托克遜縣勝利渠渠首除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)研究

周 蕾

(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番，838000)

1 工程概況

托克遜縣位于吐魯番盆地西端，總面積17342km2。白楊河發(fā)源于博格達(dá)山南坡，由北向南經(jīng)峽口、后溝，穿越天山支脈流入托克遜縣境內(nèi)，向東注入艾丁湖。勝利引水渠渠首工程位于托克遜縣白楊河上、紅山出山口、紅山橋下游300m處，集水面積2778km2，是白楊河上的第三座渠首，其主要功能是引白楊河水為托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)和夏鄉(xiāng)灌區(qū)供水，控制灌溉面積0.7907萬(wàn)hm2。

勝利引水渠渠首工程主要建筑物包括導(dǎo)流堤、泄洪沖砂閘、引水閘和溢流堰等，于1970年建成投入使用。1996年因發(fā)生特大洪水，泄洪沖砂閘、引水閘和部分溢流堰被沖毀，1997年8月完成除險(xiǎn)加固。

2 氣象水文

2.1 氣象

托克遜縣地處歐亞大陸腹地，北、西、南有高山屏障，地勢(shì)低洼，冷濕空氣不易進(jìn)入，為典型的溫帶大陸性干旱氣候。春季氣溫回升快，風(fēng)沙危害嚴(yán)重；夏季較長(zhǎng)，高溫酷熱；秋季降溫迅速，天氣多晴好；冬季短暫干冷，風(fēng)小雪稀。多年平均降水量為8.2mm，平均蒸發(fā)量為3014.9mm，平均氣溫為14.5℃，最大凍土深度為0.60m。托克遜縣風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重，多年平均最大風(fēng)速>40m/s，常為NW風(fēng)，8級(jí)以上大風(fēng)年平均達(dá)108d。

2.2 水文

勝利渠渠首設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。以白楊河峽口站為參證站，推算不同保證率下渠首工程壩址處設(shè)計(jì)年徑流量成果如表1所示，利用洪水沿程變率計(jì)算工程斷面處渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果如表2所示。

表1 勝利渠渠首設(shè)計(jì)年徑流頻率計(jì)算成果

表2 勝利渠渠首設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果

3 工程布置與設(shè)計(jì)

3.1 工程病險(xiǎn)現(xiàn)狀

工程建于1970年，受歷史條件所限施工條件和質(zhì)量較差，且已運(yùn)行近50年，工程老化嚴(yán)重，長(zhǎng)年來(lái)一直帶病運(yùn)行。工程存在的問(wèn)題主要有：樞紐過(guò)洪能力和引水能力不足，引水閘、泄洪沖砂閘混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，泄洪沖砂閘和溢流堰下游防沖消能不滿足規(guī)范要求，樞紐淤積嚴(yán)重，引水閘和泄洪沖砂閘閘門(mén)及啟閉設(shè)施銹蝕、老化失修等。

3.2 工程建設(shè)任務(wù)與規(guī)模

工程建設(shè)主要任務(wù)為提高渠首的泄洪標(biāo)準(zhǔn)，提高灌區(qū)的灌溉保證率，減少泥沙入渠的同時(shí)提升渠首運(yùn)行管理環(huán)境，保護(hù)周邊生態(tài)。主要建設(shè)內(nèi)容包括拆除重建引水閘1孔、泄洪沖砂閘3孔、溢流堰1座，修復(fù)導(dǎo)流堤損毀嚴(yán)重部分，新建閘房、管理房等。

工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等；主要、次要、臨時(shí)建筑物級(jí)別分別為3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(P=5%)，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為313m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%)，相應(yīng)校核流量為467m3/s。設(shè)計(jì)引水規(guī)模維持現(xiàn)狀控制灌溉面積0.7907萬(wàn)hm2不變，設(shè)計(jì)引水流量為8m3/s，加大流量為10m3/s。

3.3 方案比選

3.3.1閘址選擇

根據(jù)河道來(lái)水情況和地形地質(zhì)條件，本次水閘除險(xiǎn)加固可選用的閘址有兩個(gè)方案，方案一原閘址位置拆除重建和方案二原址上游110m位置新建，經(jīng)比較選定方案一。其比選如表3所示。

表3 閘址比選

3.3.2工程方案比選

在拆除原有右岸引水閘、泄洪沖砂閘、寬頂堰和上下游導(dǎo)流堤，新建引水閘、泄洪沖砂閘及上下游導(dǎo)流堤的基礎(chǔ)上，工程布置有兩個(gè)方案，方案一為泄洪閘+WES堰形式，方案二為全攔河閘形式。其比選如表4所示。

表4 工程方案比選

比較可知，方案一泥沙易淤積在堰前，但通過(guò)及時(shí)清淤及通過(guò)泄洪沖砂閘及時(shí)沖沙，能很好地改善現(xiàn)狀堰前淤積問(wèn)題，工程適應(yīng)突發(fā)性洪水較強(qiáng)，管理方便，運(yùn)行安全可靠；方案二閘前不易淤積，但適應(yīng)突發(fā)性洪水較弱，閘孔數(shù)較多，管理復(fù)雜，對(duì)管理水平要求較高，且工程量和投資較大。因此選定方案一。

3.4 過(guò)流能力核算

引水閘正常引水時(shí)，泄洪沖沙閘關(guān)閉。引水閘總凈寬為5.0m，設(shè)計(jì)引水流量為8.0m3/s，加大流量為10.0m3/s，計(jì)算公式如下：

式中：Q為過(guò)水流量(m3/s)；m為流量系數(shù)，取0.385；g為重力常數(shù)；Ho為計(jì)入流速水頭的水深(m)；σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，得到引水閘、泄洪沖沙閘、溢流堰過(guò)流能力。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 引水閘、泄洪沖沙閘、溢流堰過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果

當(dāng)上游水深為1.2m時(shí)，引水閘過(guò)流能力為10.0m3/s，滿足加大流量過(guò)水要求。確定引水閘閘底板高程為218.0m，泄洪沖砂閘閘底板高程為217.0m，溢流堰堰頂高程為218.0m，溢流堰與泄洪沖砂閘共同泄洪。經(jīng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)洪水位219.85m時(shí)，泄洪沖沙閘與溢流堰共同下泄流量為313m3/s；在校核洪水位220.20m時(shí)，共同下泄流量為467m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 消能防沖設(shè)施設(shè)計(jì)

為滿足下游引水及泄洪要求，勝利渠渠首水閘布置為閘堰結(jié)合型，泄洪沖砂閘、溢流堰和引水閘均需進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)。

3.5.1 斜坡護(hù)坦式消能設(shè)計(jì)

根據(jù)水文結(jié)論，河道中泥沙含量較大，常規(guī)消能方式如消力池和消能坎易產(chǎn)生淤積，導(dǎo)致消能設(shè)施失效。根據(jù)新疆當(dāng)?shù)囟嗄嗌澈恿鞯南芙?jīng)驗(yàn)，本次泄洪沖砂閘和溢流堰采用斜坡護(hù)坦式消能，斜坡長(zhǎng)度為10.0m，坡度為1∶10。

泄洪沖沙閘與溢流堰上游護(hù)底首端的河床沖刷深度按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰首端沖坑深度分別為1.86m、0.66m；校核洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰首端沖坑深度分別為1.99m、0.92m。結(jié)合當(dāng)?shù)厍锥嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將下游防沖墻基礎(chǔ)向下埋深3.0m。

護(hù)坦末端的河床沖刷深度按照式計(jì)算：

式中：dm為下游消能設(shè)施末端河床沖刷深度(m)；qm為下游消能設(shè)施末端單寬流量(m2/s)。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰下游沖刷坑深度分別為3.62m、1.42m；校核洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰下游沖刷坑深度分別為3.94m、1.83m。根據(jù)當(dāng)?shù)厍锥嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，護(hù)坦末端防沖齒墻深度確定為5.5m。

3.5.2 消力池設(shè)計(jì)

引水閘消能采用挖深式等寬消力池，采用以下公式計(jì)算：

出池長(zhǎng)度、消力池長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：hc為收縮水深(m)；β為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)。

消力池底板厚度按抗沖、抗浮要求：

式中：△H′為閘孔泄水時(shí)上、下游水位差；k1、k2分別為消力池底板計(jì)算系數(shù)、安全系數(shù)；U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力(kPa)；W為作用在消力池底板頂面的水重(kPa)，Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力(kPa)；γb為消力池底板的飽和重度(kN/m3)。

海漫長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：Lp為海漫長(zhǎng)度(m)；qs為消力池末端單寬流量(m2/s)。

計(jì)算可得，引水閘消力池深度取0.5m，水平段取6.0m，陡坡段坡度為1∶4，陡坡段水平長(zhǎng)度為4.0m，故消力池總長(zhǎng)為10.0m。底板厚度由抗沖計(jì)算結(jié)果控制取0.8m，海漫長(zhǎng)度取10.0m。

4 結(jié)語(yǔ)

托克遜縣勝利渠渠首工程自建成以來(lái)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，工程老化嚴(yán)重，存在樞紐過(guò)洪能力和引水能力不足，防沖消能不滿足要求，樞紐淤積嚴(yán)重等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)渠首工程進(jìn)行安全鑒定，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)閘址方案和閘堰結(jié)合、全河閘兩種布置方案進(jìn)行比選，對(duì)泄洪沖砂閘和溢流堰下游進(jìn)行斜坡護(hù)坦式消能設(shè)計(jì)，對(duì)引水閘下游進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)，得到了較為全面的渠首除險(xiǎn)加固工程方案。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，驗(yàn)證了該工程方案是合理的。