志丹縣保娃溝門取水樞紐選型探討

王愛(ài)忠，趙小建，鄭云云

（1.志丹縣水務(wù)投資建設(shè)有限公司，陜西 志丹 717500；2.志丹縣水政水資源管理辦公室，陜西 志丹 717500；3.陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018）

志丹縣位于呼包鄂榆國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)、關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)和陜甘寧革命老區(qū)三個(gè)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)的交匯之地，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有特殊地位，是國(guó)家重要能源基地之一。保安鎮(zhèn)是志丹縣縣政府所在地，也是該縣新能源、新技術(shù)和新材料等新興產(chǎn)業(yè)的集中區(qū)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展迫切需要配套的水資源支撐。目前志丹縣城主要供水水源為地下水，水源單一，總量不足，缺水已成為縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要制約問(wèn)題。

為保障和支撐志丹縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、改善區(qū)域水環(huán)境、實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，周河一級(jí)支流保娃溝年徑流量在100萬(wàn)m3以上，水質(zhì)較好，可作為志丹縣城供水水源。

1 流域概況

保娃溝屬周河左岸一級(jí)支流，發(fā)源于志丹縣順寧鎮(zhèn)任坪村劉老灣組三樹梁南麓，自北流向南，沿途流經(jīng)杏樹塌、紅花臺(tái)、后臺(tái)、李家莊等村，于順寧鎮(zhèn)保娃溝門村匯入周河。流域面積41.3 km2，河道長(zhǎng)12.5 km，河道平均比降16.9‰。

保娃溝流域地形北高南低，由北向南傾斜。高程在1300 m～1600 m，上游分水嶺最高點(diǎn)三樹梁海拔1705 m，下游入周河河口處海拔1277.8 m。地貌以黃土梁狀丘陵溝壑區(qū)為主，溝壑發(fā)育，地形破碎。植被較差，侵蝕強(qiáng)烈，河溝深切，水土流失嚴(yán)重。梁地間的沖溝、切溝下切強(qiáng)烈，是典型的多泥沙河流。

2 工程建設(shè)條件

2.1 水文條件

保娃溝無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，故采用水文比擬法計(jì)算其多年平均年徑流量和不同頻率年徑流量，參證站采用志丹水文站，志丹站有1965年～2016年52年徑流系列。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可知，保娃溝門取水樞紐處多年平均徑流量為108.1萬(wàn)m3。

設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法計(jì)算，20年一遇校核洪水洪峰流量438 m3/s，洪量120萬(wàn)m3；10年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量341 m3/s，洪量 79.6 萬(wàn) m3。

泥沙以志丹水文站作為參證站按水文比擬法計(jì)算，多年平均懸移質(zhì)輸沙量30.0萬(wàn)t，推移質(zhì)按推懸比0.05計(jì)算，其值為1.50萬(wàn)t，總輸沙總量為31.5萬(wàn)t。

2.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)地處陜甘寧臺(tái)拗（I1）陜北臺(tái)凹（I11）中部，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s；相應(yīng)的地震基本烈度Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。

工程區(qū)河谷呈“V”字型，蓄水位高程以下兩壩肩巖石裸露，河床漫灘覆蓋層以砂礫石為主，厚5.0 m～7.0 m。

庫(kù)區(qū)地形封閉，庫(kù)盆主要由白堊系華池組（K1L）塊狀長(zhǎng)石砂巖夾薄層泥巖和Q2黃土狀土構(gòu)成，河谷兩岸分水嶺地下水位高程高于水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位高程，地下水補(bǔ)給庫(kù)水，水庫(kù)永久滲漏不存在；庫(kù)岸巖石邊坡基本穩(wěn)定，土質(zhì)邊坡存在塌岸問(wèn)題，預(yù)測(cè)塌岸量小于2.0萬(wàn)m3，不存在淹沒(méi)問(wèn)題，浸沒(méi)面積小。不具備產(chǎn)生誘發(fā)地震的基本條件。

工程區(qū)環(huán)境水（河水和地下水）對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，河水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

2.3 供水對(duì)象及規(guī)模

保娃溝門取水樞紐工程主要解決志丹縣保安鎮(zhèn)給城鎮(zhèn)生活及工業(yè)生產(chǎn)供水，現(xiàn)狀年為2015年，設(shè)計(jì)水平年為2030年，供水保證率為90%?，F(xiàn)狀年需水量351.4萬(wàn)m3，缺水量59.4萬(wàn)m3，缺水率16.9%；設(shè)計(jì)水平年需水量655.3萬(wàn)m3，缺水量185.8萬(wàn)m3，缺水率28.4%。

在滿足壩址下游河道生態(tài)基流情況下，按“以供定需”的調(diào)節(jié)計(jì)算原則，對(duì)不同典型年進(jìn)行逐日調(diào)節(jié)計(jì)算，確定水庫(kù)總庫(kù)容為8.19萬(wàn)m3，調(diào)蓄水池容積4萬(wàn)m3，多年平均供水量為36.96 萬(wàn) m3。

3 取水樞紐選型

取水樞紐比選采用傳統(tǒng)的“碾壓式均質(zhì)土壩”“閘壩+蓄水池”“液壓壩+蓄水池”三種方案。

3.1 碾壓式均質(zhì)土壩方案

該方案由大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水洞及輸水建筑物等四部分組成?？値?kù)容920萬(wàn)m3，死庫(kù)容693萬(wàn)m3（年淤積23.1萬(wàn)m3，按30年使用年限計(jì)算），興利庫(kù)容60萬(wàn)m3，滯洪庫(kù)容167萬(wàn)m3。多年平均供水量64萬(wàn)m3，工程屬于Ⅳ等?。?）型工程，相應(yīng)主要建筑物大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水洞及輸水建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇設(shè)計(jì)，500年一遇校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為564 m3/s和918 m3/s。

3.2 閘壩+蓄水池方案

該方案由閘壩、輸水管線及蓄水池三部分組成?？値?kù)容為8.19萬(wàn)m3，正常蓄水位1313.0 m，多年平均供水量36.96萬(wàn)m3。將攔河閘壩布置在主河槽，兩岸布設(shè)重力壩段，與現(xiàn)狀基巖銜接。攔河閘壩頂高程1317 m，壩高19 m，壩長(zhǎng)44.5 m，其中泄洪壩段長(zhǎng)24 m，泄洪壩段設(shè)3孔6 m×4.5 m泄洪孔，下游消能方式采用底流消能，消力池長(zhǎng)23 m，池深1.5 m，寬22 m。輸水管道進(jìn)口設(shè)置于閘墩內(nèi)側(cè)，管徑DN500鋼骨架PE管，下游接調(diào)蓄水池。蓄水池布置于保娃溝階地上，蓄水池最大蓄水量為4萬(wàn)m3。

3.3 液壓壩+蓄水池方案

該方案由液壓壩、輸水管線及蓄水池三部分組成?？値?kù)容為6.41萬(wàn)m3，正常蓄水位1313.0 m，多年平均供水量約36.96萬(wàn)m3。液壓壩布置在河道主河槽，壩頂高程1316.5 m，液壓壩長(zhǎng)27 m，堰型為WES堰，堰下游接15 m長(zhǎng)消力池，兩岸銜接段設(shè)重力壩段，壩頂高程1316.5 m。輸水管道進(jìn)口設(shè)置于重力壩內(nèi)側(cè)，管徑DN500鋼骨架PE管，下游接調(diào)蓄水池。蓄水池布置于保娃溝右側(cè)階地上，蓄水池為雙池并排布設(shè)，總蓄水量為4 萬(wàn) m3。

4 方案比選

三種方案除工程特性外，還應(yīng)以工程特點(diǎn)、施工難度、工程管理、投資等方面進(jìn)行不同深度的比較論證，深入研究和比較各方案的特點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 取水樞紐方案比選

通過(guò)以上比較分析，本次推薦采用適應(yīng)地形條件較好、施工難度偏低、投資造價(jià)適中、后期運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、工程經(jīng)濟(jì)效益較好的“閘壩+蓄水池”方案。

5 取水樞紐設(shè)計(jì)

推薦取水樞紐采用 “閘壩+蓄水池”方案，由擋水閘壩、輸水管線及蓄水池組成，采用閘壩取水方式，全長(zhǎng)44.5 m。

擋水壩段：壩型為混凝土重力壩，壩頂高程1317.0 m，最大壩高15 m，壩頂寬5 m，左岸壩段長(zhǎng)11.25 m，右岸壩段長(zhǎng)9.25 m，主體結(jié)構(gòu)采用C15混凝土，上游設(shè)50 cm厚C25鋼筋混凝土防滲面板，抗凍等級(jí)F200，防滲等級(jí)為W6。擋水壩典型橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1 擋水壩橫剖面圖

泄水閘壩：泄水閘壩段長(zhǎng)24 m，壩頂高程1317 m，泄水閘壩采用3孔6 m寬閘體設(shè)計(jì)，堰型為WES堰，堰下游接22 m長(zhǎng)消力池。閘底板高程為1309.0 m，校核洪水位時(shí)泄量396.6 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)泄量308.9 m3/s；消能方式采用底流消能，消力池底板頂高程1305.0 m，池長(zhǎng)22 m，池寬22 m，池深1.5 m。

輸水管線：輸水管線總長(zhǎng)1935 m，管道采用鋼骨架PE管，管徑DN500。設(shè)計(jì)管道流量0.25 m3/s，沿線設(shè)置計(jì)量檢修閥井2座，排氣閥井4座，泄水閥井5座，檢修閥井6座。

蓄水池：蓄水池布置于保娃溝階地上，蓄水池采用雙池并排布設(shè)，單個(gè)水池最大蓄水量為2萬(wàn)m3，總蓄水量為4萬(wàn)m3，池頂高程1303.4 m，上游1#蓄水池池底高程1298.0 m～1297.7 m，池深5.4 m～5.7 m，下游2#蓄水池池底高程1297.1 m～1296.8 m，池深6.3 m～6.6 m，最高蓄水位1302.5 m。兩個(gè)蓄水池分別設(shè)計(jì)進(jìn)水管、出水管、排泥管及排泥井等建筑物。進(jìn)水管為DN500鋼骨架PE管，出水管為DN200鋼管。

6 結(jié)論

以我國(guó)黃土高原山區(qū)志丹縣保娃溝門取水樞紐為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)工程建設(shè)條件分析，選用“碾壓式均質(zhì)土壩”“閘壩+蓄水池”“液壓壩+蓄水池”三種取水樞紐方案進(jìn)行比選，最終推薦“閘壩+蓄水池”方案，并對(duì)該方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，該方案適應(yīng)地形條件較好、施工難度偏低、投資造價(jià)適中、后期運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、工程經(jīng)濟(jì)效益較好，可對(duì)我國(guó)黃土高原山區(qū)河道修建取水樞紐提供借鑒。