金沟河引水枢纽挡水建筑物型式比选研究

高 鑫

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

金沟河引水枢纽工程位于金沟河中游河段，始建于1959年，1960年竣工投入运行，是一个以灌溉为主的第一代费尔干式引水工程[1]。金沟河来水不均，洪水较为集中，灌溉季节引水比达70%以上，费尔干式引水枢纽已无法有效形成弯道环流冲砂。由于运行时间长久，该引水枢纽人工弯道不能起到应有的作用，导致河床及闸前后淤积，建筑物过流不足，防洪能力下降，每年需要清淤，影响工程运行[2]。鉴于金沟河引水枢纽存在的诸多隐患问题，同时现有的费尔干式布置形式在高引水比情况下，无法解决泥沙淤积问题[3]。因此，建议拆除重建。

本次枢纽重建工程采用内外库引水枢纽方案。内外库引水枢纽具有一定的淤积库容，主要将河道泥沙中的推移质先淤积在外库，利用间歇洪水将泥沙带入枢纽下游。内外库之间布置一道挡墙，将外库浑水与内库清水分割开，当内库需水量不足时，打开内库进水闸，引外库表层清水，向内库溢流。再经过内库的进一步沉淀，将水通过内库引水闸将水引向下游[4]。这样的布置形式很好地解决了高引水比情况下的泥沙问题，目前该工程已开工。

2 挡水建筑物形式比选研究

内库由上游挡水建筑物和下游挡水坝共同围成，由于金沟河引水枢纽工程选址于出山口位置，河谷宽度较窄，并且地质条件为砂卵砾石，第四系冲积堆积，厚度5～15.80m，属于深厚覆盖层，因此上游挡水建筑物在此工程中至关重要，本文从施工角度出发，结合地质条件，从常见的水工建筑物形式中选取土工膜心墙坝、胶凝砂砾石坝、扶臂式挡水墙三种形式作为比选方案。

2.1 土工膜心墙方案

根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》，设计土工膜心墙坝作为上游挡水建筑物。坝长530.63m，坝高6～16.06m，坝顶高程823.000m，两侧坝坡均采用1∶2.25，坝体主要采用砂砾石填筑。C25混凝土护坡板位于两侧坝坡面，内外库板厚20cm，混凝土板尺寸为3.0m×3.0m，两侧混凝土板下部均铺设有滤水无纺布，混凝土板上内库蓄水位以下设置了排水孔。防渗土工膜位于坝体中部，膜布底部深入坝基以下3m，采用两布一膜，膜厚0.5mm，采用长纤针刺非织造土工布，膜周为1m厚砂保护层[5]。外库一侧坡底采用混凝土斜墙一坡到底，齿墙深0.8m，上覆4m深抛石回填防护，抛石下部铺设有滤水无纺布。内库侧坡底布置2m高排水棱体，反滤料厚度0.3m。坝顶道路宽度3m，采用沥青混凝土铺装。土工膜心墙坝横剖面简图如图1所示。

2.2 胶凝砂砾石坝方案

根据SL678- 2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》，设计胶凝砂砾石坝作为上游挡水建筑物。坝长530.63m，坝高11～16m，坝顶高程823.000m，坝顶宽3m，大坝为砂砾石地基，每隔20m设置一道横缝[6]。高程820m以下两侧坝坡均采用1∶0.6，以上为3m高直墙，坝体外部采用C20混凝土浇筑，内部碾压胶凝砂砾石[7]。大坝底部设C15混凝土垫层，厚1m。外库一侧坡底上覆4m深抛石回填防护，抛石下部铺设有滤水无纺布，内库侧开挖料回填。胶凝砂砾石坝横剖面简图如图2所示。

图2 胶凝砂砾石坝横剖面图

2.3 扶壁式挡水墙方案

根据SL191- 2008《水工混凝土结构设计规范》，设计扶臂式挡水墙作为上游挡水建筑物。总长530.63mm，墙顶高程823.000m，为C25钢筋混凝土结构。墙身总高10～13m，墙宽0.5m～0.9m，底板总宽8.35～10.95m，厚1m，每20m一个分段[8]。其中墙踵悬挑长5.25～7.0m、墙趾悬挑长2.3～3.05m，肋板间距5m，扶肋厚0.5m，坡比1/0.6。墙踵底部布置高1m，宽0.6～1.6m抗滑齿。扶壁式挡水墙横剖面简图如图3所示。

图3 扶臂式挡水墙典型横剖面图

项目土工膜心墙坝方案胶凝砂砾石坝扶臂式挡土墙地质条件砂卵砾石,第四系冲积堆积,厚度5～15.80m,承载力350kPa,下伏紫红色泥岩、砂岩,岩体强风化层厚3m,弱风化层厚3～10m。特征参数坝高6～16m,内外侧坝坡1∶2.25。坝高11～16m,内外侧坝坡1∶0.6。墙高10～13m,内侧扶臂坡比1∶0.6。天然建筑材料坝壳料和垫层料选用当地料场砂砾料,C25混凝土护坡外部C20常态混凝土防渗层,底部C15混凝土垫层,内部胶凝砂砾石C25钢筋混凝土耐久性两布一膜防渗性能好,在坝壳保护下抗紫外线、抗低温性能较好,使用期长。混凝土结构强度高,抗渗性能好,耐久性高,具有一定的抗冲刷性。应力变形土工膜防渗体设有伸缩节,对坝体不均匀沉降的敏感性小。自身无变形,但在砂砾石基础上易发生不均匀沉降。对当地气候的适应能力目前广泛使用的高密度聚乙烯复合土工膜具有较大的使用温度范围施工期应控制浇筑温度,大体积混凝土冬季保温,完建后对气候适应力强避免在较热或较冷天气浇筑混凝土,完建后对气候适应力强施工条件各方案均采用机械化进行坝体的施工,混凝土重力坝比土石坝施工难度大墙壁薄,无大型机械施工平台土工膜心墙“Z”形铺膜并有粗沙保护层填筑,施工工艺较为复杂。但在施工过程中焊缝容易出现接触张口,引起渗漏胶凝大体积混凝土浇筑时虽然水化热较低,但仍需控制温度,注意养护,常规混凝土与碾压混凝土施工有干扰,寒冷地区过冬时混凝土需要保温处理施工期要做好混凝土表面养护防晒工作。由于是薄壁高墙结构,模板支设和钢筋架立均较为困难工程投资724.71万元1785.06万元1304.40万元

2.4 方案比选结果

以上3个方案均能满足工程布置要求，但是其中胶凝砂砾石坝方案投资最高，是土工膜心墙坝方案的2倍。根据SL678- 2014，对于中低胶凝砂砾石坝，可建在新鲜、微风化或弱风化基岩上，非岩石地基需要专门论证。目前，国内外所有胶凝砂砾石坝均布置在基岩上，没有非岩石地基筑坝经验供本工程借鉴，国内也没有将胶凝砂砾石坝做永久坝使用案列[9]。因此不推荐胶凝砂砾石坝方案。

扶臂式挡水墙相比与土工膜心墙坝投资高，但是扶臂式挡墙结构，依靠钢筋混凝土直墙进行挡水，混凝土结构的防冲效果与砂砾料土工膜心墙相比，更为可靠。并且扶臂式挡墙结构紧凑，可以增大内库库容。扶壁式挡水墙优势更加明显，因此推荐扶壁式挡水墙。3个方案的具体比选情况见表1。

3 结语

根据金沟河特殊的地质地形条件，从工程实际出发，通过详细的布置和概算分析，得出最优方案为扶壁式挡水墙。虽然最终选取了传统的混凝土结构，但为高引水比，多泥沙河流的建筑物设计提供了借鉴，并为今后类似工程设计提供思路。

[1] 孙丽. 金沟河引水渠首泥沙处理的设计[J]. 中国水运. 2016, 16(06): 222- 223.

[2] 逢焕春. 新建玛纳斯河弯道式引水渠引水防沙技术研究[J]. 水利规划与设计, 2013(08).

[3] 新疆水利水力勘测设计研究院. 金沟河流域规划报告[R]. 新疆. 2008.

[4] 新疆水利水力勘测设计研究院. 金沟河引水枢纽初步设计报告[R]. 新疆. 2015

[5] SL274- 2001. 碾压式土石坝设计规范[S].

[6] SL678- 2014. 胶结颗粒料筑坝技术导则[S].

[7] 陈涛. 胶凝砂砾石坝的设计思想与设计准则[J]. 水利科技与经济, 2008(04).

[8] 刘永富, 李海波, 马振梅. 浅谈挡土墙计算高度的取值[J]. 水利规划与设计, 2004(03).

[9] 杨晋营, 燕荷叶, 闫国保. 工程条件对胶凝砂砾石坝的影响分析[J]. 水利规划与设计, 2016(01).