金塔县平交道拦水闸除险加固设计方案选择

庹世华，杜锦智

(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

金塔县平交道拦水闸位于金塔县鸳鸯灌区西干渠1+200与讨赖河河道分水尖子以下2+240的交叉处(解放村水库下游约8km处、距离金塔县城西北3.5km)，是鸳鸯灌区西干渠上兼有泄洪、输水功能的交叉建筑物，该水闸始建于1976年，1981年水闸遭洪水毁坏，1982年重建，上游建成10孔泄洪闸，同时在下游建成30孔泄洪闸，闸后由综合性闸下护坦、消力池及海漫等建筑物组成，多年运行水闸闸体损坏严重，2003年对上游10孔泄洪闸进行了改建加固。该工程的主要功能是在非汛期讨赖河河道没有洪水时，关闭上、下游两侧闸门，保障西干渠正常输水，确保西干渠所属西坝、中东、古城三乡镇和潮湖、生地湾两个农林场站共27万亩农田的正常灌溉，在汛期泄洪期间打开上、下游两侧闸门，保证河道洪水安全下泄和上游城防河堤的安全，同时西干渠还要正常输水灌溉。该拦水闸原设计最大泄洪流量300m3/s，西干渠设计流量20m3/s，加大流量24.4m3/s，完全满足鸳鸯灌区西干渠灌区的灌溉需水要求，该拦水闸没有从讨赖河河道引水的功能和作用。该水闸为中型水闸，20年一遇设计洪水流量为135m3/s，50年一遇校核洪水流量为203m3/s。拦水闸处讨赖河河道宽度109m，如图1所示。

2 存在的主要问题

平交道拦水闸在始建和81年水毁后重建时，由于受资金和设计理念的限制，致使存在的问题较多，主要有以下几个方面：

(1)上游闸过洪不足，无法满足泄洪。平交道上游泄洪闸共10孔，孔口尺寸(宽×高)为3.0m×2.8m；下游泄洪闸共30孔，孔口尺寸(宽×高)为3.0m×2.8m。当遇大洪水时，即使把上游泄洪闸10孔闸门全部打开，最大过闸流量为100m3/s，远小于该闸设计洪水流量135m3/s和校核洪水流量203m3/s的要求，无法满足洪水的安全下泄，须将10孔闸左右的渠堤挖开，但在骤遇大洪水时，上游建筑物及渠堤均处洪水包围之中，工作面狭小，人力及机械无法及时有效地开挖，直接影响洪水安全下泄。同时泄洪期也正是灌溉高峰期，渠堤挖除后，将影响洪后灌溉用水。

(2)干扰渠道输水，影响农田灌溉。鸳鸯池水库、解放村水库洪水主要集中在每年的6—8月，此阶段也正是灌区农作物生育期灌溉的关键时期，即拦水闸既要下泄河道洪水，又要输送西干渠灌溉流量。在泄洪期间，为了保证洪水的足量下泄，当平交道下游闸门正常开启时，渠道水流受横穿下泄河道洪水的影响，大部水流进入河道，无法正常输送，严重影响作物灌溉；为了保证灌溉用水的正常输送，当开启孔数较少时，整个上游河道和平交道以上渠道水位严重超高，又对河道和渠道的安全运行造成极大影响。

(3)上游河床堵淤严重，危及城防安全。在泄洪时由于受渠道灌溉输水的顶抬作用，使进入的洪

图1 现状平面布置图

水不能贴渠底下泄，造成平交道上游河底抬高。根据实测，上游河底与平交道渠底相比，高差已达1.5m以上，且向上游河道延伸，造成上游河底逐年淤积增高，形成地上悬河，严重威胁到县城堤防的防洪安全。

(4)工程破损严重，无法安全泄洪。工程经过近30年的运行，闸墩混凝土冲蚀严重、闸底板磨蚀断裂；启闭机台承重柱全部断裂；闸墩从闸槽处几近全部断裂，现已不能满足安全运行要求，无法进行安全泄洪。

3 除险加固的主要任务

根据存在的主要问题，平交道拦水闸除险加固的主要任务是：①保证西干渠灌区27万亩农田的正常输水灌溉；②按国家标准《防洪标准》提高拦水闸工程的抗洪能力；③从根本上解决西干渠的正常输水灌溉和讨赖河河道泄洪的主要矛盾；④解决拦水闸上游河床泥沙淤积严重、泄泄不畅，进而危及县城安全的问题；⑤处理工程年久失修、老化破损、设施配套落后、影响正常运行的问题。

4 除险加固设计方案选择

平交道拦水闸目前存在的问题较多，经过翻阅当初设计和历次重建、加固各类资料，与管理单位座谈、讨论，并经本次除险加固详细的实地勘测，分析后认为，存在较多问题的主要原因有两个，一个是由于设计理念的限制而造成工程总体布置不合理，另一个是受到当初技术、经济条件的限制而使得建筑物建设标准偏低等，故虽经重建、加固，均未能从根本上解决问题。

在一般情况下，根据水工建筑物的总体布置原则，引水渠道跨过河道时，采用跨河渡槽或者倒虹吸者居多，该工程在当初设计和历次重建加固时均没有采用这种形式，而是采用了简单的拦水闸的布置形式，即当河道在非汛期不来洪水时，上、下游闸门关闭输水，起的是输水渡槽的作用，保障西干渠正常输水；当河道在汛期来洪水时，打开上、下游闸门泄洪，起的是河道内泄洪闸的作用，保证了河道洪水的安全下泄。这种布置形式的不合理，带来了两个较大的负面问题和长期危害，一个是灌溉输水与河道泄洪的矛盾无法解决，管理非常不便，致使在泄洪期间，为了保证洪水的足量下泄，当平交道下游泄洪闸门正常开启时，渠道水流受横穿下泄洪水的影响，无法正常输送，严重影响作物灌溉，为了保证灌溉用水的正常输送，当开启孔数较少时，整个上游河道和平交道以上渠道水位严重超高，又对河道和渠道的安全运行造成极大影响；另一个是没有充分考虑上游河道泥沙的排放问题，致使造成平交道上游河底抬高，且向上游河道延伸，造成上游县城河段河底逐年淤积增高，形成地上悬河，严重威胁到县城堤防的行洪安全。

本次除险加固除了考虑拦水闸泄洪能力不足、闸墩闸底板及上部结构老化失修和破损严重、闸门锈蚀严重及启闭设施无法正常启闭等问题的同时，重点对以上由于工程总体布置不合理而带来的两个较大负面问题根本性地加以解决，据此设计提出以下两种方案进行比较。

4.1 平立结合的闸涵方案一

经过详细分析拦水闸的地形、地质条件、高程、河道形态等，提出在满足总的泄洪流量的前提下，为了解决灌溉与泄洪的矛盾及泥沙排放的问题，采取平立结合的闸涵方案，即在泄洪闸底板下面设置泄水拉沙涵洞。确定单孔宽度5.8m的泄水拉沙涵洞6孔，涵洞顶部设置单孔宽度5.8m的上游泄洪闸和下游泄洪闸均为6孔。讨赖河河道宽度在平交道处为109m，本方案设计讨赖河道洪水流量由涵洞和泄洪闸共同承担，当讨赖河河道流量发生小于20年一遇洪水，即来洪流量小于135m3/s的时候，洪水全部从泄水拉沙涵洞内通过，对渠道灌溉输水没有任何影响，而来洪流量大于20年一遇洪水，即来洪流量大于135m3/s的时候，就需要开启泄洪闸与涵洞共同泄洪，此时对渠道的灌溉输水就有了影响，但是这种几率比较少。为了提高泄水拉沙效果，闸涵布置在河道中间，所以新建闸涵的纵轴线位置布置在现状上游闸的纵轴线上。将现状上游10孔泄洪闸及左右部分砂砾土堤和老化失修、破损严重的下游12孔泄洪闸拆除，平面位置就可以满足新建闸涵的需要，涵洞总长度19.4m，闸顶高程1270.5m，涵洞进口高程1268.5m。新建闸涵后，其余下游泄洪闸不再承担泄洪任务，失去了存在的意义，所以对其余下游泄洪闸也全部拆除，用砂砾石夯填渠身，用C15现浇混凝土衬砌渠坡，与现状西干渠渠坡相接，左右侧总长度67.4m。原上游闸两侧的渠坡衬砌基本完好，继续利用。渠底全部用C15混凝土现浇。涵洞进口两侧渠堤为砂砾土堤，由于涵洞高程较低，泄流冲砂流速较大，会对涵洞进口两侧土堤造成破坏，危及渠堤安全，本次设计对涵洞进口两侧土堤用C15混凝土护砌，坡度1∶1.5，基础用C15混凝土砌石重力式挡墙，两侧总护砌长度67.4m。为了上游闸涵与上游河床的平顺衔接，上游闸涵向上游以1∶30的坡度与原河床衔接。布置设计如图2所示。

经计算，该方案主体工程投资为1107万元。

4.2 跨河渡槽方案二

为了根本性地解决灌溉输水与河道泄洪的矛盾及泥沙淤积的现实问题，经分析拦水闸的地形、地质条件、高程、河道形态及防洪标准下的洪水流量等，提出修建常规的渠道跨河建筑物，比如跨河渡槽或者倒虹吸等，经分析，现状平交道两侧西干渠的渠底高差仅为0.17cm，无法满足修建倒虹吸的条件，如果采取调缓西干渠设计纵坡的方式来增加平交道两侧高差，经计算，设计纵坡需由现状的1/680调整为1/6000，只能增加1.5m的高差，这个高差对于该工程基本条件下修建倒虹吸也是不满足要求的，而且倒虹吸存在清淤困难、管理不方便等缺点，况且西干渠建成时间不长，建筑物较多，西干渠调缓纵坡断面增大后，渠右侧的公路还需要改线，所以从多方面考虑，修建倒虹吸工程牵扯的面较为广泛，不利因素较多，是不可行的。又分析可知，平交道底板与下游现状河床的高差达1.74m，平交道右侧西干渠的渠底与平交道底板的高差为0.4m，二者合计利用高差2.14m，从高程、洪水流量和平交道现状过洪宽度等方面分析，将平交道拦水闸改建成跨河输水渡槽的方案是可行的。

采用该方案时，首先将上、下游泄洪闸全部拆

图2 平立结合的闸涵方案一平面布置图、纵剖面图和横剖面图

续图2 平立结合的闸涵方案一平面布置图、纵剖面图和横剖面图

除，并将现状工程占压范围内的河道疏通到1268.3m高程，在原拦水闸的位置修建跨河渡槽，渡槽共12跨，每跨长度9m，疏通后渡槽底下河道净空高度1.5m，槽身采用现浇C30钢筋混凝土梁板式渡槽，横断面为矩形，净宽6.1m，净高2m，槽身每隔2m设置C30钢筋混凝土拉梁一道，截面尺寸0.20m×0.2m，槽身间接缝0.03m。渡槽槽墩为C25混凝土长方形实体重力墩的结构形式，高6.425m，露出河床1.5～1.6m，槽墩基础采用整体式扩大基础，为C25钢筋混凝土结构，坐落在砾砂层上，埋深5m，渡槽底部高程1268.3m开始向上游以1∶30的坡度与原河床相接。在渡槽两边墩上、下游设置长度40m的C15细粒混凝土砌石翼墙与两岸连接。当河道过校核标准流量203m3/s时，槽底河道水深0.99m，水位低于槽底0.56m，槽下净空高度满足行洪要求。

该方案布置如图3所示。

经计算，该方案主体工程投资为1115.35万元。

4.3 方案比较

闸涵结合方案一，其优点是对现状工程设施不进行过大的改变，还是维持了现状平交道拦水闸的基本功能定位，在原位置上改建，没有新的占地，比较灵活地解决了河道泄洪与渠道灌溉的矛盾，解决了河道泥沙排放的问题，临时工程量相对较小，临时工程投资较小。缺点有以下几个方面：一是，

图3 跨河渡槽方案二平面布置图

当讨赖河河道流量发生小于20年一遇洪水，即来洪流量小于135m3/s的时候，洪水全部从泄水拉沙涵洞内通过，对渠道灌溉输水没有任何影响，而来洪流量大于20年一遇洪水即，来洪流量大于135m3/s的时候，就需要开启泄洪闸与涵洞共同泄洪，此时对渠道的灌溉输水就有了影响，但是这种几率比较少；二是，工程建成后产生的管理费用稍多些，包括管理人员的费用和金属结构设备的维修费用。

跨河渡槽方案二，其优点是对现状工程存在的主要问题从总体布置上做根本性的解决，河道泄洪与渠道灌溉输水互不干扰，河道泥沙淤积的问题也迎忍而解，工程建成后，节约了管理人员的费用和金属结构设备的运行维修费用，运行成本相对低，在原位置上改建，没有新的占地。缺点有以下几个方面：一是，拆除工程量较大，产生较大地水土流失和环境污染；二是，施工时，为了渠道灌溉不受影响，需要做导流明渠，临时工程投资也较大；三是修建渡槽，为了增加渡槽底下河道的过洪能力，槽底河床清除高程较低，这样较大地改变了河道现状的河势和冲淤情况，建成后泥沙有可能重新淤积河道，从而降低了渡槽槽底的河道行洪能力，威胁渡槽和上游河道的防洪安全。

综上所述，两种方案各有优缺点，从工程投资看，闸涵结合方案一和跨河渡槽方案二投资较为接近；从工程占地考虑，闸涵结合方案一和跨河渡槽方案二均在原位置改建，均没有新增占地，但是渡槽方案拆除工程量较大，产生的水土流失和环境污染相对较大；从运行管理上看，两方案较为接近；从排沙效果方面考虑，跨河渡槽方案二较闸涵结合方案一彻底，效果较好；从病险水闸的评定标准和采取的除险加固措施上看，方案一没有过大的改变水闸的基本功能定位，通过除险可以保证工程的安全运行，而方案二把拦水闸改变为渡槽，彻底改变了建筑物的类型，与国家对水闸除险加固的政策偏离较远，因为只有四类闸才可以报废重建；综合考虑各方面因素，本次设计推荐平立结合的闸涵方案一。

5 结语

金塔县平交道拦水闸是一座功能特殊、结构型式非常少有的拦河水闸，建成初期至运行30多年以来历次除险，均是治标不治本，没有从根本上解决病险问题，本次除险加固真正找出了病险问题的症结病因所在，采取了平立结合的闸涵措施，较为彻底，从根本上解决了西干渠输水灌溉与讨赖河泄洪的矛盾及泥沙淤积等问题，同时符合国家对病险水闸除险加固的政策要求，措施新颖、结构合理、具有独创性。该工程于2013年除险加固完成运行至今，泄洪排沙正常，灌溉输水安全有效，完全消除了水闸险情，除险效果特别明显。