保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘消能方式的比選

陳 亮

(新疆世紀農豐土地科技有限公司，烏魯木齊 830000)

1 問題的提出

新疆葉城縣保爾水庫引水樞紐為葉爾羌河灌區骨干工程，工程規模為中型Ⅲ等建筑物。泄洪沖砂閘設計流量147m3/s，校核流量220m3/s，共5孔，每孔凈寬5m，閘室為分離式鋼筋混凝土結構，現閘底板高程806.800m，閘墩頂高程810.050m，閘室長10m，寬33m，底板厚1.5m，中墩厚1m，邊墩為重力式結構。1988年對泄洪閘底板加梯形堰，梯形堰高1.5m，閘墩整體加高2.25m；2001年加高閘墩同進水閘閘墩高度，閘底不變，閘門面板加高1.25 m。

泄洪沖砂閘建于1959年，1960年投入使用，至今已運行數10a，閘基閘室普遍出現裂縫、整體變形及淤積，必須盡快拆除重建。

2 泄洪沖砂閘消能方式

本階段重點對保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘后的消能型式進行比選，采用無消能工兩種方案與有消能工兩種方案進行比較。無消能工主要采用斜坡式護坦方案，分為斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體方案、斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排方案；有消能工方案分別為消力池方案和裙板消能方案。

2.1 斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體消能方案

保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘后斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體消能方案主要采用C25鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土底板厚1.2m，底板坡度為1∶7.6。結構總長40m，凈寬26.7-33.00m，防沖墻緊貼斜坡護坦末端布置，防沖墻下游設混凝土四面體塊防護。防沖墻為C20混凝土重力式擋土墻結構，護坦后最大沖坑深度為9.5m，防沖墻底高程為12.0m，墻頂高程811m，墻底高程為799m，頂寬1m，底寬5.5m，防沖墻底高程為12.0m，墻頂高程811m，墻底高程為799m，頂寬1m，底寬5.5m，下游側為直墻，上游側立墻坡度為1/0.314。四面體兩側為鋼筋混凝土扶臂式擋土墻，長40m，擋墻底部高程為799.00-804.70m，墻高15.0-9.3m，墻寬0.6m，底厚0.8-1.0m，底板總寬7.1-9.6m。四面體底部布置拋石防沖槽，拋石坑深度3.5-9.5m，拋石粒徑D≥30cm[1]。

混凝土四面體防沖段后新建導流堤，導流堤長度分別為120.08m、78.02m，泄洪道凈寬35.0-55.2m，中間為天然砂卵礫石泄洪道，縱坡1∶107。導流堤為砂礫石堤，迎水面采用15cm厚C25現澆混凝土護坡，底鋪5cm厚C15墊層，導流堤采用一坡到底防護。堤高8.4-9.0m，堤頂寬4m，與現狀導流堤相接。導流堤采用砂礫料填筑，填筑邊坡為1∶1.5。導流堤每隔20m設一道混凝土橫隔墻，尺寸為30cm×30cm，導流堤分縫尺寸為3.0m×3.0m，縫寬2cm，填縫材料為5cm聚氨酯密封膠和10cm厚中密度閉孔塑料板。

泄洪沖砂閘后斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體方案結構縱剖面見圖1。

圖1 斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體結構縱剖面圖

2.2 斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排消能方案

保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘后斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排消能方案與斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體消能方案相似。

斜坡護坦段及新建導流堤段布置同方案一。防沖墻和軟排段總長度40m，凈寬26.7-35.0m，防沖墻緊貼斜坡護坦末端布置，防沖墻下游設混凝土軟排體防護。防沖墻為C20混凝土重力式擋土墻結構，護坦后最大沖坑深度為9.5m，防沖墻高為12.0m，墻頂高程811m，墻底高程為799m，頂寬1m，底寬5.5m，下游側為直墻，上游側立墻坡度為1/0.314。軟排鋪設長度為30m，寬26.7-33.0m，為C20混凝土結構，三級配，單塊邊長為2.0m，厚0.8m，四塊軟排為一單元，軟排及軟排單元之間采用M12U型卸扣連接，軟排底部鋪設高強機織土工布(350g/m2丙綸長絲機織布+150g/m2短纖滌綸無紡布針刺復合)，機織布在上，無紡布在下，以保護排體下土體。土工布底部布置拋石防沖槽，拋石坑深度3.5-9.5m，拋石粒徑D≥30cm。軟排兩側為鋼筋混凝土扶臂式擋土墻，長40m，擋墻底部高程為799.00-804.70m，墻高15.0-9.3m，墻寬0.6m，底厚0.8-1.0m，底板總寬7.1-9.6m。

泄洪沖砂閘后斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排消能方案結構縱剖面見圖2。

圖2 斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排結構縱剖面圖

2.3 消力池方案

本方案在泄洪沖砂閘后部布置底流式消力池，考慮到工程的重要性，選擇泄洪沖砂閘消力池深度為1.2m，池長為50m。

方案工程布置為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178.624m。消力坎高1.2m，長10m。消力池底板厚1.2m，為鋼筋混凝土結構，末端反坡段設45cm厚三級砂礫石反濾層和排水孔，排水孔孔徑為Φ30，梅花形布置。護坦前段長77.83m，縱坡1∶80，后段長41m，縱坡1∶15，底板高程811.200-807.494m。基坑采用拋石回填，拋石粒徑≥30cm，該處水深3.5m。泄洪沖砂閘后消力池結構縱剖面見圖3。

圖3 消力池結構縱剖面圖

2.4 裙板消能方案

保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘后裙板消能方案包括斜坡護坦段、裙板消能段、擋墻段以及新建導流堤段，總長158.624m。

C25鋼筋混凝土結構的斜坡護坦段長*寬為20m×22.5m，縱坡按1∶10設計，護坦表層覆蓋厚20cm的C60硅粉混凝土，下層自上至下覆蓋厚1.0m的C25鋼筋混凝土、厚1.76m的C20混凝土填筑層、厚10cm的C15混凝土墊層。柱斷面尺寸為0.5m×0.5m，柱基礎混凝土厚度為1.0m，每排中柱間距為2.5m。柱間空腔采用拋石回填防護。兩側采用C25鋼筋混凝土扶臂式擋墻結構，擋墻頂部高程為815.962m，擋墻底部高程為805.762m。裙板按7.5m的設計深度進行沖坑計算，坑底部高程按871.54m設計，將導流墻設置于裙板后兩側，沖坑基礎埋深長度L根據沖坑深度最大值T加以確定，按照水工模型試驗規程的規定，沖坑基礎埋深長度L與沖坑深度最值之間存在如下數量關系：L=(10-12)×T[1]。保爾水庫引水樞紐泄洪沖沙閘裙板消能工剖面詳見圖4。

圖4 裙板消能工縱剖面圖

3 消能方式的比較

根據以上分析，對保爾水庫引水樞紐工程新建泄洪沖砂閘可能的四種消能方式進行對比分析，具體見表1。

表1 保爾水庫引水樞紐泄洪沖砂閘消能方式比較表

從表1分析可知，“斜坡式護坦+防沖墻+混凝土軟排”方案和“斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體”兩方案中，軟排和四面體都屬于柔性結構，均能起到防沖效果，但四面體兼顧一定的消能作用。四川省甘孜州得榮縣門扎水電站工程和麥日水電站工程均建在多泥沙河流卵礫石河床上，情況與保爾水庫引水樞紐工程相似，通過水工模型試驗分析，兩工程泄洪閘斜坡式護坦后四面體最大沖坑深度均明顯小于其他方案，并且對下游無明顯沖刷，達到了預期的防沖效果[2]。而混凝土軟排多用于堤防工程，閘后使用軟排防護相關工程較少。因此，以多泥沙河流渠首“適當消能”為原則，考慮到內外庫引水樞紐閘前水頭比一般渠首略高，并且軟排方案和四面體方案投資相差也不大，本階段推薦選用消能防沖效果更好的斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體方案，下階段需通過水工模型試驗進一步驗證和優化。

4 結 論

泄洪沖砂閘消能控制是保證水利樞紐工程安全運行的重要方面，國內已建泄洪沖沙閘中有部分因消能控制運用不當、超標準行洪運行及其他原因而導致泄洪沖沙閘下游防護以外部分遭受不同程度沖刷，影響甚至危及水利工程安全運行。所以，本工程在設計階段，就對泄洪沖沙閘斜坡式護坦+防沖墻+混凝土四面體消能方式進行了合理調度模型實驗，通過確保泄洪沖沙閘合理運行，保障水利樞紐安全運行。