碱锅水库拦河坝的优化设计

苏建华 曹 群

（1.阜新蒙古族自治县水利局河道管理站 辽宁阜新 123100；2.阜新市水利勘测设计研究院 辽宁阜新 123000）

碱锅水库位于辽宁省阜新蒙古族自治县务欢池镇碱锅村，绕阳河上游务欢池河右岸 （东经121°54′18″，北纬42°17′31″），是一座具有农田灌溉、城市供水、水产养殖等综合效益的中型水库。

碱锅水库是引水式水库，水库本区集水面积3.7km2；引水枢纽工程以上集水面积127.0km2，务欢池河引水枢纽以上多年平均天然径流量为507.25×104m3，碱锅水库汇流区的多年平均径流量为14.58×104m3。碱锅水库除险加固后，正常高水位182.42m，相应库容1144.88×104m3；可灌溉农田0.4×104亩，年产商品鱼5.0×104kg。由于阜蒙县工业的发展，人口增加，城市供水紧张，计划每年从碱锅水库引水100×104m3。因此，为保证水库大坝、上游两岸及城市供水的安全和保证，满足水库正常运行的要求，除险加固工程，特别是在务欢池河上修建可靠的拦蓄工程是十分必要的。

在此，就碱锅水库拦河工程设计中的不同方案进行论述和分析，供同行借鉴。

1 工程概况

碱锅水库工程于1958年9月建成，工程由主坝、副坝、东、北两个输水洞及务欢池河上的拦河坝、取水口、引水渠组成。

拦河工程位于距离水库1700m的务欢池河的中段，长度约200m，地貌单元为河谷地貌与丘陵地貌，接触部位河谷开阔，丘陵地貌突陡。地表岩性以河流冲积——冲洪积地层为主，厚度约5m，底部为新太古代斜长角闪片麻岩，风化破碎严重，岩石埋深超过18m以后，裂隙减少，基本进入弱风化层位。

拦河工程历经1958年的均质土坝，1963年的堆石坝，1965年的铁丝笼滚水坝，并建双孔涵洞式冲沙闸一座，在1970年又改建为混凝土该护面土石滚水坝，并在拦河坝右端建一孔涵洞式冲砂闸。经过8年运行发挥了拦河抬高河水引水入库的作用，但由于浆砌石基础埋深仅为0.5m，坝下护坦标准不够，造成坝后洪水反淘，使坝体毁坏，1999年修建潜流工程，目前渗渠有70%已经冲毁，其余段淤积严重，已起不到集水作用，整个潜流工程现已报废。多年来碱锅水库拦河坝坝型、坝体结构虽经几次改变，但均未逃脱洪水冲毁的厄运。

2 拦河坝的优化设计

2.1 设计的原则

根据碱锅水库拦河坝建筑物功能要求，结合历次拦河坝建筑物毁坏因素，加固拦河坝设计需满足下列几个要求：

①拦河坝能够抬高河道水位以便将河道水流引入水库；

②拦河坝需能安全下泄务欢池河汛期洪水并保证建筑物安全；

③拦河坝需设置冲砂功能，以便清除进水口周围淤沙；

④保证汛期大量漂浮物顺利通过，并不影响建筑物安全。

2.2 设计方案对比分析与选择

务欢池河属于低山丘陵区多泥沙河流，暴雨比较集中，大多数年的暴雨发生在七、八月份，7－8月降水量占全年降水量的55%左右，暴雨持续时间较短，一般不到24h，洪水陡涨陡落，且多为单峰，河道多年平均年悬移质输沙量6.18万t。推移质按悬移质的15%计，多年平均年推移质为0.93万t。洪水中并夹带大量杂草、树木等漂浮物，对拦河建筑物的运用管理十分不利。

根据设计功能要求，加固设计考虑下列方案：

①钢筋混凝土滚水坝＋冲砂闸方案；

②平板闸方案；

③橡胶坝方案；

④翻板闸方案。

第②方案能够很好满足上述设计要求，但闸孔和闸墩数目庞大，相应启闭设备也较多，管理运行极为不便，同时闸墩阻水明显，投资最大。

第③方案能够满足下泄洪水和冲砂功能要求，但坝袋磨损和漂浮物刺破坝袋隐患较大，同时需配备相应管理设施和人员，投资较大，后期运行费用较高。

第④方案也能满足下泄洪水和冲砂功能要求，但泥沙和漂浮物可能影响翻板闸起翻和落闸，可能影响泄洪和有效拦截洪水。

而第①方案能够很好地解决上述问题，通过选择适当堰型加大滚水坝流量系数，调整滚水坝与冲砂闸两者之间的长度比例，使其满足泄洪和冲砂要求。淤沙和漂浮物对滚水坝和冲砂闸均无不利影响，同时滚水坝对地基要求较低。

2.3 拦河坝的设计

经技术、经济、施工条件的多方面比较，选定钢筋混凝土滚水坝＋冲砂闸方案为拦河坝加固工程推荐方案。拦河建筑物级别为3级，洪水标准为20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。

2.3.1 工程选线

参照 《水闸设计规范》的有关规定，站址应选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，应便于下游消能设施布置，使下泄水流平顺进入下游河道。结合下游河道现状及本次加固设计左岸连接段设计，坝轴线采用与左岸连接段轴线垂直，右岸与山体陡坎利用圆弧段相连。

2.3.2 拦河坝工程布置

拦河坝采用钢筋混凝土滚水坝＋冲砂闸方案，长度为142m，滚水坝采用b型驼峰堰，堰高2.00m， 宽 150.00m， 长 13.00m， 堰 顶 高 程187.00m，堰基高程185.00m。冲砂闸共设15孔，单孔尺寸：2.50m×3.00m （高×宽），闸底板高程及长度均与滚水坝相同，冲砂闸采用平板铸铁闸门，闸顶设置启闭排架及启闭设备。为控制冲砂闸水流，以便在冲砂及泄洪初期达到良好的消能效果，拦河坝与冲砂闸下游用导流墙隔开，导流墙墙顶高程187.50m，墙宽0.50m，墙上游与冲砂闸边墩相连。

为防止河水从坝下砾砂层大量流失，在滚水坝前齿进行垂直铺塑防渗，垂直铺塑底部伸入强风化岩下1.00m。

坝和闸室下游均设置钢筋混凝土结构消力池，消力池顺水流方向长10.00m，消力池底板高程184.50m，厚0.60m。海漫为铁丝石笼结构，顺水流方向长12.00m，海漫高程185.00m，厚0.40m。海漫下游设置8.00m长深1.00m的抛石防冲槽。

2.3.3 拦河坝坝顶高程确定

碱锅水库原始拦河坝 （均质土坝、铁丝笼滚水坝，混凝土护面土石滚水坝和一孔冲砂闸结合型式）均按正常蓄水位187.00m设计，引水闸设计按照2.00m水头设计引流。考虑引水闸工程部位布置受到局限，并且本次引水闸除险加固仍修建在原闸址，因此其引水水位仍需保障2.00m。通过水力计算，引水闸在水头2.00m时比较合适，勿需扩大闸址。

综上，拦河坝坝顶高程参照原始拦河坝拦蓄正常水位，仍保持187.00m不变。

2.3.4 两岸连接段设计

为拦蓄河水，使水流平顺进入滚水坝和冲砂闸，并对左右岸加以保护，在拦河坝两侧修建连接段防护段，作为滚水坝和冲砂闸与两岸的连接建筑物。设计标准则采用拦河坝标准50年一遇设计洪水设计，连接段顶高程采用50年一遇设计洪水位加超高确定。

3 结语

碱锅水库除险加固工程于2010年9月完工验收，通过一年的正常运行，有效地保证了最大程度引水量，同时拦河坝的安全性得到了有效的保证。

在工程设计中，只要在关键环节上给予充分重视，对不同方案进行充分的比较和论证，真正做到精心设计，精心施工，就一定能取得理想的结果。