莎車縣阿克蘇支渠水閘設(shè)計方案探析

田振響

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程區(qū)域概況

1.1 地理位置

莎車縣骨干工程阿克蘇支渠位于莎車縣境內(nèi)，其水源為葉爾羌河水，葉爾羌河流域位于新疆西南部、塔里木盆地邊緣，流域東鄰塔克拉瑪干大沙漠，西接布古里、托乎克拉克沙漠，南以喀喇昆侖山為屏障[1]，北接天山南麓余脈，與阿克蘇毗連，與印度、巴基斯坦、阿富汗、塔吉克斯坦等國接壤。

葉爾羌河流域平原灌區(qū)按行政區(qū)可劃分為7個子灌區(qū)，其中，莎車子灌區(qū)以莎車縣為主，還包含喀什監(jiān)獄的牌樓勞改農(nóng)場及兵團(tuán)農(nóng)三師46團(tuán)少部分土地[2]，灌區(qū)灌面214.05萬畝。

1.2 渠系建筑物地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

阿克蘇支渠地處葉爾羌河中下游左岸細(xì)土平原區(qū)上，位于蘇庫恰克水庫東北側(cè)，渠線沿線地勢平坦，兩側(cè)以農(nóng)田、荒地及居民區(qū)為主，總的地勢西南高東北低，地面高程1 187~1 192 m。

1.2.2 地層巖性

渠線沿線地層巖性較為單一，主要為全新統(tǒng)沖洪積粉土質(zhì)砂及低液限粉土。

1.2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)一帶發(fā)育有幾條推測隱伏斷層，特別是F2、F3兩條斷層，距工程區(qū)較近，第四系以來有過活動，但兩條斷裂歷史上地震很少，加之本工程為線性工程，F(xiàn)2、F3對本工程影響較小。

1.2.4 水文地質(zhì)條件

渠線沿線地下水主要為孔隙潛水和承壓水，其補給來源主要為上游地下水、渠水和農(nóng)田灌溉水，水量受季節(jié)控制，地下水的排泄主要以由南向北的地下徑流方式排泄。地下水位受季節(jié)控制，根據(jù)區(qū)內(nèi)機井資料揭露，地下水位埋深一般2.0~6.0 m，水位變幅0.5 m。根據(jù)鉆孔及探坑揭露，阿克蘇支渠0+000~5+720.5段地下水位埋深自原渠底以下2.0~2.2 m，水位變幅約0.5 m；阿克蘇支渠5+720.5~9+500段地下水位埋深自原渠底以下2.5~2.7 m，水位變幅約0.5 m；阿克蘇支渠9+500~18+400段下水位埋深自原渠底以下大于3.0 m；阿克蘇支渠18+400~24+208.4段地下水位埋深自原渠底以下大于3.0 m。

2 工程布置

2.1 工程布置

阿克蘇支渠向荒地鎮(zhèn)、西湖鎮(zhèn)及闊什艾日克鄉(xiāng)供水，起點位于蘇庫恰克水庫西放水閘， 渠道全長24.21 km，渠道設(shè)計流量Q設(shè)計=4 m3/s，渠道加大流量Q加大=5 m3/s。渠道沿線布置渠系建筑物共52座，其中閘39座（節(jié)制分水閘9座、節(jié)制閘1座、分水閘29座）、橋13座（農(nóng)橋10座、測橋3座）。

2.2 工程等別和建筑物級別

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合《渠道防滲技術(shù)規(guī)范》，按渠道流量大小確定本項目渠道工程級別和規(guī)模。劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 防滲渠道工程級別和規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)

阿克蘇支渠設(shè)計流量Q設(shè)計=3~4 m3/s，加大流量Q加大=4~5 m3/s，農(nóng)場渠設(shè)計流量Q設(shè)計=4 m3/s，加大流量Q加大=5 m3/s。因此，確定阿克蘇支渠為中型工程。

依據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，各工程級別和規(guī)模見表2。

表2 工程級別、規(guī)模匯總表

3 水閘設(shè)計方案

阿克蘇支渠沿線配套有閘39座，其中節(jié)制分水閘9座、節(jié)制閘1座、分水閘29座，水閘建筑物統(tǒng)計見表3、表4。

表3 渠系節(jié)制分水閘統(tǒng)計表

表4 渠道分水閘統(tǒng)計表

根據(jù)灌區(qū)渠系規(guī)劃，在阿克蘇支渠沿線上拆除重建1座節(jié)制閘、6座節(jié)制單向分水閘、3座節(jié)制雙向分水閘、29座分水閘，根據(jù)分水流量大小，按寬頂堰流計算孔口尺寸。分水閘與節(jié)制分水閘均采用整體開敞式結(jié)構(gòu)，節(jié)制閘與分水閘采用 “八”字墻連接。節(jié)制閘上下游連接段均采用扭面與渠道連接，扭面為混凝土結(jié)構(gòu)，扭面擴散角為6°~8°。分水閘后亦采用“八”字與渠道連接，各節(jié)制分水閘的節(jié)制閘閘室和節(jié)制閘閘后消力池底板均采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)采用C20素混凝土。

3.1 水閘凈寬計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，本工程各節(jié)制分水閘閘孔凈寬可按下式計算：

單孔閘時：

多孔閘、閘墩墩頭為圓弧形時：

式中：B0為閘孔總凈寬（m）；H0為計入行進(jìn)流速水頭的堰上水深（m）；g為重力加速度；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；b0為閘孔凈寬（m）；bs為上游河道一半水深處的寬度（m）；N為閘孔數(shù)；dz為中閘墩厚度（m）；σ為堰流淹沒系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深（m）。

渠道起點現(xiàn)狀閘口寬度為3.0 m，阿克蘇支渠引水的加大流量為3.75 m3/s，節(jié)制閘上游水深1.5 m，下游渠道水深1.36 m，現(xiàn)對閘口過流能力進(jìn)行復(fù)核。計算見表5。

表5 阿克蘇支渠起點節(jié)制閘過流能力復(fù)核表

經(jīng)計算，閘口寬度滿足引水流量的需求，渠道節(jié)制閘計算結(jié)果見表6。

表6 阿克蘇支渠節(jié)制閘計算表

渠道分水閘計算結(jié)果見表7。

表7 阿克蘇支渠分水閘計算結(jié)果表

表8 阿克蘇支渠節(jié)制閘消能計算結(jié)果表

表9 上游沖刷深度計算

表10 下游沖刷深度計算

3.2 消能防沖計算

3.2.1 消力池的長度計算

式中：Ls為消力池斜坡段水平投影長度（m）；Lj為水躍長度（m）；β為水躍長度校正系數(shù)；h''c為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）。

3.2.2 消力池的深度計算

式中：q為過閘單寬流量（m3/s）；α為水流動能校正系數(shù)；b1為消力池首端寬度（m）；b2消力池末端寬度（m）；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；ΔZ出池落差（m）；h's為出池河床水深（m）。

根據(jù)上述公式，經(jīng)計算，躍后水深h'c'

3.3 上游鋪蓋始端河床沖刷深度復(fù)核

上游護(hù)底首端河床沖刷深度為：

式中：d'm為上游護(hù)底首端河床沖刷深度(m)；q'm為上游護(hù)底首端單寬流量(m3/s)；V0為河床土質(zhì)允許不沖流速(m/s)；h'm為上游護(hù)底首端處河床水深(m)。

根據(jù)計算上游沖刷深度為0.30 m、0.21 m、0.40 m，渠道上游段不需要設(shè)抗沖齒墻。

3.4 末端河床沖刷深度復(fù)核

下游消能設(shè)施末端的河床沖刷深度為：

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(m3/s)；hm為下游消能設(shè)施末端處河床水深(m)。

根據(jù)計算節(jié)制閘消力池末端沖刷深度為0.91 m、0.84 m、1.03 m，需要設(shè)防沖墻。考慮工程的經(jīng)濟(jì)性、施工難度并結(jié)合水閘工程的實踐經(jīng)驗與下游渠道襯砌等因素，本工程在消力池末端及分水閘下游扭面處設(shè)置1.0 m深防沖墻。

3.5 閘室超高計算

擋水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高值之和[3-5]。安全超高下限值，正常蓄水位時為0.3 m，最高擋水位時為0.2 m。風(fēng)浪要素按《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄E計算。波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式：

式中：hm為平均波高（m）；v0為計算風(fēng)速（m/s）；D為風(fēng)區(qū)長度（m）；Hm為風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均水深（m）；Tm為平均波周期（s）。

式中：hz為波浪中心線超出計算水位的高度（m）。

閘頂超高及閘頂高程計算結(jié)果見表11。

表11 渠段閘室超高計算結(jié)果表

3.6 閘室穩(wěn)定計算

3.6.1 抗滑穩(wěn)定計算

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基的摩擦系數(shù)；ΣG為作用在閘室上的全部豎向荷載（t）；ΣH為作用在閘室上的全部水平荷載（t）。

經(jīng)計算，在最不利荷載情況組合下Kc值大于允許值[Kc]，滿足要求。

3.6.2 閘室基地應(yīng)力計算

建筑物基礎(chǔ)面垂直正應(yīng)力，按材料力學(xué)偏心受壓公式計算，計算公式為：

閘室抗滑穩(wěn)定計算根據(jù)各節(jié)制閘的孔口尺寸、地基土特性等分成兩類進(jìn)行計算，其中，樁號5+690、7+196.8、10+111.2、11+869.7、12+347.0、14+737.3為第一類；樁號18+056.2、23+048.2、23+437.8、24+208.4處為第二類。

經(jīng)計算，閘基地基反力最大值小于80 kPa，且沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，在地震情況下，閘室基底拉應(yīng)力不大于100 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許值。但根據(jù)地質(zhì)資料提供基礎(chǔ)多為粉土質(zhì)砂、低液限粉土，初判建筑物基礎(chǔ)土存在液化的可能性，因此在閘室基礎(chǔ)下?lián)Q填1 m砂礫石墊層。

4 結(jié)論

本文以莎車縣骨干工程阿克蘇支渠為例，對該支渠水閘設(shè)計進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：渠道起點閘口寬度為3.0 m，該寬度滿足引水流量的需求；各節(jié)制閘后均無需設(shè)置消力池，但考慮到閘后到下游水流紊亂，不穩(wěn)定等多種不確定因素，需在閘后設(shè)消力池，采用混凝土扭面與下游支渠連接；渠道上游段不需要設(shè)抗沖齒墻，在消力池末端及分水閘下游扭面處設(shè)置1.0 m深防沖墻；閘室基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許值，初判建筑物基礎(chǔ)土存在液化的可能性，因此在閘室基礎(chǔ)下?lián)Q填1 m砂礫石墊層。