金溝河引水樞紐除險加固工程消能防沖方案比選

張文獻

（新疆金溝河流域管理局，新疆 烏魯木齊 832100）

0 引言

大型水利工程的修建可以有效緩解當地水資源時空分布差異較大的問題，促進經濟發展，改善生態環境問題，具有重要的民生意義[1-2]。在長期的使用過程中，水利樞紐工程經常出現老化、淤積等現象，嚴重影響到工程的正常使用[3-4]。在水利樞紐工程中，消能防沖工程是一個重要組成部分，可以有效緩解下泄水對下游河道岸坡的沖刷作用，保證水利樞紐工程的正常運行[5-6]。

1 工程概況

金溝河引水樞紐工程的主要問題是安全、老化和泥沙淤積問題。工程最大過閘流量為546 m3/s（P=2%），過閘洪峰流量在100 m3/s～1000 m3/s之間，引水流量在10 m3/s～50 m3/s之間。

金溝河引水樞紐輸沙總量為94.4×104t。紅山頭多年平均含沙量為2.31 kg/m3。引水樞紐泄洪沖砂閘后采用裙板消能的方式，閘下淤積嚴重，裙板已被泥沙埋沒，見圖1。

圖1 現狀泄洪沖砂閘下游泥沙淤積情況

2 消能防沖方案比選

2.1 類似工程分析

消力池和裙板消能在新疆各渠首工程中均有普遍應用，能滿足消能需要，但在多泥沙河流上的運行效果各有不同。現列出部分新疆已建樞紐兩種消能方式運行情況對比，見表1、表2。

表1 新疆已建樞紐消力池消能方式統計表

表2 新疆已建樞紐裙板消能方式統計表

類似工程模型試驗：伊犁河引水樞紐泄洪系統主要有6孔泄洪閘、4孔泄洪沖砂閘，孔寬均為12 m，校核洪水流量為2990 m3/s，對應單寬流量為24.9 m3/s，平均年輸沙量781×104t。工程對泄洪閘閘后的消能措施分別進行了消力池、裙板消能等方案的模型試驗。模型試驗結果：消力池方案下游最大流速為4.69 m/s，下游最大沖坑深度為4.11 m；而裙板方案下游最大流速達到8.3 m/s，下游最大沖坑深度為5.44 m。

2.2 消力池方案設計

消力池在水利工程中極為常見，具有較好的消能效果，保護河床免受下泄水的沖刷，適用性較強，可在多種地質情況下使用[7-8]。

金溝河引水樞紐工程泄洪沖砂閘后接泄洪道，包括消力池、護坦以及出口防護段，總長182.73 m。采用消力池方案時，設計消力池尺寸為40.0 m×22.5 m。消力池前10.0 m采用陡坡，設計坡比為1∶4；消力池中間采用平坡，該段底板高程為810.0 m；末端10.0 m采用坡比為1∶7.5的反坡。消力坎高度為1.2 m，長度設計為10.0 m。消力池底板采用厚為1.2 m的鋼筋混凝土材料，在消力池末端（反坡段）采用厚0.45 m的砂礫石反濾層和按照梅花型布置的直徑30 mm的排水孔。設計護坦總長118.85 m，底板材料為厚0.45 m漿砌塊石，具有防沖刷能力強，適應變形能力強等特點，護坦寬度在22.5 m～45.6 m之間；護坦可以分為兩段，前段長77.83 m，采用縱坡坡比為1∶80，后段長41.0 m，采用縱坡坡比為1∶15。護坦末端與防沖槽連接，寬度45.6 m，長17.0 m，采用漿砌塊石砌護，按照1∶3的坡比深入至地下2.0 m，上覆長10.0 m，厚2.0 m的格賓石籠，采用拋石回填基坑。

泄洪沖砂閘后消力池結構縱剖面見圖2。

圖2 消力池結構縱剖面圖

2.3 裙板消能方案

裙板消能結構主要是利用防沖裙板分散水利樞紐工程下泄水，從而擴大水流的面積從而降低單位面積上對河床的沖擊力，降低對河床、岸坡的沖刷強度。采用裙板效能方案，可以充分利用裙板形成的負渦旋將河床質回淤到裙板底部，在一定程度上保護裙板和防沖隔墻，有效保護基礎避免被下泄水沖刷，降低下泄水的破壞力[9-10]。

裙板消能工況，需確定裙板下游沖刷深度。針對底流銜接、面流銜接采用不同計算公式。

對于底流銜接狀態：

銜接流態的判別：當 k＞k'，為面流銜接流態；當 k＜k'，為底流銜接流態。

式中：T為從閘底板高程算起的最大沖刷坑深度，m；E0為閘室末端底板以上的水頭，m；d50反映河床地質條件的中值粒徑，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 9.81 m/s2。

沖刷深度計算結果見表3。

表3 裙板后沖刷深度計算結果表

根據上表計算結果，裙板后沖刷防護深度取為7.0 m。

金溝河泄洪沖砂閘后結構布置包括斜坡護坦段、裙板消能段、擋墻段以及導流堤段，總長182.73 m。

斜坡護坦段長20 m，寬22.5 m，縱坡為1∶10，主要采用C25鋼筋砼結構，厚度為1.96 m～3.96 m，其表層為20 cm厚C60硅粉混凝土，下層分別為厚1.0 m的C25鋼筋混凝土、厚0.76～2.76 m C20混凝土填筑層以及厚10 cm C15混凝土墊層。在兩邊擋墻底板以上0.75 m范圍內為C60硅粉混凝土。

設計裙板消能段全長40.0 m，順水流方向長7.0 m，寬度22.5 m。順水流方向裙板采用1∶10的反坡，材料為QU120鋼軌，軸心距為0.44 m；裙板底部采用雙排C25混凝土支撐結構，間距為2.5 m。兩側采用C25扶壁式擋墻，底板及墻面板厚0.6 m，扶壁厚0.5 m，間距3.0 m。

裙板沖坑計算深度為7.2 m，坑底部高程為805.762，裙板后兩側導流墻按最大沖坑深度確定基礎埋深的長度范圍，根據已建工程水工模型試驗，一般取L=（10～12）T，本工程取40m，導流墻底板為反坡，坡比為1∶23。該段河床面以下采用拋石回填防護，拋石粒徑大于30 cm。

裙板消能工縱剖面見圖3。

圖3 裙板消能工縱剖面圖

2.4 泄洪沖砂閘消能方式比選結論

泄洪沖砂閘消能方式比較見表4。

表4 消能方式比較表

從表4分析可知，經濟性方面消力池方案要略優于裙板方案，根據新疆同類工程實例，兩種消能方式在技術上均可行，但考慮到裙板消能下游流速及沖坑深度均較消力池方案相對較大，同時結合本工程特點，消力池方案有較長的漿砌石海漫，對保護兩側導流堤更為有利，因此，泄洪沖砂閘消能方式推薦采用相對經濟、相對安全的消力池方案。

3 結論

為解決金溝河引水樞紐工程在長期使用過程中出現老化、淤積等問題，通過對比分析，采用消力池作為消能方案。該方案通過使用柔性結構保證了消力池的適應變形能力，與裙板結構相比，消力池具有造價低、維修簡便等特點，可為類似工程提供參考。