梨园河引水枢纽除险加固设计方案选择

杨金华

(甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃 张掖 734000)

1 工程概况

梨园河为黑河最大的支流，年径流量2.36亿m3。临泽县梨园河引水枢纽位于甘肃省张掖市临泽县倪家营镇政府以南3km的梨园河出山口处。工程始建于1953年，布置型式为古老的印度式有坝引水枢纽工程，设计灌溉面积32.14万亩，实际灌溉面积30.66万亩，担负着临泽县新华镇、倪家营镇、小屯乡、沙河镇及临泽农场、临泽牛场和张掖市甘州区的甘浚镇等共计41个行政村、两个农牧场的灌溉任务，枢纽位置十分重要。梨园河引水枢纽工程主要建筑物包括溢流坝及其两侧的东、西干渠进水闸和冲沙闸。

溢流坝：溢流坝位于东西干渠冲沙闸之间，为浆砌石砌筑，坝长30m，高3.5m，为WES曲线型实用堰，设计防洪标准为20年一遇。

进水闸：东干渠进水闸位于溢流坝右侧，共3孔，孔口尺寸2.25m×1.2m。

西干渠进水闸位于溢流坝左侧，共设4孔，孔口尺寸2.25m×1.2m。进水闸安装平板钢闸门及螺杆式启闭机。

冲沙闸：冲沙闸两岸分设3孔，东干渠1孔，西干渠2孔。

梨园河引水枢纽2008年列入《全国大中型病险水闸除险加固专项规划》，2009年5月鉴定为三类闸，2012年1月甘肃省水利厅组织技术审查，2012年4月省发改委批复，2013年开工建设，2016年通过完工验收，目前枢纽运行正常。

2 除险加固工程任务和规模

2.1 工程存在主要问题

引水枢纽原设计防洪标准偏低，又已超过设计使用年限，老化破损严重，工程存在的主要问题是：

(1)原设计防洪标准偏低，达不到SL252- 2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定规范要求。

(2)溢流坝于1999年7月12日全部被洪水冲毁，2000年对溢流坝进行了应急加固，为砂砾石填腹浆砌石护面结构，设计标准偏低。复核计算，溢流坝及泄冲闸抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。该工程地处8度地震区，坝体不满足DL5073- 2000《水工建筑抗震设计规范》的规定。

(3)引水枢纽进水闸防沙效果差，冲沙闸后消能防冲不符合SL265- 2016《水闸设计规范》规定。

(4)闸门锈蚀变形，启闭机失灵；水闸无观测设施，无防汛抢险道路，已有供电线路线偏小，现有管理房屋破旧，管理设施不能满足工程管理需要。

2.2 工程任务和规模

引水枢纽除险加固工程的主要任务是将原枢纽不满足现行防洪标准及抗滑稳定要求的冲沙闸和溢流坝拆除重建，对老化失修、破损严重的西干渠进水闸除险加固，东干渠进水闸拆除重建，改建为双侧引水的闸坝结合式水闸枢纽。改建后的水闸枢纽要满足灌区农田的引水灌溉要求，并能有效地解决推移质冲排问题。

3 引水枢纽布置方案

梨园河泥沙含量大，属多泥沙河流，两岸均有引水任务，在多泥沙河流上设计左右岸双向引水枢纽工程布置难度较大，原有枢纽布置就存在两岸引水冲沙不利，分水不准确等诸多弊端；因此本次除险加固设计的难点如何科学合理布置枢纽形式，较好地解决引水和排沙及两岸分水矛盾，使枢纽引水、冲沙、分水、方便管理等多个目标全部实现。为此，根据梨园河枢纽的地形条件，设计提出4种方案进行比较。

3.1 闸坝结合方案1

该方案布置形式同现状，采用印度式有坝引水枢纽布置形式，两侧引水，枢纽建筑物由东西干渠进水闸、泄冲闸、溢流坝、及上下游护岸组成。

泄冲闸与溢流坝呈“一”字形垂直河道布置，东干渠泄冲闸布置在溢流坝右侧，西干渠泄冲闸布置在溢流坝左侧，泄冲闸为开敞式水闸，东干渠1孔，西干渠2孔。泄冲闸底板高程1666.9m，与原河床基本同高，闸前设20m长钢筋混凝土防渗铺盖、导流墙及沉砂槽，闸后设护坦消能及混凝土四面体防冲。

溢流坝设在东、西干渠泄冲闸之间，为克-奥曲线型实用堰，坝长22m，坝高5.15m，坝前设钢筋混凝土防渗铺盖，坝后设消能护坦及混凝土四面体防冲。

西干渠进水闸位于枢纽左侧，把原进水闸采用“金包银”型式除险加固。改建后进水闸2孔，闸孔尺寸4.0m×4.0m(宽×高)，闸底板比泄冲闸底板高1.6m。东干渠进水闸位于枢纽右侧，拆除重建。重建后的进水闸为开敞式水闸，1孔，闸孔尺寸3.0m×4.0m(宽×高)，闸底板比泄冲闸底板高1.6m。具体布置形式如图1所示。

图1 闸坝结合方案1平面图

3.2 拦河闸方案2

该方案布置仍维持两侧引水方式，枢纽建筑物由泄冲闸、进水闸及上下游护岸组成。

垂直河道布置5孔泄冲闸，两侧布置东西干渠进水闸，泄冲闸5孔，孔口尺寸5.0m×5.6m，闸底板高程1666.9m，与原河床基本同高，闸前设20m长钢筋混凝土防渗铺盖、导流墙及沉砂槽，闸后设分水导墙及护坦消能防冲。

东、西干渠进水闸分别位于枢纽左右两侧，把原进水闸采用“金包银”型式除险加固，改建后西干渠进水闸2孔，东干渠进水闸1孔，闸底板比泄冲闸底板高1.6m，闸孔尺寸4.0×4.0m(宽×高)。具体布置形式如图2所示。

图2 拦河闸方案2平面图

3.3 闸坝结合方案3

该方案布置采用一侧引水方式，枢纽主要建筑物从左至右依次由3孔进水闸、3孔泄冲闸、溢流坝及倒虹吸等组成。

3孔进水闸布置在枢纽左岸原西干渠进水闸处，重建后的进水闸底板比泄冲闸底板高1.6m，左侧2孔孔口尺寸3.5m×4.0m，直引水入西干渠，右侧1孔孔口尺寸3.0m×4.0m，出口设沉沙池，接河底倒虹吸把水送入右岸东干渠。

泄洪冲砂闸布置于进水闸右侧，为开敞式水闸，共设3孔，孔口尺寸6.0m×5.6m，底板高程1666.9m，闸前设20m长钢筋混凝土防渗铺盖、导流墙及沉砂槽，闸后设分水导墙及护坦消能防冲。

溢流坝设在河道右侧，为克-奥曲线型实用堰，坝长22m，坝高5.15m，坝前设有20m长钢筋混凝土防渗铺盖，坝后设护坦消能及混凝土四面体防冲。具体布置形式如图3所示。

图3 闸坝结合方案3平面图

3.4 闸坝结合方案4

该方案将原枢纽不满足现行防洪标准及稳定要求的泄冲闸、溢流坝拆除重建，对老化失修、破损严重的西干渠进水闸除险加固，东干渠进水闸拆除重建。该方案采用两侧引水方式，西干渠进水闸布置在原位置，东干渠进水闸布置在泄洪冲沙闸与溢流坝之间，东干渠进水闸引入的水量巧妙地通过实用堰的廊道进入东干渠。枢纽主要建筑物从左至右依次由西干渠进水闸、泄洪冲砂闸、东干渠进水闸、溢流坝及上下游护岸组成。

西干渠进水闸位于枢纽左侧，将原进水闸采用“金包银”型式除险加固，改建后进水闸2孔，闸底板比泄冲闸底板高1.6m，闸孔尺寸4.0m×4.0m(宽×高)。

泄洪冲沙闸垂直河道布置在东、西干渠进水闸之间，为开敞式水闸，3孔，孔口尺寸6.0m×5.6m，泄冲闸底板高程1666.90m，与原河床基本同高，闸前设20m长钢筋混凝土防渗铺盖、导流墙及沉砂槽，闸后设护坦消能及混凝土四面体防冲。

东干渠进水闸布置在泄冲闸与溢流坝之间，为开敞式水闸，1孔，闸孔尺寸3.0m×4.0m(宽×高)，闸底板比泄冲闸底板高1.6m。

溢流坝布置在河道右侧，采用梯形实用堰，坝长22m，坝高5.15m，坝内布置输水廊道，将东干渠进水闸引进的灌溉流量通过廊道引入东干渠。溢流坝前设20m长钢筋混凝土防渗铺盖，坝后设护坦消能及混凝土四面体防冲。具体布置形式如图4所示。

图4 闸坝结合方案4平面图

4 设计方案比选

设计提出的前3种方案在以往工程中常见，第4种方案具有创造性。闸坝结合方案1为印度式有坝引水枢纽，优点是泄冲闸闸门开启频率相对较低，管理较方便；溢流坝施工简单，金属结构较少，在4种方案中投资最省。闸坝结合方案1的缺点是两侧引水不利排沙，泥沙在溢流坝前河道上游形成淤积三角洲，枯水期东、西干渠引水比较不易，应根据需要灵活调整；汛期东、西干渠泄冲闸需轮流开启排沙，运行管理方便程度不如闸坝结合方案3和闸坝结合方案4。

拦河闸方案2的优点是利用拦河闸开启泄洪排沙，可以有效地控制河道主槽；汛期能够保持一个相对稳定的闸前调节库容和沉沙冲沙库容，便于两岸引水。拦河闸方案2缺点是中间三孔泄洪闸只有在汛期大洪水时才有开启泄洪，宜造成闸前淤积，闸门开启困难；泄冲闸闸门开启频繁，管理要求较高，洪水来临时若不能及时开启泄洪，宜造成运行事故；枢纽施工复杂，土建工程工程量较大，金属结构较多，投资在4个方案中最大。

闸坝结合方案3的优点是采用单侧进水，泄冲闸布置在主河槽一侧，宜于形成稳定的沉沙、排沙河槽，引水冲沙效果较好；泄冲闸闸门开启频率低，管理方便；溢流坝施工简单，金属结构较少。缺点是东、西干渠高程相差小，闸后输水的倒虹吸管存在被泥砂淤积的隐患。该方案投资少于拦河闸方案2，大于闸坝结合方案1和闸坝结合方案4。

闸坝结合方案4的优点是泄冲闸布置在主河槽一侧集中排沙，溢流坝前於平后宜于在泄冲闸前形成稳定的沉沙、排沙河槽，引水冲沙效果较好；闸门开启频率低，管理方便；溢流坝施工简单且廊道可作为输水通道，金属结构较少。闸坝结合方案四的缺点是投资大于闸坝结合方案1，但投资少于拦河闸方案2和闸坝结合方案3。

综上所述，4种方案从引水冲沙效果看，闸坝结合方案4最好，拦河闸方案1相对较好，闸坝结合方案3倒虹吸管存在被泥砂淤积的隐患，闸坝结合方案1引水冲沙效果最差。从运行管理上看，拦河闸方案泄冲闸闸门开启频繁，管理要求较高，洪水来临时若不能及时开启泄洪，宜造成运行事故，闸坝结合各方案管理均较方便。从工程投资看，各方案工程投资从高到低依次为拦河闸方案2、闸坝结合方案3、闸坝结合方案4、闸坝结合方案1。综合考虑各方面因素，闸坝结合方案4优势明显，为设计推荐方案。

5 结语

在西北内陆河多泥沙河流上，引水枢纽工程的布置需要兼顾引水、冲沙、防洪、运行管理方便等多种因素，梨园河引水枢纽在除险加固设计时，充分考虑河流特征，根据地形特征，巧妙利用梯形实用堰内部的空间作为跨河输水通道，将原来的两侧引水冲沙变为单侧集中引水冲沙，既避免了两侧引水不均匀和保证率低的问题，又节约投资和方便管理，布置形式科学合理。自2015年建成投入使用以来，引水保证率高，冲沙效果好，分水准确科学，发挥了较好的作用。2018年，该项目荣获甘肃省建设厅优秀设计三等奖，为本年度全省唯一一个获奖的水利设计项目。