1 4種攔水壩優缺點比較表

通過投資、使用性能、運行管理等多方面比選,結合工程實際情況,溢流混凝土壩優點有耐久性好,投資低,無需運營維護管理,后期簡單方便,且本次是對新修河槽設置蓄水壩,河道斷面的過流流量為20.98～332.88m3/s,即當河道來水流量>20.98m3/s時,新修主河槽就會出現局部漫灘情況,當>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,利于水沙運行和清淤,因此推薦選用溢流混凝土壩實現壅水效果。

5 溢流堰結構設計

為了河道生態蓄水的需要,設計在本工程河段共設計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。各溢流堰的具體設計情況如下:

5.1 1#溢流堰

位于樁號Q0+153.50處,設計溢流堰高1m、堰頂寬1m,堰體軸線為直線型,堰長20m,堰體為實用堰,上游側邊坡1∶0.25,下游側邊坡1∶0.7,設計堰頂高程857.20m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結構,壩體縱向上每隔10m設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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梅花狀布設排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡土工布,并在孔底布設20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長9.0m,設計縱向比降4‰。海漫后設置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側邊坡1∶3,均采用拋石填充。

5.2 2#溢流堰

位于樁號Q0+355.00處,設計溢流堰高1m、堰頂寬1m,堰體軸線為直線型,堰長26m,堰體為實用堰,上游側邊坡1∶0.25,下游側邊坡1∶0.7,設計堰頂高程856.40m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結構,壩體縱上每隔9m設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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梅花狀布設排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡土工布,并在孔底布設20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長7.0m,設計縱向比降4‰。海漫后設置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側邊坡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,設計溢流堰高2.5m、堰頂寬1.0m,堰體軸線為直線型,堰長60m,堰體為矩形斷面結構,設計堰頂高程854.60m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土結構,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設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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設沉降縫一道,縫寬2cm,縫內填充聚氯乙烯泡沫板,并設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梅花狀布設排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹無紡土工布,并在孔底布設20cm厚中粗砂反濾層。消力池下游設1.0m厚格賓石籠防沖海漫,長7.0m,設計縱向比降4‰。海漫后設置5m長防沖槽,防沖槽深1m,底長2m,下游側邊坡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;。使水流均勻擴散,調整流速分布,保護下游河床不受沖刷。

6 結 語

清水川洪水季節性,且泥沙較大,經過分析探討,其它攔水壩在行洪和泥沙方面都有缺點,不利于后期運營管理,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,設計溢流堰高均為1.0m、堰頂寬1.0m;3#溢流堰設計堰高為2.5m、堰頂寬1.0m,溢流堰下游設三級跌水。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,為黃土高原區類似工程建設提供了借鑒。