嚴(yán)寒地區(qū)沙漠渠道退水建筑物布置型式初探

李 穎

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830063)

1 問題的提出

新疆某嚴(yán)寒地區(qū)的大型沙漠明渠全長168 km，橫穿新疆第二大沙漠，全線處在無人區(qū)，為夏季運(yùn)行、冬季停水的輸水工程。作為新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)重心地區(qū)的骨干水源之一，工程需要安全運(yùn)行確保供水。為了切實(shí)保障沙漠渠道安全運(yùn)行，我們通過十余年的多方案深入研究，采用工程現(xiàn)場1∶1比尺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式，以解決大型沙漠渠道事故退水的問題。

1.1 沙漠特點(diǎn)及地形地質(zhì)條件

沙漠渠道[1]呈現(xiàn)基本的風(fēng)沙地貌形態(tài)，沿線主要沙丘類型有沙壟、樹枝狀沙壟、梁窩狀沙丘，其中以沙壟和樹枝狀沙壟為主。沿線自北向南主要表現(xiàn)三種地形地貌：渠線北部和中北部主要分布縱向的沙壟和樹枝狀沙壟，長度從百米至十余千米，高度10～30 m，頂部為寬約10 m的半流動、半固定狀態(tài)活化沙丘。渠線中南部主要分布典型的蜂窩狀沙丘，沙丘形體高大固定，主梁高30～40 m，個(gè)別達(dá)50 m，兩坡及窩間植物生長良好。渠線南部主要分布北西向高大沙壟，壟體寬大，在大壟體上部及壟間還發(fā)育有與其平行的小沙壟。大沙壟相對高差一般30～40 m，個(gè)別達(dá)60 m，植被生長良好，固定程度較高，高大沙壟頂部仍存在一條寬度10～15 m的活化沙帶。

沙漠的地質(zhì)條件相對比較單一，均為深厚風(fēng)積細(xì)砂層，厚度基本都在百米以上，最大厚度超過180 m以上。渠道穿越沿線沙漠的各項(xiàng)物理力學(xué)性能基本相當(dāng)。深度5～15 m，天然狀態(tài)下平均值為相對密度2.69，干密度γd=1.59 g/cm3，含水率ω=1.0%，相對密度Dr=0.55；飽和狀態(tài)下,抗剪強(qiáng)度φ=30.7°，C=5.3 kPa，壓縮模量Es=23.0 MPa，壓縮系數(shù)αV1-3=0.076 MPa-1，濕陷系數(shù)δs=0.017，滲透系數(shù)k=3.5×10-3cm/s，臨界比降i=1.17。深度15～20 m，天然狀態(tài)下平均值為相對密度2.69，干密度γd=1.59 g/cm3，含水率ω=0.98%，相對密度Dr=0.56；飽和狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度φ=30°，C=8.3 kPa，壓縮模量Es=22.5 MPa，壓縮系數(shù)αV1-3=0.075 MPa-1，濕陷系數(shù)δs=0.014，橫波速度Vs=210～230 m/s，滲透系數(shù)k=5.7×10-3cm/s，臨界比降i=1.17。

1.2 沙漠渠道退水的初期考慮及施工期初步實(shí)踐情況

沙漠地區(qū)復(fù)雜的地形條件決定了渠道全線基本處于挖填交替狀態(tài)，作為渠道基礎(chǔ)的風(fēng)積沙承載力低、結(jié)構(gòu)松散，抵御風(fēng)險(xiǎn)能力差[2]。渠道在運(yùn)行中一旦出現(xiàn)故障等緊急情況，如不能及時(shí)將事故段水體退走進(jìn)而將故障控制在一定范圍之內(nèi)，將會導(dǎo)致重大的不可控的連鎖破壞事故。因此為了保證沙漠渠道的安全運(yùn)行，全線每隔30～35 km配合節(jié)制閘設(shè)置應(yīng)急退水建筑物，共設(shè)置6座節(jié)制退水建筑物，以確保在緊急特殊情況下將各控制段輸水渠道水體快速退走，保證主體建筑物不出現(xiàn)連鎖破壞。工程于2005年建成通水，主體工程15年間運(yùn)行正常，沒有發(fā)生過應(yīng)急退水情況。運(yùn)行期間曾經(jīng)在春季通水前為排走渠道的風(fēng)積雜物利用渠道本身融雪積水嘗試小流量退水排污，試驗(yàn)退水可靠性，結(jié)果開始退水后很短時(shí)間內(nèi)就在退水建筑物末端產(chǎn)生嚴(yán)重沖蝕破壞并快速向上游蔓延，只能立即關(guān)閉退水閘門停止排污。圖1為退水建筑物沖蝕破壞現(xiàn)場。

圖1 退水建筑物沖蝕破壞現(xiàn)場

1.3 問題的提出

由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不成熟等原因，初期工程布置的退水建筑物比較簡單、功能不全，試驗(yàn)已證明不僅小流量正常排污無法正常運(yùn)行，更無法滿足正常退水的要求。大型沙漠渠道[3]復(fù)雜的地形地質(zhì)條件決定了沙漠渠道若出現(xiàn)一點(diǎn)破壞，會很快出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，造成大范圍的重大破壞事故。因此必須完善沙漠退水設(shè)施，確保處在無人區(qū)的渠道安全運(yùn)行。

2 退水布置思路及設(shè)計(jì)原則

2.1 布置思路

工程建成初期運(yùn)行期間，現(xiàn)場曾進(jìn)行過膜袋防護(hù)退水、鉛絲石籠及格賓防護(hù)退水、將水流挑流消能并遠(yuǎn)離渠道等研究和試驗(yàn)，效果均不理想。從沙漠的地形地質(zhì)條件、相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際情況看出，沙漠風(fēng)積細(xì)沙基本不具備抗沖蝕能力，在水流的作用下沖蝕嚴(yán)重，在沒有防護(hù)或防護(hù)不合理的情況下極易在水流能量集中點(diǎn)產(chǎn)生破壞點(diǎn)并迅速擴(kuò)大，最終導(dǎo)致建筑物連鎖式溯源破壞，危害極大。膜袋表面防護(hù)配合效能等初期效果較好，但是膜袋在沙漠表面高溫紫外線的環(huán)境中老化嚴(yán)重，很快失去作用。沙漠風(fēng)積沙相對松散，天然狀態(tài)下相對密度低，現(xiàn)場濕陷試驗(yàn)表明在飽水后沙漠基礎(chǔ)會產(chǎn)生較大沉降變形，也會破壞防護(hù)體系的整體性進(jìn)而影響建筑物安全[4]。

結(jié)合沙漠明渠地形地質(zhì)條件特點(diǎn)，沙漠退水建筑物的布置型式應(yīng)主要考慮以下幾方面：

1) 整個(gè)退水體系應(yīng)當(dāng)完整，功能齊全，在尾部消能區(qū)之前不能允許破壞，尾部應(yīng)充分消能后放出。

2) 退水應(yīng)該退至距渠道一定的垂直距離之外，并保證回水不會危及渠道主體安全。

3) 在退水末端應(yīng)考慮容泄區(qū)，防止大范圍水土流失。

4) 根據(jù)風(fēng)積沙濕化沉降變形大的特點(diǎn)，在退水時(shí)基礎(chǔ)含水率可能變化的區(qū)域宜優(yōu)先采用柔性結(jié)構(gòu)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

基于前述已有的研究和試驗(yàn)成果，根據(jù)沙漠退水建筑物[5]布置型式確定退水建筑物的設(shè)計(jì)原則。

1) 設(shè)置容泄區(qū)

每個(gè)退水建筑物都應(yīng)該在距渠道800～1 000 m處范圍尋找合適的容泄區(qū)，容泄區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)該通暢并有足夠的容積容納退水水體。容泄區(qū)應(yīng)盡可能封閉，應(yīng)結(jié)合地形條件考慮工程措施防止回水危及主體渠道安全。

2) 采取防滲措施

退水進(jìn)入容泄區(qū)之前的輸水段應(yīng)該防護(hù)可靠，不允許運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)破壞；其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)地形條件緩陡結(jié)合、軟硬結(jié)合，全線采取防滲措施[6]。

3) 消能效果良好

進(jìn)入容泄區(qū)之前水體應(yīng)該充分消能后再釋放，消能后水體宜排放至容泄區(qū)相對低點(diǎn)，以大坑水塘的形式溢出，容泄區(qū)內(nèi)應(yīng)連通以方便水體泄放。

4) 柔性連接

容泄區(qū)連接輸水及消能應(yīng)采取防沖刷措施防止產(chǎn)生溯源破壞，防護(hù)形式宜采用柔性結(jié)構(gòu)，作為剛性消能區(qū)與其他無防護(hù)容泄區(qū)的過渡[7]。

2.3 退水渠消能計(jì)算

退水渠采用底流消能形式，通過水流的內(nèi)部摩擦、摻氣和撞擊消耗能量。底流消能主要是借助于一定的工程措施控制水躍的位置，水躍的位置取決于壩址收縮斷面水深h1的共軛水深h2與下游水深的相對大小，退水渠陡坡消能效果見圖2。

圖2 退水渠陡坡消能示意圖

1) 正常水深

退水渠現(xiàn)澆砼渠段正常水深計(jì)算公式為

(1)

式中：Q為斷面的流量，m3/s；i為底坡坡度；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；χ為濕周，m；C為謝才系數(shù)；n為粗糙系數(shù)。

2) 陡坡臨界水深

進(jìn)行退水渠水力學(xué)計(jì)算時(shí)，將臺階消能視為安全儲備，不予考慮。陡坡臨界水深hk為

(2)

式中：q為單寬流量，m2/s；b為矩形斷面的寬度，m；a為動能修正系數(shù)，取值1。

長期以來，陡坡水面線計(jì)算中，都把陡坡起始斷面水深規(guī)定為非均勻漸變流的臨界水深hk，然后用漸變流的能量方程推求水面線，但這種方法僅適用于小底坡陡坡，其陡坡角通常在6°以內(nèi)。因此用上述方法計(jì)算大底坡水面線時(shí)，會導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測值不符。由于陡坡控制斷面附近的水流為急變流，對控制斷面水深影響的因素較多，因此hk0采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算即

hk0=Kihk

(3)

式中Ki為陡坡坡度修正系數(shù)。

3) 陡坡的消能計(jì)算

其計(jì)算公式分別為

(4)

式中：h1為躍前水深，m；h2為躍后水深，m；hF為下游水深，m；Fr1為躍前斷面的水流佛勞德數(shù)；ΔZ為出池水面跌落；q為單寬流量，m2/s；φ為流速系數(shù)，可近似取1.0；d為消力池池深，m。

當(dāng)9.0

L=(0.7-0.8)h1[8.4(Fr1-9)+76]

(5)

2.4 退水渠消能計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)陡坡消能計(jì)算公式(4)，計(jì)算得出本工程6#陡坡消能計(jì)算結(jié)果，見表1。以計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)采用一級消力池深度3.5 m、長度37.5 m，二級消力池深度3.0 m、長度30.0 m，可滿足消能要求。

表1 6#退水渠陡坡消能計(jì)算表

3 布置方案

根據(jù)上述沙漠退水建筑物布置型式[8]的思路及設(shè)計(jì)原則，對沙漠全線6個(gè)退水建筑物進(jìn)行了布置。水流出退水閘后沿輸水通道進(jìn)入消能區(qū)，輸水通道根據(jù)地形條件陡坡段采用鋼筋混凝體矩形槽，緩坡段采用梯形預(yù)制混凝土板襯砌，陡變緩設(shè)置消能設(shè)施過渡。每一個(gè)退水均在距主體建筑物800 m以外相對低洼處設(shè)置封閉的容泄區(qū)。沙漠退水期間退出的水體全部儲存在容泄區(qū)內(nèi)滲漏蒸發(fā)。在容泄區(qū)的最低點(diǎn)設(shè)置柔性防護(hù)，水體在輸水襯砌段進(jìn)入容泄區(qū)之前必須經(jīng)充分消能后才能泄放至低點(diǎn)。退水建筑物布置方案、縱剖面以及消力池?cái)嗝嬖O(shè)計(jì)圖見圖3至圖5。

圖3 退水建筑物布置方案圖

圖4 退水建筑物縱剖面圖

圖5 消力池?cái)嗝嬖O(shè)計(jì)圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

為驗(yàn)證布置方案的合理性，在現(xiàn)場進(jìn)行了比尺1∶1的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1) 選擇試驗(yàn)位置

試驗(yàn)選擇在地形起伏大、條件復(fù)雜和代表性強(qiáng)的位置進(jìn)行,以方便驗(yàn)證布置方案及建筑物結(jié)構(gòu)的合理性，實(shí)際選擇具有代表性的6#退水處進(jìn)行試驗(yàn)。

2) 現(xiàn)場水力學(xué)試驗(yàn)情況

2018年9月，在滿足水力學(xué)條件下沙漠6#退水處按設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案完成建設(shè)后進(jìn)行實(shí)地邊坡穩(wěn)定現(xiàn)場試驗(yàn)。通過各種可能工況的放退水實(shí)驗(yàn)，退水建筑物都能夠正常使用，泄水區(qū)、消能區(qū)等防護(hù)段工作狀態(tài)完全正常。放水試驗(yàn)持續(xù)了一個(gè)星期，下游容泄區(qū)非防護(hù)段沒有出現(xiàn)較大沖刷，只有容泄區(qū)局部出現(xiàn)了輕微沖刷并在很短時(shí)間后達(dá)到平衡，沒有出現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展和向上游溯源沖刷影響消能區(qū)的現(xiàn)象。退水建筑物試驗(yàn)段6#效果如圖6所示。

圖6 退水建筑物試驗(yàn)段6#及效果

3) 渠道穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證渠道穩(wěn)定是否滿足要求，對渠道進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，渠道穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 渠道穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果證明可滿足水力學(xué)消能效果，同時(shí)計(jì)算結(jié)果表2表明，渠道采用圖5的1∶3坡度設(shè)計(jì)時(shí)，均可滿足穩(wěn)定性要求，說明沙漠退水布置方案是合理可靠的，完全可以滿足退水要求。試驗(yàn)成功后，沙漠渠道全線6個(gè)退水建筑物均按此布置思路建設(shè)。

5 結(jié) 論

沙漠渠道工程建成運(yùn)行已十余年，因保證渠道安全的退水設(shè)施不完善始終存在安全隱患。經(jīng)過十余年的研究，本工程結(jié)合沙漠特點(diǎn)提出距渠道一定距離相對低點(diǎn)設(shè)置容泄區(qū)以及軟硬結(jié)合的退水思路，經(jīng)實(shí)踐證明技術(shù)上可行、安全可靠，完全可以滿足退水要求，能夠?yàn)楣こ探缤刑峁┮恍﹨⒖肌?/p>