在渠首設(shè)計(jì)中透水溢流壩的應(yīng)用

高盼盼

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在渠首設(shè)計(jì)中透水溢流壩的應(yīng)用

高盼盼

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

青年渠渠首通過透水溢流壩的設(shè)計(jì)，使進(jìn)(退)水閘前形成淺水水面，為項(xiàng)目區(qū)開發(fā)旅游項(xiàng)目創(chuàng)造了條件。渠首設(shè)計(jì)考慮了與新青年渠渠道的銜接，與新建防滲墻的銜接，盡量減少了對大西溝管線的沖刷。通過在泄洪沖沙閘前設(shè)計(jì)引洪渠保證了渠首的沖沙效果。闡述了渠首的運(yùn)行原理，同時，基于格賓中回填料的孔隙率，對透水溢流壩的滲水量及溢流壩(堰)段的壩寬設(shè)計(jì)提出了簡要的計(jì)算方法。

透水溢流壩；淺水水面；透水流量

1 概 述

原烏魯木齊河青年渠渠首位于烏魯木齊河上游大西溝處，是我國第一座費(fèi)爾干式渠首，2008年12月鑒定為四類閘，應(yīng)拆除重建。結(jié)合項(xiàng)目區(qū)特點(diǎn)，新建渠首位于原渠首上游170 m處，由透水溢流壩、泄洪沖沙閘、引洪渠、退水閘、進(jìn)水閘和上下游導(dǎo)流堤等建筑物組成。泄洪沖沙閘布置于河道右岸，透水溢流堰布置于泄洪沖沙閘左側(cè)上游，為側(cè)堰，與閘軸線平行；退水閘(兼沖沙閘)、進(jìn)水閘布置在河道左岸，呈“一”字型布置，位于原渠首彎道進(jìn)口處[1]。

2 設(shè)計(jì)基本情況

2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

青年渠渠首處河谷呈“U”型，河谷寬400 m，其中現(xiàn)代河床寬約200 m左右，海拔1600 m左右，兩岸發(fā)育有8級堆積階地，高出現(xiàn)代河床約300 m左右，沖溝發(fā)育?；A(chǔ)地層巖性為卵石混合土，下部為第三系礫巖。本區(qū)地震動峰值加速度為0.20 g，即地震基本烈度為Ⅷ度。

項(xiàng)目區(qū)多年平均氣溫1.7 ℃，多年平均降水量471.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1090.56 mm。最大凍土深度129 cm，平均風(fēng)速2.2 m/s，最大風(fēng)速17 m/s。

青年渠渠首工程場址處75%年徑流量為2.106×108m3，懸移質(zhì)多年平均輸沙量為6.99×104t，推移質(zhì)多年平均輸沙量為0.21×104t。

2.2 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

青年渠渠首的工程任務(wù)是保證青年渠干渠灌區(qū)的灌溉用水及烏拉泊水庫的供水。烏魯木齊市工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及城市居民用水主要通過烏拉泊水庫和紅雁池水庫調(diào)節(jié)得以保證，而兩座水庫的水源主要通過青年渠渠首引用烏魯木齊河河水。

青年渠渠首控制面積8000 hm2，設(shè)計(jì)引水流量25 m3/s，加大引水流量30 m3/s，因此確定工程等級為Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，烏魯木齊市為特別重要城市，級別為Ⅰ等，因此，工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取30 a一遇，相應(yīng)洪峰流量(P=3.3%)216 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取100 a一遇，相應(yīng)洪峰流量(P=1%)277 m3/s。

3 青年渠渠首設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

青年渠渠首距烏魯木齊市60 km，所處河谷河水清澈，兩側(cè)山體植被茂密，夏日涼爽，景色優(yōu)美，是城市人們節(jié)假日休閑、避暑的好去處，后期渠首處將開發(fā)景區(qū)。本次設(shè)計(jì)從景觀方面考慮，將在進(jìn)(退)水閘前形成寬闊的淺水水面，為后期開發(fā)旅游業(yè)創(chuàng)造條件[2]。結(jié)構(gòu)布局由左岸新青年渠渠道、透水溢流壩、退水閘上游導(dǎo)流堤、退水閘及進(jìn)水閘布置形成環(huán)形區(qū)域，在進(jìn)(退)水閘前200 m范圍內(nèi)按1/80縱坡整治河床，待渠首建成運(yùn)行，此區(qū)域?qū)⑿纬?.5～0 m深的環(huán)形水域。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

還是那結(jié)實(shí)的橋，還是那蜿蜒的溪，一切都是那么熟悉。宿晚喜極而泣，不想?yún)s驚到了四處戲耍的稚兒。小娃娃眼淚汪汪，“哇”一聲哭出來，又吵到鄉(xiāng)親鄰里。一老嫗架著拐杖，顫顫巍巍走到宿晚身邊，面露喜色道：“這，這不是宿家的小子嗎？哎呦，可算回來了……”

3.2.1 與新青年渠渠道的銜接

新青年渠工程[3]位于烏魯木齊河上游石門子渠首與青年渠首之間，是連結(jié)兩座渠首的紐帶，總長9.4 km，在渠道樁號0+250 m處布置了一座園中環(huán)沉砂池，大大降低了渠水的含沙量。渠道末端設(shè)計(jì)流量12.2 m3/s，加大流量17.2 m3/s。

因此，青年渠渠首設(shè)計(jì)時，考慮在河道來水小于常遇洪水(5 a一遇)的情況下，使河道渾水經(jīng)透水溢流壩過濾成清水投至渠首進(jìn)水閘前水域，與新青年渠渠水匯合，再經(jīng)渠首進(jìn)水閘引水至下游灌區(qū)。渠首進(jìn)水閘左岸上游導(dǎo)流堤設(shè)計(jì)應(yīng)與渠道左邊坡順接，閘前為防止沖刷鋪設(shè)了厚50 mm的干砌石。

3.2.2 與高噴防滲墻的銜接

為了提高青年渠渠首的引水率，在2015年青年渠渠首彎道進(jìn)口至河道右岸河谷處，即新建渠首閘址處，新建了一道混凝土防滲墻直至基巖處，有效攔截河道地下水，使地下水在渠首前大量的溢出。因此，青年渠渠首各建筑物的布置需與地下防滲墻做好銜接，保證防滲墻的截滲效果。建筑物底部采用350 mm混凝土蓋帽包裹防滲墻銜接。同時，為保證渠首前地下水能夠正常溢出，渠首前底板均采用干砌石護(hù)底。根據(jù)地下水溢出情況，左岸導(dǎo)流堤采用干砌石護(hù)坡，右岸導(dǎo)流堤采用混凝土板護(hù)坡，護(hù)坡上設(shè)置PVC排水管。

3.2.3 減少對大西溝管線的沖刷

在透水溢流壩左側(cè)有一條大西溝引水管線穿過，透水溢流壩的設(shè)計(jì)可使河道來水小于常遇洪水(5 a一遇)的情況下，免受洪水沖刷，在河道來水大于113 m3/s時，透水溢流壩的溢流壩段開始過洪，在溢流壩段的管道布置范圍內(nèi)鋪設(shè)了厚500 mm的干砌石進(jìn)行防護(hù)。

3.2.4 保證泄洪沖沙閘的沖沙效果

3.2.5 建筑物組成

新建青年渠渠首工程由引洪渠、泄洪沖沙閘、透水溢流堰、退水閘、進(jìn)水閘和上下游導(dǎo)流堤等建筑物組成。

泄洪沖沙閘、退水閘及進(jìn)水閘的設(shè)計(jì)均依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，按常規(guī)水閘設(shè)計(jì)。泄洪沖沙閘共1孔，單孔凈寬10 m；退水閘共2孔，單孔凈寬8 m；進(jìn)水閘共1孔，單孔凈寬8 m。透水溢流壩總長402.96 m，由透水壩段和溢流壩段組成。

3.3 運(yùn)行原理

(1)泄洪沖砂閘與透水溢流壩及河道右岸防洪堤相結(jié)合，當(dāng)河道來水小于等于113 m3/s時，控制泄洪沖沙閘閘門開度，經(jīng)透水溢流壩壩體滲水至進(jìn)水閘側(cè)，河道河水經(jīng)透水溢流壩滲入，可對水中的推移質(zhì)泥沙進(jìn)行過濾，保證了環(huán)形水域水的清澈；對于透水溢流壩前淤積的泥沙，由泄洪沖沙閘及時沖淤，保證了透水溢流壩的透水效果。

(2)在河道來水大于113 m3/s時，透水溢流壩的溢流壩段將作為側(cè)堰過水，洪水將由透水溢流壩壩體滲水及溢流壩段側(cè)堰過水至進(jìn)水閘側(cè)，進(jìn)水閘側(cè)環(huán)形水域水質(zhì)將含有泥沙，控制退水閘閘門開度，使進(jìn)水閘滿足引水要求。進(jìn)水閘前設(shè)有擋沙坎，使進(jìn)水閘底板比退水閘底板高1.0 m，有效減少進(jìn)水閘引水的含沙量。沖沙閘前淤積泥沙由沖沙閘及時沖淤。

4 透水溢流壩設(shè)計(jì)

透水溢流壩由兩部分組成：上游段(樁號格賓溢流壩0+000～格賓溢流壩0+302.96)為透水壩，呈階梯狀，平均高于河床3.0 m；下游段(樁號格賓溢流壩0+302.96～格賓溢流壩0+402.96)為溢流壩，呈梯形形狀，長為100 m，堰高1.65～3.07 m。透水溢流壩由格賓石籠組成，規(guī)格為1.0 m×1.5 m×0.5 m(長×寬×高)，格賓中回填級配料。透水溢液壩剖面圖見圖1～2。

圖1 透水壩段剖面圖(單位：mm)

圖2 溢流壩段剖面圖(單位：mm)

4.1 側(cè)堰寬計(jì)算

在河道來水為設(shè)計(jì)洪水，洪峰流量216 m3/s時，泄洪沖沙閘閘前水位為1610.57 m，根據(jù)《水力計(jì)算手冊》[5]，按拋物線回水公式計(jì)算回水曲線水平長度L，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：ha為泄洪沖沙閘閘前水深與引洪渠按明渠均勻流計(jì)算的閘前水深之差，1.21 m；Jp為引洪渠按明渠均勻流計(jì)算的平均水面坡，0.017；則L為142 m。

透水溢流堰堰型采用折線形低實(shí)用堰，溢流壩段過水計(jì)算(側(cè)堰)公式見式(2)。

(2)

式中：Q為流量，m3/s；c為上游堰坡影響系數(shù)，1.0；m為流量系數(shù)，0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，1.0；σs為淹沒系數(shù)，1.0；B為溢流堰總凈寬，100 m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m。

根據(jù)不同堰頂高程，計(jì)算滿足堰頂泄流的堰寬，經(jīng)試算，確定堰寬100 m，堰頂高程始端為1610.32 m，末端為1610.07 m。

4.2 透水流量及堰頂流量計(jì)算

格賓壩內(nèi)填筑直徑2～8 cm的礫石，根據(jù)地質(zhì)試驗(yàn)，孔隙率為0.2，則其透水率按20%計(jì)算，溢流壩段壩頂溢流按折線型寬頂堰(側(cè)堰)計(jì)算，計(jì)算公式同式(2)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 透水溢流壩水位流量關(guān)系表

青年渠渠首進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量為25 m3/s，經(jīng)過計(jì)算，①在河道洪水流量為113 m3/s時，透水溢流壩只透水不溢流，透水流量為24 m3/s，基本滿足進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水要求，其余洪水由泄洪沖沙閘泄洪；②在河道來水為設(shè)計(jì)洪水時(P=3.33%)，透水溢流壩透水流量為43.2 m3/s，壩頂過水流量為60.53 m3/s，合計(jì)過洪流量103.73 m3/s；③在河道來水為校核洪水時(P=1%)，透水溢流壩透水流量為55.4m3/s，壩頂過水流量為102.07 m3/s，合計(jì)過洪流量157.47 m3/s。

5 結(jié) 論

青年渠渠首設(shè)計(jì)在考慮渠首引水任務(wù)的同時，還充分考慮了項(xiàng)目區(qū)特點(diǎn)， 使渠首工程的建設(shè)既滿足下游灌區(qū)的用水要求，又能夠?yàn)轫?xiàng)目區(qū)開發(fā)旅游業(yè)創(chuàng)造水域條件。

目前，青年渠渠首施工工作已進(jìn)行60%，建議工程建成運(yùn)行后，根據(jù)水情測報數(shù)據(jù)，進(jìn)一步建立可靠的河道來水量與透水溢流壩滲水量的數(shù)學(xué)模型，以便其他工程參考借鑒。

[1] 水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院．新疆烏魯木齊河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目(六期)青年渠渠首改建工程[R]．烏魯木齊：水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2016．

[2] 李永紅, 劉志然. 河岸景觀設(shè)計(jì)理念探索——深圳市鹽田河河道景觀設(shè)計(jì)[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2007(6):104-105.

[3] 水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院．新疆烏魯木齊河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目(四期、五期)新青年渠工程[R]．烏魯木齊：水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2013-2015.

[4] 李煒．水力計(jì)算手冊[M].第二版.北京：中國水利水電出版社，2006．

[5] 中華人民共和國水利部．水閘設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 265-2001[S]．北京：中國水利水電出版社，2001．

The application of permeable overflow dam in the design of canal head

GAO Panpan

(XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerMinistryofWaterResource,Urumqi830000,China)

The Youth canal head used the type of permeable overflow dam,the shallow free surface will be formed before the intake gate and the escape gate in the sluice,permeable overflow dam has created conditions for the future development of tourism projects.The Youth canal head design considered the connection of the new youth canal and the connection with the new cutoff wall,the daxigou pipeline erosion was reduced.The scouring effect was ensured through the design of flood diversion canal before the flood sluice gate.The operating principle of canal head hluice was elaborated.Meanwhile, based on the porosity in the backfill Gabion, the brief calculation method of water seepag and the dam width design of permeable overflow dam was put forward.

permeable overflow dam; shallow free surface; seepage of permeable dam

高盼盼(1985-)，女，山西臨汾人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:530665840@qq.com。

TV67

B

2096-0506(2017)03-0036-04