阿拉溝渠首工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

張藝媛

（吐魯番市清源水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 項(xiàng)目概況

阿拉溝河發(fā)源于天格爾山山脊處的冰川區(qū)，流域上游為高山區(qū)，流域最高海拔4 km 以上。河流自西向東先后與支流夏爾格溝、艾維爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝和白楊河匯合，尾閭為位于吐魯番市境內(nèi)的艾丁湖。阿拉溝出山口處設(shè)有阿拉溝水文站，測(cè)站以上集水面積1 861 km2，多年平均徑流量為1.34 億m3，出山口以下河段位于堆積平原，河段為基本對(duì)稱U 型河谷，土壤以栗鈣土-棕鈣土為主，植被稀疏。

阿拉溝渠首位于托克遜縣西部約60 km 阿拉溝河出山口處，始建于1962 年，為中型工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，設(shè)計(jì)引水流量為11 m3/s。

工程建設(shè)運(yùn)行60 余年來(lái)，對(duì)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起到了重要作用。受建設(shè)期條件限制，且工程長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，經(jīng)托克遜縣水利局委托鑒定，阿拉溝渠首工程存在過(guò)洪能力和引水能力不足，泄洪沖沙閘混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，泄洪沖沙閘下游防沖消能不滿足規(guī)范要求，渠首淤積嚴(yán)重、泄洪沖沙閘和進(jìn)水閘閘室底板及閘墩混凝土磨損剝蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，鑒定結(jié)果為四類閘。

2 氣象水文

托克遜縣位于歐亞大陸腹地，北、西、南有高山屏障，地勢(shì)低洼，為典型的溫帶大陸性干旱氣候，酷熱、干燥、多大風(fēng)、降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫年際變化不大，而日差較大。多年平均降水量為8.2 mm，6—8 月降水量為5.1 mm，多年平均蒸發(fā)量為3 014.9 mm，多年平均氣溫為14.5 ℃，最大凍土深0.6 m。

根據(jù)吐魯番地區(qū)水文水資源勘測(cè)局《新疆托克遜縣阿拉溝渠首除險(xiǎn)加固工程水文分析計(jì)算》報(bào)告成果，計(jì)算設(shè)計(jì)工況下阿拉溝渠首不同保證率設(shè)計(jì)年徑流量，成果如表1 所示[1]。

表1 阿拉溝引水渠首工況下設(shè)計(jì)年徑流量成果表

阿拉溝渠首設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，設(shè)計(jì)洪水的推演需要側(cè)重考慮阿拉溝水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)節(jié)影響，水庫(kù)僅調(diào)節(jié)遭遇30 年一遇以上規(guī)模洪水，因此，此次只需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為1.0%，2.0%，3.3%的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，其余設(shè)計(jì)洪水與天然狀況下的設(shè)計(jì)洪水相同。不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表2[2]。

表2 阿拉溝渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果對(duì)比表

3 工程規(guī)模與總體設(shè)計(jì)

3.1 工程規(guī)模

工程主要任務(wù)是保證渠首正常引水，提高灌區(qū)9 200 hm2耕地的灌溉保證率；提高渠首的防洪標(biāo)準(zhǔn)至設(shè)計(jì)洪水20 年一遇、校核洪水50 年一遇。除險(xiǎn)加固工程采用拆除重建形式，主要建筑物由泄洪閘、沖砂閘、溢流堰、引水閘、上下游導(dǎo)流堤組成。工程規(guī)模為中型，工程為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。

3.2 工程總體布置

阿拉溝渠首除險(xiǎn)加固選擇臨近原閘址上游約400 m 處修建，上下游河寬穩(wěn)定寬闊，河道平順，水流情況好，采用閘堰結(jié)合方案，樞紐從左岸至右岸依次布置引水閘、沖砂閘、溢流堰、泄洪沖砂閘、溢流堰，其中，引水閘軸線與泄洪沖砂閘軸線夾角為90°，引水角為90°，泄洪沖砂閘軸線和溢流堰軸線均與河道中心線垂直布置。

上下游導(dǎo)流堤總長(zhǎng)度為535.80 m，其中上游左岸建導(dǎo)流堤173.30 m，右岸新建導(dǎo)流堤193.80 m；下游左岸新建導(dǎo)流堤100.50 m，右岸新建導(dǎo)流堤68.20 m。導(dǎo)流堤采用梯形斷面，迎水面坡比為1∶1.75，背水面坡比為1∶1.5，堤頂寬4.00 m，堤身高3.50 m，基礎(chǔ)埋深2.00～4.00 m。堤身采用砂礫石填筑，相對(duì)密度Dr≥0.75；迎水面采用混凝土面板襯砌，地面以上襯砌厚度為0.15 m，地面以下襯砌厚度為0.20 m，面板順?biāo)鞣较蛎?.00 m、垂直水流方向每5.00 m 設(shè)伸縮縫[3]。

新建引水閘為1 孔，凈寬5.00 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C25 二級(jí)配混凝土澆筑，抗凍等級(jí)為F200，防滲等級(jí)為W6。引水閘進(jìn)口底板高程為813.50 m，閘墩頂高程為816.70 m，閘室邊墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬1.00 m，閘室總寬7.00 m、全長(zhǎng)10.00 m，設(shè)置1道平面工作閘門(mén)、一道平面檢修閘門(mén)。

新建泄洪沖砂閘為3 孔，凈寬5.00 m，由上游防滲鋪蓋、閘室段、斜坡護(hù)坦段組成，布置在引水閘右側(cè)，軸線與河床軸線平行，與引水閘軸線夾角為90°。閘室段全長(zhǎng)12.00 m、總寬19.40 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩頂寬1.00 m、中墩寬1.20 m。閘底板高程為812.30 m，閘墩頂高程為816.70 m，3 孔工作閘門(mén)均采用弧形閘門(mén)，設(shè)置1 道移動(dòng)平面檢修鋼閘門(mén)。閘室后接消力池，采用陡坡連接，坡度為1∶6，消力池長(zhǎng)16.80 m，陡坡與消力池底板邊墻均采用漿砌石結(jié)構(gòu)，消力池后接長(zhǎng)20.00 m 的鉛絲石籠。

溢流堰靠泄洪沖砂閘兩側(cè)布置，共2段，單段凈寬31.50 m，采用WES 堰，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，溢流堰垂直水流方向?qū)挾?3.00 m，堰頂高程815.10 m，溢流堰垂直水流方向每隔10.00 m 設(shè)置沉降縫，采用橡皮止水。上游鋪蓋位于引水閘、泄洪沖砂閘、溢流堰上游測(cè)，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為20.00 m，底板為0.50 m 厚混凝土結(jié)構(gòu)，呈10.00 m×10.00 m 分縫布置，采用橡皮止水。

3.3 過(guò)流能力計(jì)算

引水閘正常引水時(shí)，泄洪沖砂閘關(guān)閉，引水閘凈寬5.00 m，加大引水流量為13.75 m3/s；為保證沖砂及閘底板同上游河道合理銜接，考慮到運(yùn)行期沖砂功能，泄洪沖砂閘閘底板高程為812.30 m；泄洪時(shí)溢流堰與泄洪沖砂閘聯(lián)合運(yùn)行。引水閘、泄洪沖砂閘和溢流堰過(guò)流能力計(jì)算公式[4]：

式中：Q為過(guò)閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬（堰寬），m；δs為堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的水深，m；g為重力加速度，9.81 m/s2。引水閘、泄洪沖砂閘過(guò)流能力計(jì)算成果如表3 所示。

表3 引水閘泄洪沖砂閘及溢流堰過(guò)流能力計(jì)算成果表

3.4 閘頂高程計(jì)算

該工程為Ⅲ等中型工程，閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定，水閘擋水時(shí)，閘頂高程應(yīng)不低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）、波浪高度及相應(yīng)安全超高值之和，該工程安全超高下限值正常蓄水位下為0.40 m、最高檔水位下為0.30 m；泄水時(shí)，閘頂高程應(yīng)不低于設(shè)計(jì)洪水位（或校核洪水位）及相應(yīng)安全超高值之和，該工程安全超高值設(shè)計(jì)洪水位下為0.70 m、校核洪水位下為0.50 m；工程閘頂交通橋梁底高程高出最高洪水位0.50 m。

波浪平均波高h(yuǎn)m（m）、平均波周期Tm（m）采用下式計(jì)算：

式中：W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Hm為水域平均水深，m；v0為計(jì)算風(fēng)速，設(shè)計(jì)洪水位取多年平均最大風(fēng)速的2 倍，校核洪水位取多年平均最大風(fēng)速，m/s；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；H為堰上水深，m；Lm為平均波長(zhǎng)，m。泄洪沖沙閘閘頂超高及閘頂高程計(jì)算結(jié)果如表4 所示，綜合各工況計(jì)算成果確定泄洪閘閘頂高程為816.70 m。

表4 泄洪沖砂閘閘頂超高及閘頂高程計(jì)算成果表

3.5 消能防沖設(shè)計(jì)

以迭代法計(jì)算收縮水深和共軛水深，判定該工程泄洪沖沙閘、溢流堰下發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍，根據(jù)有關(guān)規(guī)范選取挖深式等寬消力池，消力池各特征值按下式計(jì)算：

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒(méi)系數(shù)；h″c為躍后水深，m；h′s為出池下游水深，m；△z為出池落差，m；hc為收縮水深，m；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)；q為過(guò)閘單寬流量，m3/s；b1，b2為消力池首段和末段長(zhǎng)度，m；T0為消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m；φ為孔流流速系數(shù)。

進(jìn)水閘消力池底板厚度t（m）按下式計(jì)算。

根據(jù)抗沖要求：

根據(jù)抗浮要求：

式中：k1為消力池底板計(jì)算系數(shù)；k2為消力池底板安全系數(shù)；△H為閘孔泄流時(shí)上下游水位差，m；U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力，kPa；W為作用在消力池表明底面的揚(yáng)壓力，kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力，kPa；γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3。

海漫長(zhǎng)度Lp（m）按下式計(jì)算。

式中：KS為海漫計(jì)算系數(shù)；q為海漫末端單寬流量，m3/s。

經(jīng)計(jì)算可知，泄洪沖沙閘消力池計(jì)算深度為1.18 m，設(shè)計(jì)值取1.20 m；消力池水平段計(jì)算長(zhǎng)度為14.67～16.77 m，設(shè)計(jì)值取16.80 m；陡坡段坡度為1∶6；陡坡段水平長(zhǎng)度與溢流堰陡坡段銜接長(zhǎng)度為13.20 m，故消力池總長(zhǎng)度取30.00 m；消力池底板厚度取抗沖和抗浮計(jì)算值較大者，由抗沖計(jì)算結(jié)果控制為0.68 m，設(shè)計(jì)值取0.80 m；消力池下海漫長(zhǎng)度計(jì)算值為18.84 m，設(shè)計(jì)值取20.00 m。溢流堰消力池計(jì)算深度為0.69 m，設(shè)計(jì)值取0.8 m；消力池水平段計(jì)算長(zhǎng)度為11.83～13.52 m，設(shè)計(jì)值取14.00 m；陡坡段坡度為1∶6；消力池底板厚度取抗沖和抗浮計(jì)算值較大者，由抗沖計(jì)算結(jié)果控制為0.32 m，設(shè)計(jì)值取0.50 m；消力池下海漫長(zhǎng)度計(jì)算值為13.42 m，設(shè)計(jì)值取15.00 m。

4 結(jié)語(yǔ)

阿拉溝渠首是托克遜縣重要引水樞紐，始建于20 世紀(jì)60 年代，受建設(shè)時(shí)條件限制和多年運(yùn)行影響，渠首工程存在防洪能力不足、主要建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等嚴(yán)重隱患。針對(duì)上述情況，此次研究通過(guò)對(duì)過(guò)流能力、消能防沖、閘頂高程等的水力計(jì)算，確定了阿拉溝渠首工程的除險(xiǎn)加固方案。該方案的實(shí)施使區(qū)域居民供水能力得到了進(jìn)一步提高和完善，有效保障了區(qū)域防洪安全。