新疆葉爾羌河灌區葉城縣骨干工程江卡渠首泄洪閘除險加固分析

聶亮亮

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330209)

江卡渠首工程是一座人工彎道式渠首工程，自建成以來，為葉城縣農業灌溉用水及環境生態用水提供了極大的保證，發揮了巨大的社會效益。通過現狀調查，江卡渠首工程基本處于安全狀態，但目前存在：因汛期泄洪閘沒有連續或間歇沖砂，閘前上游河道淤積嚴重。閘后挑流裙板嚴重損壞，由于下游河床沖刷較深，護岸工程存在安全隱患；泄洪閘為弧形鋼閘門，閘門吊點與面板已銹蝕，閘門卷揚機時常被卡，閘門止水老化，漏水嚴重。檢修門無起吊設施，運行管理不便等問題。為保證渠首安全運行，應采取必要的加固處理措施，充分發揮水閘泄洪的作用，保障供水安全，增強防洪能力，以更好地促進區域經濟又好又快發展。

1 工程概況

江卡渠首工程開工興建于1994年，1997年正式建成投入運行，1999年經受了遭遇超標準洪水考驗，2004年完成了防洪改建達到現有規模。江卡渠首工程是一座人工彎道式渠首工程，主要建筑物包括：泄洪閘、人工彎道、進水閘、沖砂閘、溢流堰五大部分。江卡渠首在1987年設計時，實測洪水資料只有30年，屬于大(2)型水利樞紐工程，因灌區可以從葉爾羌河調水，同時，建筑物失事不致對下游造成很大威脅，所以，本渠首工程當時按三級建筑物設計。設計洪水標準為50 a一遇，設計洪峰流量為640 m3/s，校核洪水標準為500 a一遇，校核洪峰流量為880 m3/s。

江卡渠首水閘擋水高度較小，當設計洪峰到來時，除進水閘閘門控制運行外，其他閘門均可全開參與泄洪。閘址以上形成的水庫屬河道型水庫，其洪水調蓄作用小，滯洪能力有限。因此，從工程安全角度考慮，本工程的閘上設計水位計算不考慮河道的調蓄作用，直接采用溢流堰斷面水位～流量關系曲線按比降(S=3.8‰)推算求得。P=3.33%設計標準的洪峰流量為998 m3/s，P=1%校核標準的洪峰流量為1418 m3/s。

2 工程復核計算

因工程安全鑒定為2008年進行，已超過10年，按相關文件要求，本次除險加固按相關規范重新對渠首建筑物進行復核計算。

2.1 泄洪閘消能防沖復核

(1)泄洪閘后消能坑深度復核計算

河道的來水情況通常較為復雜,使得其上下游水位變化非常大，裙板下游會出現底流和面流銜接兩種流態[1]。

底流銜接沖深經驗計算公式:

T/E0=0.445k0.336(d50/E0)-0.156

面流銜接沖深經驗計算公式:

T/E0=0.682-0.314(k-0.15)0.2-2.998(d50/E0)

其中流能比：

式中：T為從下游護坦高程起算的最大水深，m；E0為閘室最末端底板以上的水頭，m；d50為中值粒徑，m；ht為下游水深，m；q為閘后單寬流量，m3/(s·m)；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

根據設計、校核兩種工況下計算結果，校核工況為最不利工況，通過計算泄洪閘閘后消能水深為2.64 m，考慮本工程的實際情況，應取一定的安全系數(1.5)[2]，因此，最大設計沖深為3.96 m。根據實際運行情況，閘后沖刷深度為3.0 m。泄洪閘后消能設施經多年運行，塌陷、淘刷較為嚴重，此次需對閘后拆除重建。

(2)泄洪閘消能坑下游河道沖刷深度復核

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)進行水流平行與岸坡產生的沖刷深度計算[3]：

式中：hB為從水面起計算的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，本工程以設計水位最大深度的近似值代替，hp=1.10 m；Vcp為平均流速，Vcp=8.69 m/s；V允為河床面允許不沖流速，本工程河床為卵石，因此不沖流速取1.8 m/s；n的取值與工程防護岸坡在平面上的形狀密切相關[4]，一般取n=0.25。

得出hB=1.58 m。

2.2 閘基滲透穩定計算

(1)基本參數

泄洪閘所處位置地形平坦，整個工程的地層巖性主要是以第四系全新統(Q4al)青灰色砂卵礫石為主，厚度大于10.0 m。呈稍密～中密,磨圓度好和受力條件較好，粒徑4 cm～20 cm，最大的達80 cm。

閘室滲流地下輪廓線簡化見圖1。

順水流向總滲透長度L=2+13.5+3+4.1×2+1.4+1+1+1.2+1+1=33.3 m

比較閘室穩定各工況水位，在校核工況，上、下游水位差最大為5.66 m，按《水閘設計規范》(SL 265-2016)4.3.2條，閘基礎防滲長度應滿足L=CΔH的要求，閘基礎為砂卵礫石層，C取值范圍為3～2.5，則，計算設計防滲長度L=CΔH=3×5.66=16.98 m，小于33.3 m，閘基防滲長度滿足設計要求。

采用改進阻力系數法[5]在校核洪水水位差5.66 m工況進行滲流復核，按《水閘設計規范》(SL 265-2016)附錄C.2計算各段的阻力系數，并計算各段的滲壓水頭損失。

由于L0=18.5 m，S0=5 m，故L0/S0=18.5/5=3.7<5

Te按下式計算：

Te=(5×18.5)/(1.6×18.5/5+2)=92.5/7.92=11.67，按計算的透水層深度進行計算。

(2)滲透壓力計算

泄洪閘滲流計算簡圖見圖2，將地下輪廓劃分為15段，對最不利情況，即校核洪水位下進行滲流穩定計算。通過對進口和出口段的修正計算，相應得出進口段修正系數均大于1，不需要修正各段水頭損失。

(3)滲透穩定性復核計算

經計算，出口段出逸坡降J0=0.2，水平坡降最大值Jx=0.046。

閘基礎為砂卵礫石，《水閘設計規范》(SL 265-2016)表6.0.4可知，出口段允許滲透坡降為[J]=0.30，[J]=0.30>J0=0.20；閘底板水平段允許滲透坡降[Jx]=0.22>Jx=0.046，均滿足允許出逸坡降的要求，不會發生滲透破壞。

3 泄洪閘除險加固設計

3.1 除險加固方案確定

根據該閘現狀及復核計算成果，確定本次加固設計方案。

拆除現有泄洪閘及護坦底板表面0.3 m厚的漿砌石，對底板進行鑿毛，打入Φ12@2 m×2 m梅花形布置的插筋，插筋深入底板0.6 m，外露0.2 m，重新澆筑0.3 m厚C40F200W6硅粉砼。對閘墩下部2 m高度范圍內沖刷較嚴重的砼表面進行鑿毛及打磨處理后，在其表面涂刷2 cm厚的改性環氧砂漿。

在消能坑上游及兩側混凝土重力式擋墻墻腳河床新建地下槽孔墻，地下槽孔墻采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，厚0.8 m，深7 m，為保證防沖效果，槽孔墻與現狀混凝土擋墻之間采用水平鋼筋砼段進行封閉連接。水平段鋼筋砼厚0.8 m，水平鋼筋砼段寬3 m。

泄洪閘左側120 m長導流堤新建段，堤腳采用C25F200W6混凝土擋墻，擋墻墻頂高程為1492.92 m，擋墻基礎埋深至現有河床以下2.8 m，擋墻上部至新建導流堤堤頂(高程1496.50 m)采用0.15 m厚C25F200W6現澆砼護坡，下設0.2 m厚級配礫石墊層。同時為防止考慮溢流堰下泄洪水會對泄洪閘左岸導流堤形成沖刷，在新建導流堤背坡同樣采用0.15 m厚C25F200W6現澆砼護坡，下設0.2 m厚級配礫石墊層，在護坡坡腳設置4 m深，1.5 m厚的C25F200現澆砼齒槽。護坡坡頂均設置有1 m寬，0.15 m厚的現澆砼壓頂。

在右側導流堤堤腳新建地下槽孔墻，地下槽孔墻采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，長170 m，厚0.8 m，深7 m，為保證防沖效果，槽孔墻與現狀坡腳砼齒槽之間采用水平鋼筋砼段進行封閉連接，水平段鋼筋砼厚0.8 m，寬3 m。因現狀右岸邊坡沖刷破壞嚴重，為保護岸坡，同時減少對現有護坡的破壞，在現有漿砌石護坡坡面重新澆筑0.15 m厚的C25F200W6現澆砼護坡，護坡坡頂延伸至擬建管理站周邊道路路面(高程1496.50 m)，并在坡頂設置1 m寬，0.15 m厚的現澆砼壓頂[7]。

3.2 泄洪閘消能計算

泄洪閘效能計算如2.1泄洪閘消能防沖復核。

3.2.1 泄洪閘后消能坑深度復核計算。

根據設計、校核兩種工況下計算結果，校核工況為最不利工況，通過計算泄洪閘閘后消能水深為2.64 m，考慮到工程應取一定的安全系數，取安全系數為1.5。

3.2.2 裙板長度計算

裙板消能主要是為了增大水流的入水面積,以減小單位面積的下游河床能量,并利用裙板底部空間形成反向的水流旋轉,防止基礎被淘刷[6]。閘墩下游端齒墻距離沖坑最深處的距離:

式中：ts為以下游護坦高程為基礎起算的最大水深，m；q為消能裙板的單寬流量，m2/s；d50為中值粒徑，m。

由此可以發現，設計時應該考慮裙板長度L小于這一長度的特點。工程一般實際運用中的挑流裙板長度通常為3 m～5 m。考慮運輸方便，本次裙板鋼軌的長度最終確定為3.5 m。

4 結語

江卡渠首引水樞紐工程主要由灌溉進水閘、沖砂閘、泄洪閘、溢流堰等組成，是一座以引水灌溉、生態輸水為主要目的的水利樞紐工程，現有實際農田灌溉面積99.5萬畝。通過現場檢測及復核計算，泄洪閘抗滑穩定、砼結構、閘墩頂高程滿足規范要求，水閘泄流能力可滿足工程運行需要。同時，結合工程運行管理需要，本次改造應增設管理站房，以方便運行管理。