金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程消能防沖方案比選

張文獻(xiàn)

（新疆金溝河流域管理局，新疆 烏魯木齊 832100）

0 引言

大型水利工程的修建可以有效緩解當(dāng)?shù)厮Y源時(shí)空分布差異較大的問(wèn)題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，具有重要的民生意義[1-2]。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，水利樞紐工程經(jīng)常出現(xiàn)老化、淤積等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到工程的正常使用[3-4]。在水利樞紐工程中，消能防沖工程是一個(gè)重要組成部分，可以有效緩解下泄水對(duì)下游河道岸坡的沖刷作用，保證水利樞紐工程的正常運(yùn)行[5-6]。

1 工程概況

金溝河引水樞紐工程的主要問(wèn)題是安全、老化和泥沙淤積問(wèn)題。工程最大過(guò)閘流量為546 m3/s（P=2%），過(guò)閘洪峰流量在100 m3/s～1000 m3/s之間，引水流量在10 m3/s～50 m3/s之間。

金溝河引水樞紐輸沙總量為94.4×104t。紅山頭多年平均含沙量為2.31 kg/m3。引水樞紐泄洪沖砂閘后采用裙板消能的方式，閘下淤積嚴(yán)重，裙板已被泥沙埋沒(méi)，見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)狀泄洪沖砂閘下游泥沙淤積情況

2 消能防沖方案比選

2.1 類(lèi)似工程分析

消力池和裙板消能在新疆各渠首工程中均有普遍應(yīng)用，能滿(mǎn)足消能需要，但在多泥沙河流上的運(yùn)行效果各有不同。現(xiàn)列出部分新疆已建樞紐兩種消能方式運(yùn)行情況對(duì)比，見(jiàn)表1、表2。

表1 新疆已建樞紐消力池消能方式統(tǒng)計(jì)表

表2 新疆已建樞紐裙板消能方式統(tǒng)計(jì)表

類(lèi)似工程模型試驗(yàn)：伊犁河引水樞紐泄洪系統(tǒng)主要有6孔泄洪閘、4孔泄洪沖砂閘，孔寬均為12 m，校核洪水流量為2990 m3/s，對(duì)應(yīng)單寬流量為24.9 m3/s，平均年輸沙量781×104t。工程對(duì)泄洪閘閘后的消能措施分別進(jìn)行了消力池、裙板消能等方案的模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)結(jié)果：消力池方案下游最大流速為4.69 m/s，下游最大沖坑深度為4.11 m；而裙板方案下游最大流速達(dá)到8.3 m/s，下游最大沖坑深度為5.44 m。

2.2 消力池方案設(shè)計(jì)

消力池在水利工程中極為常見(jiàn)，具有較好的消能效果，保護(hù)河床免受下泄水的沖刷，適用性較強(qiáng)，可在多種地質(zhì)情況下使用[7-8]。

金溝河引水樞紐工程泄洪沖砂閘后接泄洪道，包括消力池、護(hù)坦以及出口防護(hù)段，總長(zhǎng)182.73 m。采用消力池方案時(shí)，設(shè)計(jì)消力池尺寸為40.0 m×22.5 m。消力池前10.0 m采用陡坡，設(shè)計(jì)坡比為1∶4；消力池中間采用平坡，該段底板高程為810.0 m；末端10.0 m采用坡比為1∶7.5的反坡。消力坎高度為1.2 m，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10.0 m。消力池底板采用厚為1.2 m的鋼筋混凝土材料，在消力池末端（反坡段）采用厚0.45 m的砂礫石反濾層和按照梅花型布置的直徑30 mm的排水孔。設(shè)計(jì)護(hù)坦總長(zhǎng)118.85 m，底板材料為厚0.45 m漿砌塊石，具有防沖刷能力強(qiáng)，適應(yīng)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，護(hù)坦寬度在22.5 m～45.6 m之間；護(hù)坦可以分為兩段，前段長(zhǎng)77.83 m，采用縱坡坡比為1∶80，后段長(zhǎng)41.0 m，采用縱坡坡比為1∶15。護(hù)坦末端與防沖槽連接，寬度45.6 m，長(zhǎng)17.0 m，采用漿砌塊石砌護(hù)，按照1∶3的坡比深入至地下2.0 m，上覆長(zhǎng)10.0 m，厚2.0 m的格賓石籠，采用拋石回填基坑。

泄洪沖砂閘后消力池結(jié)構(gòu)縱剖面見(jiàn)圖2。

圖2 消力池結(jié)構(gòu)縱剖面圖

2.3 裙板消能方案

裙板消能結(jié)構(gòu)主要是利用防沖裙板分散水利樞紐工程下泄水，從而擴(kuò)大水流的面積從而降低單位面積上對(duì)河床的沖擊力，降低對(duì)河床、岸坡的沖刷強(qiáng)度。采用裙板效能方案，可以充分利用裙板形成的負(fù)渦旋將河床質(zhì)回淤到裙板底部，在一定程度上保護(hù)裙板和防沖隔墻，有效保護(hù)基礎(chǔ)避免被下泄水沖刷，降低下泄水的破壞力[9-10]。

裙板消能工況，需確定裙板下游沖刷深度。針對(duì)底流銜接、面流銜接采用不同計(jì)算公式。

對(duì)于底流銜接狀態(tài)：

銜接流態(tài)的判別：當(dāng) k＞k'，為面流銜接流態(tài)；當(dāng) k＜k'，為底流銜接流態(tài)。

式中：T為從閘底板高程算起的最大沖刷坑深度，m；E0為閘室末端底板以上的水頭，m；d50反映河床地質(zhì)條件的中值粒徑，m；ht為下游水深，m；q為閘后單寬流量，m3/（s.m）；g為重力加速度，取 9.81 m/s2。

沖刷深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 裙板后沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果，裙板后沖刷防護(hù)深度取為7.0 m。

金溝河泄洪沖砂閘后結(jié)構(gòu)布置包括斜坡護(hù)坦段、裙板消能段、擋墻段以及導(dǎo)流堤段，總長(zhǎng)182.73 m。

斜坡護(hù)坦段長(zhǎng)20 m，寬22.5 m，縱坡為1∶10，主要采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，厚度為1.96 m～3.96 m，其表層為20 cm厚C60硅粉混凝土，下層分別為厚1.0 m的C25鋼筋混凝土、厚0.76～2.76 m C20混凝土填筑層以及厚10 cm C15混凝土墊層。在兩邊擋墻底板以上0.75 m范圍內(nèi)為C60硅粉混凝土。

設(shè)計(jì)裙板消能段全長(zhǎng)40.0 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.0 m，寬度22.5 m。順?biāo)鞣较蛉拱宀捎?∶10的反坡，材料為QU120鋼軌，軸心距為0.44 m；裙板底部采用雙排C25混凝土支撐結(jié)構(gòu)，間距為2.5 m。兩側(cè)采用C25扶壁式擋墻，底板及墻面板厚0.6 m，扶壁厚0.5 m，間距3.0 m。

裙板沖坑計(jì)算深度為7.2 m，坑底部高程為805.762，裙板后兩側(cè)導(dǎo)流墻按最大沖坑深度確定基礎(chǔ)埋深的長(zhǎng)度范圍，根據(jù)已建工程水工模型試驗(yàn)，一般取L=（10～12）T，本工程取40m，導(dǎo)流墻底板為反坡，坡比為1∶23。該段河床面以下采用拋石回填防護(hù)，拋石粒徑大于30 cm。

裙板消能工縱剖面見(jiàn)圖3。

圖3 裙板消能工縱剖面圖

2.4 泄洪沖砂閘消能方式比選結(jié)論

泄洪沖砂閘消能方式比較見(jiàn)表4。

表4 消能方式比較表

從表4分析可知，經(jīng)濟(jì)性方面消力池方案要略?xún)?yōu)于裙板方案，根據(jù)新疆同類(lèi)工程實(shí)例，兩種消能方式在技術(shù)上均可行，但考慮到裙板消能下游流速及沖坑深度均較消力池方案相對(duì)較大，同時(shí)結(jié)合本工程特點(diǎn)，消力池方案有較長(zhǎng)的漿砌石海漫，對(duì)保護(hù)兩側(cè)導(dǎo)流堤更為有利，因此，泄洪沖砂閘消能方式推薦采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)、相對(duì)安全的消力池方案。

3 結(jié)論

為解決金溝河引水樞紐工程在長(zhǎng)期使用過(guò)程中出現(xiàn)老化、淤積等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比分析，采用消力池作為消能方案。該方案通過(guò)使用柔性結(jié)構(gòu)保證了消力池的適應(yīng)變形能力，與裙板結(jié)構(gòu)相比，消力池具有造價(jià)低、維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可為類(lèi)似工程提供參考。