西爾艾力·加帕爾

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局， 新疆 巴州 841000)

孔雀河第一分水樞紐1965年建成投產(chǎn),在促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防汛抗洪方面發(fā)揮了重要作用，效益顯著。工程運(yùn)行多年，泄洪閘出現(xiàn)眾多問題，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1 工程概況

孔雀河第一分水樞紐位于孔雀河石灰窯水電站尾水末端[1]，樞紐包括：5孔泄洪沖砂閘、西岸(右岸)4孔進(jìn)水閘及東岸(左岸)2孔的進(jìn)水閘。泄洪沖砂閘布置在河道中間，泄洪沖砂閘總凈寬30 m(5孔×6.0 m)。泄洪沖砂閘為平底開敞式，由上游鋪蓋段、閘室段、下游消能防沖段組成。樞紐工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)流量為243 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)流量為317 m3/s，左岸庫塔干渠進(jìn)水閘引水流量35 m3/s，右岸十八團(tuán)渠進(jìn)水閘引水流量23 m3/s。孔雀河第一分水樞紐主要擔(dān)負(fù)農(nóng)二師十八團(tuán)渠灌區(qū)、庫塔干渠灌區(qū)(庫爾勒、尉犁縣)灌溉引水任務(wù)[2]。

2 工程病險(xiǎn)問題

經(jīng)過勘察調(diào)查，泄洪沖沙閘主要存在以下問題：

2.1 泄洪能力不足

經(jīng)過勘察計(jì)算，現(xiàn)狀建筑物高度不能滿足宣泄現(xiàn)設(shè)計(jì)和校核洪水流量，威脅樞紐運(yùn)行安全，需加高閘墩。由于本工程地處孔雀河出山口處，汛期洪水將大量的泥沙攜運(yùn)到此，導(dǎo)致了樞紐處上游河段泥沙淤積嚴(yán)重，抬高河床，行洪能力降低[3]，威脅著工程安全。

2.2 泄洪沖沙閘后消能防沖不足

由于洪水淘刷，造成泄洪沖沙閘閘后形成沖刷坑，閘后消能防沖不滿足要求，消力池及海漫段沖毀，影響樞紐安全。

2.3 建筑物破損嚴(yán)重

由于凍融加上洪水期泥沙的磨損，造成閘室底板存在沖坑，破壞嚴(yán)重；閘墩存在凍融破壞，漿砌石剝落，并多處存在破壞裂縫。閘墩下部表層漿砌石剝落，并多處存在破壞裂縫，影響漿砌石結(jié)構(gòu)安全；泄洪沖沙閘弧門支承牛腿均存在裂縫、壓碎破壞；啟閉平臺(tái)寬度較窄，管理極為不便。同時(shí)未設(shè)檢修閘門，且無法設(shè)置啟閉設(shè)施。

3 樞紐形式及閘址選擇

目前新疆已經(jīng)建成并具成功經(jīng)驗(yàn)的引水型式有：無壩引水渠首，彎道式引水渠首，底欄柵式引水渠首，攔河閘壩式引水渠首，分層式引水渠首等。

根據(jù)孔雀河水文地質(zhì)條件以及第一分水樞紐的功能，初步比選適合于孔雀河的引水樞紐型式為攔河閘式和橡膠壩式引水渠首?？兹负訌倪_(dá)吾提閘開始經(jīng)鐵門關(guān)水庫、石灰窯水電站到達(dá)孔雀河第一分水樞紐，孔雀河第一分水樞紐接石灰窯水電站尾水末端，由于受到石灰窯水電站調(diào)峰影響，樞紐前水位變化頻繁，同時(shí)孔雀河第一分水樞紐兩岸承擔(dān)著向農(nóng)二師十八團(tuán)渠、地方庫塔干渠分水的任務(wù)，為了達(dá)到引水要求，需要反復(fù)調(diào)節(jié)樞紐前的水位，而橡膠壩不能適應(yīng)這種反復(fù)、快速調(diào)節(jié)水位的要求，而攔河閘基本上不改變上、下游河道的形態(tài)既可以雍水又可利用開閘泄洪沖砂，除能排除閘前淤積的泥砂外，并能靈活調(diào)節(jié)水位和流量，還可借閘門的開啟來調(diào)節(jié)主流的方向，使取水口始終保持良好的引水條件。因此本次除險(xiǎn)加固樞紐型式仍和現(xiàn)狀一樣，采用攔河閘型式，閘址維持不變。

4 泄洪沖沙閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1 閘底板高程確定

孔雀河第一分水樞紐現(xiàn)狀攔河閘五孔，閘孔凈寬6 m，原設(shè)計(jì)閘底板高程947.657 m，本次測量高程947.720 m；左岸庫塔干渠進(jìn)水閘2孔，原設(shè)計(jì)閘底板高程948.351 m，本次測量高程948.350 m；右岸十八團(tuán)渠閘4孔，原設(shè)計(jì)閘底板高程948.351 m，本次測量高程949.100 m。河底平均調(diào)和948.580 m。

根據(jù)本次測量成果結(jié)合孔雀河現(xiàn)場查看，再對比原設(shè)計(jì)圖紙，可以看出，經(jīng)過多年運(yùn)行，樞紐閘址上下游處有部分淤積。為了保證河道穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)時(shí)，擬將閘底板高程抬高0.3 m。初步擬定泄洪閘閘底板高程948.000 m。

4.2 閘孔寬度確定

根據(jù)泄洪流量和造床流量下的河寬來確定閘寬，避免過分束窄水流造成阻水現(xiàn)象。閘孔寬度主要涉及過閘單寬流量的大小。閘孔總凈寬計(jì)算公式，見式(1)：

(1)

式中：B0為閘孔總凈寬,m；Q為過閘流量，Q設(shè)取243 m3/s,Q校取317 m3/s；σ為堰流淹沒系數(shù),取1.0；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.96；m為堰流流量系數(shù),取0.385；g為重力加速度,取9.81 m2/s；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深,m。

根據(jù)勘察知：閘址處(0+553)斷面、上游河道(0+473.4)處和下游河道(0+644.6)處斷面在過設(shè)計(jì)和校核洪峰流量時(shí)水位情況，詳見表1。

表1 閘址和下游河道處斷面水位～流量關(guān)系成果

經(jīng)計(jì)算，閘孔總凈寬為30.0 m，初步擬定攔河閘總寬度維持現(xiàn)狀不變，即泄洪閘沖沙閘30.0 m(5孔×6.0 m)。

4.3 閘頂高程確定

根據(jù)過流能力知：閘前正常水位950.89 m，閘前設(shè)計(jì)洪水位950.90 m、校核洪水位951.47 m。

波浪計(jì)算高h(yuǎn)見式(2)：

h=hp+hz

(2)

式中：hp為平均波高,m;換算為累計(jì)頻率5%的波高(高出波浪中心線的高度)，m；hz為波浪中心線超出計(jì)算水深的高度，m。

波浪的平均波高和波長采用莆田試驗(yàn)站公式，見式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：hm為平均波高，m；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；D為風(fēng)區(qū)長度，m；Hm為水域平均水深，m；Tm為平均波周期，s；Lm為平均波長，m；多年最大風(fēng)速為12 m/s；H為閘前水深，m。

hp應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)查表換算得出，波列累計(jì)頻率可有《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)附錄E表E.0.1-1查得；再根據(jù)平均波高與風(fēng)區(qū)內(nèi)平均水深的比值hm/Hm，可由規(guī)范SL 265—2016表E.0.1-2查出波高與平均波高的比值hp/hm,由規(guī)范SL 265—2016表E.0.1-2查得。

波浪中心線超出計(jì)算水位的高度hz計(jì)算公式，見式(6)：

(6)

按規(guī)范SL 265—2016中規(guī)定，確定3級(jí)建筑物安全超高下限值，經(jīng)計(jì)算閘頂超高及閘頂高程計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 閘頂高程計(jì)算成果

由表2知：最不利情況計(jì)算的閘墩頂高程為952.32 m。考慮閘前泥沙淤積、留一定安全富裕，最終擬定閘墩頂高程為952.50 m。

4.4 閘室布置

泄洪閘沖沙閘閘室長12 m，閘室結(jié)構(gòu)為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室設(shè)檢修門槽、工作閘門，上部設(shè)交通橋、排架、工作橋及啟閉閘房。泄洪沖沙閘閘底板高程948.00 m，閘墩頂高程952.50 m。

(1)底板。采用平底寬頂堰型式，順?biāo)鞣较蜷L12 m，底板厚1.0 m，在底板上、下游各設(shè)一道深1.2 m齒墻，齒墻底寬1.0 m，底板高程為948.0 m。

(2)閘墩。閘墩凈高4.4 m、厚1.2 m、墩頂高程952.5 m。分縫處閘墩凈高4.4 m、厚0.8 m、墩頂高程952.5 m。

(3)工作閘門。工作閘門為弧形閘門，閘門寬高尺寸為6.0 m×3.0 m，選用QH2×100 kN-10 m雙吊點(diǎn)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)動(dòng)水啟閉。上游側(cè)設(shè)檢修門槽，檢修門為平板鋼閘門，閘門寬高尺寸為6.0 m×2.5 m。

(4)檢修橋、啟閉臺(tái)及工作橋。閘墩中游頂部設(shè)有高4.40 m的鋼筋混凝土排架，排架頂部設(shè)有寬6.42 m啟閉臺(tái)，啟閉臺(tái)上布置有閘房，閘房為磚混結(jié)構(gòu)，閘房寬3.90 m，閘房前后為走廊寬1.26 m。啟閉臺(tái)上游底部設(shè)吊葫蘆軌道。閘墩下游頂部設(shè)有寬4.0 m工作橋，橋面凈寬3.5 m，橋面板為厚0.4 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橋面高程952.9 m。

(5)上游鋪蓋段。上游鋪蓋水平長10 m，水平鋪蓋厚0.5 m為混凝土結(jié)構(gòu)，鋪蓋高程為948.0 m，鋪蓋順?biāo)鞣较蜷g隔8 m設(shè)縱向伸縮縫。根據(jù)場址處的河床土質(zhì)條件，上游鋪蓋前設(shè)一道厚0.5 m、深3.0 m、邊坡為1∶1.5的混凝土斜墻，做為防沖墻兼垂直防滲體。

4.5 消能防沖布置

閘后消能采用底流式消能方式，泄洪沖沙閘下游連接段包括斜坡護(hù)坦段、防沖深隔墻等。

(1) 斜坡護(hù)坦段?？紤]與現(xiàn)有泄洪沖沙閘的銜接，設(shè)斜坡護(hù)坦段長12 m，采用1∶40斜坡，末端高程947.7 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；斜坡護(hù)坦段兩岸翼墻為鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻高6.7 m、墻頂寬0.6 m、底寬4.5 m。

(2)防沖深隔墻。斜坡護(hù)坦末端設(shè)一道頂寬1.0 m、基礎(chǔ)寬2.552 m，深為5.0 m的混凝土深隔墻，作為垂直防沖墻,防沖墻迎水面坡度1∶0.75，底部設(shè)1.0 m寬的放大基礎(chǔ)。墻后設(shè)結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高=1.0 m×1.0 m×0.8 m的排軟排混凝土塊,混凝土軟排長19.9 m，軟排混凝土塊下鋪拋石(d≥30 cm)，混凝土軟排兩岸翼墻為鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)，其中前段11.0 m墻高9.8 m、墻頂寬0.6 m、底寬7.0 m；后段9.9 m墻高7.3 m、墻頂寬0.6 m、底寬6.5 m。

4.6 過流能力計(jì)算

(1)泄洪沖沙閘。樞紐泄洪只考慮泄洪沖沙閘泄洪，保證運(yùn)行安全。泄洪沖沙閘為平底開敞式寬頂堰,根據(jù)公式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泄洪沖沙閘過流能力計(jì)算情況

由樞紐處(樁號(hào)K0+553)天然河道水位—流量關(guān)系曲線可知，設(shè)計(jì)洪水位951.05 m，校核洪水位951.44 m，計(jì)算過程詳見表1。所以，閘前設(shè)計(jì)水位、校核水位與水文分析計(jì)算的水位流量關(guān)系基本符合。

(2) 過流能力計(jì)算。正常引水工況：庫塔干渠設(shè)計(jì)流量35 m3/s，加大流量40 m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)引水位950.89 m，加大引水位951.07 m；十八團(tuán)渠設(shè)計(jì)流量23 m3/s，加大流量28 m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)引水位950.53 m，加大引水位950.73 m；

本次以庫塔干渠引水位作為正常引水位，正常引水位950.89 m。設(shè)計(jì)工況：設(shè)計(jì)流量243 m3/s(P=5%)，相應(yīng)水位950.90 m；校核工況：校核流量317 m3/s(P=2%)，相應(yīng)水位951.47 m。經(jīng)對比，過流能力滿足設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，滿足正常引水、農(nóng)業(yè)灌溉用水要求,詳見表4。

表4 樞紐過流能力計(jì)算成果

5 結(jié) 語

為了確?？兹负拥谝环炙畼屑~泄洪沖沙閘安全運(yùn)行，經(jīng)對調(diào)查勘察和分析計(jì)算，在除險(xiǎn)加固中，對閘底板和閘頂分別進(jìn)行加高，即加固方案為泄洪沖沙閘共設(shè)5孔，每孔寬6 m，中墩厚1.20 m，縫墩厚0.80 m，泄洪沖沙閘閘墩頂高程為952.50 m，閘室長12 m，采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室總寬為37.60 m，閘底板厚1.0 m，底板高程為948.00 m，為工程除險(xiǎn)加固提供了科學(xué)依據(jù)。