河北省遵化水平口拦河坝坝型方案的优化比选

付明军

河北省遵化水平口拦河坝坝型方案的优化比选

付明军

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

遵化水平口拦河坝原为浆砌石溢流坝，因泥沙淤积和水源地保护工程建设的需要，需更新改造。根据防洪、灌溉取水、人工湿地建设等功能要求，拟建低水头拦河坝是合理的。其可选择的坝型有闸堰结合和全闸2种方案。在进行方案选取时综合考虑了地形地质条件、水流条件、枢纽布置、施工、运行管理和投资等多种因素，择优选取了全闸方案。

低水头拦河坝；闸堰结合方案；全闸方案；方案比选

1 工程概况

遵化市位于河北省东北部燕山南麓，属温带大陆性季风气候区，四季分明，水平口拦河坝位于流经遵化市的沙河主河道上，沙河发源于兴隆大青山东侧，经长城口山楂峪入遵化市，于大埝庄南纳北岭河，纪各庄南纳魏进河，集于水平口，沙河出水平口后，于蓟县苍山庄东与黎河汇合后入于桥水库。

水平口拦河坝为砌石溢流坝，坝长170m，坝高2.0m，沿坝轴线布设有3处冲沙闸，由于工程年久失修，拦河坝损毁严重，溢流堰表层混凝土破损，库区淤积严重，闸下消能设施已经毁坏，其拦河坝原有的兴利功能已经全部丧失。近年来，由于城乡污水的排放，加之农业面源污染，沙河水质不断下降，导致作为引滦入津水源地的于桥水库水质下降或恶化，依据《河北省重点地区中小流域近期治理建设规划》，按照水利部的统一要求和河北省水利厅的部署安排，通过重建水平口拦河坝，建设人工湿地，保护引滦入津水源地上游水质，改善和提高水环境承载力。

2 枢纽布置

沙河水平口河道水面宽，水位较低，年内径流量分配极不均匀，在没有调蓄库容的情况下，需采用坝或闸壅高水位形成人工湿地，对水体中超标的氨氮、总磷等污染物采取壅水等措施形成较大面积表流湿地，利用表流湿地和人工潜流湿地对富营养化水体进行处理，使作为天津水源地的沙河水体能满足地表水Ⅴ类水质的要求。经水文调节计算和多方案的比较，确定拦河坝为水头2.5m的低水头拦河坝。

2.1 拦河坝型式

原浆砌石溢流坝坝面高程比河底高程高2m，在坝端两侧和中间位置分别布置2孔一联的冲沙闸，共设置6孔。该溢流坝结构及施工较简单，汛期洪水水位较高，对上游河道稳定及村庄防洪不利，且容易出现浸没现象。

从技术、经济、防洪、管理运用等方面考虑，经综合分析比较后确定采用拦河闸较为适宜，但每年运转和维修费增加，拦河闸可在枯水期关闭或利用小开度壅水，供进水闸引水，洪水期可泄洪排沙，洪水水位不至过高，并在取水口前设沉沙槽，利用边孔闸定期冲沙，同时可以用闸墩兼做桥墩。闸桥合建节省造价。因此，拦河坝型式采用拦河闸。虽增加管理运用费用，但能使拦河坝枢纽发挥最大的效益。克服了原设计溢流坝淤积、壅高水位等缺点。

2.2 防沙冲沙型式

沙河多年平均含沙量0.78kg/m3，输沙量12.5万t，在低坝取水枢纽中，一般有“侧向引水，正向排沙”和“正向引水，侧向排沙”2种布置形式，沙河水平口的地形条件不能满足“正向引水，侧向排沙”的要求，采取“侧向引水，正向排沙”对枢纽中交通桥、机电设备等其他建筑物的布置不利，考虑引水灌溉一般在非汛期，河道径流量较小，相应输沙量也小，拦河坝建成后采取“蓄清排浑”的泥沙处置原则，在非汛期灌溉取水时，河道泥沙进入引水渠大大减少，即使有部分泥沙，也集聚在拦砂坎前，在下一次汛期随泄洪排出。

沙河水平口拦河坝为低水头拦河坝，坝高仅2.5m，没有泥沙淤积的库容，所以防沙冲沙是建坝必须考虑的问题。拦河闸方案在洪水期开启水闸，恢复原河道行洪断面，不改变原河床面貌，这样就不存在洪水期上游泥沙淤积的问题。如果采用溢流坝，因坝前水深较浅，很快被泥沙淤满，多余的泥沙将被带入灌区引水口，影响灌区取水。经初步估算泥沙淤积至堰顶高程需要4年时间，如果在溢流坝上设置冲沙闸，冲砂效果不理想，只能在坝前冲刷形成一个漏斗，来大洪水时形成一条大的带状泥沙，远离坝前的泥沙，因流速较小，冲不走泥沙。在冲沙效果上，拦河闸明显优越于溢流坝。

从防洪安全和防沙冲沙角度，拦河坝型式采用拦河闸是合理的，但拦河闸的型式不同，对管理运用的要求亦不同，

3 拦河闸型式比选

作为低水头拦河闸，可供选择的闸型有闸堰结合和全闸2种方案。闸堰结合方案采用实用堰和水闸并存型式，泄洪时堰顶无闸门控制，不易控制闸前水位和过流量，闸门数量较少，管理工作量小，但在运行过程中，堰前易形成积沙区，使排沙作用降低，需定期清除。全闸方案均为闸门控制，可统一调度，方便开启，可灵活控制闸前水位和过流量，闸门数量较多，管理工作量大，可以有效控制河道主槽，拦蓄洪水和调节性能更强一些。

经多方面论证，各方案均能在水流控制上满足设计要求，因此，在进行方案选取时应综合考虑多种因素，从地质条件、枢纽布置、后期运行管理和工程投资等方面进行优缺点的对比，具体分析如下。

(1)从地质条件看，全闸方案能够充分利用原有河道泄洪和冲沙装置布置，基本不会对河道的原有状态进行改变，水闸则主要建在第四系土层的上部，所具有的地质条件较好，对于闸堰结合方案，堰体基础对地基的要求高，如地基渗漏性大，需对堰体基础做适当处理。

(2)从枢纽布置上看，全闸方案工程布局较为紧凑，各闸孔的功能较为明确，在没有改变河道原有状态的情况下实现了泄洪冲沙、灵活调度用水等任务。对于闸堰结合方案，泄洪孔的数量有了大幅度的消减，减少了后期管理工作量，实现了使用和管理的方便性和简约性。但是该种方案极易在堰体底部产生环流，进而产生集中的积沙区。

(3)从工程运行条件看，全闸方案的闸门都是控制式闸门，较易实现调度的统一性，能够较为灵活地进行闸前水位和过流量的控制。但是由于闸门数量过多使得运行的安全性有所降低，实际管理过程中工作量较大，闸堰结合方案则是采用无闸控制，安全性高，闸门数量少，实际操作和管理过程中的工作量较小。但是闸堰结合方案不能够进行灵活的水位和过流量控制，极易在堰体前产生集中的积沙区，必须进行定期处理。

(4)从防洪安全条件看，闸堰结合方案较全闸方案上游产生较高壅水，要抬高洪水位，而全闸方案泄洪时开启闸孔运行，不存在防洪安全问题。从防洪安全角度出发考虑，全闸方案优越于闸堰结合方案。

(5)从工程投资方面看，闸堰结合方案减少了闸门等金属结构和机电设备投资费用，相比全闸方案的土建费用增加不多。经分析计算，闸堰结合方案的工程投资小于全闸方案。

综上所述，虽然闸堰方案的工程投资较小，管理工作量小，但存在堰前集沙等缺点，特别是沙河水平口河道坡度缓，洪峰流量较大，闸堰结合方案拦蓄洪水和调节洪水能力较差，如遇超标准洪水，导致上游库区淹没范围加大，洪水危害加重，全闸方案可以应对超标准洪水，灵活控制闸前水位和过流量，调节洪水性能更强。针对沙河水平口河道现状，鉴于工程设计要求布局合理、结构型式简单，经综合分析比较，选取全闸方案实现闸前水位和过流量的灵活控制，满足枢纽布置合理性要求。

4 结语

(1)水利枢纽工程设计需通过论证比较，从多布置方案中选出一项最优方案。最优方案应该是技术上先进、经济上合理、施工期短、运行可靠以及管理维修方便的方案。

(2)闸堰结合方案与全闸方案在不同的运用条件下，其经济技术合理性是不同的。由于遵化水平口拦河坝在满足湿地建设和灌区取水要求的情况下，突出的问题是壅高水位带来的浸没问题。全闸方案在汛期行洪时可全部开启闸门泄洪，有效降低拦河坝上游的洪水位，降低坝区存在的浸没风险。经过多方案的比较论证，选择全闸方案是合理的。

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1672-2469(2017)03-0003-02

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.002

2017-01-17

付明军(1970年—)，男，教授级高级工程师。