阿克塔什渠首閘設(shè)計(jì)方案研究

胡恒鵬

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程現(xiàn)狀

民豐縣隸屬新疆和田，位于塔里木盆地南側(cè)邊緣，東西兩側(cè)分別與巴音郭楞蒙古自治州、于田縣相接，南部是昆侖山和西藏自治區(qū)交接，北部為阿克蘇地區(qū)，年平均氣溫11.4℃，無霜期平均194 d，冬季最大凍土深度0.8 m，年平均降雨量35.5 mm，多集中在5~8月，年蒸發(fā)量2 881 mm，屬于降雨少、蒸發(fā)量多的地區(qū)。薩勒吾則克鄉(xiāng)下轄8個(gè)行政村，20個(gè)村民小組。灌區(qū)現(xiàn)狀有1 708戶5 130人，其中城鎮(zhèn)人口298人，農(nóng)村人口4 832人，薩勒吾則克灌區(qū)控制灌溉面積為5.38萬畝，其中常規(guī)灌面積4.48萬畝，高效節(jié)水面積0.90萬畝。主要種植小麥、玉米、棉花、苜蓿、紅棗、核桃、紅柳大蕓和經(jīng)濟(jì)林、生態(tài)林等。

阿克塔什引水工程位于新疆民豐縣薩勒吾則克鄉(xiāng)的吐郎胡加河上，距離縣城85 km，距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在位置40 km，是薩勒吾則克鄉(xiāng)重要的引水工程，1987年建成，為攔河閘堰結(jié)合的引水工程，原渠首閘為1孔進(jìn)水閘，目前灌滿面積5.8萬畝，設(shè)計(jì)引水量5.36 m3/s。

2 工程現(xiàn)存問題

工程建成至今已有36年，多年運(yùn)行下，受水流沖刷，水閘前后200 m范圍內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重沖蝕現(xiàn)象，上游河床變寬，導(dǎo)致溢流堰寬度不滿足現(xiàn)狀要求；因吐朗胡加河含沙量大，目前上游河床淤積、下游河床沖刷，上下游出現(xiàn)約10 m深的大跌坎，嚴(yán)重影響樞紐工程泄洪能力，影響工程正常發(fā)揮效益；水閘鋼閘門主梁、面板強(qiáng)度嚴(yán)重不足，啟閉機(jī)、電機(jī)銹蝕老化，使用期限均已超過20年，理應(yīng)報(bào)廢處理。且引水保證率已無法滿足灌區(qū)各業(yè)生產(chǎn)需求，經(jīng)鑒定，阿克塔什渠首閘已為四類閘，應(yīng)拆除重建。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 水文計(jì)算

3.1.1 徑流計(jì)算

吐郎胡加河，河流全長218 km，河源至大彎圖專用站（大彎圖村）河長72.0 km，流域面積2 007 km2；大彎圖專用站至阿克塔什水閘河長51.4 km，流域面積330 km2。徑流主要以冬季融雪水、夏季降雨和泉水補(bǔ)給為主，屬于混合型補(bǔ)給河流，坡降大，流程短，水量較大，夏季容易形成暴雨洪水[1]。吐郎胡加河流域內(nèi)無國家水文觀測(cè)站點(diǎn)，僅有一個(gè)常年駐測(cè)專用站—大彎圖專用站和位于工程上游750 m處的阿克塔什專用站，因此從區(qū)域氣候條件、產(chǎn)流情況等方面考慮，選取克里雅水文站作為參證站。

以適線法對(duì)克里雅水文站年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再用適線法選配P-Ⅲ型頻率曲線，分別得出該站年徑參數(shù)和不同頻率下設(shè)計(jì)年徑流量成果[2]，如表1。

表1 克里雅水文站年徑流參數(shù)及不同頻率設(shè)計(jì)年徑流量成果表 單位：108 m3

考慮計(jì)算成果精度問題，用長短比例法分析計(jì)算大彎圖專用站多年平均年徑流量1.314×108m3，不同頻率設(shè)計(jì)年徑流量成果如表2。阿克塔什專用站多年平均年徑流量成果0.977 6×108m3，不同頻率年徑流量成果如表3。

表2 大彎圖專用站不同頻率設(shè)計(jì)年徑流量成果表 單位：108 m3

表3 阿克塔什專用站不同頻率設(shè)計(jì)年徑流量成果表 單位：108 m3

阿克塔什專用站在阿克塔什渠首以上750 m處，區(qū)間無支流匯入，無分流支出，兩斷面距離較近，阿克塔什專用站年徑流設(shè)計(jì)成果直接移用至阿克塔什渠首工程場(chǎng)址處，不再做衰減計(jì)算。

3.1.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

吐朗胡加河洪水主要來源于積雪消融和山洪，多發(fā)于夏季的6~8月，以克里雅水文站年最大洪峰流量，采用p-III型曲線適配[3]，可以得出克里雅水文站不同頻率下的洪峰流量，見表4。

表4 克里雅水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

因克里雅水文站與大彎圖專用站處在昆侖山同一坡上，既能確保資料精度可靠，也能滿足頻率計(jì)算對(duì)系列長度的要求，因此采用地區(qū)模比系數(shù)綜合頻率曲線法推算大彎圖專用站的設(shè)計(jì)洪峰[4]，分別選取1987年12月調(diào)查洪峰流量和2008年6月大彎圖專用站實(shí)測(cè)洪峰流量，推算出洪峰流量模比系數(shù)Kp分別為3.41和2.44，得到不同設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量，為減少重現(xiàn)期差別大的影響和消除單一歷史洪水計(jì)算可能產(chǎn)生的偶然誤差，取兩場(chǎng)洪水計(jì)算平均值[5]，作為大彎圖專用站的設(shè)計(jì)洪水成果，最終成果見表5。

表5 大彎圖專用站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

根據(jù)2005年和2010年大彎圖專用站和阿克塔什專用站實(shí)測(cè)同場(chǎng)次洪水資料計(jì)算得出沿程衰減系數(shù)為每公里損失0.17%，得出阿克塔什專用站的設(shè)計(jì)洪峰流量為表6。

表6 阿克塔什專用站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

3.2 工程等別及建筑物級(jí)別

阿克塔什是以灌溉為主，同時(shí)為工業(yè)、生活等提供用水的引水樞紐，其中渠首閘工程屬重建，現(xiàn)狀水平年為2018年，設(shè)計(jì)水平年為2025年，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]的規(guī)定，本項(xiàng)目區(qū)灌溉設(shè)計(jì)保證率確定為P=75%。結(jié)合本地種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度，計(jì)算出設(shè)計(jì)引水流量4.1m3/s，加大引水流量5.36 m3/s，渠首閘的設(shè)計(jì)水平年可控制灌溉面積5.38萬畝，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[7]的規(guī)定，確定工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型，因此渠首閘應(yīng)為3級(jí)建筑物，合理使用年限為50年，閘門合理使用年限為30年。

主要建筑物由進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、泄洪閘、溢流堰及上游導(dǎo)流堤組成，為3級(jí)建筑物；次要建筑物由管理道路和管理房等組成，為4級(jí)建筑物；臨時(shí)建筑物由圍堰和導(dǎo)流渠等組成為5級(jí)建筑物。阿克塔什渠首閘的合理使用年限為50年，永久性水工建筑物的合理使用年限為50年，閘門的合理使用年限為30年。

3.3 渠首閘工程設(shè)計(jì)

3.3.1 閘室布置及結(jié)構(gòu)尺寸

渠首閘布置形式為側(cè)面引水，其軸線與泄洪沖沙閘夾角為34°。設(shè)計(jì)引水流量為4.1 m3/s，設(shè)計(jì)水位1 781.45 m，加大引水流量為5.36 m3/s，加大水位1 781.60 m。閘前最高水位（校核洪水位）1 782.56 m。主要由鋪蓋、閘室、消力池3部分組成，其具體結(jié)構(gòu)尺寸為：

（1）鋪蓋

閘前設(shè)1道擋沙坎，為懸臂式C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，坎高1.0 m，坎頂高程1 780.70 m。閘前右邊墻為C25重力式擋土墻與上游扭面及導(dǎo)流堤銜接，扭面長20 m，為C25混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）閘室

進(jìn)水閘閘室為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1孔，單孔凈寬4.0 m，閘室總寬度5.8 m，閘室長13.0 m，閘底板高程為1 780.70 m，閘頂高程為1 784.30 m，邊墩厚0.9 m，底板厚1.0 m。閘門形式：工作閘門為平面鋼閘門，上游設(shè)1道平面檢修鋼閘門。

（3）消力池

進(jìn)水閘后設(shè)挖深式消力池，池深0.8 m，池底高程1 779.20 m，池長18.5 m，其中斜坡段坡比1∶4，水平投影長6.0 m，平段長12.5 m，池寬4.0 m，池坎頂高程1 780 m。消力池底板為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.8 m，末端設(shè)排水孔，底部設(shè)反濾層。消力池段邊墻為C30混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)。消力池后設(shè)15 m長C25混凝土扭面段與下游引水渠連接，扭面段底板厚0.4 m，末端設(shè)C25混凝土隔墻，厚0.8 m，深3 m。隔墻后與原漿砌石渠道銜接。

3.3.2 渠首閘設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）過流能力計(jì)算

根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，進(jìn)水閘水力計(jì)算按照寬頂堰計(jì)算，公式為：

式中：Q—過閘流量（m3/s）；

B—閘孔總凈寬（m）；

H0—H+v2/2g，計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭（m）；

g—重力加速度9.81（m/s2）；

m—堰流流量系數(shù)，取0.385；

ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.927；

σ—堰流淹沒系數(shù)，取1.0。

經(jīng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)水位條件下，過閘流量為4.1 m3/s，在加到水位條件下，過閘流量為5.36 m3/s。

閘孔出流時(shí)，按照下列公式計(jì)算閘孔出流總凈寬：

式中：Q—過閘流量（m3/s）；

B0—閘孔總凈寬（m）；

H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭（m）；

he—孔口高度(m)；

μ—孔流流量系數(shù)，可按下式計(jì)算：

式中：φ—孔流流速系數(shù)，可采用0.95~1.0；

ε'—閘孔垂直收縮系數(shù)，可按下式計(jì)算：

式中：λ—計(jì)算系數(shù)，可按下式計(jì)算：

式中：r—胸墻底圓弧半徑(m)；

σ'—孔流淹沒系數(shù)，可按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范表》A.0.3-2查得。

最終計(jì)算成果為表7。

表7 進(jìn)水閘閘門開度計(jì)算表

（2）閘頂高程計(jì)算

渠首閘工作閘門在洪水期始終處于擋水工況，閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水情況確定，安全超高下限值在正常蓄水位條件下，定位0.4 m，在最高擋水位條件下定位0.3 m。選擇兩種工況進(jìn)行計(jì)算，工況1：設(shè)計(jì)洪水位+波浪計(jì)算高度+安全超高值；工況2：校核洪水位+波浪計(jì)算高度+安全超高值；經(jīng)計(jì)算在工況1時(shí)，閘頂高程為1 783.25 m，在工況2的情況下，閘頂高程為1 783.3 m，同時(shí)考慮渠首閘與泄洪沖沙閘閘頂高程的銜接，最終確定渠首閘閘頂高程為1 783.5 m。

4 閘室穩(wěn)定性計(jì)算及滲流穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘體混凝土與砂卵礫石接觸面的抗剪摩擦系數(shù)：f1=0.5；卵石層地基允許承載力為0.5 MPa。分別取基本荷載組合和特殊荷載組合進(jìn)行穩(wěn)定及最大壓應(yīng)力復(fù)核計(jì)算，其中特殊組合按照校核洪水情況和地震情況兩種分別計(jì)算，經(jīng)計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K正常=1.25，K校核洪水=1.10，K地震=1.05。

同時(shí)，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在凍得堅(jiān)實(shí)的土質(zhì)情況下，閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，基本組合下為2.0，特殊組合下為2.5。經(jīng)計(jì)算進(jìn)水閘穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見表8。由表中可見，各項(xiàng)數(shù)值均滿足規(guī)范要求。

表8 進(jìn)水閘穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果

4.2 滲流穩(wěn)定性分析

工程區(qū)處于山前傾斜礫質(zhì)平原區(qū)，巖性以砂卵礫石為主，厚度15 m以上；現(xiàn)代河床寬約55~80 m左右，切深為3~6 m，無漫灘發(fā)育，兩岸為Ⅱ~Ⅲ級(jí)階地，階面平坦開闊。無斷裂及其他構(gòu)造通過，工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。在勘探深度（15 m）內(nèi)，未見地下水。主要地基滲流破壞形式為管涌。

基礎(chǔ)為卵石混合土，d50=28 mm，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，水平段允許滲流坡降值為0.22，出口段為0.50。水閘實(shí)際滲徑長度46 m，經(jīng)計(jì)算實(shí)際透水層厚度大于23 m，所以水閘地基的有效深度取為23 m。

按照改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算水閘基底滲透壓力：

式中：ξ0—進(jìn)出口段的阻力系數(shù)；S—板樁或齒墻的入土深度（m）；T—地基透水層深度（m）。

內(nèi)部垂直段：

式中：ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

水平段：

式中：ξx—水平段的阻力系數(shù)；Lx—水平段長度（m）；S1、S2—進(jìn)、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）。

各分段水頭損失值可按下列公式計(jì)算：

式中：hi—各分段水頭損失值（m）；ξi—各分段的阻力系數(shù)；n—總分段數(shù)。

出口段滲流坡降值可按下列公式計(jì)算：

按照以上公式，可得出水閘在正常水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位3種情況下的阻力系數(shù)和水損值，如表9。

表9 各段阻力系數(shù)修正后各段水損值

取砂礫石允許滲徑系數(shù)為3，則滲徑長度L最大值為33.3 m，小于水閘滲徑長度46 m，符合規(guī)范要求，而水頭坡降值如表10，閘底板水平段最大滲透坡降為0.188，出口段最大滲透坡降為0.264，均小于規(guī)范允許值。閘室滲透穩(wěn)定。

表10 水頭坡降值

5 結(jié)語

阿克塔什渠首閘作為民豐縣薩勒吾則克鄉(xiāng)重要引水工程的主要組成部分，現(xiàn)狀已無法滿足當(dāng)?shù)仫嬘盟枨螅覠o法抵御洪水，需拆除重建。結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩砑八那闆r，需要以克里雅水文站數(shù)據(jù)為參證，推算出大彎圖專用站和阿克塔什專用站多年平均徑流量和設(shè)計(jì)洪水，并給出渠首閘的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過水力計(jì)算得出渠首閘過流能力、渠首閘在不同情況下的閘門開度、閘頂高程，經(jīng)過穩(wěn)定性計(jì)算和滲流穩(wěn)定分析，確定該設(shè)計(jì)方案符合規(guī)范要求。