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        托克遜縣勝利渠渠首除險加固工程初步設(shè)計研究

        2021-05-10 08:06:02
        四川水利 2021年2期
        關(guān)鍵詞:工程設(shè)計

        周 蕾

        (吐魯番市水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 吐魯番,838000)

        1 工程概況

        托克遜縣位于吐魯番盆地西端,總面積17342km2。白楊河發(fā)源于博格達(dá)山南坡,由北向南經(jīng)峽口、后溝,穿越天山支脈流入托克遜縣境內(nèi),向東注入艾丁湖。勝利引水渠渠首工程位于托克遜縣白楊河上、紅山出山口、紅山橋下游300m處,集水面積2778km2,是白楊河上的第三座渠首,其主要功能是引白楊河水為托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)和夏鄉(xiāng)灌區(qū)供水,控制灌溉面積0.7907萬hm2。

        勝利引水渠渠首工程主要建筑物包括導(dǎo)流堤、泄洪沖砂閘、引水閘和溢流堰等,于1970年建成投入使用。1996年因發(fā)生特大洪水,泄洪沖砂閘、引水閘和部分溢流堰被沖毀,1997年8月完成除險加固。

        2 氣象水文

        2.1 氣象

        托克遜縣地處歐亞大陸腹地,北、西、南有高山屏障,地勢低洼,冷濕空氣不易進(jìn)入,為典型的溫帶大陸性干旱氣候。春季氣溫回升快,風(fēng)沙危害嚴(yán)重;夏季較長,高溫酷熱;秋季降溫迅速,天氣多晴好;冬季短暫干冷,風(fēng)小雪稀。多年平均降水量為8.2mm,平均蒸發(fā)量為3014.9mm,平均氣溫為14.5℃,最大凍土深度為0.60m。托克遜縣風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重,多年平均最大風(fēng)速>40m/s,常為NW風(fēng),8級以上大風(fēng)年平均達(dá)108d。

        2.2 水文

        勝利渠渠首設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。以白楊河峽口站為參證站,推算不同保證率下渠首工程壩址處設(shè)計年徑流量成果如表1所示,利用洪水沿程變率計算工程斷面處渠首設(shè)計洪峰流量成果如表2所示。

        表1 勝利渠渠首設(shè)計年徑流頻率計算成果

        表2 勝利渠渠首設(shè)計洪峰流量計算成果

        3 工程布置與設(shè)計

        3.1 工程病險現(xiàn)狀

        工程建于1970年,受歷史條件所限施工條件和質(zhì)量較差,且已運(yùn)行近50年,工程老化嚴(yán)重,長年來一直帶病運(yùn)行。工程存在的問題主要有:樞紐過洪能力和引水能力不足,引水閘、泄洪沖砂閘混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求,泄洪沖砂閘和溢流堰下游防沖消能不滿足規(guī)范要求,樞紐淤積嚴(yán)重,引水閘和泄洪沖砂閘閘門及啟閉設(shè)施銹蝕、老化失修等。

        3.2 工程建設(shè)任務(wù)與規(guī)模

        工程建設(shè)主要任務(wù)為提高渠首的泄洪標(biāo)準(zhǔn),提高灌區(qū)的灌溉保證率,減少泥沙入渠的同時提升渠首運(yùn)行管理環(huán)境,保護(hù)周邊生態(tài)。主要建設(shè)內(nèi)容包括拆除重建引水閘1孔、泄洪沖砂閘3孔、溢流堰1座,修復(fù)導(dǎo)流堤損毀嚴(yán)重部分,新建閘房、管理房等。

        工程規(guī)模為中型,工程等別為Ⅲ等;主要、次要、臨時建筑物級別分別為3級、4級、5級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(P=5%),相應(yīng)設(shè)計流量為313m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%),相應(yīng)校核流量為467m3/s。設(shè)計引水規(guī)模維持現(xiàn)狀控制灌溉面積0.7907萬hm2不變,設(shè)計引水流量為8m3/s,加大流量為10m3/s。

        3.3 方案比選

        3.3.1閘址選擇

        根據(jù)河道來水情況和地形地質(zhì)條件,本次水閘除險加固可選用的閘址有兩個方案,方案一原閘址位置拆除重建和方案二原址上游110m位置新建,經(jīng)比較選定方案一。其比選如表3所示。

        表3 閘址比選

        3.3.2工程方案比選

        在拆除原有右岸引水閘、泄洪沖砂閘、寬頂堰和上下游導(dǎo)流堤,新建引水閘、泄洪沖砂閘及上下游導(dǎo)流堤的基礎(chǔ)上,工程布置有兩個方案,方案一為泄洪閘+WES堰形式,方案二為全攔河閘形式。其比選如表4所示。

        表4 工程方案比選

        比較可知,方案一泥沙易淤積在堰前,但通過及時清淤及通過泄洪沖砂閘及時沖沙,能很好地改善現(xiàn)狀堰前淤積問題,工程適應(yīng)突發(fā)性洪水較強(qiáng),管理方便,運(yùn)行安全可靠;方案二閘前不易淤積,但適應(yīng)突發(fā)性洪水較弱,閘孔數(shù)較多,管理復(fù)雜,對管理水平要求較高,且工程量和投資較大。因此選定方案一。

        3.4 過流能力核算

        引水閘正常引水時,泄洪沖沙閘關(guān)閉。引水閘總凈寬為5.0m,設(shè)計引水流量為8.0m3/s,加大流量為10.0m3/s,計算公式如下:

        式中:Q為過水流量(m3/s);m為流量系數(shù),取0.385;g為重力常數(shù);Ho為計入流速水頭的水深(m);σ為堰流淹沒系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù)。經(jīng)計算,得到引水閘、泄洪沖沙閘、溢流堰過流能力。計算結(jié)果如表5所示。

        表5 引水閘、泄洪沖沙閘、溢流堰過流能力計算結(jié)果

        當(dāng)上游水深為1.2m時,引水閘過流能力為10.0m3/s,滿足加大流量過水要求。確定引水閘閘底板高程為218.0m,泄洪沖砂閘閘底板高程為217.0m,溢流堰堰頂高程為218.0m,溢流堰與泄洪沖砂閘共同泄洪。經(jīng)計算,在設(shè)計洪水位219.85m時,泄洪沖沙閘與溢流堰共同下泄流量為313m3/s;在校核洪水位220.20m時,共同下泄流量為467m3/s,滿足設(shè)計要求。

        3.5 消能防沖設(shè)施設(shè)計

        為滿足下游引水及泄洪要求,勝利渠渠首水閘布置為閘堰結(jié)合型,泄洪沖砂閘、溢流堰和引水閘均需進(jìn)行消能防沖設(shè)計。

        3.5.1 斜坡護(hù)坦式消能設(shè)計

        根據(jù)水文結(jié)論,河道中泥沙含量較大,常規(guī)消能方式如消力池和消能坎易產(chǎn)生淤積,導(dǎo)致消能設(shè)施失效。根據(jù)新疆當(dāng)?shù)囟嗄嗌澈恿鞯南芙?jīng)驗(yàn),本次泄洪沖砂閘和溢流堰采用斜坡護(hù)坦式消能,斜坡長度為10.0m,坡度為1∶10。

        泄洪沖沙閘與溢流堰上游護(hù)底首端的河床沖刷深度按下式計算:

        經(jīng)計算,設(shè)計洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰首端沖坑深度分別為1.86m、0.66m;校核洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰首端沖坑深度分別為1.99m、0.92m。結(jié)合當(dāng)?shù)厍锥嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn),將下游防沖墻基礎(chǔ)向下埋深3.0m。

        護(hù)坦末端的河床沖刷深度按照式計算:

        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(m2/s)。

        經(jīng)計算,設(shè)計洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰下游沖刷坑深度分別為3.62m、1.42m;校核洪水情況下泄洪沖砂閘、溢流堰下游沖刷坑深度分別為3.94m、1.83m。根據(jù)當(dāng)?shù)厍锥嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn),護(hù)坦末端防沖齒墻深度確定為5.5m。

        3.5.2 消力池設(shè)計

        引水閘消能采用挖深式等寬消力池,采用以下公式計算:

        出池長度、消力池長度按下式計算:

        式中:hc為收縮水深(m);β為水躍長度校正系數(shù)。

        消力池底板厚度按抗沖、抗浮要求:

        式中:△H′為閘孔泄水時上、下游水位差;k1、k2分別為消力池底板計算系數(shù)、安全系數(shù);U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力(kPa);W為作用在消力池底板頂面的水重(kPa),Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力(kPa);γb為消力池底板的飽和重度(kN/m3)。

        海漫長度按下式計算:

        式中:Lp為海漫長度(m);qs為消力池末端單寬流量(m2/s)。

        計算可得,引水閘消力池深度取0.5m,水平段取6.0m,陡坡段坡度為1∶4,陡坡段水平長度為4.0m,故消力池總長為10.0m。底板厚度由抗沖計算結(jié)果控制取0.8m,海漫長度取10.0m。

        4 結(jié)語

        托克遜縣勝利渠渠首工程自建成以來經(jīng)過多年運(yùn)行,工程老化嚴(yán)重,存在樞紐過洪能力和引水能力不足,防沖消能不滿足要求,樞紐淤積嚴(yán)重等問題。通過對渠首工程進(jìn)行安全鑒定,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,對閘址方案和閘堰結(jié)合、全河閘兩種布置方案進(jìn)行比選,對泄洪沖砂閘和溢流堰下游進(jìn)行斜坡護(hù)坦式消能設(shè)計,對引水閘下游進(jìn)行消力池設(shè)計,得到了較為全面的渠首除險加固工程方案。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,驗(yàn)證了該工程方案是合理的。

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