某引水枢纽除险加固工程引水枢纽型式比选

古志军

(深圳市广汇源水利建筑工程有限公司，广东 深圳 518020)

1 研究背景

某引水枢纽工程位于深圳茅洲河中游河段出山口，该工程是所在流域的骨干性水利工程，在1959年建成后次年竣工投运，属于一座主要发挥灌溉功能的费尔干式引水枢纽，该引水枢纽工程通过正面方式引水，侧面方式冲砂。该枢纽工程主要包括进水闸、泄洪冲砂闸、泄洪闸、自溃坝、上游整治段等部分。运行至今，该枢纽工程进水闸、冲砂闸、泄洪闸址等工程部位已经严重老化，不再具备工程设计阶段防洪能力，安全隐患日益凸显虽然工程管理部门分别于1988年、2001年进行了该引水枢纽工程的两次加高加固处理。但是，加高后的该引水枢纽在运行过程中逐渐暴露出以下问题：

1)该引水枢纽工程的进水闸和泄洪冲砂闸是泄洪拦蓄的主要建筑物，且其持续运行时间较长，建筑物混凝土结构已经出现严重的老化现象趋势，与此同时，流域内所存在的推移质不断冲刷、撞击进水闸和冲砂闸的外壁与内部结构，久而久之，闸室周围混凝土表层大面积剥落，底板等部位大范围钢筋外露，泄洪冲砂闸大多数孔底板铸铁块被磨穿，闸墩底部甚至出现多条贯穿性结构裂缝，既有病害已经严重威胁到引水枢纽安全运行。闸门闸室出现严重且难以修补的整体性变形重，止水件也与相应埋件滑脱，出现十分严重的漏水现象，启闭力的增加使既有枢纽结构很难达到正常运行水平。

2)引水枢纽由于引水比较高，很难正常发挥其人工弯道的作用，泄洪冲砂闸无法发挥设计要求的排砂作用，导致该枢纽工程所在茅洲河河道以及闸前后存在十分严重的淤积现象，如此严重的淤积严重影响到引水枢纽既有建筑物的过流不足和正常的防洪能力。可以说引水枢纽工程在设计时的作用已经消失殆尽，既未发挥泄洪排沙作用，反而其结构物还阻碍到河道泥沙正常运行。

3)来水量不均匀，河道洪水较为集中在雨季，而且常规性的灌溉季节河道引水比较高，枯水期的茅洲河河道来水容易导致上下游淤积不断加剧等隐患，已经对整个工程的安全运行造成严重威胁，此外，根据对费尔干式引水建筑物布置形式的分析不难看出，其在较高引水比下很难有效解决泥沙淤积的问题[1]。综上，应将该引水枢纽拆除重建。

2 引水枢纽型式

2.1 引水枢纽直线式方案

针对这一设计方案，茅洲河中游河段出山口的引水枢纽主要由其拦河闸、进水冲砂闸、直线式沉砂冲砂槽外加茅洲河上下游河道整治段等结构物构成。且该方案主要将泄洪闸设置在河床右侧，以便于其闸轴线能够与河道来水正交，泄洪闸闸室单孔的设计宽度为6.5m，闸底板设计高程810.550m。将直线式沉砂冲砂槽布置于泄洪闸左侧，并按长×宽为70m×8.6m的窄深式结构设计。2孔冲砂闸设置在沉砂槽末端的前方正向位置3孔进水闸设置于冲砂闸侧向的左河岸阶地上，其单孔净宽和闸底板高程值与2孔冲砂闸设计值相同，并和冲砂闸构成30°角度，由于进水闸底板和冲砂闸底板之间存在较大的高差，在较小水量的情况下，会在沉砂冲砂槽内形成较大的淤积容量。在进水闸前部和沉砂冲砂槽的结合处增设置高程顺次减小的菱形回砂角，大部分泥砂都将顺着回砂角再流回沉砂槽，增强回砂效果。泄洪闸右侧与上游导流堤相连，泄洪闸右侧导洪堤上游60m处设置自溃坝，坝长60m。

2.2 引水枢纽弯道式方案

该型式主要借助了离心力对弯道水流的影响作用，表层水在离心力的作用下不断流回凹岸，导致其水面持续壅高，而凸岸的水面持续降低。大流速的主导性水流自下而上增大其对凹岸和河底的冲刷与冲蚀，主导性水流在凸岸自下而上运行，由于水流具有的底速小，在重力作用下，水流必将携带大量泥砂导致凸岸发生较为严重的淤积。

2.3 引水枢纽内外库方案

此方案下，在原闸址上游235m处布置泄洪冲砂闸、内库引水闸。在主体河床右岸设置3孔开敞式平底泄洪冲砂闸，并使河床左侧和闸下坝连接，河床右侧与流域护岸连接，闸孔净宽均按6.5m尺寸设计。内库引水闸闸井为单孔，孔口尺寸4×4m。内库进水闸净宽30m，采用开敞式平底闸，闸孔净宽10m，共三孔。

内外库引水枢纽方案下由于河道泥沙中的推移质主要在外库淤积，并主要通过间歇洪水实现携带泥沙至河道下游，所以在此引水枢纽型式下存在淤积库容。为实现外库浑水与内库清水的彻底划分，本方案主要布置一道挡墙在内外库之间。如果内库需水量难以达设计要求，此方案下内外库库容分别是47.8万m3、31.2万m3。

3 引水枢纽型式比选

某引水枢纽除险加固工程引水枢纽型式方案综合比选见表1。

表1 引水枢纽型式比选表

根据设计思路，引水枢纽弯道式方案按照较小的转弯半径取值进行弯道内环流形态的模拟分析。某引水枢纽除险加固工程区左右岸山体高且陡，在山体的切割下河道形成天然弯道，但是弯曲度尚无法达到弯道式方案的设计水平。

引水枢纽直线式布置主要利用正向实现泄洪冲砂，布置型式较为简单，具有管理上的便捷优势。提高束窄式沉砂冲砂槽的利用效率后能通过洪水的冲刷作用将泥砂顺利带向下游，考虑到某来水不均、引水比较高的实际情况，最好实行间歇式冲砂，甚至在改方案设计的过程中必须充分考虑到可能面临的无水冲砂的窘境[2]。

对于内外库引水枢纽方案，宽度50m的泄洪冲砂槽建筑物决定着外库库容的大小，通过泄洪冲砂槽实现对沉积推移质的拦截，此后经由泄洪冲沙闸将沉积推移质排至下游。而悬移质泥沙的沉积主要通过内库完成，通过内库设计参数的短时间调节，可以实现灵活的调蓄，并将冲砂和引水彻底分开，并杜绝无水冲砂情况。综上所述，该方案能确保流域供水质量，并适当增强引水枢纽出现加固工程所具有的调蓄能力，通过降低泥砂淤积速度有效保证集中冲砂的实现，为此，推荐采用内外库引水枢纽方案。

4 结 论

根据某流域特殊的地形地质条件和引水枢纽除险加固工程实际情况，提出直线式引水枢纽、弯道式引水枢纽和内外库引水枢纽三种型式，并进行了三种方案型式的比较，最终确定采用内外库引水枢纽布置方案。根据设计报告，工程改建后能有效解决某引水枢纽由于引水比较高，人工弯道不适用，严重的淤积影响和降低建筑物过流能力和行洪能力等方面的问题。