新疆白楊河勝利渠首斜坡護(hù)坦消能防沖設(shè)施

張愛民

（新疆白楊河流域管理局水利管理局，烏魯木齊830000）

1 工程概況及現(xiàn)狀

白楊河發(fā)源于烏魯木齊縣境內(nèi)博格達(dá)山南坡，源區(qū)為著名的博格達(dá)峰（海拔5445m），地跨烏魯木齊縣和托克遜縣。 河流由北向南經(jīng)峽口、后溝，穿越天山支脈流入托克遜縣境內(nèi)， 再向東注入吐魯番盆地最低點(diǎn)一艾丁湖（海拔在-125m）。 多年平均流量7.52m3/s，多年平均徑流量2.372×108m3。

勝利渠首位于托克遜縣白楊河上， 紅山出山口處。 勝利渠首海拔高程227m， 地理坐標(biāo)為東經(jīng)88°28′48″，北緯42° 57′02″，集水面積2778km2。 其主要功能為引白楊河水為托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)和夏鄉(xiāng)灌區(qū)供水，灌溉面積7906.67hm2。 場址處懸移質(zhì)多年平均輸沙量13.4×104t， 推移質(zhì)多年平均輸沙量2.01×104t，多年平均總輸沙量15.41×104t。

勝利渠首在1970年建成使用， 為閘堰結(jié)合式渠首。 工程規(guī)模為中型，主要建筑物為3級(jí)，由導(dǎo)流堤、溢流堰、泄洪排砂閘和引水閘組成。渠首設(shè)計(jì)引水流量為8m3/s，加大為10m3/s，設(shè)計(jì)流量100m3/s，校核流量120m3/s。 1996年發(fā)生特大洪水，將泄洪排砂閘、引水閘和部分溢流堰沖毀，并于1997年8月完成維修。

勝利渠首運(yùn)行已50年，工程老化嚴(yán)重，防洪能力下降，加之施工條件和施工質(zhì)量差，存在安全隱患。勝利渠首主要問題有：

（1）樞紐過洪能力和引水能力不足。

（2）樞紐淤積嚴(yán)重，泄洪沖砂閘及引水閘閘室底板、 閘墩混凝土磨損嚴(yán)重， 閘室排架柱和工作橋混凝土多處裂縫，泄洪沖砂閘下游護(hù)坦破壞，漿砌石溢流堰裂縫、砌石脫落，下游消能設(shè)施沖刷破壞。

（3）引水閘和泄洪沖砂閘閘門及啟閉設(shè)施銹蝕、老化失修。

（4）無工程觀測(cè)及水文測(cè)報(bào)設(shè)施，管理設(shè)施簡陋等。

經(jīng)專家對(duì)渠首安全鑒定，鑒定結(jié)果為四類閘。鑒于渠首存在的諸多隱患問題， 已威脅到整個(gè)工程的安全運(yùn)行，已無加固必要，因此拆除重建。

新疆白楊河勝利渠首除險(xiǎn)加固工程依據(jù)規(guī)范工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)性建筑物工程級(jí)別為5級(jí)。 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P=5%），設(shè)計(jì)流量313m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇（P=2%），相應(yīng)校核流量467m3/s，設(shè)計(jì)引水流量不變。

閘址區(qū)出露巖性為第四系全新統(tǒng)河床沖積砂卵礫石層， 該層砂卵礫石厚度約20m， 天然密度2.24～2.28g/cm3，相對(duì)密度0.61～0.68。 砂卵礫石深度0～3m，結(jié)構(gòu)中等密實(shí)，3m以下砂卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)，滲透系數(shù)1.8×102～4.8×102cm/s，橫波波速200～500m/s，地下水位埋深約2.6m，承載力建議值250kPa。

2 渠首及泄洪沖砂建筑物布置

新疆白楊河勝利渠首除險(xiǎn)加固工程維持原閘堰（正堰）結(jié)合布置方案，并在原址重建。拆除原有右岸引水閘、泄洪沖砂閘、WES堰、和上下游導(dǎo)流堤，新建引水閘、 泄洪沖砂閘及上下游進(jìn)行新建導(dǎo)流堤防護(hù)處理。

泄洪沖砂閘及溢流堰布置為攔河式， 泄洪沖砂閘閘室軸線垂直水流流向， 引水閘布置于泄洪沖沙閘右側(cè)， 將泄洪沖砂閘和引水閘閘室軸線夾角設(shè)置為30°。 溢流堰布置在泄洪閘的左側(cè)，軸線位置同泄洪沖砂閘的軸線平行。 引水閘上游右岸通過扭面連接上游導(dǎo)流堤， 溢流堰上游左岸通過扭面連接上游導(dǎo)流堤。 勝利渠首總布置如圖1。

由圖1可知， 泄洪沖砂閘設(shè)置3孔， 單孔凈寬5.0m，閘底板高程217.00m，設(shè)計(jì)洪水位219.84m，校核洪水位220.21m。閘室長10m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室底板厚1.0m，中墩厚1.2m，邊墩厚1m，閘墩高3.71m，閘頂高程220.71m。 為了防止對(duì)閘室混凝土的磨損， 閘室底板表層20cm、 閘墩由閘底板算起75cm采用高強(qiáng)度硅粉混凝土澆筑，硅粉混凝土標(biāo)號(hào)為C60、二級(jí)配、W6，其余采用C25、F200、W6、二級(jí)配混凝土澆筑。 泄洪沖砂閘后接斜坡護(hù)坦，護(hù)坦長10m，坡比為1∶10，斜坡護(hù)坦末端高程216.00m。 護(hù)坦末端設(shè)置混凝土重力式擋土墻， 擋土墻深5.5m，重力式擋墻混凝土標(biāo)號(hào)為C25、F200、W6、 二級(jí)配，重力式擋土墻頂部20cm厚度采用高強(qiáng)度硅粉混凝土澆筑，硅粉混凝土標(biāo)號(hào)為C60、二級(jí)配、W6。 重力式擋土墻墻體內(nèi)增設(shè)PVC 排水孔， 排水孔直徑為φ63mm，并在入口處設(shè)置三級(jí)砂礫石反濾。 重力式擋土墻下游側(cè)沖坑底部采用鋼筋石籠（卵石粒徑大于300mm）， 在頂部設(shè)置C20二級(jí)配混凝土軟排，混凝土軟排尺寸為300cm× 300cm×80cm（長×寬×高）。泄洪沖砂閘及斜坡護(hù)坦及混凝土軟排分別如圖2，圖3。

圖1 勝利渠首平面布置

圖2 泄洪沖沙閘及斜坡護(hù)坦縱剖面

圖3 混凝土軟排平面及橫剖面

3 消能防沖設(shè)施方案比選

新疆各渠首工程斜坡式護(hù)坦、 消力池有普遍應(yīng)用。消力池底流消能方案是較為常見的消能工，利用水躍進(jìn)行消能，底流消能具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果較好、水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)、泄洪霧化輕微等優(yōu)勢(shì)，可適應(yīng)不同水頭；斜坡式護(hù)坦末端需修建防沖墻，為了進(jìn)一步消除水流余能， 墻后接海漫一般為柔性防沖結(jié)構(gòu)。柔性防沖結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的適應(yīng)沖刷變形能力，可消減沖擊能量，沖坑深度較小，對(duì)下游無明顯沖刷，且施工方便。兩種消能防沖設(shè)施能均滿足消能需要，但在多泥沙河流上斜坡式護(hù)坦的運(yùn)行效果較好，新疆已建渠首較為成功的工程如表1。

表1 新疆已建渠首斜坡式護(hù)坦消能型式統(tǒng)計(jì)

根據(jù)工程類比、原閘運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、沖砂要求及運(yùn)行管理難易程度， 泄洪沖砂閘下游消能防沖設(shè)施選取兩種方案進(jìn)行比選：方案一，消力池消能；方案二，斜坡護(hù)坦式消能。 消能方式比選如表2。

表2 泄洪沖砂閘下游消能防沖設(shè)施方案比選

白楊河河道中泥沙含量較大， 常規(guī)消能方式如消力池易產(chǎn)生淤積，宜導(dǎo)致消能設(shè)施失效。 因此，從運(yùn)行管理方面，消力池易被泥沙淤積，需要在洪水過后及時(shí)人工清理泥沙，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，斜坡護(hù)坦式消能不用考慮泥沙淤泥問題，運(yùn)行簡單， 管理方便；從投資方面， 斜坡護(hù)坦式消能較消力池消能方式投資小很多，較為經(jīng)濟(jì)。 結(jié)合新疆多泥沙河流的消能經(jīng)驗(yàn)，綜合比較， 本工程泄洪沖砂閘及溢流堰下游消能選擇斜坡護(hù)坦式消能。

4 護(hù)坦末端防沖計(jì)算

護(hù)坦末端的河床沖刷深度經(jīng)計(jì)算， 設(shè)計(jì)洪水及校核洪水泄洪沖砂閘下游沖刷坑深度分別為3.62，3.94m，如表3。

表3 泄洪沖砂閘下游沖刷深度計(jì)算

沖刷坑深度的計(jì)算不沖流速采用砂礫石基礎(chǔ)，最大沖坑深3.94m。 根據(jù)多地實(shí)際沖坑深度調(diào)查資料，結(jié)合當(dāng)?shù)厍椎亩嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，護(hù)坦末端防沖齒墻深度確定為5.5m。

5 結(jié)語

對(duì)照新疆已建成同類渠首工程， 由于白楊河勝利渠首地處多沙河流卵礫石河床上， 并且閘前閘后水位差小，沙石淤填可能降低閘后消力池消能功效，尾坎也易受磨蝕破壞。因此，新疆白楊河勝利渠首除險(xiǎn)加固工程泄洪沖砂閘取消閘后消能工，閘后以“適度消能”為原則，采用抗沖耐磨的斜坡護(hù)坦、防沖墻及混凝土軟排組合的防沖方式， 避免因閘后局部消能過大， 加大下泄水流挾沙能力， 既能保護(hù)水閘安全，又能防止閘后淤積。