阿克塔什渠首閘設(shè)計方案研究

胡恒鵬

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程現(xiàn)狀

民豐縣隸屬新疆和田，位于塔里木盆地南側(cè)邊緣，東西兩側(cè)分別與巴音郭楞蒙古自治州、于田縣相接，南部是昆侖山和西藏自治區(qū)交接，北部為阿克蘇地區(qū)，年平均氣溫11.4℃，無霜期平均194 d，冬季最大凍土深度0.8 m，年平均降雨量35.5 mm，多集中在5~8月，年蒸發(fā)量2 881 mm，屬于降雨少、蒸發(fā)量多的地區(qū)。薩勒吾則克鄉(xiāng)下轄8個行政村，20個村民小組。灌區(qū)現(xiàn)狀有1 708戶5 130人，其中城鎮(zhèn)人口298人，農(nóng)村人口4 832人，薩勒吾則克灌區(qū)控制灌溉面積為5.38萬畝，其中常規(guī)灌面積4.48萬畝，高效節(jié)水面積0.90萬畝。主要種植小麥、玉米、棉花、苜蓿、紅棗、核桃、紅柳大蕓和經(jīng)濟林、生態(tài)林等。

阿克塔什引水工程位于新疆民豐縣薩勒吾則克鄉(xiāng)的吐郎胡加河上，距離縣城85 km，距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在位置40 km，是薩勒吾則克鄉(xiāng)重要的引水工程，1987年建成，為攔河閘堰結(jié)合的引水工程，原渠首閘為1孔進水閘，目前灌滿面積5.8萬畝，設(shè)計引水量5.36 m3/s。

2 工程現(xiàn)存問題

工程建成至今已有36年，多年運行下，受水流沖刷，水閘前后200 m范圍內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重沖蝕現(xiàn)象，上游河床變寬，導(dǎo)致溢流堰寬度不滿足現(xiàn)狀要求；因吐朗胡加河含沙量大，目前上游河床淤積、下游河床沖刷，上下游出現(xiàn)約10 m深的大跌坎，嚴(yán)重影響樞紐工程泄洪能力，影響工程正常發(fā)揮效益；水閘鋼閘門主梁、面板強度嚴(yán)重不足，啟閉機、電機銹蝕老化，使用期限均已超過20年，理應(yīng)報廢處理。且引水保證率已無法滿足灌區(qū)各業(yè)生產(chǎn)需求，經(jīng)鑒定，阿克塔什渠首閘已為四類閘，應(yīng)拆除重建。

3 工程設(shè)計

3.1 水文計算

3.1.1 徑流計算

吐郎胡加河，河流全長218 km，河源至大彎圖專用站（大彎圖村）河長72.0 km，流域面積2 007 km2；大彎圖專用站至阿克塔什水閘河長51.4 km，流域面積330 km2。徑流主要以冬季融雪水、夏季降雨和泉水補給為主，屬于混合型補給河流，坡降大，流程短，水量較大，夏季容易形成暴雨洪水[1]。吐郎胡加河流域內(nèi)無國家水文觀測站點，僅有一個常年駐測專用站—大彎圖專用站和位于工程上游750 m處的阿克塔什專用站，因此從區(qū)域氣候條件、產(chǎn)流情況等方面考慮，選取克里雅水文站作為參證站。

以適線法對克里雅水文站年徑流統(tǒng)計參數(shù)進行計算，再用適線法選配P-Ⅲ型頻率曲線，分別得出該站年徑參數(shù)和不同頻率下設(shè)計年徑流量成果[2]，如表1。

表1 克里雅水文站年徑流參數(shù)及不同頻率設(shè)計年徑流量成果表 單位：108 m3

考慮計算成果精度問題，用長短比例法分析計算大彎圖專用站多年平均年徑流量1.314×108m3，不同頻率設(shè)計年徑流量成果如表2。阿克塔什專用站多年平均年徑流量成果0.977 6×108m3，不同頻率年徑流量成果如表3。

表2 大彎圖專用站不同頻率設(shè)計年徑流量成果表 單位：108 m3

表3 阿克塔什專用站不同頻率設(shè)計年徑流量成果表 單位：108 m3

阿克塔什專用站在阿克塔什渠首以上750 m處，區(qū)間無支流匯入，無分流支出，兩斷面距離較近，阿克塔什專用站年徑流設(shè)計成果直接移用至阿克塔什渠首工程場址處，不再做衰減計算。

3.1.2 設(shè)計洪水計算

吐朗胡加河洪水主要來源于積雪消融和山洪，多發(fā)于夏季的6~8月，以克里雅水文站年最大洪峰流量，采用p-III型曲線適配[3]，可以得出克里雅水文站不同頻率下的洪峰流量，見表4。

表4 克里雅水文站設(shè)計洪水計算成果表 單位：m3/s

因克里雅水文站與大彎圖專用站處在昆侖山同一坡上，既能確保資料精度可靠，也能滿足頻率計算對系列長度的要求，因此采用地區(qū)模比系數(shù)綜合頻率曲線法推算大彎圖專用站的設(shè)計洪峰[4]，分別選取1987年12月調(diào)查洪峰流量和2008年6月大彎圖專用站實測洪峰流量，推算出洪峰流量模比系數(shù)Kp分別為3.41和2.44，得到不同設(shè)計頻率的洪峰流量，為減少重現(xiàn)期差別大的影響和消除單一歷史洪水計算可能產(chǎn)生的偶然誤差，取兩場洪水計算平均值[5]，作為大彎圖專用站的設(shè)計洪水成果，最終成果見表5。

表5 大彎圖專用站設(shè)計洪水計算成果表 單位：m3/s

根據(jù)2005年和2010年大彎圖專用站和阿克塔什專用站實測同場次洪水資料計算得出沿程衰減系數(shù)為每公里損失0.17%，得出阿克塔什專用站的設(shè)計洪峰流量為表6。

表6 阿克塔什專用站設(shè)計洪水計算成果表 單位：m3/s

3.2 工程等別及建筑物級別

阿克塔什是以灌溉為主，同時為工業(yè)、生活等提供用水的引水樞紐，其中渠首閘工程屬重建，現(xiàn)狀水平年為2018年，設(shè)計水平年為2025年，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]的規(guī)定，本項目區(qū)灌溉設(shè)計保證率確定為P=75%。結(jié)合本地種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度，計算出設(shè)計引水流量4.1m3/s，加大引水流量5.36 m3/s，渠首閘的設(shè)計水平年可控制灌溉面積5.38萬畝，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[7]的規(guī)定，確定工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型，因此渠首閘應(yīng)為3級建筑物，合理使用年限為50年，閘門合理使用年限為30年。

主要建筑物由進水閘、泄洪沖沙閘、泄洪閘、溢流堰及上游導(dǎo)流堤組成，為3級建筑物；次要建筑物由管理道路和管理房等組成，為4級建筑物；臨時建筑物由圍堰和導(dǎo)流渠等組成為5級建筑物。阿克塔什渠首閘的合理使用年限為50年，永久性水工建筑物的合理使用年限為50年，閘門的合理使用年限為30年。

3.3 渠首閘工程設(shè)計

3.3.1 閘室布置及結(jié)構(gòu)尺寸

渠首閘布置形式為側(cè)面引水，其軸線與泄洪沖沙閘夾角為34°。設(shè)計引水流量為4.1 m3/s，設(shè)計水位1 781.45 m，加大引水流量為5.36 m3/s，加大水位1 781.60 m。閘前最高水位（校核洪水位）1 782.56 m。主要由鋪蓋、閘室、消力池3部分組成，其具體結(jié)構(gòu)尺寸為：

（1）鋪蓋

閘前設(shè)1道擋沙坎，為懸臂式C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，坎高1.0 m，坎頂高程1 780.70 m。閘前右邊墻為C25重力式擋土墻與上游扭面及導(dǎo)流堤銜接，扭面長20 m，為C25混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）閘室

進水閘閘室為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1孔，單孔凈寬4.0 m，閘室總寬度5.8 m，閘室長13.0 m，閘底板高程為1 780.70 m，閘頂高程為1 784.30 m，邊墩厚0.9 m，底板厚1.0 m。閘門形式：工作閘門為平面鋼閘門，上游設(shè)1道平面檢修鋼閘門。

（3）消力池

進水閘后設(shè)挖深式消力池，池深0.8 m，池底高程1 779.20 m，池長18.5 m，其中斜坡段坡比1∶4，水平投影長6.0 m，平段長12.5 m，池寬4.0 m，池坎頂高程1 780 m。消力池底板為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.8 m，末端設(shè)排水孔，底部設(shè)反濾層。消力池段邊墻為C30混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)。消力池后設(shè)15 m長C25混凝土扭面段與下游引水渠連接，扭面段底板厚0.4 m，末端設(shè)C25混凝土隔墻，厚0.8 m，深3 m。隔墻后與原漿砌石渠道銜接。

3.3.2 渠首閘設(shè)計計算

（1）過流能力計算

根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》[8]，進水閘水力計算按照寬頂堰計算，公式為：

式中：Q—過閘流量（m3/s）；

B—閘孔總凈寬（m）；

H0—H+v2/2g，計入行進流速水頭的堰上總水頭（m）；

g—重力加速度9.81（m/s2）；

m—堰流流量系數(shù)，取0.385；

ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.927；

σ—堰流淹沒系數(shù)，取1.0。

經(jīng)計算，在設(shè)計水位條件下，過閘流量為4.1 m3/s，在加到水位條件下，過閘流量為5.36 m3/s。

閘孔出流時，按照下列公式計算閘孔出流總凈寬：

式中：Q—過閘流量（m3/s）；

B0—閘孔總凈寬（m）；

H0—計入行進流速水頭的堰上總水頭（m）；

he—孔口高度(m)；

μ—孔流流量系數(shù)，可按下式計算：

式中：φ—孔流流速系數(shù)，可采用0.95~1.0；

ε'—閘孔垂直收縮系數(shù)，可按下式計算：

式中：λ—計算系數(shù)，可按下式計算：

式中：r—胸墻底圓弧半徑(m)；

σ'—孔流淹沒系數(shù)，可按《水閘設(shè)計規(guī)范表》A.0.3-2查得。

最終計算成果為表7。

表7 進水閘閘門開度計算表

（2）閘頂高程計算

渠首閘工作閘門在洪水期始終處于擋水工況，閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水情況確定，安全超高下限值在正常蓄水位條件下，定位0.4 m，在最高擋水位條件下定位0.3 m。選擇兩種工況進行計算，工況1：設(shè)計洪水位+波浪計算高度+安全超高值；工況2：校核洪水位+波浪計算高度+安全超高值；經(jīng)計算在工況1時，閘頂高程為1 783.25 m，在工況2的情況下，閘頂高程為1 783.3 m，同時考慮渠首閘與泄洪沖沙閘閘頂高程的銜接，最終確定渠首閘閘頂高程為1 783.5 m。

4 閘室穩(wěn)定性計算及滲流穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，閘體混凝土與砂卵礫石接觸面的抗剪摩擦系數(shù)：f1=0.5；卵石層地基允許承載力為0.5 MPa。分別取基本荷載組合和特殊荷載組合進行穩(wěn)定及最大壓應(yīng)力復(fù)核計算，其中特殊組合按照校核洪水情況和地震情況兩種分別計算，經(jīng)計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K正常=1.25，K校核洪水=1.10，K地震=1.05。

同時，《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在凍得堅實的土質(zhì)情況下，閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，基本組合下為2.0，特殊組合下為2.5。經(jīng)計算進水閘穩(wěn)定及應(yīng)力計算成果見表8。由表中可見，各項數(shù)值均滿足規(guī)范要求。

表8 進水閘穩(wěn)定及應(yīng)力計算成果

4.2 滲流穩(wěn)定性分析

工程區(qū)處于山前傾斜礫質(zhì)平原區(qū)，巖性以砂卵礫石為主，厚度15 m以上；現(xiàn)代河床寬約55~80 m左右，切深為3~6 m，無漫灘發(fā)育，兩岸為Ⅱ~Ⅲ級階地，階面平坦開闊。無斷裂及其他構(gòu)造通過，工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。在勘探深度（15 m）內(nèi)，未見地下水。主要地基滲流破壞形式為管涌。

基礎(chǔ)為卵石混合土，d50=28 mm，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，水平段允許滲流坡降值為0.22，出口段為0.50。水閘實際滲徑長度46 m，經(jīng)計算實際透水層厚度大于23 m，所以水閘地基的有效深度取為23 m。

按照改進阻力系數(shù)法計算水閘基底滲透壓力：

式中：ξ0—進出口段的阻力系數(shù)；S—板樁或齒墻的入土深度（m）；T—地基透水層深度（m）。

內(nèi)部垂直段：

式中：ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

水平段：

式中：ξx—水平段的阻力系數(shù)；Lx—水平段長度（m）；S1、S2—進、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）。

各分段水頭損失值可按下列公式計算：

式中：hi—各分段水頭損失值（m）；ξi—各分段的阻力系數(shù)；n—總分段數(shù)。

出口段滲流坡降值可按下列公式計算：

按照以上公式，可得出水閘在正常水位、設(shè)計水位和校核水位3種情況下的阻力系數(shù)和水損值，如表9。

表9 各段阻力系數(shù)修正后各段水損值

取砂礫石允許滲徑系數(shù)為3，則滲徑長度L最大值為33.3 m，小于水閘滲徑長度46 m，符合規(guī)范要求，而水頭坡降值如表10，閘底板水平段最大滲透坡降為0.188，出口段最大滲透坡降為0.264，均小于規(guī)范允許值。閘室滲透穩(wěn)定。

表10 水頭坡降值

5 結(jié)語

阿克塔什渠首閘作為民豐縣薩勒吾則克鄉(xiāng)重要引水工程的主要組成部分，現(xiàn)狀已無法滿足當(dāng)?shù)仫嬘盟枨?，且無法抵御洪水，需拆除重建。結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩砑八那闆r，需要以克里雅水文站數(shù)據(jù)為參證，推算出大彎圖專用站和阿克塔什專用站多年平均徑流量和設(shè)計洪水，并給出渠首閘的設(shè)計方案，經(jīng)過水力計算得出渠首閘過流能力、渠首閘在不同情況下的閘門開度、閘頂高程，經(jīng)過穩(wěn)定性計算和滲流穩(wěn)定分析，確定該設(shè)計方案符合規(guī)范要求。