孔雀河第一分水樞紐泄洪沖沙閘除險加固探析

西爾艾力·加帕爾

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局， 新疆 巴州 841000)

孔雀河第一分水樞紐1965年建成投產,在促進當?shù)厣鐣洕l(fā)展和防汛抗洪方面發(fā)揮了重要作用，效益顯著。工程運行多年，泄洪閘出現(xiàn)眾多問題，急需進行除險加固。

1 工程概況

孔雀河第一分水樞紐位于孔雀河石灰窯水電站尾水末端[1]，樞紐包括：5孔泄洪沖砂閘、西岸(右岸)4孔進水閘及東岸(左岸)2孔的進水閘。泄洪沖砂閘布置在河道中間，泄洪沖砂閘總凈寬30 m(5孔×6.0 m)。泄洪沖砂閘為平底開敞式，由上游鋪蓋段、閘室段、下游消能防沖段組成。樞紐工程設計洪水標準為20 a一遇，相應流量為243 m3/s；校核洪水標準為50 a一遇，相應流量為317 m3/s，左岸庫塔干渠進水閘引水流量35 m3/s，右岸十八團渠進水閘引水流量23 m3/s?？兹负拥谝环炙畼屑~主要擔負農二師十八團渠灌區(qū)、庫塔干渠灌區(qū)(庫爾勒、尉犁縣)灌溉引水任務[2]。

2 工程病險問題

經過勘察調查，泄洪沖沙閘主要存在以下問題：

2.1 泄洪能力不足

經過勘察計算，現(xiàn)狀建筑物高度不能滿足宣泄現(xiàn)設計和校核洪水流量，威脅樞紐運行安全，需加高閘墩。由于本工程地處孔雀河出山口處，汛期洪水將大量的泥沙攜運到此，導致了樞紐處上游河段泥沙淤積嚴重，抬高河床，行洪能力降低[3]，威脅著工程安全。

2.2 泄洪沖沙閘后消能防沖不足

由于洪水淘刷，造成泄洪沖沙閘閘后形成沖刷坑，閘后消能防沖不滿足要求，消力池及海漫段沖毀，影響樞紐安全。

2.3 建筑物破損嚴重

由于凍融加上洪水期泥沙的磨損，造成閘室底板存在沖坑，破壞嚴重；閘墩存在凍融破壞，漿砌石剝落，并多處存在破壞裂縫。閘墩下部表層漿砌石剝落，并多處存在破壞裂縫，影響漿砌石結構安全；泄洪沖沙閘弧門支承牛腿均存在裂縫、壓碎破壞；啟閉平臺寬度較窄，管理極為不便。同時未設檢修閘門，且無法設置啟閉設施。

3 樞紐形式及閘址選擇

目前新疆已經建成并具成功經驗的引水型式有：無壩引水渠首，彎道式引水渠首，底欄柵式引水渠首，攔河閘壩式引水渠首，分層式引水渠首等。

根據(jù)孔雀河水文地質條件以及第一分水樞紐的功能，初步比選適合于孔雀河的引水樞紐型式為攔河閘式和橡膠壩式引水渠首?？兹负訌倪_吾提閘開始經鐵門關水庫、石灰窯水電站到達孔雀河第一分水樞紐，孔雀河第一分水樞紐接石灰窯水電站尾水末端，由于受到石灰窯水電站調峰影響，樞紐前水位變化頻繁，同時孔雀河第一分水樞紐兩岸承擔著向農二師十八團渠、地方庫塔干渠分水的任務，為了達到引水要求，需要反復調節(jié)樞紐前的水位，而橡膠壩不能適應這種反復、快速調節(jié)水位的要求，而攔河閘基本上不改變上、下游河道的形態(tài)既可以雍水又可利用開閘泄洪沖砂，除能排除閘前淤積的泥砂外，并能靈活調節(jié)水位和流量，還可借閘門的開啟來調節(jié)主流的方向，使取水口始終保持良好的引水條件。因此本次除險加固樞紐型式仍和現(xiàn)狀一樣，采用攔河閘型式，閘址維持不變。

4 泄洪沖沙閘除險加固設計

4.1 閘底板高程確定

孔雀河第一分水樞紐現(xiàn)狀攔河閘五孔，閘孔凈寬6 m，原設計閘底板高程947.657 m，本次測量高程947.720 m；左岸庫塔干渠進水閘2孔，原設計閘底板高程948.351 m，本次測量高程948.350 m；右岸十八團渠閘4孔，原設計閘底板高程948.351 m，本次測量高程949.100 m。河底平均調和948.580 m。

根據(jù)本次測量成果結合孔雀河現(xiàn)場查看，再對比原設計圖紙，可以看出，經過多年運行，樞紐閘址上下游處有部分淤積。為了保證河道穩(wěn)定性，本次設計時，擬將閘底板高程抬高0.3 m。初步擬定泄洪閘閘底板高程948.000 m。

4.2 閘孔寬度確定

根據(jù)泄洪流量和造床流量下的河寬來確定閘寬，避免過分束窄水流造成阻水現(xiàn)象。閘孔寬度主要涉及過閘單寬流量的大小。閘孔總凈寬計算公式，見式(1)：

(1)

式中：B0為閘孔總凈寬,m；Q為過閘流量，Q設取243 m3/s,Q校取317 m3/s；σ為堰流淹沒系數(shù),取1.0；ε為堰流側收縮系數(shù)，取0.96；m為堰流流量系數(shù),取0.385；g為重力加速度,取9.81 m2/s；H0為計入行近流速水頭的堰上水深,m。

根據(jù)勘察知：閘址處(0+553)斷面、上游河道(0+473.4)處和下游河道(0+644.6)處斷面在過設計和校核洪峰流量時水位情況，詳見表1。

表1 閘址和下游河道處斷面水位～流量關系成果

經計算，閘孔總凈寬為30.0 m，初步擬定攔河閘總寬度維持現(xiàn)狀不變，即泄洪閘沖沙閘30.0 m(5孔×6.0 m)。

4.3 閘頂高程確定

根據(jù)過流能力知：閘前正常水位950.89 m，閘前設計洪水位950.90 m、校核洪水位951.47 m。

波浪計算高h見式(2)：

h=hp+hz

(2)

式中：hp為平均波高,m;換算為累計頻率5%的波高(高出波浪中心線的高度)，m；hz為波浪中心線超出計算水深的高度，m。

波浪的平均波高和波長采用莆田試驗站公式，見式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：hm為平均波高，m；W為計算風速，m/s；D為風區(qū)長度，m；Hm為水域平均水深，m；Tm為平均波周期，s；Lm為平均波長，m；多年最大風速為12 m/s；H為閘前水深，m。

hp應根據(jù)工程等級查表換算得出，波列累計頻率可有《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)附錄E表E.0.1-1查得；再根據(jù)平均波高與風區(qū)內平均水深的比值hm/Hm，可由規(guī)范SL 265—2016表E.0.1-2查出波高與平均波高的比值hp/hm,由規(guī)范SL 265—2016表E.0.1-2查得。

波浪中心線超出計算水位的高度hz計算公式，見式(6)：

(6)

按規(guī)范SL 265—2016中規(guī)定，確定3級建筑物安全超高下限值，經計算閘頂超高及閘頂高程計算結果見表2。

表2 閘頂高程計算成果

由表2知：最不利情況計算的閘墩頂高程為952.32 m?？紤]閘前泥沙淤積、留一定安全富裕，最終擬定閘墩頂高程為952.50 m。

4.4 閘室布置

泄洪閘沖沙閘閘室長12 m，閘室結構為整體式鋼筋混凝土結構，閘室設檢修門槽、工作閘門，上部設交通橋、排架、工作橋及啟閉閘房。泄洪沖沙閘閘底板高程948.00 m，閘墩頂高程952.50 m。

(1)底板。采用平底寬頂堰型式，順水流方向長12 m，底板厚1.0 m，在底板上、下游各設一道深1.2 m齒墻，齒墻底寬1.0 m，底板高程為948.0 m。

(2)閘墩。閘墩凈高4.4 m、厚1.2 m、墩頂高程952.5 m。分縫處閘墩凈高4.4 m、厚0.8 m、墩頂高程952.5 m。

(3)工作閘門。工作閘門為弧形閘門，閘門寬高尺寸為6.0 m×3.0 m，選用QH2×100 kN-10 m雙吊點固定卷揚式啟閉機動水啟閉。上游側設檢修門槽，檢修門為平板鋼閘門，閘門寬高尺寸為6.0 m×2.5 m。

(4)檢修橋、啟閉臺及工作橋。閘墩中游頂部設有高4.40 m的鋼筋混凝土排架，排架頂部設有寬6.42 m啟閉臺，啟閉臺上布置有閘房，閘房為磚混結構，閘房寬3.90 m，閘房前后為走廊寬1.26 m。啟閉臺上游底部設吊葫蘆軌道。閘墩下游頂部設有寬4.0 m工作橋，橋面凈寬3.5 m，橋面板為厚0.4 m的鋼筋混凝土結構,橋面高程952.9 m。

(5)上游鋪蓋段。上游鋪蓋水平長10 m，水平鋪蓋厚0.5 m為混凝土結構，鋪蓋高程為948.0 m，鋪蓋順水流方向間隔8 m設縱向伸縮縫。根據(jù)場址處的河床土質條件，上游鋪蓋前設一道厚0.5 m、深3.0 m、邊坡為1∶1.5的混凝土斜墻，做為防沖墻兼垂直防滲體。

4.5 消能防沖布置

閘后消能采用底流式消能方式，泄洪沖沙閘下游連接段包括斜坡護坦段、防沖深隔墻等。

(1) 斜坡護坦段。考慮與現(xiàn)有泄洪沖沙閘的銜接，設斜坡護坦段長12 m，采用1∶40斜坡，末端高程947.7 m，采用鋼筋混凝土結構；斜坡護坦段兩岸翼墻為鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結構，墻高6.7 m、墻頂寬0.6 m、底寬4.5 m。

(2)防沖深隔墻。斜坡護坦末端設一道頂寬1.0 m、基礎寬2.552 m，深為5.0 m的混凝土深隔墻，作為垂直防沖墻,防沖墻迎水面坡度1∶0.75，底部設1.0 m寬的放大基礎。墻后設結構尺寸長×寬×高=1.0 m×1.0 m×0.8 m的排軟排混凝土塊,混凝土軟排長19.9 m，軟排混凝土塊下鋪拋石(d≥30 cm)，混凝土軟排兩岸翼墻為鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結構，其中前段11.0 m墻高9.8 m、墻頂寬0.6 m、底寬7.0 m；后段9.9 m墻高7.3 m、墻頂寬0.6 m、底寬6.5 m。

4.6 過流能力計算

(1)泄洪沖沙閘。樞紐泄洪只考慮泄洪沖沙閘泄洪，保證運行安全。泄洪沖沙閘為平底開敞式寬頂堰,根據(jù)公式(1)計算，計算結果見表3。

表3 泄洪沖沙閘過流能力計算情況

由樞紐處(樁號K0+553)天然河道水位—流量關系曲線可知，設計洪水位951.05 m，校核洪水位951.44 m，計算過程詳見表1。所以，閘前設計水位、校核水位與水文分析計算的水位流量關系基本符合。

(2) 過流能力計算。正常引水工況：庫塔干渠設計流量35 m3/s，加大流量40 m3/s，相應設計引水位950.89 m，加大引水位951.07 m；十八團渠設計流量23 m3/s，加大流量28 m3/s，相應設計引水位950.53 m，加大引水位950.73 m；

本次以庫塔干渠引水位作為正常引水位，正常引水位950.89 m。設計工況：設計流量243 m3/s(P=5%)，相應水位950.90 m；校核工況：校核流量317 m3/s(P=2%)，相應水位951.47 m。經對比，過流能力滿足設計防洪標準，滿足正常引水、農業(yè)灌溉用水要求,詳見表4。

表4 樞紐過流能力計算成果

5 結 語

為了確?？兹负拥谝环炙畼屑~泄洪沖沙閘安全運行，經對調查勘察和分析計算，在除險加固中，對閘底板和閘頂分別進行加高，即加固方案為泄洪沖沙閘共設5孔，每孔寬6 m，中墩厚1.20 m，縫墩厚0.80 m，泄洪沖沙閘閘墩頂高程為952.50 m，閘室長12 m，采用整體式鋼筋混凝土結構，閘室總寬為37.60 m，閘底板厚1.0 m，底板高程為948.00 m，為工程除險加固提供了科學依據(jù)。