小型拦河闸坝设计探索

◎蔡雷 中水淮河规划设计研究有限公司

随着全国各地水利工程建设数量的不断增多和水文投资额的不断加大，各地水利设施如雨后春笋般拔地而起，为区域经济发展和民生保障做出了巨大的贡献。小型拦河闸坝作为水利工程项目建设中的常见类型，具备工程建设规模较小、建造数量繁多、分布广等优势，为区域灌溉用水等的获取提供了较大便利。但在实际建造过程中，多数小型拦河闸坝是当地民众自发建造的临时性工程，其工程质量往往较低，很容易造成设计盲目、建设粗糙等问题，对此，文章以呼图壁河林场口子水闸项目为例，对其设计要点进行归纳总结，从而为小型拦河闸坝的建设与发展提供借鉴。

1.工程概况

呼图壁河林场口子水闸位于六师芳草湖农场六分场林场口子，在呼图壁河芨芨坝枢纽下游10k m的西河上，距呼图壁县城20km，闸址地理坐标为东经86°49'52.84"，北纬 44°18'35.20"。1983年，设计单位完成了呼图壁河西河林场口子引水闸的设计，该水闸于1984年10月开工兴建，1985年5月竣工运行，整个水闸主要由进水闸、冲沙闸、溢流堰、上下游挡土墙组成。1996年8月24日，呼图壁河遭遇罕见暴雨性洪水，使西河林场口子引水闸有着多处不同程度的水毁，左岸挡土墙大部分被冲毁，溢流堰亦被冲毁。目前，该闸无法正常引水，处于报废状态。根据《水闸安全鉴定报告》，该水闸鉴定为四类闸，需降低标准使用或报废重建。通过现场踏勘，该渠目前主要存在闸防洪标准不足，工程不能正常运行；闸室结构抗渗、抗倾和抗滑不稳定；溢流堰被冲毁，抗滑不稳定，左岸护岸被冲毁，右岸护岸倾斜，抗倾不稳定；启闭设备老化，没有配备电源；闸门锈蚀严重；交通不便，无管理站房；进水闸后渠道冲刷严重；水闸缺少观测、控制、监视系统等问题。

2.建设条件

在了解呼图壁河林场口子水闸基本现状后，技术人员对该小型拦河闸坝的设计建造的基本条件进行分析。首先，就水闸移至东河的缘由及有利条件来看，呼图壁河流量小于70m/s，河水全部走东河，水流只经过一条河流可以减少蒸发渗漏损失，在东河建闸分水，可以减少兵地争水矛盾，有利于加强水资源管理及水费征收，且将水闸建在东河比建在西河节省投资近1000万元。其次，该项目区所属地质构造单元为南部中低山区，属北天山褶皱带依连哈比尔尕复背斜中的乌鲁木齐山前坳陷带，北部为准噶尔凹陷区，主要的区域性断裂为南部山区的清水河断裂、齐古断裂、吐谷鲁断裂，均为上更新世以来的断裂活动所造成，并且沿断裂带发生过五级以上的中强地震，上述断裂距工程区以南40～70km，对工程影响小。最后，从呼图壁河林场口子水闸建设的水文条件来看，呼图壁河是灌区唯一的地表水源，多年平均径流量4.575亿m，多年平均流量12.775m3/s。年径流量变化幅度不大，年径流量最大为5.96亿m，最低3.41亿m，最大与最小年径流量比值为1.75。呼图壁河在下游芨芨坝处分为2条河（东河和西河），东河的水注入东河水库，西河的水注入大海子水库。呼图壁河径流量年内分配不均，汛期早，历时短，枯水期长。该河由于中山带植被发育较好，河流含沙量较小，河水多年平均含沙量5.9kg/m。石门站多年平均悬移质含沙量0.48mg/m，多年悬移质输沙总量为22.6万吨。呼图壁河的输沙量年内分配不均与，输沙量主要集中在汛期，5～8月连续四个月多年平均输沙量为20.4万吨，占全年输沙量的90%以上。上述条件，均为呼图壁河林场口子小型拦河闸坝建设提供了较有利的条件。

3.拦河闸坝设计中应考虑的因素

在呼图壁河林场口子拦河闸坝设计中，应考虑的因素包括工程水位抬高与泄洪的关系、设计长度、拦河闸坝工程形式选型等内容。以设计长度为例分析，为保证小型拦河闸坝设计符合安全功能，其拦河闸坝长度一般应采用工程上游河道正常水位时水面宽度的1.2-1.5倍。

4.拦河闸坝设计要点

4.1 工程总体布置及主要建筑物

根据呼图壁河林场口子水闸的过闸流量，节制闸过闸流量为70m/s，分水闸及闸后渠道流量为37.1m/s，水闸工程属于Ⅳ等小型工程，渠道属于Ⅲ等中型工程。进一步根据《水闸设计规范》9SL265-2001），水闸工程为Ⅳ等小型工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。就设计标准而言，呼图壁河芨芨坝站30 年一遇设计洪水标准为315m/s，100 年一遇校核洪水标准为480m/s。由于东河水库无溢洪道，当呼图壁河水量超过70m/s时，东河限流量70m/s，其余洪水主要由西河承担。因此，东河水闸按70m/s的来水量进行设计。其次，根据地质勘察报告，拟建场地为II类场地，特征周期为0.45s，对应的抗震设防烈度为7度，地震加速度值为0.10g（g 为重力加速度值）。在对呼图壁河林场口子小型拦河闸坝进行选址设计时，根据水闸在原址拆除重建和闸址移至东河重建相关参数的对比分析决定。根据现场踏勘，在东河新建节制分水闸一座。在流量70m/s的前提下，初步计算需要布置5 孔闸，单孔宽度5m，闸净宽25m，闸墩高度3m；采用开敞式，钢筋混凝土结构。节制闸配备弧形钢闸门5扇，采用卷扬式双吊点启闭机，启门力5t。分水闸布置2孔，单孔宽度5m，闸净宽10m，闸墩高度 3m，采用开敞式，钢筋混凝土结构。对比两种选址方案可知，将水闸移至东河，可以减少蒸发渗漏损失，提高水的利用效率。当呼图壁河来水小于70m/s时，芨芨坝分水闸只分水给东河，水流只流经一条河流，可以减少蒸发渗漏损失。在新建的东河水闸处，仍然按照分水比例进行水量分配，东河和西河分水比例为0.47:0.53。综上，呼图壁河林场口子水闸除险加固将水闸闸址移至东河进行重建，在河道上布置节制分水闸一座，闸前设水平防渗铺盖，闸后设消能防冲海漫。分水闸和节制闸夹角60°，布置在节制闸左侧。分水闸闸后通过扭面和渠道连接。渠道沿现有道路通向西河，线路长度823m，沿途布置农桥2座。节制闸上、下游沿河道左、右岸布置防洪堤，上游防洪堤长度120m，下游防洪堤120m，防洪堤总长度480m。

4.2 水土保持设计

水土保持是工程项目建设必须关注的重点，也是工程项目设计中必须涵盖的重要内容。在项目建设中，应选择合适的水土流失预测方法对其流失情况进行预测，预测结果显示，因本工程建设所影响的土地面积为23.785hm²，周边被破坏的各项建筑物后构筑物设施面积为23.785hm²，呼图壁河林场口子水闸工程建设导致的施工作业区内挖掘、占压的原始地形地貌也在较大程度上受到了破坏和影响，大大降低了施工作业区内的水土保持功效，整个工程建设产生的弃土、弃渣量为0.724万m。在对项目建设导致的新增水土流失量预测上，结合呼图壁河林场口子水闸工程建设进度和设计规划内容，可测得施工期间大致流失的水土量为1608.7t。以引水渠首区为例，该水利枢纽工程后期多为硬化地表、建筑物工程占压。红星渠首除险加固建设完毕后，仍存在一定范围的扰动疏松地表，如建筑物回填完毕后，局部土地不平整；弃方土料运行的地面不平整，河道清淤后河床不平整等。因此，应对该区域回填土方进行临时堆放，引水渠首区临时堆土共计0.52万m，苫布遮盖3020m²，从而达到水土保持的目的。

4.3 节能设计

在建设呼图壁河林场口子水闸时，其施工机械设备主要用来对原泄洪闸进行维修补强，维修闸前铺盖，增加一孔泄洪闸泄洪能力，维修闸后消能防冲设施；在泄洪闸右岸布置溢流堰50m；上游清淤长度200m；重建东导流堤，对西导流堤进行加宽加固；建设上、下游导流堤共计400 m；维修原冲沙闸和引水闸，增设闸房；修建砂砾石管理道路15km；修建管理站房220m；为水闸增设自动信息化观测和监控设施。在施工过程中，除险加固工程主要的施工项目包括泄洪闸、溢流堰、引水闸和冲沙闸修补、管理站房、管理道路及河道上下游防护工程，主要工程量有土方开挖9.1万m，土方填筑4.9万m，砼与钢筋砼浇筑1583m，钢筋98t，浆砌石6972m。此外，该项目耗能还包括施工辅助生产系统能耗、生产生活性建筑物能耗、施工期能耗统计分析和施工交通运输系统耗能等。

总之，呼图壁河林场口子水闸工程施工工期的标准煤总能耗为228.8t，其中土石方施工设备能耗量最大，占施工期能耗总量的91.6%,其它能耗占8.4%。以施工机械选用为例，针对土石方施工机械，施工单位计划安排4台1m的挖掘机配备14台自卸汽车，保证挖掘机和自卸车搭配合适，避免出现空车现象。从混凝土施工设备选型来看，混凝土生产系统包括搅拌机、空压机、胶带机等，特别是空压机和搅拌机是混凝土生产系统的主要耗能设备，在下阶段空压机选型上，可选择效率高、能耗相对较低的活塞式空压机，搅拌机应选择传输效率好的齿轮传动设备，从而减少能耗的损失。值得注意的是，拌合站应建设在地势稍低的位置，可以充分利用地形优势，减少物料运输造成的能耗损失。

5.经济效益评价

为进一步分析呼图壁河林场口子水闸建设的经济效益，本文对其费用和收益进行分析。本项目新增费用为新增影子投资费用、新增年运行费、新增流动资金。新增投资费用是根据呼图壁河林场口子水闸建造设计的预算资金设计和概算资金设计等，结合工程建设时市场条件影响下的影子价格，得到整个项目建设的影子投资，其总投资为2082.28万元，各项影响参数调整后得到的影子投资费用为1959.63万元。新增年运行费主要是为维持呼图壁河林场口子水闸工程项目的正常运营，以新增固定资产价值、新增固定资产修理费等为新增材料费或者新增其他费用的取费基础，在此基础上得到各项新增费用，最后估算得到新增年运行费为21.85万元。新增流动资金主要是以足够的周转运营资金实现燃料、材料等各项支出的资金支付，以工程年运行费为取费基础，实现新增流动资金的获取。

呼图壁河林场口子水闸工程项目的实施，能够延长区域内持续供水时间，较大程度上改变原有的灌溉条件，提高灌溉保证率，不断提高辖区内农作物的单产效率，助力农作物的生长，以实现农业经济的飞速发展。在呼图壁河林场口子水闸修建完成并投入使用后，能有效覆盖辖区内3.48万亩的灌溉范围，解决辖区内原有灌溉用水不足等问题，促进农作物健康成长。研究人员结合辖区内农作物历年生长情况和农产品的经济效益，对水闸工程修建后的经济效益进行计算，可以得出该工程分摊效益为226.65万元，其经济内部收益率为：EIRR=9.80%；经济净现值：ENPV（i=8%）=317万元；效益费用比：EBCR=1.15；静态投资回收期：T=10.59年。

6.结论

本文在对呼图壁河林场口子水闸地理水文条件进行分析的基础上，探究了该工程建设的基本条件，认为呼图壁河林场口子水闸工程能有效依托自身地理优势和区位优势等，在综合考量工程水位抬高与泄洪的关系、设计长度等影响拦河闸坝设计因素的基础上，分析了呼图壁河林场口子水闸建设的工程总体布置及主要建筑物、水土保持设计内容和节能设计措施，最后对呼图壁河林场口子水闸的经济效益进行分析，为同类型小型拦河闸坝的建设提供更多经验借鉴。