新疆瑪納斯河灌區水閘加固工程布置與管理分析

李作武

(新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心，新疆 石河子 832000)

1 工程概況

瑪納斯河流域灌區(以下簡稱瑪河灌區)位于流域中下游的沖洪積扇傾斜平原和沖洪積平原，灌區總耕地面積23.8萬hm2，年灌溉用水量 16 億 m3，屬于特大型灌區。本文以西調渠水閘為研究對象，水閘位于瑪河灌區的Ⅰ級灌區——石河子灌區。水閘以灌溉為主，兼顧防洪功能，為Ⅲ等中型工程。

水閘位于瑪河灌區西調渠跨河渡槽的引水渠樁號0+837處，根據2019年流量監測數據，年總流量為2579.78 m3/s，其中洪水期流量占比近乎三分之一，為848.82 m3/s，年平均流量為7.06 m3/s，年最小流量為0 m3/s，年最大流量為17.76 m3/s，結合實際需求設計最大過流量 35.00 m3/s。作為瑪納斯河的防洪通道，該水閘不僅起著防洪作用，同時承擔著給瑪河灌區的分水灌溉任務，是灌區重要的水利樞紐工程，為灌區經濟的持續穩步發展提供有力保障。

2 主要問題

瑪河灌區西調渠興建于1990 年，起點位于樁號15+781 處，西調渠在運行初期，由于建設年代較早，工程運行時間較長，渠道構筑物老化程度加劇，安全隱患增多。針對西調渠水閘進行現場調查及安全檢測分析，存在主要問題如下：

(1)該閘過流能力滿足要求，閘門頂不滿足防洪要求。(2)消力池的深度和長度滿足要求。(3)閘基的滲透比降小于土體允許比降，閘基抗滲穩定性是安全的。(4)閘室、翼墻在在正常運行和地震情況下是穩定的。(5)混凝土結構存在缺損和開裂狀況，局部存在鋼筋裸露、銹蝕現象。(6)鋼筋混凝土閘門出現露筋，外露鋼構件均不同程度銹蝕，止水橡皮老化，閘門漏水比較嚴重，啟閉機及軌道銹蝕老化，運行不靈活，啟閉機使用期限已超過20年。根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》(SL 226—1998)，應做報廢處理。(7)電氣設備使用年限過長，線路存在老化現象，不能保證水閘可靠安全運行。(8)目前只設置水位觀測尺，未設其他觀測設施。

綜上所述，水閘運行多年，結構老化，工程存在較多安全隱患，參考類似工程運行與加固案例經驗[1-6]，對水閘進行加固是十分必要的。

3 水閘加固工程設計

本次除險加固設計僅對工程建筑物加固改造及設備更換，其工程總體布置基本不變，主要加固內容有：全部閘室、防滲排水及下游消能防沖段進行拆除重建，并更換金屬結構及電氣設備。

3.1 閘室加固設計

3.1.1 閘室橫向設計

水閘閘室與原閘孔總凈寬一致，為36 m，根據規范SL 265—2016，為了避免產生偏流，宜采用奇數孔，從本水閘的運行條件、施工分期導流方案及單孔經濟凈寬的角度考慮，參考目前已建中型水閘的經驗，水閘單孔凈寬一般為8～15 m,相對經濟，采用小孔徑往往造成閘墩過多，對泄流不利，采用較大孔徑又造成閘門、啟閉設備、閘室底板過厚及配筋過多。綜合考慮，結合運行管理亦能保證對稱泄流，本水閘可采用單孔為凈寬12 m，共計3孔。

由于地質條件較差，特別閘室底下地基土層深15 m范圍內屬于高壓縮性土層，存在沉降問題，工程閘址地震烈度為Ⅶ度，需要從防沉降、防震的角度考慮，故采用整體式底板，中間采用閘墩設沉陷縫，縫寬2 cm，并設置銅片止水。

3.1.2 閘室縱向設計

根據閘室布置及防滲需要，閘室控制段長度為12 m，底板為C30混凝土，本閘室底板厚1.2 m，底板下設C15混凝土墊層，厚10 cm，上下游齒墻深0.5 m。由于水閘擋水水位高于行洪水位，采用胸墻結構與平板鋼閘門潛孔擋水方式。胸墻布置頂部高程與側閘頂高程一致，胸墻結構采用梁板式，為了增加整個閘室的剛度，兩端與閘墩固端連接，胸墻上梁擴大形成便橋，總寬1.80 m。工作門槽中心線距側閘室端3.98 m，槽寬0.51 m，在閘室上下游各設一道檢修門槽，槽寬0.4 m，深0.3 m。內河側閘頂高程與現狀兩岸堤防道路頂高程基本一致，為4.55 m。閘室內河側設C30混凝土交通橋，結構為板式，板厚40 cm，橋板總寬為4.2 m，凈寬3.6 m。在滿足工作閘門開啟、檢修的情況下，水閘啟閉機層距離內河側閘頂4.9 m，整個啟閉機層采用C25混凝土框架結構。

3.2 防滲排水加固設計

3.2.1 閘基設計

該水閘具有雙向擋水和單向泄洪的特點，水閘各種工況下最大水頭差為2.1 m，地基土層為淤泥質細砂，主要由粉細砂和淤泥質組成，初步擬定防滲長度時參考滲徑系數為10，按照以上數據，閘基防滲長度應大于21 m。根據閘室段結構布置，其閘基防滲長度為14.2 m。

內河側鋪蓋采用內河側擋水時最大水頭差1.76 m的3～5倍，本水閘內河側鋪蓋長度取8 m，厚40 cm，C30混凝土，其下設C15混凝土墊層，厚10 cm。鋪蓋順水方向10 m左右設一道永久分縫，縫寬2 cm，分縫及與翼墻連接處均設置銅片止水。鋪蓋結合防洪期的閘基排水需要，在首端段2.5 m范圍內設置排水孔，整個鋪蓋提供的閘基防滲長度為4.6 m，閘基防滲長度為26.7 m。

3.2.2 閘側設計

側向繞滲防滲排水布置與閘基排水布置相適應，防滲長度由上、下游懸臂式擋墻和閘室段扶壁式、空箱式岸墻組合下，可達35.7 m，滿足初步尺寸要求。排水措施設置于相應閘基排水段的翼墻處。

3.3 下游消能防沖段加固設計

根據實際情況及消能防沖計算結果，為了在上游低水位時保證下游有足夠的水深，結合現狀地形盡可能降低消力池底板坡比，斜坡段與閘室底板連接坡比為1∶4，長6.8 m，消力池水平段長7.7 m，末端坎底寬1.0 m，整個護坦長度為15.5 m。護坦結構采用厚50 cm的C30混凝土，其下設置厚10 cm的C15混凝土墊層。結合防洪期的閘基排水需要，在水平段尾部4 m范圍內設置排水孔。

現狀下游河段局部最大沖刷坑底深度為2.50 m，根據防沖計算結果，水閘運行過程中，下游最大沖刷深度可達到4.82 m。同時，重建水閘護坦末端處位于現狀沖刷坑的邊沿，地面高程差較大，結合地形條件，在消力池護坦末端處設置防沖齒墻，齒墻深2 m。同時采用永久設施與臨時措施的結合措施，已達到圍堰穩定的壓載作用。

3.4 工程觀測設計

3.4.1 監測設計

水閘觀測項目，應根據工程等級，地基條件及運用要求等因素確定觀測項目，通過觀測達到監視工程運用安全積累資料、提高管理水平的目的。監測項目和內容：(1)變形監測：包括水平位移、垂直位移監測；(2)水力學監測：水位、流速；(3)其他監測項目：包括上下游水位等。各監測項目與監測點的布置詳見表1。

表1 監測項目與監測點布置表

3.4.2 遠程控制和信息化設計

閘控系統由監控主機、現地監控單元、操作機構、各類傳感器及通信網絡組成。閘門監控系統采用開放式分層分布式結構，按控制優先級別可分為現地手動控制級、現地集中控制級、遠程監控級。閘門監控站由現場設備和遠程控制端設備組成?，F場設備主要包括監控單元、閘位傳感器、荷載傳感器、IP 網絡擴展模塊和供電單元；遠程控制端設備組成包括數據庫服務器和安裝了閘門監控應用軟件的監控計算機。

控制中心設在渠首管理站，現地監控站設在引水閘室內和沖沙閘室內。因閘門有3孔，均采用一門一機布置，共設3臺啟閉機，每臺啟閉機建設一套電氣設備。根據閘門數量，為提高控制的保障性，設置現地控制單元(現地LCU 單元)，共計2 套。控制中心監控主機通過光纜與監控站的通信，遠程監控閘門啟閉設備和閘門動作。

3.5 預期工程效益

通過工程概算，工程總投資843.92萬元。經計算和分析，該工程經濟內部收益率大于8%，經濟凈現值大于零，經濟效益費用比大于1.0，說明工程經濟效益良好，投資方案可行。綜上所述，建議興建此水閘工程。

4 結 語

本文基于新疆瑪河流域灌區西調渠水閘工程的運行情況與存在老化及安全隱患等實際問題，提出了相應的加固設計方案，以適應水閘安全長效運行的要求。對不同部位分區進行詳細設計，提出工程觀測布置與增設安全監測方案，并分析工程預期效益，對工程施工期、運行期管理進行探討。