新疆瑪河流域灌區(qū)西調(diào)渠節(jié)制退水閘水力設(shè)計(jì)與閘室穩(wěn)定分析

吳文新

（新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000）

1 新疆瑪河流域西調(diào)渠概況

2 西調(diào)渠節(jié)制退水閥設(shè)計(jì)

新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)核心地帶，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東至塔西河，西至巴音溝河，南至依連哈爾尕山，北至古爾班通古特沙漠。灌區(qū)西調(diào)渠建于1990 年，1992 年通水運(yùn)行，起點(diǎn)位于東岸大渠樁號(hào)15+781 處，經(jīng)過(guò)瑪河過(guò)河涵洞后，平行瑪河西岸防洪堤布置，末端投入夾河子水庫(kù)溢洪渠。西調(diào)渠工程是灌區(qū)引蓄瑪河?xùn)|西岸水量調(diào)節(jié)平衡的重要水利工程，擔(dān)負(fù)著由東岸大渠向蘑菇湖、大泉溝水庫(kù)的調(diào)水任務(wù)，是瑪納斯河水進(jìn)入石河子灌區(qū)的重要通道之一。

西調(diào)渠節(jié)制退水閘位于跨河渡槽的引水渠樁號(hào)0+837.55 處，由節(jié)制閘和分水閘組成，節(jié)制閘最大過(guò)流量35 m3/s，分水閘最大過(guò)流量35 m3/s，作為瑪河的防洪通道，不僅起著防洪作用，還承擔(dān)著給瑪河灌區(qū)分水的任務(wù)，因此，該退水閘是瑪河灌區(qū)重要的水利樞紐工程。西調(diào)渠節(jié)制退水閘設(shè)計(jì)流量為35 m3/s，工程級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2.1 閘孔凈寬

根據(jù)水閘運(yùn)行工況，假設(shè)上游渠道來(lái)水最大流量93.5 m3/s，分別按下列兩種最不利工況計(jì)算節(jié)制閘與分水閘閘孔寬。

（1）引用流量82.5 m3/s，分水閘引用流量11 m3/s。

該工況下節(jié)制閘引用流量最大，節(jié)制閘所需閘孔寬最大；分水閘引用流量?jī)H11 m3/s，分水閘為半開(kāi)狀態(tài)。根據(jù)規(guī)范，閘孔凈寬如下公式確定：

式中：Q 為過(guò)閘流量，m3/s；b 為單孔閘凈寬，節(jié)制閘b=4 m，分水閘b=4.5 m；n 為孔口數(shù)，節(jié)制閘n=5，分水閘n=2；H0為包括行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，閘前水深為1.61 m，閘前總水頭1.85 m；m 為流量系數(shù)，可采用0.385；ε 為側(cè)收縮系數(shù)；σ 為堰流淹沒(méi)系數(shù)。

由渠道水力計(jì)算知，節(jié)制閘下游渠道水深為hs=1.27 m，hs/H=1.27/1.61=0.79＞0.72，判斷節(jié)制閘后為自由出流，淹沒(méi)系數(shù)查σ=1。將以上各值代入公式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 節(jié)制閘過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1 可知，節(jié)制閘過(guò)加大流量82.5 m3/s 時(shí)，所需節(jié)制閘孔寬為20 m，因此，確定節(jié)制閘閘孔總凈寬為20 m。

（2）節(jié)制閘引用流量58.5 m3/s，分水閘引用流量35 m3/s。

該工況下分水閘引用流量最大，分水閘所需閘孔凈寬最大，根據(jù)水力計(jì)算確定分水閘孔口寬，并擬定節(jié)制閘閘門(mén)運(yùn)行方式。因分水閘下游接陡坡，判斷分水閘閘后為自由出流，淹沒(méi)系數(shù)σ=1。

表2 分水閘過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果

由表2 計(jì)算結(jié)果，分水閘引用流量為35 m3/s 時(shí)，所需閘孔凈寬為9 m。因此，分水閘閘孔總凈寬取9 m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量75 m3/s，加大流量82.5 m3/s，分水閘設(shè)計(jì)流量30 m3/s，加大流量35 m3/s。根據(jù)渠道水力要素計(jì)算（表1 和表2），在設(shè)計(jì)流量與加大流量下，下游渠道水深分別為1.27 m和2.21 m。同時(shí)閘孔凈寬計(jì)算得出，西調(diào)渠節(jié)制閘閘孔開(kāi)啟寬度為20 m，因此只需開(kāi)啟4 扇閘門(mén)，閘孔總寬度為16 m，可滿(mǎn)足過(guò)流。為減少閘門(mén)由于不對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟產(chǎn)生折沖水流，該工況下，閘門(mén)僅中間的1 扇關(guān)閉，兩邊各開(kāi)啟2 扇閘門(mén)。

基于上述計(jì)算分析并結(jié)合實(shí)際需要，西調(diào)渠節(jié)制閘共設(shè)2 孔，單孔凈寬3.5 m，閘室高4.0 m，閘室為整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室長(zhǎng)9.0 m，閘底板厚1.0 m，邊墩厚0.8 m，中墩厚1.0 m，閘室排架柱高3.5 m，排架柱上設(shè)工作平臺(tái)，平臺(tái)凈寬2.6 m，閘頂上游設(shè)4 m 寬人行橋，閘門(mén)為平板鋼閘門(mén)（b×h=3.5 m×3.0 m）。啟閉設(shè)備配5 t 手電兩用螺桿啟閉機(jī)2 臺(tái)。為管理方便，在水閘上設(shè)置彩鋼閘房，面積25 m2。節(jié)制閘前扭面長(zhǎng)30 m，邊墻采用C20 細(xì)礫混凝土砌筑的漿砌石扭面，高度從3.5 m 漸變至4 m，閘前現(xiàn)澆混凝土底板厚20 cm；閘后接6 m 長(zhǎng)的陡坡，坡比1∶3，邊墻高4.9 m，采用混凝土重力式結(jié)構(gòu)，底板采用0.7 m 厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3 閘后消能計(jì)算

閘后消能計(jì)算根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式：

首先擬定消力池深度d，求得T0，將T0代入計(jì)算，試算收縮水深hc，根據(jù)收縮水深求躍后水深hc"，再根據(jù)計(jì)算的hc" 計(jì)算池深d，使假設(shè)池深與計(jì)算值相等為止。經(jīng)計(jì)算，得到分水閘后消力池深度d=0，因此，不需要修建消力池。

2.4 閘后防沖設(shè)計(jì)

為減少消力池下游沖刷，計(jì)算消力池出口沖刷坑深度。閘基礎(chǔ)為圓礫層，為砂性土，沖刷深度計(jì)算根據(jù)公式：

式中：dm為下游消能設(shè)施末端河床沖刷深度，m；qm為下游消能設(shè)施末端單寬流量，m3/s；[v0] 為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm為下游消能設(shè)施末端拋石處河床水深，m。

經(jīng)計(jì)算，最大沖刷深度為5.82 m（見(jiàn)表3），取下游防沖墻深度為6.0 m。

表3 閘后海曼末端沖刷深度計(jì)算結(jié)果

3 閘室穩(wěn)定性計(jì)算

閘室穩(wěn)定性計(jì)算按照施工期（未放水）和設(shè)計(jì)情況、地震情況下，分別計(jì)算閘室基底應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定。

3.1 閘室基底應(yīng)力

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，閘基礎(chǔ)為卵石混合土，地基允許承載力[η]=400 kPa。根據(jù)規(guī)范，基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值為[η]：基本組合為2.0，特殊組合為2.5。

（1）施工期

基于作用在節(jié)制閘上主要荷載，在施工期應(yīng)計(jì)算：

1）偏心距：

2）節(jié)制閘底基底應(yīng)力值：

3）不均勻系數(shù)：

式中：σmax、σmin分別為閘室基底應(yīng)力的最大值及最小值，kPa；ΣG 為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；ΣM 為作用在閘室上的全部豎向和水平荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；A 為閘室基底的面積，m2；W 為閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面距，m3。

得出：

計(jì)算表明承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）運(yùn)行期

1）偏心距：

2）節(jié)制閘底基底應(yīng)力值：

3）不均勻系數(shù)：

同理，得出：

計(jì)算表明運(yùn)行期的承載力仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表4 基地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果參數(shù)表 單位：kPa

3.2 閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算

閘室抗滑穩(wěn)定按如下公式計(jì)算：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；H 為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

（1）施工期

節(jié)制閘及分水閘∑H≈0，閘室穩(wěn)定能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不需抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

（2）運(yùn)行期

∑G=7784 kN，∑H=187.5 kN，基礎(chǔ)卵石混合土，摩擦系數(shù)取0.45，將以上各值代入公式：K=f∑G/∑H=18.68＞[Kc]=1.25，閘室抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足規(guī)范要求；同理，地震工況下求得K=18.07，閘室抗滑穩(wěn)定也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3 閘室滲流穩(wěn)定計(jì)算

地基為砂礫卵石，允許滲徑系數(shù)C=3。地下輪廓線(xiàn)最小長(zhǎng)度為[L]=C×H=3×4=12 m，H 為上、下游水位差。求得地下輪廓線(xiàn)實(shí)際長(zhǎng)度L=17.35 m。由于L＞[L]=12 m，不會(huì)發(fā)生滲透變形，滿(mǎn)足安全要求。

滲流穩(wěn)定計(jì)算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法：

阻力系數(shù)的計(jì)算：

鋪蓋垂直段阻力系數(shù)：

各段滲壓損失：

式中：ε 為阻力系數(shù)；T 為土基上水閘的地基有效深度，m；S 為地下輪廓線(xiàn)的垂直投影長(zhǎng)度，m。

閘底為低液限粉土，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]可知，水平段允許滲流坡降值[Jx]=0.25，出口段為[J出]=0.5。計(jì)算得出Jx=0.07＜[Jx]，J出=0.1＜[Jx]，滲流穩(wěn)定滿(mǎn)足要求，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)論

結(jié)合節(jié)制退水閘設(shè)計(jì)規(guī)范及場(chǎng)地實(shí)際，本文對(duì)新疆瑪納斯河灌區(qū)西調(diào)渠節(jié)制退水閘閘孔凈寬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閘后消能及防沖進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)分析閘室在施工和運(yùn)行期的穩(wěn)定性，結(jié)果表明該節(jié)制退水閘設(shè)計(jì)合理，且滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。