淺談多泥沙河流上引水渠首的設(shè)計

王子堅 張小燕(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團勘測規(guī)劃設(shè)計研究院一分院 新疆 石河子 832000)

1 工程概況

新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河（簡稱“瑪河”）發(fā)源于天山山脈中段的依連哈比爾尕山北坡，是新疆北天山沿線最大的一條內(nèi)陸河流，源頭為海拔5000m以上的冰川，沿途匯集達子廟、哈熊溝、大小白楊溝、清水河等支流，由南向北流入準噶爾盆地，源頭至小拐全長324km，是準噶爾盆地南緣最大的一條河流。

瑪河一級水電站為引水式電站，主要由引水渠首、無壓引水道、前池、壓力管道、廠房、開關(guān)站和尾水渠等組成。電站設(shè)計水頭104m，設(shè)計引水流量62m3/s，設(shè)計發(fā)電流量54.2 m3/s，裝機容量50MW，設(shè)計年發(fā)電量1.89億kW·h。

引水渠首設(shè)計洪水標準為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量為1038.0m3/s，校核洪水標準為1000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為2054.0m3/s。正常蓄水位為842.4m，相應(yīng)庫容為85.02萬m3，最高運行水位846.0m，相應(yīng)庫容為162.02萬m3。渠首壩頂高程849m，最大壩高26.6m，壩頂長度987m。

引水渠首由主河槽段的閘壩、砌石重力壩和兩岸復(fù)合土工膜防滲壩結(jié)合組成擋水建筑物。泄洪、沖砂閘布置在主河床位置，由兩孔開敞式排漂排冰閘、六孔潛孔沖砂閘組成，泄水總流量為2054.0m3/s。進水閘緊靠右側(cè)排冰、排漂閘布置在東側(cè)，進水閘設(shè)計引水流量為62.0m3/s，進水閘下設(shè)兩孔沖砂底孔。復(fù)合土工膜防滲副壩緊靠圬工建筑物布置在兩岸。

2 工程設(shè)計特點

瑪納斯河徑流特征與北疆多數(shù)混合型補給河流相似，主要受氣溫和降水的影響，有著年際變化平緩，年內(nèi)分配集中的特點?，敽訌搅髂陜?nèi)分配，主要集中于6月～9月，水量占全年徑流量的76.6%(紅山嘴斷面)，其中7月和8月水量占年徑流量的52.8%。

瑪河洪水主要集中于七、八月份的汛期內(nèi)，洪水特征主要有以下幾點：①峰不高但量大；②持續(xù)時間長；③時間和水量集中；④峰型多變；⑤間歇性春洪和冰洪時有發(fā)生。

瑪河屬于一條多沙河流。泥沙來源于降雨融雪匯流對流域面的侵蝕和水流對河道的沖刷。據(jù)多年實測值統(tǒng)計，平均輸沙量295.4萬t，輸沙率為93.7kg/s，同期含沙量為2.46kg/s，侵蝕模數(shù)636t/km2。多年平均推移質(zhì)輸沙量為59.1萬t。

引水渠首為攔河式閘壩結(jié)構(gòu)，渠首閘室設(shè)計時需要充分考慮其功能性必須滿足瑪納斯河水文特點。閘室功能性為：①引水發(fā)電；②泄洪沖砂；③排冰排污；④抗沖耐磨；⑤運行管理方便，閘門運行高度自動化。

根據(jù)閘室功能性要求，具體布置有6孔潛孔式泄洪沖砂閘，2孔舍瓣式排冰排污閘，2孔潛孔式進水閘。6孔潛孔式泄洪沖砂閘表面采用瑪納斯河條石護砌抗沖抗磨。為提高運行管理自動化，泄洪沖砂閘閘門采用液壓啟閉機。

2.1 工程布置

閘室段布置在主河床內(nèi)，從左向右依次布置西排漂排冰閘、6孔潛孔式?jīng)_砂泄洪閘，東排漂排冰閘，2孔帶胸墻進水閘緊靠東排漂閘布置在東側(cè)。左右岸復(fù)合土工膜防滲心墻壩緊靠閘室（重力壩）布置在兩岸河床上游側(cè)。引水渠首閘前冬季運行水位為846.0m，渠首閘（壩）頂高程為849.0m。排漂排冰閘共2孔，單孔寬6.0m，為露頂式舌瓣閘門；沖砂泄洪閘共6孔，單孔寬6.0m，高5.0m，為帶胸墻潛孔弧形閘門；進水閘共2孔，單孔寬5.0m，為帶胸墻潛孔弧形閘門，閘室段總長85m。

2.2 各主要建筑物設(shè)計

（1）排漂排冰閘。排漂泄洪閘在主河床左右側(cè)各布置1孔，主要功能為冬季有冰洪時排冰，夏季排污，洪水期兼有泄洪任務(wù)。根據(jù)冬季運行閘前水深不宜小于3.0m要求以及考慮夏季運行水位，初步確定排冰、排污閘堰頂高程為839.5m，設(shè)計為露頂式舌瓣閘門。排冰、排污閘為2孔，各6m寬，孔口高9.5m，正常蓄水位為842.4m時，泄水流量為51.94m3/s。校核洪水位為846.0m時，泄水流量為147.22m3/s。

閘室總長 28.0m，2孔合計凈總寬12.0m。閘墩高19.0m，中墩寬1.5m，邊墩寬1.0m～2.0m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板上設(shè)實用堰，閘底板和實用堰均為埋石砼結(jié)構(gòu)，前齒墻深入強風(fēng)化基巖面以下1.0m，底板基礎(chǔ)最小厚度為3.6m，為了減小實用堰工程量，堰體內(nèi)部設(shè)有5.5m高，3.0m寬廊道。閘室上部結(jié)構(gòu)上游至下游依次布置檢修門機、工作橋、交通橋。工作橋橋面寬3.6m，閘房為框架結(jié)構(gòu)，交通橋橋面寬4.8m。

閘室下游設(shè)有底流消能護坦，護坦長50.0m，總寬68.0m。護坦底板表層設(shè)0.3m厚條石耐磨層，下部1.2m厚漿砌石結(jié)構(gòu)，漿砌石底部設(shè)50cm厚砂礫石反濾料，以滿足排水孔反濾要求。護坦尾部接5.0m深防沖槽，防沖斜齒墻厚1.0m，槽內(nèi)拋填直徑大于0.3m大拋石，保護防沖斜齒墻。

主河槽河床砂卵礫石復(fù)蓋層2m～6m，設(shè)計確定清除強風(fēng)化層基巖，將閘基坐落在弱風(fēng)化層基巖面上，閘基采用埋石砼，形成筏形基礎(chǔ)，增加閘室穩(wěn)定性。

（2）沖砂泄洪閘。沖砂閘布置在主河床位置，主要功能為沖砂，兼有泄洪任務(wù)。根據(jù)河床現(xiàn)狀地面高程，初步確定沖砂閘閘底板高程為833.0m。為了減小閘門高度，設(shè)計為潛孔弧形閘門。沖砂閘共布置6孔，單孔孔口尺寸寬6.0m，高為5.0m。正常蓄水位為842.4m時，閘門全開，沖砂泄洪閘泄水流量為1489.2m3/s；校核洪水位846.0m時，閘門全開，沖砂泄洪閘泄水流量為1898.2m3/s。

閘室總長28.0m，每2孔分1條縫，6孔合計凈總寬36.0m。閘墩高19.0m，中墩寬1.5m，邊墩寬1.5m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。胸墻底面高程為838.0m，板梁鋼筋砼結(jié)構(gòu)。閘底板為埋石砼結(jié)構(gòu)，表層設(shè)0.3m厚條石耐磨層，前齒墻深入強風(fēng)化基巖面以下1.0m，底板基礎(chǔ)最小厚度為3.6m，為了減小底板工程量，底板上游側(cè)設(shè)有2.6m高，9.16m寬砂礫石填筑體。閘墩迎水面3.0m高范圍設(shè)0.3m厚抗磨C60硅粉混凝土。閘室上部結(jié)構(gòu)上游至下游依次布置檢修門機、工作橋、交通橋，檢修門6孔共用1扇，工作橋橋面寬3.60m，閘房為彩鋼苯板結(jié)構(gòu)，交通橋橋面寬4.80m。工作橋、交通橋均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

沖砂泄洪閘下游消能形式與排漂泄洪閘結(jié)構(gòu)形式相同。

（3）進水閘。進水閘布置在排冰、排污閘右側(cè)，主要功能為滿足發(fā)電引水要求。

瑪河為一條多泥沙河流，雖然從滿足渠首的功能方面已經(jīng)布置了泄洪沖砂閘和排漂排冰閘，但是從電站投資方考慮，往往在非洪水期電站引水和放水沖砂存在很大矛盾。為了便于解決這個矛盾，使渠首運行更加靈活，進水閘設(shè)計征求各方意見，最終設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為沖砂廊道、進水閘、排漂閘。

初步確定進水閘閘底板高程為839.0m，設(shè)計為潛孔式弧形閘門，孔口尺寸為2孔各5m寬，孔口高5.0m，正常蓄水位為842.4m時，為閘孔出流，引水流量為62.0m3/s，需閘門開啟度為1.88m。閘室總長21.5m，總寬13.0m。閘墩高10.0m，寬1.0m，閘墩頂高程為849.0m，閘底板厚1.0m，閘室為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

為了及時排除進水閘閘前泥沙，進水閘底部設(shè)有2孔鋼筋砼沖砂廊道，廊道進口高程為836.5m，最大長度為46.35m，單孔寬1.0m，高1.5m。閘前水位842.4m時，單孔泄流量為12.65m3/s，閘前水位846.0m時，單孔泄流量為15.9m3/s。

沖砂廊道閘室布置在進水閘和排冰排污閘之間，為潛孔式平板閘門，設(shè)有檢修閘和工作閘，閘井尺寸為寬1.0m，長0.9m，為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。閘井后2條廊道合并為鋼筋砼沖砂矩形渠，渠寬和高均為2.0m。廊道出口高程為835.0m，水流最終跌落于渠首消能護坦中。

為了解決引水時漂浮物問題，在引水閘上部設(shè)兩孔排漂閘，寬度與引水閘相同，設(shè)計為舌瓣閘門。底板高程843.95m，水流經(jīng)過閘門后通過一個90°的轉(zhuǎn)變直接跌入左側(cè)東排漂排冰閘后。

閘室上部結(jié)構(gòu)上游至下游依次布置攔污柵、排漂閘工作橋、交通橋、引水閘工作橋，工作橋橋面寬3.60m，閘房為彩鋼苯板結(jié)構(gòu)，交通橋橋面寬4.80m。

連接段后通過12m長扭面與電站引水渠相接。

引水閘縱剖面如圖。

3 工程運行

瑪納斯河一級水電站從2007年6月16日4臺機組并網(wǎng)發(fā)電至今已運行4年多。渠首庫盤每年近乎淤平，運行管理單位洪水期開閘集中沖砂，運行狀況良好，目前已達到?jīng)_淤平衡。

4 結(jié)語

在多泥沙河流上修建渠首需要考慮多方面的因素，尤其要根據(jù)水文、泥沙，地質(zhì)條件因地制宜，更要結(jié)合業(yè)主運行管理要求個性化設(shè)計，才能滿足渠首的各種功能。陜西水利