新西渠首工程設(shè)計

魏宏剛

（平?jīng)鍪兴娍睖y設(shè)計院，甘肅平?jīng)?744000）

1 工程概況

新西渠首位于策底河上游甘肅省華亭縣河西鄉(xiāng)新西村境內(nèi)的支流上，距寧夏涇源縣縣界碑約0.6km，工程壩址在河西鄉(xiāng)新西村的涅橋，壩址以上控制流域面積218km2。新西渠設(shè)計灌溉面積2500畝，渠首引水流量0.3m3/s，工程等級為Ⅴ等小（2）型，主要建筑物級別均為5級，新西渠引水樞紐防洪標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇洪水設(shè)計，20年一遇洪水校核。

2 水文

汭河是涇河上中游右岸的一級支流，發(fā)源于六盤山、隴山分水嶺的東麓，水源地最高海拔2670m，上游由策底河、北汭河、南汭河及南川河匯流而成，流經(jīng)華亭、崇信，于涇川縣城西側(cè)匯入涇河，干流全長119km，縱坡比降5.27‰，流域面積1671km2。策底河是汭河為一級支流，發(fā)源于六盤山東麓的寧夏涇源縣新民鄉(xiāng)童家山，自西向東流經(jīng)涇源縣新民鄉(xiāng)、華亭縣河西鄉(xiāng)、硯峽鄉(xiāng)、策底鎮(zhèn)、于石堡子工業(yè)園區(qū)東側(cè)匯入汭河，全長54.5km,總流域面積527km2,其中華亭縣境內(nèi)309 km2，河床平均比降0.99%。

由于策底河無實(shí)測水文資料，華亭縣石堡子水庫已經(jīng)建成，且石堡子位于策底河下游，其下墊面因素相同，故利用石堡子水庫徑流、洪水資料，采用面積比擬法推算渠首樞紐工程壩址處的徑流及洪水資料。

經(jīng)計算新西渠渠首壩址處P =50% 年徑流量2167萬m3，20年一遇洪峰流量237m3/s ，10年一遇洪峰流量165m3/s。P =75% 年徑流量1414萬m3。

3 工程地質(zhì)

新西渠渠首位于河西鄉(xiāng)以西4.0km處，壩址河谷寬200m，平均高程1650～1651m，右岸為基巖山體，白堊系砂質(zhì)泥巖裸露，遠(yuǎn)離現(xiàn)代河床。由室內(nèi)顆粒試驗(yàn)資料，現(xiàn)代河床大于60mm塊石漂石占66.7%，60～5mm占20.7%，小于5mm以下各粒組占12.6%，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值0.4MPa，可滿足渠首建設(shè)要求。

4 工程總體布置

新西渠首樞紐工程采用自流無壩引水取水方式，渠首設(shè)在涅橋社公路橋向東80m的策地河支流 上。新西渠渠首樞紐由沖砂閘、進(jìn)水閘、沖砂閘右邊墩導(dǎo)流堤、左岸護(hù)岸四部分組成。沖砂閘布置在河道主流，處在河岸較為堅固、河流彎道的凹岸，沖砂閘前沿主河床布置導(dǎo)流堤69.77m，閘后設(shè)消力池。進(jìn)水閘位于河左岸，引水角為21.70，進(jìn)水閘前設(shè)13.5m護(hù)岸。

4.1 控制高程確定

渠首樞紐的控制高程主要是沖砂閘底板、進(jìn)水閘底板和導(dǎo)流堤頂高程。根據(jù)渠首附近河道比降及沖淤狀態(tài)，沖砂閘地板高程取河床平均高程，確定沖砂閘底板高程為1649.9m。進(jìn)水閘底板高出沖砂閘底板0.3m計，確定為1650.2m。

4.2 基本尺寸確定

沖砂閘總寬度按渠首總過水寬度的1/3～1/10規(guī)范建議，并結(jié)合本市已建工程經(jīng)驗(yàn)，確定本渠首工程共設(shè)2孔沖砂閘，每孔凈寬設(shè)計3m，總凈寬6m。進(jìn)水閘寬度取0.8m。

4.3 水力計算

4.3.1 壩軸線下游河道洪水位計算

采用壩軸線以下50m處的河道為計算斷面，該段河床順直，無雜草、漂石，平均比降6.06‰，糙率選0.04。按復(fù)式斷面下明渠均勻流法計算得下游河床水位流量關(guān)系曲線，按渠首設(shè)計和校核洪峰流量查得下游河道設(shè)計洪水位為1650.950m，校核洪水位為1651.900m。

4.3.2 泄流計算

樞紐泄流由兩部分組成，一部分為沖砂閘泄流，另一部分為河床泄流。

（1）沖砂閘泄流量計算：渠首共設(shè)2孔沖砂閘，每孔凈寬3m，為開敞式，按無坎寬頂堰（0.6＜δ＜2.5H＝泄流公式計算閘前水位與流量關(guān)系。即：

式中：Q閘－沖砂閘泄流量（m3/s）；

δs－淹沒系數(shù)，根據(jù)上下游水位關(guān)系沖砂閘泄流為自由出流；

m’－流量系數(shù)，取0.36；

n －閘孔數(shù)，為2孔；

b －單孔凈寬，為3m；

H0－計入行近流速的閘前水頭（m）；

g－重力加速度，為9.81m/s 。

從閘底板高程1649.9m算起，計算得沖砂閘不同水位泄流量。

（2）河床泄流計算：扣除沖砂閘寬度后，河道泄流按明渠均勻流計算：

式中Q －流量（m3/s）；

ω － 河床過水?dāng)嗝婷娣em2；

n － 造率，取0.04；

i － 河床比降，實(shí)測6.06% 。

（3）沖砂閘、河床聯(lián)合泄流量計算：當(dāng)上游水位低于右岸河床高程時砂閘單獨(dú)泄流，總泄流量等于沖砂閘泄流量，當(dāng)高于河床地面高程時，沖砂閘和河床聯(lián)合泄流，總泄流量等于相同水位時兩者泄流量之和。

（4）渠首水力計算結(jié)果：經(jīng)水力計算，當(dāng)上游來水為設(shè)計洪水165m3/s時，上游水位為1651.700m，沖砂閘泄流量為23.1m3/s，河床泄量為141.9m3/s，閘、河床泄流比為1：6.1，沖砂閘單寬流量為3.85m3/s。當(dāng)上游來水為校核洪水237m3/s時，上游水位為1651.9m，沖砂閘泄流量為27m3/s，河床泄流量為210m3/s，閘、河床、閘泄流比為1： 7.7，沖砂閘單寬流量為4.5m3/s，閘、壩單寬流量均在地基允許的單寬流量范圍內(nèi)。渠首樞紐水力計算成果詳見表1。

表1 新西渠首水力計算成果表

（5）導(dǎo)流堤頂高程按下式確定：

式中：Z－堤導(dǎo)流堤頂高程；

Z－設(shè)計相應(yīng)設(shè)計引水流量的進(jìn)水閘前水位，進(jìn)水閘頂高程為1650.2m，相應(yīng)于設(shè)計流量的閘前水深H按下式計算：

經(jīng)計算：H為0.5；

則Z設(shè)計=1650.2+0.5=1650.7m。

ΔZ渠首進(jìn)水閘水頭損失，取0.1m ；

ΔD1安全超高，取0.2m；

則Z堤=Z設(shè)計+ΔZ+ΔD1

=1650.7+0.1+0.2

=1651.00m

（6）導(dǎo)流堤堤底設(shè)計高程計算。

護(hù)堤基底按沖刷深度計算確定，護(hù)堤頂高為設(shè)計洪水位加0.5m安全超高值（根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》查取）再加上波浪爬高及風(fēng)壅水面高0.3m (波浪爬高及風(fēng)壅水面高度計算方法同上，設(shè)計風(fēng)速V＝20m/s；吹程為100m；水深3.1m。)。設(shè)計沖刷深度按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB50286-98給出的平順護(hù)堤沖刷深度公式計算：

式中：

hB－局部沖刷深度（m），從河底算起（深弘線）；

hp－沖刷處的水深（m），以近似設(shè)計水位最大深度代替；

Vcp－河槽設(shè)計流量時平均流速（m/s）；

V允－允許不沖流速（m/s），根據(jù)堤基d50粒徑選定，根據(jù)地質(zhì)資料提供d50 =11.0～23mm，相應(yīng)V允＝0.5～0.8 m/s，取V允＝0.6m/s；

n －指數(shù)，河岸沖刷一般取1/4；

求得沖刷深度（從河底算起）hB＝0.7m，設(shè)計護(hù)堤基底埋深為沖刷深度加1.8m的安全埋深，為2.5m。

導(dǎo)流堤底高程=沖砂閘底板高程-沖刷深度-安全超高，隨著導(dǎo)流堤向上游延伸，其底部高程隨著河床平均比降逐漸抬高止導(dǎo)流堤起始段河床高程1651.000m。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）沖砂閘結(jié)構(gòu)設(shè)計：據(jù)河流泥砂狀況及渠首樞紐泄流計算，新建渠首沖砂閘設(shè)為2孔，單孔寬3m，總凈寬6m，選用開敞式，基礎(chǔ)座于砂礫層上，閘墩長6m，中墩厚1m，兩邊墩為重力擋土墻式，頂厚1.0m。沖砂閘底板設(shè)計高程1649.9m，與主河槽平均高程基本齊平，采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆，其余采用C15混凝土現(xiàn)澆。閘后修建長度為12m的消力池，池深0.6m。

考慮閘門啟閉高度要求，閘墩高度為3.9m閘墩頂高程設(shè)計為1653.8m，高于校核水位1.9m，閘墩及底板均用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆，啟閉機(jī)室直接修在閘墩頂部，凈長13.46m，凈寬5.34m，底板為板梁結(jié)構(gòu)，用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆，板厚0.12m，梁高0.4m。

（2）進(jìn)水閘：位于沖砂閘右側(cè)。進(jìn)水閘軸線與沖砂閘中軸線夾角 21.7°閘墩長8m，高 3.6m，閘底板高程1650.2m，孔口凈寬為0.8m，孔高0.8m，閘前設(shè)胸墻，厚0.25m，用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆。閘墩采用C15混凝土現(xiàn)澆。

（3）沖砂閘右邊墩導(dǎo)流堤：沖砂閘右邊墩導(dǎo)流堤設(shè)計為重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，長度69.77m，導(dǎo)流堤頂高程1651.00m，基底高程在1647.9～1649.824m。頂寬 1.0m，底寬 3.0 m，采用C15混凝土現(xiàn)澆。

（4）左岸護(hù)岸：為保證引水安全，延長滲徑，在進(jìn)水閘左側(cè)邊墩修了長度為5m的齒墻，齒墻與河岸銜接，斷面為重力式結(jié)構(gòu)，頂寬0.6m，底寬1.9m，高度6.4m；為了保證涇華公路安全，防止洪水沖刷左岸岸坡，左岸進(jìn)水閘上游設(shè)計了長13.5m的護(hù)岸，基底坐落在河床沙礫上，底部高程1647.4m，護(hù)岸頂高程為上游校核洪水位1651.9m加0.9m超高即為1652.8m，護(hù)岸總高5.4m，基礎(chǔ)寬1.9m，頂寬0.4m，采用重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，用C15混凝土現(xiàn)澆，護(hù)岸后用土石填筑與堤頂齊平。

（5）啟閉機(jī)室：進(jìn)沖閘啟閉機(jī)室直接建于閘墩頂部，設(shè)計為磚混結(jié)構(gòu)，高3.3m，建筑面積64m2，底板高程1653.8m，閘室底板為C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)。

5 評 價

該工程目前已經(jīng)建成6年，運(yùn)行狀況良好，該工程建成后，渠首引水流量0.3m3/s，可以灌溉農(nóng)田2500畝，促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，同時提高了策底河水資源開發(fā)利用水平、改善了生態(tài)環(huán)境。

[1] 防洪標(biāo)準(zhǔn)GB50201－94

[2] 水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)SL252-2000

[3] 宋祖詔,張思俊,詹美禮編著.取水工程

[4] 李煒主編.水力計算手冊

[5] 周氐,章定國,鈕新強(qiáng)主編.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊

[6] 李代鑫主編.最新農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計手冊