窩巴特渠首工程除險加固方案分析

李曉燕

(塔城水利設計研究院有限公司，新疆 塔城 834700)

1 項目概況

巴音溝河又稱安集海河，地處新疆天山北部沙灣市境內，發源于天山北坡冰川，河流水網發育呈樹狀，河流全長140km，黑山頭水文站以上集水面積1579km2[1]。

窩巴特渠首是巴音溝河重要引水樞紐，渠首以上流域面積為1549km2，承擔博爾通古牧場和農業開發基地共計3萬畝農田的灌溉引水任務。工程于1967年竣工，由進水閘、泄洪閘、沖砂閘、溢流堰和上下游整治段組成，布置如圖1所示[2]。

圖1 窩巴特渠首工程布置示意圖

2008年塔城地區水利局對該渠首進行安全鑒定，結論為三類閘，主要病險問題為：過洪能力不足；水閘底板磨蝕嚴重；進水閘、泄洪閘和沖砂閘閘門等主要構件變形，止水失效，進水閘底板、閘墩及岸墻磨損，閘前淤積嚴重；泄洪閘和沖砂閘室底板破裂，閘槽內二期砼普遍裂縫，滲流穩定不滿足要求[3]。

2 水文地質

2.1 水文氣象

巴音溝河流域地處北半球中緯度地區歐亞大陸腹地，屬中溫帶大陸性干旱氣候，流域內氣候垂直分布和地帶性分布規律顯著，冬季寒冷漫長，夏季短暫涼爽，流域內無霜期短，晝夜及年內溫差較大，光照充足。流域多年平均氣溫4.8℃，多年平均降水量291.8mm，多年平均年蒸發總量1251.0mm，多年平均風速2.0m/s、最大風速17.0m/s，最大凍土深181cm。

巴音溝河上中游有高山區冰雪融水和暴雨混合洪水補給、中下游有中低山區暴雨山洪和融雪洪水補給，多年平均徑流量3.1億m3。巴音溝河干流有黑山頭水文站(1959—1980年)和喇嘛廟水文站(1981年—至今)。渠首設計年徑流量與設計洪峰流量成果見表1—2。

表1 窩巴特渠首設計年徑流量成果表

表2 窩巴特渠首設計洪峰流量成果表

2.2 閘址區工程地質

閘址區山勢較緩，基巖裸露，沖溝發育，河谷呈寬闊U型，河谷岸坡較緩，現代河床寬200～300m，兩側階坎陡立。河床地層巖性主要為松散砂礫石(Q4)和含土砂礫石(Q1)；河道內卵石混合土覆蓋厚度7～8m，；潛水含水層下部為含土砂礫石層，弱膠結，孔隙多被泥質充填，透水性和儲水能力較差，構成相對隔水層。

閘址區季節性凍土標準凍深1.60m，地基土卵石層粒徑小于0.075mm顆粒含量小于10%，為非凍脹性土；地基土無差異沉降問題，承載力滿足建筑物荷載要求；閘基土為卵石混合土，可能的滲透變形類型為管涌型，允許滲透比降0.094。現狀渠首存在問題屬長期運行后老舊和設計標準較低所致，閘址區工程地質條件簡單，適合工程建設。

3 工程規模與設計

3.1 工程規模與等別

窩巴特渠首工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，進水閘、泄洪閘、沖砂閘、溢流堰、消能防沖設施等主要建筑物為3級；上下游整治段防護堤為4級。設計洪水頻率為20年一遇(P=5%)，相應洪峰流量304m3/s；校核洪水頻率為50年一遇(P=2%)，相應洪峰流量445m3/s。進水閘設計引水流量4.0m3/s[4]。

本次除險加固內容包括進水閘、泄洪閘和沖砂閘及閘室上下游連接段拆除重建；溢流堰表層鑿毛掛鋼筋網澆筑C30混凝土進行加高處理；上下游整治段拆除重建等，增設安全檢測及水位流量觀測設施[5]。

3.2 工程總布置

本次除險加固設計在原閘址拆除重建，建筑物布置基本保留原狀[6]。

(1)新建進水閘位于左岸，與泄洪閘和沖砂閘夾角為14°，進水閘2孔，凈寬3.0m，總寬6.0m。進水閘設計引水流量4.0m3/s，其中2.15m3/s為引水閘沖砂流量，1.85m3/s為引水閘引水流量；加大流量5.20m3/s。

(2)新建泄洪閘、沖砂閘軸線垂直河道布置，共4孔，靠近進水閘側2孔為沖砂閘，另2孔為泄洪閘，孔口尺寸均為5.0m×2.6m，設計洪峰流量為304m3/s，校核洪峰流量為445m3/s。泄洪閘、沖砂閘上游設15m長、20cm厚的C30F300砼鋪蓋。泄洪閘、沖砂閘閘室長15m，泄洪閘閘室下游設10m長陡坡，坡度i=0.15，陡坡后接15m長消力池，消力池后接25m長海漫，海漫后設拋石坑；沖砂閘閘室后設50m長護坦，護坦后設拋石坑，拋石坑尺寸均為底寬5.0m，深6.0m。

新建小流量沖砂閘垂直于河道布置，共2孔，其中1孔位于沖砂閘靠近引水閘一側邊墩上，另1孔位于2沖砂閘的中墩，形式為胸腔式沖砂閘門，孔口尺寸均為1.5m(寬)×1.0m(高)，2孔設計洪峰流量均為10m3/s[7]。

原溢流堰堰型為折線形實用堰，堰寬72.60m，堰高1.00m。本次除險加固將原溢流堰表層鑿毛2cm，C30混凝土加高2.95m，堰寬67.00m。溢流堰上游設20cm厚C30F300砼鋪蓋，下游設25.15m長護坦，坡度i=0.03；護坦后接拋石坑，拋石坑底寬5.0m，深4.0m。

為保證泄洪閘、沖砂閘和溢流堰安全運行，泄洪閘和沖砂閘上游整治段左岸防護堤長77.70m，右岸防護堤長460.0m，其中靠近溢流堰120m防護堤堤高由4.20m漸變至2.20m，其余340.0m防護堤堤高2.20m，內邊坡1∶1.75，外邊坡1∶2.0。下游整治段左岸修筑防護堤長86.60m，右岸防護堤長158.60m防護堤，堤高2.20m，內邊坡1∶1.75，外邊坡1∶2.0[8]。

3.3 水力計算

進水閘、泄洪閘和沖沙閘下游水位即渠道的運行水位按明渠均勻流計算，公式如下。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；A—過水斷面面積，m2；C—謝才系數；R—水力半徑，m；i—縱坡比。

進水閘和溢流堰過流能力按有坎寬頂堰堰流計算，公式如下。

(2)

(3)

式中，Q—過閘流量，m3/s；B0—閘孔總凈寬(堰寬)，m；εs—側收縮系數；m—流量系數；H—堰上水深，m；H0—計入行進流速水頭的堰上水深，m；v—上游行進流速，m/s；H—坎高，m。

泄洪閘和沖沙閘過流能力按多孔無坎寬頂堰堰流計算，公式如下[9]。

(4)

(5)

式中，b0—每孔凈寬，m；其余同上。

新建小流量沖砂閘形式為胸腔式沖砂閘門，其過流按閘孔出流計算，公式如下。

Q=ueb(2×9.81×H0)0.5

(6)

式中，Q—過閘流量，m3/s；b—每孔凈寬，m；u—閘孔出流系數；e—閘門開啟度；H0—閘前水深，m。

波浪平均波高采用莆田公式計算，公式如下。

(7)

式中，hm—平均波高，m；W—計算風速，m/s；D—風區長度，m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，9.81m2/s。

根據渠首擋水運用狀況不同，按照下述4種工況開展水力計算。工況1為正常蓄水：枯水季節，泄洪閘、沖沙閘關閉，溢流堰擋水，進水閘全開，自由出流，滿足正常引水；工況2為最高擋水：校核洪水時，泄洪閘與沖砂閘全部開啟，溢流堰下泄其余水量，進水閘調整開啟度引設計流量，進水閘為閘孔出流；工況3為設計洪水：泄洪閘與沖砂閘全部開啟，與溢流堰聯合泄洪，進水閘不引水；工況4為校核洪水：泄洪閘與沖砂閘全部開啟，與溢流堰聯合泄洪，進水閘不引水。閘墩頂高程根據擋水時正常蓄水位和泄水時校核洪水位即運行工況下的水位比較確定，計算成果見表3，閘墩頂高程選定為965.30m。

表3 各工況下閘墩頂設計高程計算成果表

3.4 消能計算

進水閘下確定為底流消能，消力池深度、長度計算公式如下。

d=σ0h″c-h′s-Δz

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數；h″c—躍后水深，m；hc—收縮水深，m；α—水流動能校正系數；q—過閘單寬流量，m3/s；b1、b2—消力池首段和末段長度，m；T0—消力池底板頂面算起的總勢能，m；Δz—出池落差，m；φ—孔流流速系數；h″s—出池下游水深，m。

進水閘消力池底板厚度計算公式如下。

(12)

式中，t—消力池底板厚度，m；k1為—消力池底板計算系數；q—過閘單寬流量，m3/s；ΔH—閘孔泄流時上下游水位差，m。

通過以上計算，在正常運行工況下進水閘池寬7.2m；消力池長2.97m，取10.0m；池深0.11m，取0.5m；安全超高取0.7m，邊墻高取2.50m；消力池底板厚0.30m。

泄洪閘深度、長度和底板厚度計算同上，校核洪水位下閘池寬11.20m；消力池長11.62m，取15m；池深0.19m，取0.50m；消力池躍后水深3.18m，安全超高取0.7m，邊墻高取3.90m；消力池底板厚0.80m。

泄洪閘消力池下海漫長度、末端沖刷深度計算公式如下。

(13)

(14)

式中，Lp—海漫長度，m；ks—海漫計算系數；dm—海漫末端河床沖刷深度，m；qm—海漫末端單寬流量，m3/s；hm—海漫末端河床水深，m；[v0]—河床允許不沖流速，m3/s。計算得海漫長度22.42m，取25.0m；海漫末端防沖槽深5.54m，取6.0m；防沖槽末端設5m長拋石坑。

4 結語

本文從流域水文和工程地質特性入手，對渠首除險加固重建工程總體布置進行分析論述，如渠首工程新建進水閘、泄洪閘和沖沙閘、溢流堰鑿毛加固、上下游整治段治理等建筑物的具體布置與設計參數，同時對閘墩頂高程和防沖消能等水力計算過程進行了詳細介紹。工程布局合理，有實際指導意義，可供鄰近地區同類工程設計提供參考。基于此得出了窩巴特渠首工程的除險加固方案，方案的實施使區域農業灌溉引水能力進一步提高和完善，區域防洪安全得到了進一步保障。因除險加固主要采用了原閘址拆除重建，因此流域水文成果和工程區地質條件主要沿用了歷史成果，研究深度略顯不足，下一步可根據最新系列開展水文水力計算，更好地為區域工程建設做好技術支撐。