某引水樞紐除險(xiǎn)加固工程引水樞紐型式比選

古志軍

(深圳市廣匯源水利建筑工程有限公司，廣東 深圳 518020)

1 研究背景

某引水樞紐工程位于深圳茅洲河中游河段出山口，該工程是所在流域的骨干性水利工程，在1959年建成后次年竣工投運(yùn)，屬于一座主要發(fā)揮灌溉功能的費(fèi)爾干式引水樞紐，該引水樞紐工程通過(guò)正面方式引水，側(cè)面方式?jīng)_砂。該樞紐工程主要包括進(jìn)水閘、泄洪沖砂閘、泄洪閘、自潰壩、上游整治段等部分。運(yùn)行至今，該樞紐工程進(jìn)水閘、沖砂閘、泄洪閘址等工程部位已經(jīng)嚴(yán)重老化，不再具備工程設(shè)計(jì)階段防洪能力，安全隱患日益凸顯雖然工程管理部門分別于1988年、2001年進(jìn)行了該引水樞紐工程的兩次加高加固處理。但是，加高后的該引水樞紐在運(yùn)行過(guò)程中逐漸暴露出以下問(wèn)題：

1)該引水樞紐工程的進(jìn)水閘和泄洪沖砂閘是泄洪攔蓄的主要建筑物，且其持續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，建筑物混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的老化現(xiàn)象趨勢(shì)，與此同時(shí)，流域內(nèi)所存在的推移質(zhì)不斷沖刷、撞擊進(jìn)水閘和沖砂閘的外壁與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，久而久之，閘室周圍混凝土表層大面積剝落，底板等部位大范圍鋼筋外露，泄洪沖砂閘大多數(shù)孔底板鑄鐵塊被磨穿，閘墩底部甚至出現(xiàn)多條貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，既有病害已經(jīng)嚴(yán)重威脅到引水樞紐安全運(yùn)行。閘門閘室出現(xiàn)嚴(yán)重且難以修補(bǔ)的整體性變形重，止水件也與相應(yīng)埋件滑脫，出現(xiàn)十分嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，啟閉力的增加使既有樞紐結(jié)構(gòu)很難達(dá)到正常運(yùn)行水平。

2)引水樞紐由于引水比較高，很難正常發(fā)揮其人工彎道的作用，泄洪沖砂閘無(wú)法發(fā)揮設(shè)計(jì)要求的排砂作用，導(dǎo)致該樞紐工程所在茅洲河河道以及閘前后存在十分嚴(yán)重的淤積現(xiàn)象，如此嚴(yán)重的淤積嚴(yán)重影響到引水樞紐既有建筑物的過(guò)流不足和正常的防洪能力?？梢哉f(shuō)引水樞紐工程在設(shè)計(jì)時(shí)的作用已經(jīng)消失殆盡，既未發(fā)揮泄洪排沙作用，反而其結(jié)構(gòu)物還阻礙到河道泥沙正常運(yùn)行。

3)來(lái)水量不均勻，河道洪水較為集中在雨季，而且常規(guī)性的灌溉季節(jié)河道引水比較高，枯水期的茅洲河河道來(lái)水容易導(dǎo)致上下游淤積不斷加劇等隱患，已經(jīng)對(duì)整個(gè)工程的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，此外，根據(jù)對(duì)費(fèi)爾干式引水建筑物布置形式的分析不難看出，其在較高引水比下很難有效解決泥沙淤積的問(wèn)題[1]。綜上，應(yīng)將該引水樞紐拆除重建。

2 引水樞紐型式

2.1 引水樞紐直線式方案

針對(duì)這一設(shè)計(jì)方案，茅洲河中游河段出山口的引水樞紐主要由其攔河閘、進(jìn)水沖砂閘、直線式沉砂沖砂槽外加茅洲河上下游河道整治段等結(jié)構(gòu)物構(gòu)成。且該方案主要將泄洪閘設(shè)置在河床右側(cè)，以便于其閘軸線能夠與河道來(lái)水正交，泄洪閘閘室單孔的設(shè)計(jì)寬度為6.5m，閘底板設(shè)計(jì)高程810.550m。將直線式沉砂沖砂槽布置于泄洪閘左側(cè)，并按長(zhǎng)×寬為70m×8.6m的窄深式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2孔沖砂閘設(shè)置在沉砂槽末端的前方正向位置3孔進(jìn)水閘設(shè)置于沖砂閘側(cè)向的左河岸階地上，其單孔凈寬和閘底板高程值與2孔沖砂閘設(shè)計(jì)值相同，并和沖砂閘構(gòu)成30°角度，由于進(jìn)水閘底板和沖砂閘底板之間存在較大的高差，在較小水量的情況下，會(huì)在沉砂沖砂槽內(nèi)形成較大的淤積容量。在進(jìn)水閘前部和沉砂沖砂槽的結(jié)合處增設(shè)置高程順次減小的菱形回砂角，大部分泥砂都將順著回砂角再流回沉砂槽，增強(qiáng)回砂效果。泄洪閘右側(cè)與上游導(dǎo)流堤相連，泄洪閘右側(cè)導(dǎo)洪堤上游60m處設(shè)置自潰壩，壩長(zhǎng)60m。

2.2 引水樞紐彎道式方案

該型式主要借助了離心力對(duì)彎道水流的影響作用，表層水在離心力的作用下不斷流回凹岸，導(dǎo)致其水面持續(xù)壅高，而凸岸的水面持續(xù)降低。大流速的主導(dǎo)性水流自下而上增大其對(duì)凹岸和河底的沖刷與沖蝕，主導(dǎo)性水流在凸岸自下而上運(yùn)行，由于水流具有的底速小，在重力作用下，水流必將攜帶大量泥砂導(dǎo)致凸岸發(fā)生較為嚴(yán)重的淤積。

2.3 引水樞紐內(nèi)外庫(kù)方案

此方案下，在原閘址上游235m處布置泄洪沖砂閘、內(nèi)庫(kù)引水閘。在主體河床右岸設(shè)置3孔開(kāi)敞式平底泄洪沖砂閘，并使河床左側(cè)和閘下壩連接，河床右側(cè)與流域護(hù)岸連接，閘孔凈寬均按6.5m尺寸設(shè)計(jì)。內(nèi)庫(kù)引水閘閘井為單孔，孔口尺寸4×4m。內(nèi)庫(kù)進(jìn)水閘凈寬30m，采用開(kāi)敞式平底閘，閘孔凈寬10m，共三孔。

內(nèi)外庫(kù)引水樞紐方案下由于河道泥沙中的推移質(zhì)主要在外庫(kù)淤積，并主要通過(guò)間歇洪水實(shí)現(xiàn)攜帶泥沙至河道下游，所以在此引水樞紐型式下存在淤積庫(kù)容。為實(shí)現(xiàn)外庫(kù)渾水與內(nèi)庫(kù)清水的徹底劃分，本方案主要布置一道擋墻在內(nèi)外庫(kù)之間。如果內(nèi)庫(kù)需水量難以達(dá)設(shè)計(jì)要求，此方案下內(nèi)外庫(kù)庫(kù)容分別是47.8萬(wàn)m3、31.2萬(wàn)m3。

3 引水樞紐型式比選

某引水樞紐除險(xiǎn)加固工程引水樞紐型式方案綜合比選見(jiàn)表1。

表1 引水樞紐型式比選表

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，引水樞紐彎道式方案按照較小的轉(zhuǎn)彎半徑取值進(jìn)行彎道內(nèi)環(huán)流形態(tài)的模擬分析。某引水樞紐除險(xiǎn)加固工程區(qū)左右岸山體高且陡，在山體的切割下河道形成天然彎道，但是彎曲度尚無(wú)法達(dá)到彎道式方案的設(shè)計(jì)水平。

引水樞紐直線式布置主要利用正向?qū)崿F(xiàn)泄洪沖砂，布置型式較為簡(jiǎn)單，具有管理上的便捷優(yōu)勢(shì)。提高束窄式沉砂沖砂槽的利用效率后能通過(guò)洪水的沖刷作用將泥砂順利帶向下游，考慮到某來(lái)水不均、引水比較高的實(shí)際情況，最好實(shí)行間歇式?jīng)_砂，甚至在改方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須充分考慮到可能面臨的無(wú)水沖砂的窘境[2]。

對(duì)于內(nèi)外庫(kù)引水樞紐方案，寬度50m的泄洪沖砂槽建筑物決定著外庫(kù)庫(kù)容的大小，通過(guò)泄洪沖砂槽實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積推移質(zhì)的攔截，此后經(jīng)由泄洪沖沙閘將沉積推移質(zhì)排至下游。而懸移質(zhì)泥沙的沉積主要通過(guò)內(nèi)庫(kù)完成，通過(guò)內(nèi)庫(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)的短時(shí)間調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)蓄，并將沖砂和引水徹底分開(kāi)，并杜絕無(wú)水沖砂情況。綜上所述，該方案能確保流域供水質(zhì)量，并適當(dāng)增強(qiáng)引水樞紐出現(xiàn)加固工程所具有的調(diào)蓄能力，通過(guò)降低泥砂淤積速度有效保證集中沖砂的實(shí)現(xiàn)，為此，推薦采用內(nèi)外庫(kù)引水樞紐方案。

4 結(jié) 論

根據(jù)某流域特殊的地形地質(zhì)條件和引水樞紐除險(xiǎn)加固工程實(shí)際情況，提出直線式引水樞紐、彎道式引水樞紐和內(nèi)外庫(kù)引水樞紐三種型式，并進(jìn)行了三種方案型式的比較，最終確定采用內(nèi)外庫(kù)引水樞紐布置方案。根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告，工程改建后能有效解決某引水樞紐由于引水比較高，人工彎道不適用，嚴(yán)重的淤積影響和降低建筑物過(guò)流能力和行洪能力等方面的問(wèn)題。