平原小型梯级调蓄水库的引水灌溉方案研究与分析

张 硕，温斯钧

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

在新农村建设背景下，农村日益富裕起来，人居环境与生态功能的要求也成为乡村发展追求的目标。发展乡村经济、打造农业园区，在为解决三农问题提供思路的同时，也在提升改善着农村的生存环境质量，注重人文生态环境的提升。在农村地区，部分地区缺少丰富的水资源，一般都是只兼顾农业灌溉，舍弃引水蓄水、提升生态功能。但对于平原地带引水灌溉工程，可以形成以引水灌溉为主，蓄水补水塑造生态环境为辅的规划思路，塑造经济效益与生态人居环境并行的格局。

1 梯级调蓄工程概况与特点

1.1 工程介绍

辉县市裴寨社区高效农业园区供蓄水工程是以引水灌溉为主，兼顾水产养殖、生态环境建设的综合治理工程，是解决裴寨社区高效农业园区温室大棚灌溉的骨干水源工程。从20 世纪50 年代开始辉县市在西部山区修建了中小型水库19 座，并建成了库群联合调度的骨干配水渠网（群库灌区），其中北干渠、南干渠均是群库灌区的配套干渠。北干渠长44.76 km，引水流量3.0 m3/s，距离裴寨社区高效农业园区仅3.0 km；南干渠长26.1 km，设计引水流量3.0 m3/s，距离裴寨社区高效农业园区仅1.4 km。为了促进裴寨农业增产，改善农村生态环境，提升裴寨社区高效农业园区的品质，需要兴建裴寨社区高效农业园区供蓄水工程，完成裴寨社区高效农业园区大棚的灌溉配水需求，提高灌溉用水保证率。园区内现有一条天然河沟“十里河支沟”，但由于水源缺乏，需从北干渠、南干渠引水灌溉。

1.2 整体规划思路

工程整体规划的基本思想是：引水灌溉与生态景观并行，突出灌溉效益，提升生态功能。因此计划从南干渠、北干渠四支渠分两路向农业园区引水，一部分水量直接灌溉十里河支沟两岸大棚，一部分水量进入十里河支沟，设置梯级调蓄水库，作为两岸灌溉补水水源。梯级调蓄水库不仅可以向十里河支沟南北两岸的农业园区种植大棚输水灌溉，而且可以形成梯级水面，塑造生态景观，提升社区高效农业园区整体人文景观品质。

工程整体规划包括南、北引水工程、调蓄水库及河段综合治理工程、高效农业园区滴灌管网等几部分；其中南、北引水工程主要由引水渠道、管道工程、泵站工程、提水管道工程和高位调蓄水池等几部分组成。灌溉面积涉及以裴寨社区为中心的张村乡11个行政村，26 个自然村，预计灌溉高效农业大棚320 公顷。

1.3 工程地质特点

1.3.1 库区地质特点

库区位于天然沟道内，两侧岸坡大部分呈直立状，坡高一般在8～14 m，边坡下部为中更新统低液限粘土，具若膨胀潜势。高位水池基础处于第四系中更新统坡洪积物内，局部存在卵石混合土透镜体，中等透水，为潜在的渗漏通道。

1.3.2 坝址处地质特点

在十里河支沟规划的梯级调蓄水库工程的Ⅰ-Ⅳ拦水坝场区，坝址处设计建基面下伏奥陶系中统上马家沟组中厚层状泥质灰岩，具有遇水软化的特性。因此规划设计，应考虑对坝基抗滑稳定的影响。在规划的III～IV 坝段之间多夹有厚度0.6～1.4 m 的卵石混合土透镜体，应考虑丰雨期卵石层的侧向渗流对工程的影响。IV 坝轴线附近有一编号为F 的断层通过，建议考虑该断层对坝基稳定的影响；另外，Ⅳ坝线带内断层角砾岩成分，以紫红色杂灰白色页岩为主，虽结构密实，亦应考虑其工程特性对坝基稳定的影响。

2 梯级调蓄水库方案分析

工程采用从北干渠四支渠、南干渠引水至十里河支沟，引水灌溉与蓄水补水、形成自然景观，达到引水蓄补、双重用水的综合效果，以便引水灌溉工程的经济利益、社会效益、生态效益更加优越。

2.1 坝址及坝轴线选择原则

坝址和坝轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的，需要考虑坝型、布置要求、施工场地条件、坝体分段施工及导流、工程投资等因素。拟规划的调蓄水库处于十里河支沟，河势较陡，落差较大，为了提高蓄水量、降低造价、减少淹没、附着物赔偿等，同时兼顾生态与景观需要，拟建多级大坝，形成梯级调蓄水库。针对本工程实际地形地质问题，主要遵循以下原则：

（1）根据地质勘察结果，优先选择十里河支沟内坝址地质条件较好的地段，尽可能避开坝基基础土体松软、夹杂淤泥质、渗漏严重、甚至地震断层地带。若无法避免，应进行工程技术处理，或者经过充分计算论证分析。

（2）根据十里河支沟实际地形，坝址处宜选择场外交通便利、方便布置施工厂区地段，避免出现施工干扰。

（3）因为布置梯级调蓄水库，十里河支沟需布置多道挡水建筑物，多个坝址选择应满足库区水位回水要求，避免坝前回水与尾水不能衔接、回水长度过短等问题。

（4）因梯级调蓄水库兼做向农业园区补水灌溉的需求，因此坝址选择应考虑后期补水灌溉的需求。

（5）坝址选择亦应考虑对整个工程的投资影响。

2.2 坝址及坝轴线方案分析

由于该库区场地沟道上游较陡，下游段较缓，为保持沟道内水面相对连续，各拦河坝形成水面落差较小，形成较好景观效果，并根据上述坝址选择的原则和现场实地踏勘，拟定4 座梯级水库与3 座梯级水库两种方案，如图1、图2 所示。

图1 4 座梯级水库坝轴线示意图

图2 3 座梯级水库坝轴线示意图

4 座梯级水库方案Ⅰ坝轴线桩号为K0+098.50，坝顶高程187.12 m，坝高6.56 m，Ⅱ坝轴线桩号为K0+226.00，坝顶高程183.91 m，坝高8.90 m，Ⅲ坝轴线桩号为K0+581.00，坝顶高程181.88 m，坝高8.90 m，Ⅳ坝轴线桩号为K0+928.00，坝顶高程179.85 m，坝高8.95 m。总库容11.85 万m3，可满足灌溉用水需求。

3 座梯级水库方案， Ⅱ坝轴线桩号为K0+581.00，坝顶高程181.88 m，坝高8.90 m，Ⅲ坝轴线桩号为K0+581.00，坝顶高程181.88 m，坝高8.90 m，Ⅳ坝轴线桩号为K0+928.00，坝顶高程179.85 m，坝高8.95 m。Ⅰ坝轴线桩号为K0+226.00，如果要满足灌溉用水要求，即总库容11.85 万m3，坝顶高程需要达到186.21 m，坝高10.3 m。

根据两种方案建筑物布置情况进行比较可知：4座梯级水库方案的优点为：四座大坝坝高较低，库区防渗投资较小，由于水位较低对于防止库区渗漏和岸坡滑塌比较有利，枢纽布置比较方便，工程量小，工程投资小；缺点为：需要多修建一座大坝。3 座梯级水库方案的优点为：只需要修建3 座大坝。缺点为：Ⅰ坝需要10.3 m 坝高才能满足需水要求，由于整个工程区地质情况为低液限粘土和泥质灰岩，承载力一般，坝高过高对坝体稳定及地基承载力不利，当坝高高于10 m 时地基承载力无法满足要求。综合考虑以上因素，优选4 座梯级调蓄水库方案。

2.3 坝型方案分析

根据4 座梯级水库方案地形、地质和施工条件以及当地建筑材料等情况，坝顶需要溢流形成梯级景观水面。因此，排除了土石坝坝型，初步选择混凝土重力坝和砌石重力坝进行比较。经各方面综合考虑和分析论证，针对混凝土重力坝与砌石重力坝两种坝型，分析如表1 所示。

表1 混凝土重力坝和砌石重力坝技术比较

因处于项目建议书阶段，从定性分析角度对坝型方案进行了分析。无论混凝土坝或是浆砌石坝，从地质条件分析均适合建坝；混凝土筑坝需考虑混凝土的散热与冷却，因此坝体需设纵缝横缝，浆砌石坝是人工堆砌石材，不需设缝，但施工质量不如混凝土机械施工有保证；混凝土坝整个坝体既是防渗材料，不需另设防渗材料；浆砌石坝砌石材料需要量很大，浆砌石坝施工质量不易控制，不利于机械化作业，相对混凝土坝工期较长，致使增加工程成本。

而且由于本项目四座大坝高度较低，断面较小，采用砌石重力坝方案需做混凝土防渗墙，溢流坝段也需要做混凝土面板，施工干扰大；混凝土坝施工技术已成熟，速度快，便于机械化施工，工期短，可以早日建成投产，发挥工程效益。因此根据地形地质条件、坝体结构及施工工艺、筑坝材料来源工期等情况综合分析，选定为混凝土重力坝。

3 梯级调蓄水库回水影响分析

梯级调蓄库蓄水后，水位抬升可能会对周边地理环境、地址问题造成一定影响，因此需要考虑水库的回水影响。根据综合分析，选定挡水建筑物为混凝土重力坝，经计算确定4 座梯级调蓄水库的坝顶高程、建基面高程、最大坝高、最大溢流高度等坝体参数如下表2 所示。

表2 坝体参数表

（1）回水对周边地理环境的淹没影响。水库直接淹没范围受水库正常蓄水位和汛期、非汛期洪水回水面线控制。裴寨社区高效农业园区供蓄水工程水库的正常蓄水位是通过经济比较并考虑工程蓄水等诸多因素确定的，4 座梯级拦水坝最高正常蓄水位为186.12 m。从安全角度考虑，取20 年一遇洪水时的洪水位作为水库淹没影响处理范围。拦河坝建设在十里河支沟内，最大溢流高度7.9 m，天然沟道两岸接近垂直，平均深度10.0 m。因此，水库回水不会造成淹没影响。

（2）回水对库岸地质灾害的影响。在水库回水范围内，两岸河道内水位不断抬升，可能会引起两岸滑坡、崩塌等不良物理现象，需要考虑回水对两岸边坡工程的影响。工程方案考虑了回水对两岸较陡段的影响，采取削坡、护坡处理，并进行了稳定复核。因此水库蓄水后，基本上不存在大范围塌岸问题。

4 结语

针对前期项目建议书阶段的实施方案，从梯级挡水建筑物的数量、坝型的选择等方面定性分析了小型梯级调蓄水库的建设方案的优劣，并分析了梯级调蓄水库需要考虑坝基地质条件与梯级数量的影响关系以及库水回水的影响。对于平原灌区小型引水灌溉工程，可以采用引水与蓄水、生态补水与灌溉用水互补的思路进行布局，以达到综合效益最优化。