志丹县保娃沟门取水枢纽选型探讨

王爱忠，赵小建，郑云云

（1.志丹县水务投资建设有限公司，陕西 志丹 717500；2.志丹县水政水资源管理办公室，陕西 志丹 717500；3.陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018）

志丹县位于呼包鄂榆国家重点开发区、关中-天水经济区和陕甘宁革命老区三个国家级开发区的交汇之地，在区域经济发展中具有特殊地位，是国家重要能源基地之一。保安镇是志丹县县政府所在地，也是该县新能源、新技术和新材料等新兴产业的集中区，区域经济社会的发展迫切需要配套的水资源支撑。目前志丹县城主要供水水源为地下水，水源单一，总量不足，缺水已成为县域经济社会发展的主要制约问题。

为保障和支撑志丹县经济社会可持续发展、改善区域水环境、实现水资源的合理配置，周河一级支流保娃沟年径流量在100万m3以上，水质较好，可作为志丹县城供水水源。

1 流域概况

保娃沟属周河左岸一级支流，发源于志丹县顺宁镇任坪村刘老湾组三树梁南麓，自北流向南，沿途流经杏树塌、红花台、后台、李家庄等村，于顺宁镇保娃沟门村汇入周河。流域面积41.3 km2，河道长12.5 km，河道平均比降16.9‰。

保娃沟流域地形北高南低，由北向南倾斜。高程在1300 m～1600 m，上游分水岭最高点三树梁海拔1705 m，下游入周河河口处海拔1277.8 m。地貌以黄土梁状丘陵沟壑区为主，沟壑发育，地形破碎。植被较差，侵蚀强烈，河沟深切，水土流失严重。梁地间的冲沟、切沟下切强烈，是典型的多泥沙河流。

2 工程建设条件

2.1 水文条件

保娃沟无实测水文资料，故采用水文比拟法计算其多年平均年径流量和不同频率年径流量，参证站采用志丹水文站，志丹站有1965年～2016年52年径流系列。经过分析计算可知，保娃沟门取水枢纽处多年平均径流量为108.1万m3。

设计洪水采用推理公式法计算，20年一遇校核洪水洪峰流量438 m3/s，洪量120万m3；10年一遇设计洪水洪峰流量341 m3/s，洪量 79.6 万 m3。

泥沙以志丹水文站作为参证站按水文比拟法计算，多年平均悬移质输沙量30.0万t，推移质按推悬比0.05计算，其值为1.50万t，总输沙总量为31.5万t。

2.2 地质条件

工程区地处陕甘宁台拗（I1）陕北台凹（I11）中部，地震动反应谱特征周期为0.35 s；相应的地震基本烈度Ⅵ度，区域构造稳定性好。

工程区河谷呈“V”字型，蓄水位高程以下两坝肩岩石裸露，河床漫滩覆盖层以砂砾石为主，厚5.0 m～7.0 m。

库区地形封闭，库盆主要由白垩系华池组（K1L）块状长石砂岩夹薄层泥岩和Q2黄土状土构成，河谷两岸分水岭地下水位高程高于水库设计蓄水位高程，地下水补给库水，水库永久渗漏不存在；库岸岩石边坡基本稳定，土质边坡存在塌岸问题，预测塌岸量小于2.0万m3，不存在淹没问题，浸没面积小。不具备产生诱发地震的基本条件。

工程区环境水（河水和地下水）对混凝土无腐蚀性，河水对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

2.3 供水对象及规模

保娃沟门取水枢纽工程主要解决志丹县保安镇给城镇生活及工业生产供水，现状年为2015年，设计水平年为2030年，供水保证率为90%。现状年需水量351.4万m3，缺水量59.4万m3，缺水率16.9%；设计水平年需水量655.3万m3，缺水量185.8万m3，缺水率28.4%。

在满足坝址下游河道生态基流情况下，按“以供定需”的调节计算原则，对不同典型年进行逐日调节计算，确定水库总库容为8.19万m3，调蓄水池容积4万m3，多年平均供水量为36.96 万 m3。

3 取水枢纽选型

取水枢纽比选采用传统的“碾压式均质土坝”“闸坝+蓄水池”“液压坝+蓄水池”三种方案。

3.1 碾压式均质土坝方案

该方案由大坝、溢洪道、导流输水洞及输水建筑物等四部分组成。总库容920万m3，死库容693万m3（年淤积23.1万m3，按30年使用年限计算），兴利库容60万m3，滞洪库容167万m3。多年平均供水量64万m3，工程属于Ⅳ等小（1）型工程，相应主要建筑物大坝、溢洪道、导流输水洞及输水建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。工程的防洪标准按50年一遇设计，500年一遇校核，相应的洪峰流量分别为564 m3/s和918 m3/s。

3.2 闸坝+蓄水池方案

该方案由闸坝、输水管线及蓄水池三部分组成。总库容为8.19万m3，正常蓄水位1313.0 m，多年平均供水量36.96万m3。将拦河闸坝布置在主河槽，两岸布设重力坝段，与现状基岩衔接。拦河闸坝顶高程1317 m，坝高19 m，坝长44.5 m，其中泄洪坝段长24 m，泄洪坝段设3孔6 m×4.5 m泄洪孔，下游消能方式采用底流消能，消力池长23 m，池深1.5 m，宽22 m。输水管道进口设置于闸墩内侧，管径DN500钢骨架PE管，下游接调蓄水池。蓄水池布置于保娃沟阶地上，蓄水池最大蓄水量为4万m3。

3.3 液压坝+蓄水池方案

该方案由液压坝、输水管线及蓄水池三部分组成。总库容为6.41万m3，正常蓄水位1313.0 m，多年平均供水量约36.96万m3。液压坝布置在河道主河槽，坝顶高程1316.5 m，液压坝长27 m，堰型为WES堰，堰下游接15 m长消力池，两岸衔接段设重力坝段，坝顶高程1316.5 m。输水管道进口设置于重力坝内侧，管径DN500钢骨架PE管，下游接调蓄水池。蓄水池布置于保娃沟右侧阶地上，蓄水池为双池并排布设，总蓄水量为4 万 m3。

4 方案比选

三种方案除工程特性外，还应以工程特点、施工难度、工程管理、投资等方面进行不同深度的比较论证，深入研究和比较各方案的特点，见表1。

表1 取水枢纽方案比选

通过以上比较分析，本次推荐采用适应地形条件较好、施工难度偏低、投资造价适中、后期运行管理简单、工程经济效益较好的“闸坝+蓄水池”方案。

5 取水枢纽设计

推荐取水枢纽采用 “闸坝+蓄水池”方案，由挡水闸坝、输水管线及蓄水池组成，采用闸坝取水方式，全长44.5 m。

挡水坝段：坝型为混凝土重力坝，坝顶高程1317.0 m，最大坝高15 m，坝顶宽5 m，左岸坝段长11.25 m，右岸坝段长9.25 m，主体结构采用C15混凝土，上游设50 cm厚C25钢筋混凝土防渗面板，抗冻等级F200，防渗等级为W6。挡水坝典型横剖面见图1。

图1 挡水坝横剖面图

泄水闸坝：泄水闸坝段长24 m，坝顶高程1317 m，泄水闸坝采用3孔6 m宽闸体设计，堰型为WES堰，堰下游接22 m长消力池。闸底板高程为1309.0 m，校核洪水位时泄量396.6 m3/s，设计洪水位时泄量308.9 m3/s；消能方式采用底流消能，消力池底板顶高程1305.0 m，池长22 m，池宽22 m，池深1.5 m。

输水管线：输水管线总长1935 m，管道采用钢骨架PE管，管径DN500。设计管道流量0.25 m3/s，沿线设置计量检修阀井2座，排气阀井4座，泄水阀井5座，检修阀井6座。

蓄水池：蓄水池布置于保娃沟阶地上，蓄水池采用双池并排布设，单个水池最大蓄水量为2万m3，总蓄水量为4万m3，池顶高程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。两个蓄水池分别设计进水管、出水管、排泥管及排泥井等建筑物。进水管为DN500钢骨架PE管，出水管为DN200钢管。

6 结论

以我国黄土高原山区志丹县保娃沟门取水枢纽为研究对象，通过对工程建设条件分析，选用“碾压式均质土坝”“闸坝+蓄水池”“液压坝+蓄水池”三种取水枢纽方案进行比选，最终推荐“闸坝+蓄水池”方案，并对该方案进行初步设计，该方案适应地形条件较好、施工难度偏低、投资造价适中、后期运行管理简单、工程经济效益较好，可对我国黄土高原山区河道修建取水枢纽提供借鉴。