基于黄土高原拦水坝建设探析

杨旭瑜

(府谷县应急救援保障中心,陕西 榆林 719000)

黄土高原区河流洪水季节性强,水量较少,泥沙较大,建设拦水坝及易淤积和影响行洪,现以府谷县清水川溢流堰为例,对黄土高原河流拦水坝建设类型进行分析。

1 概 况

清水川属黄河右岸一级支流,在府谷县哈镇进入陕西省境内,由西北向东南流经清水乡、清水工业园区于沙尧则汇入黄河,省内河长47km,流域面积为566.8km2,河道比降4.96‰[1]。清水川属季节性河流,雨季暴涨,旱季断流。河川径流年内、年际变化较大,并具有“双汛型”(“春汛”和“夏汛”)特征。多年平均流量1.2 m3/s,年径流量0.38亿m3,年输沙量1298万t。

2 水沙特性分析

2.1 暴雨洪水特性

清水川属中温带半干旱大陆性季风气候,区域多年平均降水量 453.5mm,降水量年内、年际分布不均,主要集中在 7～9 月份,尤以8月份最多,约占总量的 25%,且多以暴雨形式出现[2]。清水川位于黄河中游局部暴雨中心,为典型降水补给型河流,洪枯水流量悬殊较大,主要由流域超渗产流暴雨形成,洪水主要集中在主汛期,洪水暴涨暴落,具有陡涨陡落、瘦尖洪峰等特点。

2.2 泥沙特性分析

清水川流经黄土高塬沟壑区,暴雨期,水流量大,河床摆动大,岸坡冲刷严重,沿线建设用地和耕地被洪水淘刷侵蚀,水土流失严重。根据清水水文站实测资料分析,实测最大洪峰流量2610m3/s(1989年)。输沙量年际变化大,与洪水同步,随水增大而含沙量高,多年平均含沙量为209.6kg/m3。

3 溢流堰坝型方案比选

为了形成一定的湿地水面,改善区域气候环境,涵养水源、改善区域水环境,规划在清水川电厂段设计修筑 3 座低水头拦水坝。为了建设适宜当地水沙条件的溢流堰,现就橡胶坝、气盾坝、液压坝、溢流混凝土坝四种方案进行比选。

3.1 橡胶坝

橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程。由于橡胶的易老化特性和耐冲击性能差,使其寿命较短,一般不超过15a。相比其它类型的坝,橡胶坝工程造价相对要低,但是坝袋易被漂浮物或尖锐物损坏;运行管理困难,汛期塌坝调度与蓄水难以协调,塌坝时间长,洪水暴涨来不及塌坝就被洪水冲毁。需人工定期清理漂浮物;塌坝放水后,出现泥砂淤积覆盖坝袋,坝袋无法冲水,需人工清理泥砂, 而人工清淤极易损坏坝袋。充水式橡胶坝见图1。

图1 充水式橡胶坝示意图

3.2 气动盾形闸

气盾坝是综合橡胶坝、钢板坝二者之长的新型挡、泄水建筑物,由盾板、气 囊、基础锚固螺栓、气动充排系统组成,兼具了钢坝闸、橡胶坝的优点,落坝与升坝速度较橡胶坝快,漂浮物不会对气囊造成损伤;不存在断电造成坝袋塌落不下或塌落不充分的危险,闸板防冲刷性能好。缺点:单跨坝体需同时启闭,气囊充气时间较长,调度运行不够灵活。冬季运行需破冰,造价高。典型设计见图2。

图2 气动盾形闸示意图

3.3 液压坝

液压撑杆坝是将“三铰点变幅运动机构原理”与传统水闸的优化结合,针对各种水利、地质条件下研发的新闸型。液压撑杆坝的材料采用的是低碳合金钢板,受力条件好,坚固稳定;在无电、 无动力源的情况下,可自动降坝操作;安全可控度高,可根据闸顶过流水深大小及水流对坝面冲击成都,通过液压系统实现闸板降落;实现任意高度挡水,闸面可在任意设定角度范围内停留支撑。缺点是液压启闭机会浸泡于水中,工作环境差,难于检修维护;不便设置检修闸门,如遇检修或维护时则须设置上下围堰、抽水排水设施。设计见图3。

图3 液压坝示意图

3.4 溢流混凝土坝

混凝土坝泄水方式除坝顶溢流外,还可在坝身中部设泄水孔(中孔)以便洪水来临前快速预泄,或在坝身底部设泄水孔(底孔)用以降低水位或进行冲砂。溢流混凝土坝的主要优点是:可以通过坝身泄水或蓄水,省去专设的泄水和取水建筑物;施工导流和施工度汛比较容易;枢纽布置较紧凑,便于运用和管理;当遇偶然事故时,即使非溢流坝顶漫流,也不一定失事,安全性较好。其主要缺点是:对地基要求较高,混凝土坝通常建在地质条件较好的岩基上;混凝土坝施工中需要温控设施,甚至在炎热气候情况下不能浇筑混凝土;利用当地材料较少。

4 种坝型方案比选

4种拦水坝优缺点比较表,见表1。

表1 4种拦水坝优缺点比较表

通过投资、使用性能、运行管理等多方面比选,结合工程实际情况,溢流混凝土坝优点有耐久性好,投资低,无需运营维护管理,后期简单方便,且本次是对新修河槽设置蓄水坝,河道断面的过流流量为20.98～332.88m3/s,即当河道来水流量>20.98m3/s时,新修主河槽就会出现局部漫滩情况,当>332.88m3/s时新修主河槽就会全面漫滩。坝体较低且不影响河道防洪安全,利于水沙运行和清淤,因此推荐选用溢流混凝土坝实现壅水效果。

5 溢流堰结构设计

为了河道生态蓄水的需要,设计在本工程河段共设计3处溢流堰,1#溢流堰回水长度250m,蓄水量为9597m3;2#溢流堰回水长度199.5m,蓄水量为2664m3,3#溢流堰回水长度677.7m,蓄水量为25600m3。各溢流堰的具体设计情况如下:

5.1 1#溢流堰

位于桩号Q0+153.50处,设计溢流堰高1m、堰顶宽1m,堰体轴线为直线型,堰长20m,堰体为实用堰,上游侧边坡1∶0.25,下游侧边坡1∶0.7,设计堰顶高程857.20m。溢流堰采用C25钢筋混凝土结构,坝体纵向上每隔10m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。

溢流堰下游布设消力池,消力池底板高程855.60m,底板厚0.5m,池深0.6m,池长6.0m,消力池尾坎高程856.10m。采用C25钢筋混凝土浇筑,垂直水流方向每6m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花状布设排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹无纺土工布,并在孔底布设20cm厚中粗砂反滤层。消力池下游设1.0m厚格宾石笼防冲海漫,长9.0m,设计纵向比降4‰。海漫后设置5m长防冲槽,防冲槽深1m,底长2m,下游侧边坡1∶3,均采用抛石填充。

5.2 2#溢流堰

位于桩号Q0+355.00处,设计溢流堰高1m、堰顶宽1m,堰体轴线为直线型,堰长26m,堰体为实用堰,上游侧边坡1∶0.25,下游侧边坡1∶0.7,设计堰顶高程856.40m。溢流堰采用C25钢筋混凝土结构,坝体纵上每隔9m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。

溢流堰下游布设消力池,消力池底板高程854.90m,底板厚0.5m,池深0.5m,池长5.0m,消力池尾坎高程855.40m。采用C25钢筋混凝土浇筑,垂直水流方向每10m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花状布设排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹无纺土工布,并在孔底布设20cm厚中粗砂反滤层。消力池下游设1.0m厚格宾石笼防冲海漫,长7.0m,设计纵向比降4‰。海漫后设置5m长防冲槽,防冲槽深1m,底长2m,下游侧边坡1∶3,均采用抛石填充。

5.3 3#溢流堰(多级跌水)

位于桩号Q1+239.63处,设计溢流堰高2.5m、堰顶宽1.0m,堰体轴线为直线型,堰长60m,堰体为矩形断面结构,设计堰顶高程854.60m。溢流堰采用C25钢筋混凝土结构,堰顶大理石贴面,背水面毛石砌筑,增加美观度,坝体纵向上每隔10m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。

溢流堰下游布设三级跌水,每一级跌水宽度5.0m,跌坎高0.3m,顶宽0.5m,每级跌水落差0.8m,底板采用C25钢筋混凝土,厚度0.5m。三级跌水下设消力池,消力池底板高程851.60m,底板厚0.5m,池深0.5m,池长6.0m,消力池尾坎高程852.10m。采用C25钢筋混凝土浇筑,垂直水流方向每10m设沉降缝一道,缝宽2cm,缝内填充聚氯乙烯泡沫板,并设654型橡胶止水带一道,缝表层填塞聚硫密封胶。消力池后半段按照2.0m×2.0m梅花状布设排水孔,排水孔采用φ100PVC排水管,孔端包裹无纺土工布,并在孔底布设20cm厚中粗砂反滤层。消力池下游设1.0m厚格宾石笼防冲海漫,长7.0m,设计纵向比降4‰。海漫后设置5m长防冲槽,防冲槽深1m,底长2m,下游侧边坡1∶3,均采用抛石填充。

5.4 辅助消能工

1#溢流堰消力池后设9.0m长1.0m厚格宾石笼海漫,5m长抛石防冲槽;2#溢流堰消力池后设7.0m长1.0m厚格宾石笼海漫,5m长抛石防冲槽;3#溢流堰消力池后设7.0m长1.0m厚格宾石笼海漫,5m长抛石防冲槽;。使水流均匀扩散,调整流速分布,保护下游河床不受冲刷。

6 结 语

清水川洪水季节性,且泥沙较大,经过分析探讨,其它拦水坝在行洪和泥沙方面都有缺点,不利于后期运营管理,相对来说,溢流混凝土坝比较适用。1#、2#溢流堰堰型尺寸相同,设计溢流堰高均为1.0m、堰顶宽1.0m;3#溢流堰设计堰高为2.5m、堰顶宽1.0m,溢流堰下游设三级跌水。溢流堰均采用C25钢筋混凝土修筑,1#、2#溢流堰回水长度约250m形成水深1.0～0.5m;3#溢流堰回水长度约625m,形成水深2.5～0.5m。该水深即可满足湿地区水生植物生长的需要,又能形成一定的水面景观效果,为黄土高原区类似工程建设提供了借鉴。