新疆葉爾羌河灌區(qū)葉城縣骨干工程江卡渠首泄洪閘除險(xiǎn)加固分析

聶亮亮

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，江西 南昌 330209)

江卡渠首工程是一座人工彎道式渠首工程，自建成以來，為葉城縣農(nóng)業(yè)灌溉用水及環(huán)境生態(tài)用水提供了極大的保證，發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益。通過現(xiàn)狀調(diào)查，江卡渠首工程基本處于安全狀態(tài)，但目前存在：因汛期泄洪閘沒有連續(xù)或間歇沖砂，閘前上游河道淤積嚴(yán)重。閘后挑流裙板嚴(yán)重?fù)p壞，由于下游河床沖刷較深，護(hù)岸工程存在安全隱患；泄洪閘為弧形鋼閘門，閘門吊點(diǎn)與面板已銹蝕，閘門卷揚(yáng)機(jī)時(shí)常被卡，閘門止水老化，漏水嚴(yán)重。檢修門無起吊設(shè)施，運(yùn)行管理不便等問題。為保證渠首安全運(yùn)行，應(yīng)采取必要的加固處理措施，充分發(fā)揮水閘泄洪的作用，保障供水安全，增強(qiáng)防洪能力，以更好地促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。

1 工程概況

江卡渠首工程開工興建于1994年，1997年正式建成投入運(yùn)行，1999年經(jīng)受了遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水考驗(yàn)，2004年完成了防洪改建達(dá)到現(xiàn)有規(guī)模。江卡渠首工程是一座人工彎道式渠首工程，主要建筑物包括：泄洪閘、人工彎道、進(jìn)水閘、沖砂閘、溢流堰五大部分。江卡渠首在1987年設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)測(cè)洪水資料只有30年，屬于大(2)型水利樞紐工程，因灌區(qū)可以從葉爾羌河調(diào)水，同時(shí)，建筑物失事不致對(duì)下游造成很大威脅，所以，本渠首工程當(dāng)時(shí)按三級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量為640 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，校核洪峰流量為880 m3/s。

江卡渠首水閘擋水高度較小，當(dāng)設(shè)計(jì)洪峰到來時(shí)，除進(jìn)水閘閘門控制運(yùn)行外，其他閘門均可全開參與泄洪。閘址以上形成的水庫屬河道型水庫，其洪水調(diào)蓄作用小，滯洪能力有限。因此，從工程安全角度考慮，本工程的閘上設(shè)計(jì)水位計(jì)算不考慮河道的調(diào)蓄作用，直接采用溢流堰斷面水位～流量關(guān)系曲線按比降(S=3.8‰)推算求得。P=3.33%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量為998 m3/s，P=1%校核標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量為1418 m3/s。

2 工程復(fù)核計(jì)算

因工程安全鑒定為2008年進(jìn)行，已超過10年，按相關(guān)文件要求，本次除險(xiǎn)加固按相關(guān)規(guī)范重新對(duì)渠首建筑物進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

2.1 泄洪閘消能防沖復(fù)核

(1)泄洪閘后消能坑深度復(fù)核計(jì)算

河道的來水情況通常較為復(fù)雜,使得其上下游水位變化非常大，裙板下游會(huì)出現(xiàn)底流和面流銜接兩種流態(tài)[1]。

底流銜接沖深經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

T/E0=0.445k0.336(d50/E0)-0.156

面流銜接沖深經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

T/E0=0.682-0.314(k-0.15)0.2-2.998(d50/E0)

其中流能比：

式中：T為從下游護(hù)坦高程起算的最大水深，m；E0為閘室最末端底板以上的水頭，m；d50為中值粒徑，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9.8 m/s2。

根據(jù)設(shè)計(jì)、校核兩種工況下計(jì)算結(jié)果，校核工況為最不利工況，通過計(jì)算泄洪閘閘后消能水深為2.64 m，考慮本工程的實(shí)際情況，應(yīng)取一定的安全系數(shù)(1.5)[2]，因此，最大設(shè)計(jì)沖深為3.96 m。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，閘后沖刷深度為3.0 m。泄洪閘后消能設(shè)施經(jīng)多年運(yùn)行，塌陷、淘刷較為嚴(yán)重，此次需對(duì)閘后拆除重建。

(2)泄洪閘消能坑下游河道沖刷深度復(fù)核

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)進(jìn)行水流平行與岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算[3]：

式中：hB為從水面起計(jì)算的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，本工程以設(shè)計(jì)水位最大深度的近似值代替，hp=1.10 m；Vcp為平均流速，Vcp=8.69 m/s；V允為河床面允許不沖流速，本工程河床為卵石，因此不沖流速取1.8 m/s；n的取值與工程防護(hù)岸坡在平面上的形狀密切相關(guān)[4]，一般取n=0.25。

得出hB=1.58 m。

2.2 閘基滲透穩(wěn)定計(jì)算

(1)基本參數(shù)

泄洪閘所處位置地形平坦，整個(gè)工程的地層巖性主要是以第四系全新統(tǒng)(Q4al)青灰色砂卵礫石為主，厚度大于10.0 m。呈稍密～中密,磨圓度好和受力條件較好，粒徑4 cm～20 cm，最大的達(dá)80 cm。

閘室滲流地下輪廓線簡化見圖1。

順?biāo)飨蚩倽B透長度L=2+13.5+3+4.1×2+1.4+1+1+1.2+1+1=33.3 m

比較閘室穩(wěn)定各工況水位，在校核工況，上、下游水位差最大為5.66 m，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)4.3.2條，閘基礎(chǔ)防滲長度應(yīng)滿足L=CΔH的要求，閘基礎(chǔ)為砂卵礫石層，C取值范圍為3～2.5，則，計(jì)算設(shè)計(jì)防滲長度L=CΔH=3×5.66=16.98 m，小于33.3 m，閘基防滲長度滿足設(shè)計(jì)要求。

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法[5]在校核洪水水位差5.66 m工況進(jìn)行滲流復(fù)核，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2計(jì)算各段的阻力系數(shù)，并計(jì)算各段的滲壓水頭損失。

由于L0=18.5 m，S0=5 m，故L0/S0=18.5/5=3.7<5

Te按下式計(jì)算：

Te=(5×18.5)/(1.6×18.5/5+2)=92.5/7.92=11.67，按計(jì)算的透水層深度進(jìn)行計(jì)算。

(2)滲透壓力計(jì)算

泄洪閘滲流計(jì)算簡圖見圖2，將地下輪廓?jiǎng)澐譃?5段，對(duì)最不利情況，即校核洪水位下進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。通過對(duì)進(jìn)口和出口段的修正計(jì)算，相應(yīng)得出進(jìn)口段修正系數(shù)均大于1，不需要修正各段水頭損失。

(3)滲透穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，出口段出逸坡降J0=0.2，水平坡降最大值Jx=0.046。

閘基礎(chǔ)為砂卵礫石，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)表6.0.4可知，出口段允許滲透坡降為[J]=0.30，[J]=0.30>J0=0.20；閘底板水平段允許滲透坡降[Jx]=0.22>Jx=0.046，均滿足允許出逸坡降的要求，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

3 泄洪閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.1 除險(xiǎn)加固方案確定

根據(jù)該閘現(xiàn)狀及復(fù)核計(jì)算成果，確定本次加固設(shè)計(jì)方案。

拆除現(xiàn)有泄洪閘及護(hù)坦底板表面0.3 m厚的漿砌石，對(duì)底板進(jìn)行鑿毛，打入Φ12@2 m×2 m梅花形布置的插筋，插筋深入底板0.6 m，外露0.2 m，重新澆筑0.3 m厚C40F200W6硅粉砼。對(duì)閘墩下部2 m高度范圍內(nèi)沖刷較嚴(yán)重的砼表面進(jìn)行鑿毛及打磨處理后，在其表面涂刷2 cm厚的改性環(huán)氧砂漿。

在消能坑上游及兩側(cè)混凝土重力式擋墻墻腳河床新建地下槽孔墻，地下槽孔墻采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，厚0.8 m，深7 m，為保證防沖效果，槽孔墻與現(xiàn)狀混凝土擋墻之間采用水平鋼筋砼段進(jìn)行封閉連接。水平段鋼筋砼厚0.8 m，水平鋼筋砼段寬3 m。

泄洪閘左側(cè)120 m長導(dǎo)流堤新建段，堤腳采用C25F200W6混凝土擋墻，擋墻墻頂高程為1492.92 m，擋墻基礎(chǔ)埋深至現(xiàn)有河床以下2.8 m，擋墻上部至新建導(dǎo)流堤堤頂(高程1496.50 m)采用0.15 m厚C25F200W6現(xiàn)澆砼護(hù)坡，下設(shè)0.2 m厚級(jí)配礫石墊層。同時(shí)為防止考慮溢流堰下泄洪水會(huì)對(duì)泄洪閘左岸導(dǎo)流堤形成沖刷，在新建導(dǎo)流堤背坡同樣采用0.15 m厚C25F200W6現(xiàn)澆砼護(hù)坡，下設(shè)0.2 m厚級(jí)配礫石墊層，在護(hù)坡坡腳設(shè)置4 m深，1.5 m厚的C25F200現(xiàn)澆砼齒槽。護(hù)坡坡頂均設(shè)置有1 m寬，0.15 m厚的現(xiàn)澆砼壓頂。

在右側(cè)導(dǎo)流堤堤腳新建地下槽孔墻，地下槽孔墻采用C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，長170 m，厚0.8 m，深7 m，為保證防沖效果，槽孔墻與現(xiàn)狀坡腳砼齒槽之間采用水平鋼筋砼段進(jìn)行封閉連接，水平段鋼筋砼厚0.8 m，寬3 m。因現(xiàn)狀右岸邊坡沖刷破壞嚴(yán)重，為保護(hù)岸坡，同時(shí)減少對(duì)現(xiàn)有護(hù)坡的破壞，在現(xiàn)有漿砌石護(hù)坡坡面重新澆筑0.15 m厚的C25F200W6現(xiàn)澆砼護(hù)坡，護(hù)坡坡頂延伸至擬建管理站周邊道路路面(高程1496.50 m)，并在坡頂設(shè)置1 m寬，0.15 m厚的現(xiàn)澆砼壓頂[7]。

3.2 泄洪閘消能計(jì)算

泄洪閘效能計(jì)算如2.1泄洪閘消能防沖復(fù)核。

3.2.1 泄洪閘后消能坑深度復(fù)核計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)、校核兩種工況下計(jì)算結(jié)果，校核工況為最不利工況，通過計(jì)算泄洪閘閘后消能水深為2.64 m，考慮到工程應(yīng)取一定的安全系數(shù)，取安全系數(shù)為1.5。

3.2.2 裙板長度計(jì)算

裙板消能主要是為了增大水流的入水面積,以減小單位面積的下游河床能量,并利用裙板底部空間形成反向的水流旋轉(zhuǎn),防止基礎(chǔ)被淘刷[6]。閘墩下游端齒墻距離沖坑最深處的距離:

式中：ts為以下游護(hù)坦高程為基礎(chǔ)起算的最大水深，m；q為消能裙板的單寬流量，m2/s；d50為中值粒徑，m。

由此可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮裙板長度L小于這一長度的特點(diǎn)。工程一般實(shí)際運(yùn)用中的挑流裙板長度通常為3 m～5 m?？紤]運(yùn)輸方便，本次裙板鋼軌的長度最終確定為3.5 m。

4 結(jié)語

江卡渠首引水樞紐工程主要由灌溉進(jìn)水閘、沖砂閘、泄洪閘、溢流堰等組成，是一座以引水灌溉、生態(tài)輸水為主要目的的水利樞紐工程，現(xiàn)有實(shí)際農(nóng)田灌溉面積99.5萬畝。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算，泄洪閘抗滑穩(wěn)定、砼結(jié)構(gòu)、閘墩頂高程滿足規(guī)范要求，水閘泄流能力可滿足工程運(yùn)行需要。同時(shí)，結(jié)合工程運(yùn)行管理需要，本次改造應(yīng)增設(shè)管理站房，以方便運(yùn)行管理。