水閘除險加固設計探析
——以塔里木引水樞紐除險加固為例

張敬軍

（新疆兵團第一師水利工程建設管理處 阿拉爾市 843300）

塔里木灌區(qū)經(jīng)過幾十年的艱苦創(chuàng)業(yè),現(xiàn)已建立起以“一閘、二渠、三庫”為骨干，引、輸、蓄、灌、排工程基本配套的水利工程網(wǎng)絡?！耙婚l”：即塔里木攔河引水樞紐工程；“二渠”：即塔南、塔北總干渠（均含一干渠）；“三庫”：塔南灌區(qū)有上游、勝利兩座水庫，塔北灌區(qū)有多浪水庫。三庫均屬灌注式平原水庫，總庫容4.08億m3。

1 塔里木引水樞紐工程建設的必要性

（1）當前引水樞紐存在的問題已威脅工程的安全運行。

（2）引水樞紐除險加固工程是灌區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要保障，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生命線。

（3）引水樞紐除險加固工程效益顯著。

（4）引水樞紐是阿克蘇河流域大石峽水庫工程農(nóng)一師灌區(qū)的配套工程之一。

（5）引水樞紐除險加固工程是一項富民工程、民心工程[1]。

2 塔里木引水樞紐現(xiàn)狀及存在的主要問題

2.1 工程現(xiàn)狀

塔里木引水樞紐建成于1972年6月，位于阿克蘇河中下游，是農(nóng)一師塔里木灌區(qū)的引水樞紐，擔負著塔里木灌區(qū)14.65萬hm2（219.82萬畝）的灌溉任務，與此同時還擔負著阿克蘇市部分企事業(yè)單位和阿拉爾市及周邊團場生活用水和工業(yè)用水，是塔里木灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈。引水樞紐屬于“三邊工程”，受當時人力、物力、財力、施工條件、設備簡陋等條件的限制，設計和建設標準偏低，經(jīng)過近40年的運行，混凝土碳化、老化、裂縫、部分混凝土脫落及淤積等問題普遍存在。

2.2 存在的主要問題

（1）引水樞紐泄洪能力不足。

（2）上、下游河道淤積。

（3）泄洪閘混凝土老化、破損嚴重。

（4）泄洪閘閘門安全超高不足，海漫破損嚴重。

（5）泄洪閘上、下導流堤沖刷嚴重、安全超高不足。

（6）南北岸引水渠淤積，導致閘前灌溉水位抬高。

（7）南北岸進水閘混凝土老化，上部結構破損嚴重。

（8）南北岸進水閘閘室較短、閘孔單孔凈寬偏小。

（9）引水樞紐無融冰設施，冬季運行難度大。

（10）閘后交通橋存在安全隱患。

（11）引水樞紐管理設施簡陋，觀測設備不完備[2]。

3 塔里木引水樞紐除險加固任務及總體的布置設計

3.1 工程任務

通過本次除險加固工程的實施，旨在提高引水樞紐自動調(diào)控能力和管理水平，保證灌區(qū)的引水，為塔里木灌區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供保障，確保引水樞紐的安全運行[3]。

3.2 工程總體布置設計

3.2.1 泄洪閘的布置

將泄洪閘閘室向上游延伸，閘室上部設閘房、人行橋、檢修橋，原泄洪閘加高后作為交通橋橋墩，改建交通橋。

（1）閘室：泄洪閘閘室向上游延伸，綜合考慮引水樞紐的平面布置，結合閘室布置的需要，閘室長度確定為5.0 m，底板高程為1 040.90 m，墩頂高程為1 046.40 m，單孔凈寬為6.0 m，共32孔，與原閘室完全一致。閘室增設檢修閘門、門槽融冰設施、上部設置閘房，泄洪閘交通橋布置在原閘室位置，將原閘室上部結構拆除，保留并加高閘墩作為改建后交通橋橋墩，橋面凈寬為4.64 m。

（2）閘前鋪蓋：閘前鋪蓋布置型式與方案一一致，不同的是鋪蓋的長度及為了提高南北岸進水閘的引水防砂能力，將泄洪閘緊臨南北干渠進水閘側的3孔閘兼作沖砂閘，在閘前設置導砂坎束水沖砂，沖砂槽前設高壓旋噴墻，型式與鋪蓋前一致。

（3）閘后消能防沖：基本同方案一，根據(jù)消能防沖計算成果，消力池長度不滿足設計要求，消力池長度需向下游延伸，消力池末端設置消力墩，混凝土軟排后增加格賓填充塊石護砌段，長度為20 m，格賓后接拋塊石段，長度為15 m。

（4）金屬結構：原泄洪閘閘門及啟閉機全部進行更換，采用平面鋼閘門，共32扇，采用雙吊點卷揚式啟閉機，檢修閘門1扇，采用手動吊葫蘆啟閉。

3.2.2 南北岸進水閘的布置

保持原有閘室總寬度，在原閘后重建閘室，拆除原有中墩，保留邊墩，作為新建閘室閘前連接段。

（1）閘室：在原進水閘后重建閘室，利用原消力池的基礎作為閘室基礎，保持原有閘室總寬度不變，通過減少中墩個數(shù)擴大單孔凈寬，單孔凈寬為5.7m，共4孔，根據(jù)檢修閘門、工作閘門、上部閘房、閘后交通橋等布置的要求，確定重建閘室長度為10.1 m，上部設置閘房，閘后帶凈寬4.5 m的交通橋。將原閘室中墩拆除，邊墩保留加高后作為重建閘室閘前連接段。

（2）消能防沖設施：閘后海漫段及包砂漿條梢捆連接段全部拆除，原海漫段末端的板樁保留，閘后新建消力池采用現(xiàn)澆C20混凝土扭面結構型式，底板設置濾水孔。海漫段總長度為25.6 m，分兩段，前段長度為10.6 m，采用扭面結構型式，末端設置高壓旋噴墻，深度為6.0 m；下段長度15.0 m，采用格賓護墊填充塊石護砌，海漫段后采用格賓填充塊石護砌段與下游渠道連接[4]。

（3）金屬結構：平面鋼閘門需全部更換，采用平面鋼閘門，共8扇（南北岸進水閘各4扇），啟閉機采用雙吊點螺桿式啟閉機。南北岸進水閘各增設檢修閘門1套，分上、下兩部分，布置完全一樣，啟閉機采用手動吊葫蘆，工作門槽增設融冰系統(tǒng)。

3.2.3 推薦方案模型試驗成果結論

采用調(diào)查點位土壤樣品數(shù)據(jù)，借助反距離權重插值（IDW）法進行空間插值，并對插值結果進行土壤Cd風險等級評價，結果顯示珠三角地區(qū)土壤Cd有風險區(qū)域集中分布在北江流域兩岸，包括肇慶東南部、佛山中北部、中山市、廣州市南端及珠海市東北部（圖4）。

（1） 泄洪閘兩孔（16#、17#）過流時，由于下游水位相對較低，流量系數(shù)相對較大，特征水位下綜合流量系數(shù)為（0.371～0.378）。

（2） 泄洪閘六孔過流時（1#～3#、30#～32#開），特征水位下綜合流量系數(shù)為（0.346～0.352）。

（3）泄洪閘32孔全開時，特征水位下綜合流量系數(shù)為0.250～0.337。試驗量測校核洪水時試驗值較設計值小19.7%，泄洪閘下泄3 175 m3/s流量時，較設計校核洪水位高0.4 m。

（4） 閘前水位1044m，泄洪閘1#、32#兩孔過流，1#、32#孔邊壁側向進流，兩閘孔出流經(jīng)過消力池消能后，在護坦上均產(chǎn)生二次水躍。經(jīng)過護坦和海漫調(diào)整在拋石末端流速由消力池尾坎斷面的（3～4）m/s降至（1.8～2.2）m/s。

（5） 泄洪閘 1#～3#、30#～32#6 孔過流以及南北進水閘取水情況下，閘孔墩頭繞流范圍大于兩孔過流。閘下護坦產(chǎn)生波狀水躍。

（6）32孔在各級特征洪水時，閘上游南岸300 m處導流土堤岸坡流速達到4 m/s多，導流土堤約80 m范圍均遭到水流沖刷，閘上游北岸200 m處導流土堤岸坡流速達到3 m/s，導流土堤遭到水流沖刷，建議對此進行防護。設計與校核特征洪水條件下，閘孔出流淹沒度較大，閘下水面波動較為劇烈。

（7）32孔泄洪閘全開，流量分別為2 550 m3/s和3175m3/s時對應閘室上下游最大水位差分別為0.4 m、0.8m。流量為3175m3/s時，由于閘室沖擊波影響，閘室內(nèi)局部最大水面高程接近閘前水位1045.4m。

（9）泄洪閘32孔開啟，流量分別為2 550 m3/s，沖刷約20 h后海漫下游沖刷，下游沖坑最深點高程約為1 035.8 m，距海漫末端51 m，最大沖刷深度約為7 m，個別拋石下蟄。

（10）泄洪閘32孔開啟，流量分別為3 175 m3/s，沖刷約20 h后海漫下游沖刷，下游沖坑最深點高程約為1 032.58 m，距海漫末端44 m，最大沖刷深度約為9.4 m，個別拋石下蟄。

（11）6孔沖沙閘拉沙試驗結果表明，沖沙閘開啟后閘前淤積泥沙很快被拉走，約1 h后沖沙閘前沖砂槽內(nèi)（14～19）m范圍的泥沙被拉走，此后拉沙過程比較緩慢，約4 h后沖砂槽內(nèi)拉沙范圍為（16～20）m。

（12）試驗量測北進水閘在灌溉水位1044m時，取水閘過流能力為132 m3/s，滿足設計要求。南進水閘在灌溉水位1 044 m時北取水閘過流能力為142 m3/s，滿足設計要求。

（13）試驗結果表明北進水閘受左岸直邊壁繞流影響，南進水閘受右岸直邊壁繞流影響，閘前及出閘室后各斷面流速分布不均勻，經(jīng)過海漫調(diào)整后渠道內(nèi)流速分布相對均勻。

（14）導沙坎加高后沖砂槽內(nèi)流速增大，有利于沖砂閘拉沙，但導沙坎加高后南北取水閘泄流能力略有減小?？拷媳比∷l一側的導沙坎加高至1.2 m，坎頂高程1 042.1 m，其它導沙坎均加高至1.8m，坎頂高程1 042.7 m，南北取水閘泄流能力略有減小，但仍然滿足設計要求。

3.2.4 上下游導流堤布置

（1）上、下游導流堤混凝土護坡。上游南北岸各60 m，下游南、北岸各90 m六棱塊護岸段，將六棱塊護坡全部拆除，按現(xiàn)狀邊坡1∶1現(xiàn)澆C20混凝土板護坡，加高后堤頂寬為6.0 m，高程為1 046.40m。在坡角連環(huán)井柱樁前設置格賓護墊填充塊石護砌，護砌寬度為10 m，防止混凝土護坡基礎淘刷。在原扭坡結構上加固難度較大，在設計上考慮土堤增高對其應力影響，在堤頂增設1.5 m高C20混凝土重力式擋土墻，距原重力式斷面墻頂外邊線2.7 m，扭坡末端斜坡斷面墻頂外邊線1.7 m，堤頂新增擋土墻與原扭坡頂之間采用現(xiàn)澆C20混凝土板連接。

（2）上、下游導流土堤加高。導流土堤加高的范圍：上游北岸365 m，南岸697 m，下游北岸250 m，南岸517 m。上游導流土堤加固設計方案：土堤加高后高程為1 046.9 m～1 047.08 m，堤頂寬度為7.0 m，備寬度為5.0 m，高度為2.0 m。下游導流土堤加固設計方案：土堤加高后堤頂高程為1 046.1 m～1 045.84m，堤頂寬度為6.0 m，堤頂覆蓋砂礫石。

3.2.5 監(jiān)測系統(tǒng)的布置

按照塔里木引水樞紐運行管理的需要，規(guī)劃觀測項目、布設觀測設施、構建塔里木引水樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)含監(jiān)測項目和測點布置、自動化系統(tǒng)、應用軟件三部分。

[1]古麗巴哈·吾斯曼.水閘除險加固設計問題及質(zhì)量控制[J].中國水運(下半月)，2017，（01）：161-162.

[2]王飛.關于水閘除險加固工程設計的幾個問題[J].建筑知識，2016，（08）：128+131.

[3]白子昕.水庫除險加固之水閘設計探究[J].水利技術監(jiān)督，2014，（02）：50-51.

[4]楊淑娟.某水庫除險加固施工中的水閘設計分析[J].科技視界，2013，（32）：377.