董 新

（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

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程位于托里縣柳樹溝河，由取水工程、輸水管線、配水管網(wǎng)三部分組成。日最高供水量20 168.3 m3/d，輸水管線設(shè)計(jì)流量0.28～0.14 m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）規(guī)定，該供水工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。

取水工程為閘堰結(jié)合的攔河閘，由溢流堰、沖沙閘和進(jìn)水閘組成。根據(jù)閘址區(qū)地形、地質(zhì)條件、河道主流、下游管線線路等，溢流堰垂直河道布置，沖沙閘布置在溢流堰左側(cè)，進(jìn)水閘布置在河道左岸階地上。攔河閘全長(zhǎng)125 m，其中溢流堰凈寬29.5 m，泄洪沖沙閘1 孔，凈寬5.0 m，左岸進(jìn)水閘1 孔，凈寬1.5 m，進(jìn)水閘后接134 m 長(zhǎng)的沉沙池，寬5.0 m，沉沙池后接輸水管線，通過管線重力輸水，輸送至下游項(xiàng)目區(qū)。

2 取水工程型式選擇

2.1 取水口現(xiàn)狀

現(xiàn)狀金塔區(qū)供水工程修建于2013 年。該工程取水口采用截潛流的方式取水，在河道內(nèi)順河道布置3 排DN315 濾水管，布置間距為1 m，長(zhǎng)度50 m，管底埋深1.6 m。濾水管外側(cè)設(shè)3 層，反濾層濾水管后接DN315輸水管，輸水管長(zhǎng)20 m。通過輸水管將水流輸送至岸邊的集水池，由泵站結(jié)合輸水工程向下游用戶輸水。工程2014 年8 月開始運(yùn)行，由于資金限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，運(yùn)行過程中主要存在以下問題：

1）洪水期淤積，枯水期來(lái)水量小，取水困難：每年洪水期后滲管上部反濾料表層淤積，需對(duì)反濾料進(jìn)行清理才能取水。枯水季節(jié)該工程直接引河道水進(jìn)入集水池進(jìn)行供水，由于枯水期河道來(lái)水量較小，滲管集水量不足，水泵不能正常運(yùn)行，水泵僅能抽取半小時(shí)水量，需等2 h 后，集水池蓄滿，水泵才能運(yùn)行。

2）缺乏山區(qū)控制性調(diào)蓄工程，枯水期供水難以保證：柳樹溝河擬建取水?dāng)嗝嫣幎嗄昶骄鶑搅髁? 190 萬(wàn)m3，徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在4～6 月，該時(shí)段徑流量占全年徑流量的70%，而非汛期1～3 月、7～12月的徑流量?jī)H占全年徑流量的30%；來(lái)水與生活、生產(chǎn)需水不匹配，由于缺乏控制性工程調(diào)節(jié)，供水保證率不高，枯水期大多數(shù)情況下供水不足。

可見采用截潛流滲管方案無(wú)法解決淤堵問題，采用攔河閘枯水期水量得不到保證。綜合考慮，提出采用閘堰結(jié)合形式，利用溢流堰壅高水位，可具備一定調(diào)節(jié)水量功能，同時(shí)設(shè)置沖沙閘和進(jìn)水閘，以解決洪水期淤堵和枯水期引水量不足問題[1]。

2.2 取水口布置

取水工程為閘堰結(jié)合的攔河閘，主要由溢流堰、沖沙閘和進(jìn)水閘組成。根據(jù)閘址區(qū)地形、地質(zhì)條件、河道主流、下游管線線路等，溢流堰垂直河道布置，沖沙閘布置在溢流堰左側(cè)，進(jìn)水閘布置在河道左岸階地上。攔河閘全長(zhǎng)125 m，其中溢流堰凈寬29.5 m；泄洪沖沙閘1 孔，凈寬5.0 m；左岸進(jìn)水閘1 孔，凈寬1.5 m。進(jìn)水閘后接134 m 長(zhǎng)，寬5.0 m 的沉沙池。

溢流堰主要功能為壅高水位，儲(chǔ)存一定的水量，使得枯水期也可正常引水，堰型采用梯形實(shí)用堰，堰頂高程850 m。

沖沙閘主要是在汛期泄洪沖沙，在豐水期啟動(dòng)沖沙閘，河道淤積可通過沖沙底孔順勢(shì)流入下游河道，不會(huì)淤堵進(jìn)水口，沖沙閘底高程與原河床一致取840.5 m。枯水季則關(guān)閉沖沙閘，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閘開啟度引水，考慮泥沙淤積及引水要求，進(jìn)水閘閘底高程高于沖沙閘底高程，低于堰頂高程，取為842.50 m。

取水口平面布置示意圖如圖1 所示。

圖1 取水口平面布置示意圖

2.3 運(yùn)行調(diào)度要點(diǎn)

本工程運(yùn)行方式：在枯水期，沖沙閘關(guān)閉，進(jìn)水閘部分開啟，引水進(jìn)入沉沙池，通過暗渠引中層以上清水向下游供水，多余的水量通過沉沙池溢流管進(jìn)入原河道；在豐水期沖沙閘全開，采用沖沙底孔沖沙，進(jìn)水閘控制開啟度引水。本工程攔河閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，最大洪峰流量45.1 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位851.01 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，最大洪峰流量60.6 m3/s，校核洪水位為851.23 m。

3 取水工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水閘作為水利工程中常見的泄水建筑物，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重泄流能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算。

3.1 攔河閘水力計(jì)算

攔河閘實(shí)際運(yùn)行工況有擋水工況和泄水工況，其中泄水工況又分為設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況[2]，考慮四種不利工況進(jìn)行泄流能力計(jì)算：工況一：設(shè)計(jì)洪水（45.1 m3/s）時(shí)，沖沙閘獨(dú)立承擔(dān)泄洪任務(wù)。工況二：設(shè)計(jì)洪水（45.1 m3/s）時(shí)，溢流堰獨(dú)立承擔(dān)泄洪任務(wù)。工況三：校核洪水（60.6 m3/s）時(shí)，沖沙閘獨(dú)立承擔(dān)泄洪任務(wù)。工況四：校核洪水（60.6 m3/s）時(shí)，溢流堰獨(dú)立承擔(dān)泄洪任務(wù)。

其中沖沙閘過流能力用閘孔出流公式計(jì)算：

式中：e——閘門開啟度，3.0 m；

b——每孔凈寬，5.0 m；

n——閘孔孔數(shù)，1 孔；

H0——包括行進(jìn)流速水頭的閘前水頭，H0=H+

ε——垂直收縮系數(shù)，取0.63；

μ——流量系數(shù)，取0.63；

σs——淹沒系數(shù)，自由出流取σs=1.0；

Q——設(shè)計(jì)泄洪流量，m3/s。

溢流堰過流能力用實(shí)用堰過流能力計(jì)算：

式中：b——每孔凈寬，29.5 m；

n——閘孔孔數(shù)，1 孔；

m——自由溢流的流量系數(shù)；

σc——側(cè)收縮系數(shù)，取1.0。

其余同上。

攔河閘過設(shè)計(jì)洪水時(shí)，水位取大值，計(jì)算得設(shè)計(jì)洪水位851.01 m，校核洪水位851.23 m，水力計(jì)算結(jié)果見表1 所示。

表1 水力計(jì)算結(jié)果表

3.2 溢流堰穩(wěn)定計(jì)算

取水工程結(jié)構(gòu)形式主要有溢流堰和沖沙閘，從結(jié)構(gòu)上和過水情況上分析，本次穩(wěn)定計(jì)算選取溢流堰進(jìn)行分析。

3.2.1 荷載分析

通過對(duì)溢流堰的受力分析，取壩體寬度方向1 m計(jì)算，繪制計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 溢流堰計(jì)算簡(jiǎn)圖

溢流堰主要受到的力分為水平向和豎直向力，其中豎直向力由壩體自重、底部的滲透壓力，水平力有水壓力、水平滲透力[3]，荷載計(jì)算詳見表2。

表2 溢流堰荷載計(jì)算成果表

3.2.1 地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)溢流堰布置及受力情況對(duì)稱，地基應(yīng)力采用式（3）計(jì)算：

式中：Pmax/min——溢流堰基底應(yīng)力的最大值或最小值；

ΣG——作用在溢流堰上的全部豎向荷載（包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi)），kN；

ΣM——作用在溢流堰上的全部豎向和水平向荷載對(duì)基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

A——溢流堰基底面的面積，m2；

W——溢流堰基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

式中：η——地基應(yīng)力不均勻數(shù)。

經(jīng)計(jì)算Pmax=157.62（kN/m2），Pmin=79.31（kN/m2），閘底地基分兩層：第一層為砂礫石，第二層為基巖，溢流堰坐落在砂礫石層上，砂礫石承載力值為300 kPa，所以基礎(chǔ)滿足承載要求。地基不均勻系數(shù)η=1.99 小于2.0，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，溢流堰抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式如式（5）：式中：Kc——沿溢流堰基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——溢流堰與地基的摩擦系數(shù)；

ΣP——作用在溢流堰上的全部水平荷載，kN；

經(jīng)計(jì)算Kc=3.20≥1.2，滿足規(guī)范要求。

4 取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攔河閘由左岸鋼筋混凝土重力式擋水墻段長(zhǎng)43.5 m（樁號(hào)0+000～0+043.5）、進(jìn)水閘段長(zhǎng)3.5 m（樁號(hào)0+043.5～0+047.0）、泄洪沖沙閘段長(zhǎng)8 m（樁號(hào)0+047.0～0+055.0）、溢流壩段長(zhǎng)32 m（樁號(hào)0+055.0～0+087.0）和右岸鋼筋混凝土重力式擋水墻段長(zhǎng)38 m（樁號(hào)0+087.0～0+125）組成，總長(zhǎng)度125 m，具體設(shè)計(jì)如下：

1）溢流堰

溢流堰為主要擋水結(jié)構(gòu)，垂直水流方向布置，堰型采用梯形實(shí)用堰，主體采用C25 現(xiàn)澆混凝土，考慮到?jīng)_刷磨損，表層30 cm 采用C30 鋼筋混凝土。每8 m設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫采用SBS 填縫，采用聚氨酯和D 型銅片止水。

溢流堰基礎(chǔ)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15 m，為增強(qiáng)抗滑穩(wěn)定性，上游設(shè)3 m 寬、1.4 m 深的混凝土齒墻，下游設(shè)4.5 m寬、1.4 m 深的混凝土齒墻，均深入砂礫石層。

2）沖沙閘

沖沙閘主要為滿足河道泄洪沖沙要求，垂直河道布置，采用豎井式進(jìn)口接消力池形式，自下而上依次由閘室、豎井和啟閉機(jī)室三部分組成[4]。

沖沙閘閘室段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18.5 m，進(jìn)口設(shè)置平板檢修閘門，其后設(shè)置弧形閘門[5]。豎井按鋼閘門結(jié)構(gòu)要求分兩孔布置，啟閉機(jī)室排架位于豎井上，均采用C25鋼筋混凝土澆筑。

3）進(jìn)水閘

進(jìn)水閘主要引水進(jìn)入下游，緊接沖沙閘布置在河道左岸階地上，軸線與水流方向成45°夾角布置，引水流量為0.28 m3/s，閘底高程高于沖沙閘底高程，低于堰頂高程，主要由豎井式進(jìn)口和矩形暗渠組成。

豎井式進(jìn)口段自下而上依次由閘室、豎井和啟閉機(jī)室三部分組成，閘室與豎井為整體現(xiàn)澆，豎井內(nèi)設(shè)1 扇工作閘，閘門采用弧形閘門，閘門孔口尺寸均為1.5 m（寬）×2.0 m（高）。豎井按弧形閘門結(jié)構(gòu)要求單孔布置，啟閉機(jī)室排架位于豎井上，均采用C25 鋼筋混凝土澆筑。

4）左右岸擋水墻段

左、右岸擋水墻段均為鋼筋混凝土重力式擋土墻，頂高程851.70 m，頂寬0.5 m，上游面鉛直，下游邊坡1∶0.5，設(shè)前后趾，趾寬0.5 m、高0.5 m。為滿足交通及穩(wěn)定要求墻后設(shè)5 m 寬交通道路，下游邊坡1∶2。

5 結(jié)論

本文結(jié)合托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程實(shí)例，根據(jù)地形和地質(zhì)條件及樞紐的作用，取水工程攔河閘采用閘堰結(jié)合的形式，枯水期可通過溢流堰壅高水位，由進(jìn)水閘引水入沉沙池，通過暗渠引中層以上清水向下游供水，多余的水量通過沉沙池溢流管進(jìn)入原河道，汛期可采用沖沙閘泄洪沖沙，解決洪水期淤堵和枯水期引水量不足問題，并依據(jù)規(guī)范對(duì)閘堰進(jìn)行了詳細(xì)的水力計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均滿足規(guī)范要求，對(duì)類似工程具有參考及實(shí)踐的意義。