窩巴特渠首工程除險(xiǎn)加固方案分析

李曉燕

(塔城水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 塔城 834700)

1 項(xiàng)目概況

巴音溝河又稱(chēng)安集海河，地處新疆天山北部沙灣市境內(nèi)，發(fā)源于天山北坡冰川，河流水網(wǎng)發(fā)育呈樹(shù)狀，河流全長(zhǎng)140km，黑山頭水文站以上集水面積1579km2[1]。

窩巴特渠首是巴音溝河重要引水樞紐，渠首以上流域面積為1549km2，承擔(dān)博爾通古牧場(chǎng)和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)基地共計(jì)3萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉引水任務(wù)。工程于1967年竣工，由進(jìn)水閘、泄洪閘、沖砂閘、溢流堰和上下游整治段組成，布置如圖1所示[2]。

圖1 窩巴特渠首工程布置示意圖

2008年塔城地區(qū)水利局對(duì)該渠首進(jìn)行安全鑒定，結(jié)論為三類(lèi)閘，主要病險(xiǎn)問(wèn)題為：過(guò)洪能力不足；水閘底板磨蝕嚴(yán)重；進(jìn)水閘、泄洪閘和沖砂閘閘門(mén)等主要構(gòu)件變形，止水失效，進(jìn)水閘底板、閘墩及岸墻磨損，閘前淤積嚴(yán)重；泄洪閘和沖砂閘室底板破裂，閘槽內(nèi)二期砼普遍裂縫，滲流穩(wěn)定不滿(mǎn)足要求[3]。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文氣象

巴音溝河流域地處北半球中緯度地區(qū)歐亞大陸腹地，屬中溫帶大陸性干旱氣候，流域內(nèi)氣候垂直分布和地帶性分布規(guī)律顯著，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季短暫涼爽，流域內(nèi)無(wú)霜期短，晝夜及年內(nèi)溫差較大，光照充足。流域多年平均氣溫4.8℃，多年平均降水量291.8mm，多年平均年蒸發(fā)總量1251.0mm，多年平均風(fēng)速2.0m/s、最大風(fēng)速17.0m/s，最大凍土深181cm。

巴音溝河上中游有高山區(qū)冰雪融水和暴雨混合洪水補(bǔ)給、中下游有中低山區(qū)暴雨山洪和融雪洪水補(bǔ)給，多年平均徑流量3.1億m3。巴音溝河干流有黑山頭水文站(1959—1980年)和喇嘛廟水文站(1981年—至今)。渠首設(shè)計(jì)年徑流量與設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表1—2。

表1 窩巴特渠首設(shè)計(jì)年徑流量成果表

表2 窩巴特渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

2.2 閘址區(qū)工程地質(zhì)

閘址區(qū)山勢(shì)較緩，基巖裸露，沖溝發(fā)育，河谷呈寬闊U型，河谷岸坡較緩，現(xiàn)代河床寬200～300m，兩側(cè)階坎陡立。河床地層巖性主要為松散砂礫石(Q4)和含土砂礫石(Q1)；河道內(nèi)卵石混合土覆蓋厚度7～8m，；潛水含水層下部為含土砂礫石層，弱膠結(jié)，孔隙多被泥質(zhì)充填，透水性和儲(chǔ)水能力較差，構(gòu)成相對(duì)隔水層。

閘址區(qū)季節(jié)性?xún)鐾翗?biāo)準(zhǔn)凍深1.60m，地基土卵石層粒徑小于0.075mm顆粒含量小于10%，為非凍脹性土；地基土無(wú)差異沉降問(wèn)題，承載力滿(mǎn)足建筑物荷載要求；閘基土為卵石混合土，可能的滲透變形類(lèi)型為管涌型，允許滲透比降0.094。現(xiàn)狀渠首存在問(wèn)題屬長(zhǎng)期運(yùn)行后老舊和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低所致，閘址區(qū)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，適合工程建設(shè)。

3 工程規(guī)模與設(shè)計(jì)

3.1 工程規(guī)模與等別

窩巴特渠首工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，進(jìn)水閘、泄洪閘、沖砂閘、溢流堰、消能防沖設(shè)施等主要建筑物為3級(jí)；上下游整治段防護(hù)堤為4級(jí)。設(shè)計(jì)洪水頻率為20年一遇(P=5%)，相應(yīng)洪峰流量304m3/s；校核洪水頻率為50年一遇(P=2%)，相應(yīng)洪峰流量445m3/s。進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量4.0m3/s[4]。

本次除險(xiǎn)加固內(nèi)容包括進(jìn)水閘、泄洪閘和沖砂閘及閘室上下游連接段拆除重建；溢流堰表層鑿毛掛鋼筋網(wǎng)澆筑C30混凝土進(jìn)行加高處理；上下游整治段拆除重建等，增設(shè)安全檢測(cè)及水位流量觀測(cè)設(shè)施[5]。

3.2 工程總布置

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)在原閘址拆除重建，建筑物布置基本保留原狀[6]。

(1)新建進(jìn)水閘位于左岸，與泄洪閘和沖砂閘夾角為14°，進(jìn)水閘2孔，凈寬3.0m，總寬6.0m。進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量4.0m3/s，其中2.15m3/s為引水閘沖砂流量，1.85m3/s為引水閘引水流量；加大流量5.20m3/s。

(2)新建泄洪閘、沖砂閘軸線(xiàn)垂直河道布置，共4孔，靠近進(jìn)水閘側(cè)2孔為沖砂閘，另2孔為泄洪閘，孔口尺寸均為5.0m×2.6m，設(shè)計(jì)洪峰流量為304m3/s，校核洪峰流量為445m3/s。泄洪閘、沖砂閘上游設(shè)15m長(zhǎng)、20cm厚的C30F300砼鋪蓋。泄洪閘、沖砂閘閘室長(zhǎng)15m，泄洪閘閘室下游設(shè)10m長(zhǎng)陡坡，坡度i=0.15，陡坡后接15m長(zhǎng)消力池，消力池后接25m長(zhǎng)海漫，海漫后設(shè)拋石坑；沖砂閘閘室后設(shè)50m長(zhǎng)護(hù)坦，護(hù)坦后設(shè)拋石坑，拋石坑尺寸均為底寬5.0m，深6.0m。

新建小流量沖砂閘垂直于河道布置，共2孔，其中1孔位于沖砂閘靠近引水閘一側(cè)邊墩上，另1孔位于2沖砂閘的中墩，形式為胸腔式?jīng)_砂閘門(mén)，孔口尺寸均為1.5m(寬)×1.0m(高)，2孔設(shè)計(jì)洪峰流量均為10m3/s[7]。

原溢流堰堰型為折線(xiàn)形實(shí)用堰，堰寬72.60m，堰高1.00m。本次除險(xiǎn)加固將原溢流堰表層鑿毛2cm，C30混凝土加高2.95m，堰寬67.00m。溢流堰上游設(shè)20cm厚C30F300砼鋪蓋，下游設(shè)25.15m長(zhǎng)護(hù)坦，坡度i=0.03；護(hù)坦后接拋石坑，拋石坑底寬5.0m，深4.0m。

為保證泄洪閘、沖砂閘和溢流堰安全運(yùn)行，泄洪閘和沖砂閘上游整治段左岸防護(hù)堤長(zhǎng)77.70m，右岸防護(hù)堤長(zhǎng)460.0m，其中靠近溢流堰120m防護(hù)堤堤高由4.20m漸變至2.20m，其余340.0m防護(hù)堤堤高2.20m，內(nèi)邊坡1∶1.75，外邊坡1∶2.0。下游整治段左岸修筑防護(hù)堤長(zhǎng)86.60m，右岸防護(hù)堤長(zhǎng)158.60m防護(hù)堤，堤高2.20m，內(nèi)邊坡1∶1.75，外邊坡1∶2.0[8]。

3.3 水力計(jì)算

進(jìn)水閘、泄洪閘和沖沙閘下游水位即渠道的運(yùn)行水位按明渠均勻流計(jì)算，公式如下。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；i—縱坡比。

進(jìn)水閘和溢流堰過(guò)流能力按有坎寬頂堰堰流計(jì)算，公式如下。

(2)

(3)

式中，Q—過(guò)閘流量，m3/s；B0—閘孔總凈寬(堰寬)，m；εs—側(cè)收縮系數(shù)；m—流量系數(shù)；H—堰上水深，m；H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；v—上游行進(jìn)流速，m/s；H—坎高，m。

泄洪閘和沖沙閘過(guò)流能力按多孔無(wú)坎寬頂堰堰流計(jì)算，公式如下[9]。

(4)

(5)

式中，b0—每孔凈寬，m；其余同上。

新建小流量沖砂閘形式為胸腔式?jīng)_砂閘門(mén)，其過(guò)流按閘孔出流計(jì)算，公式如下。

Q=ueb(2×9.81×H0)0.5

(6)

式中，Q—過(guò)閘流量，m3/s；b—每孔凈寬，m；u—閘孔出流系數(shù)；e—閘門(mén)開(kāi)啟度；H0—閘前水深，m。

波浪平均波高采用莆田公式計(jì)算，公式如下。

(7)

式中，hm—平均波高，m；W—計(jì)算風(fēng)速，m/s；D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，9.81m2/s。

根據(jù)渠首擋水運(yùn)用狀況不同，按照下述4種工況開(kāi)展水力計(jì)算。工況1為正常蓄水：枯水季節(jié)，泄洪閘、沖沙閘關(guān)閉，溢流堰擋水，進(jìn)水閘全開(kāi)，自由出流，滿(mǎn)足正常引水；工況2為最高擋水：校核洪水時(shí)，泄洪閘與沖砂閘全部開(kāi)啟，溢流堰下泄其余水量，進(jìn)水閘調(diào)整開(kāi)啟度引設(shè)計(jì)流量，進(jìn)水閘為閘孔出流；工況3為設(shè)計(jì)洪水：泄洪閘與沖砂閘全部開(kāi)啟，與溢流堰聯(lián)合泄洪，進(jìn)水閘不引水；工況4為校核洪水：泄洪閘與沖砂閘全部開(kāi)啟，與溢流堰聯(lián)合泄洪，進(jìn)水閘不引水。閘墩頂高程根據(jù)擋水時(shí)正常蓄水位和泄水時(shí)校核洪水位即運(yùn)行工況下的水位比較確定，計(jì)算成果見(jiàn)表3，閘墩頂高程選定為965.30m。

表3 各工況下閘墩頂設(shè)計(jì)高程計(jì)算成果表

3.4 消能計(jì)算

進(jìn)水閘下確定為底流消能，消力池深度、長(zhǎng)度計(jì)算公式如下。

d=σ0h″c-h′s-Δz

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒(méi)系數(shù)；h″c—躍后水深，m；hc—收縮水深，m；α—水流動(dòng)能校正系數(shù)；q—過(guò)閘單寬流量，m3/s；b1、b2—消力池首段和末段長(zhǎng)度，m；T0—消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m；Δz—出池落差，m；φ—孔流流速系數(shù)；h″s—出池下游水深，m。

進(jìn)水閘消力池底板厚度計(jì)算公式如下。

(12)

式中，t—消力池底板厚度，m；k1為—消力池底板計(jì)算系數(shù)；q—過(guò)閘單寬流量，m3/s；ΔH—閘孔泄流時(shí)上下游水位差，m。

通過(guò)以上計(jì)算，在正常運(yùn)行工況下進(jìn)水閘池寬7.2m；消力池長(zhǎng)2.97m，取10.0m；池深0.11m，取0.5m；安全超高取0.7m，邊墻高取2.50m；消力池底板厚0.30m。

泄洪閘深度、長(zhǎng)度和底板厚度計(jì)算同上，校核洪水位下閘池寬11.20m；消力池長(zhǎng)11.62m，取15m；池深0.19m，取0.50m；消力池躍后水深3.18m，安全超高取0.7m，邊墻高取3.90m；消力池底板厚0.80m。

泄洪閘消力池下海漫長(zhǎng)度、末端沖刷深度計(jì)算公式如下。

(13)

(14)

式中，Lp—海漫長(zhǎng)度，m；ks—海漫計(jì)算系數(shù)；dm—海漫末端河床沖刷深度，m；qm—海漫末端單寬流量，m3/s；hm—海漫末端河床水深，m；[v0]—河床允許不沖流速，m3/s。計(jì)算得海漫長(zhǎng)度22.42m，取25.0m；海漫末端防沖槽深5.54m，取6.0m；防沖槽末端設(shè)5m長(zhǎng)拋石坑。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從流域水文和工程地質(zhì)特性入手，對(duì)渠首除險(xiǎn)加固重建工程總體布置進(jìn)行分析論述，如渠首工程新建進(jìn)水閘、泄洪閘和沖沙閘、溢流堰鑿毛加固、上下游整治段治理等建筑物的具體布置與設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)對(duì)閘墩頂高程和防沖消能等水力計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。工程布局合理，有實(shí)際指導(dǎo)意義，可供鄰近地區(qū)同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供參考。基于此得出了窩巴特渠首工程的除險(xiǎn)加固方案，方案的實(shí)施使區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉引水能力進(jìn)一步提高和完善，區(qū)域防洪安全得到了進(jìn)一步保障。因除險(xiǎn)加固主要采用了原閘址拆除重建，因此流域水文成果和工程區(qū)地質(zhì)條件主要沿用了歷史成果，研究深度略顯不足，下一步可根據(jù)最新系列開(kāi)展水文水力計(jì)算，更好地為區(qū)域工程建設(shè)做好技術(shù)支撐。