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        阿拉溝渠首工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

        2024-02-26 02:49:10張藝媛
        東北水利水電 2024年2期
        關(guān)鍵詞:工程設(shè)計(jì)

        張藝媛

        (吐魯番市清源水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,新疆 吐魯番 838000)

        1 項(xiàng)目概況

        阿拉溝河發(fā)源于天格爾山山脊處的冰川區(qū),流域上游為高山區(qū),流域最高海拔4 km 以上。河流自西向東先后與支流夏爾格溝、艾維爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝和白楊河匯合,尾閭為位于吐魯番市境內(nèi)的艾丁湖。阿拉溝出山口處設(shè)有阿拉溝水文站,測(cè)站以上集水面積1 861 km2,多年平均徑流量為1.34 億m3,出山口以下河段位于堆積平原,河段為基本對(duì)稱U 型河谷,土壤以栗鈣土-棕鈣土為主,植被稀疏。

        阿拉溝渠首位于托克遜縣西部約60 km 阿拉溝河出山口處,始建于1962 年,為中型工程,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,設(shè)計(jì)引水流量為11 m3/s。

        工程建設(shè)運(yùn)行60 余年來(lái),對(duì)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起到了重要作用。受建設(shè)期條件限制,且工程長(zhǎng)期帶病運(yùn)行,經(jīng)托克遜縣水利局委托鑒定,阿拉溝渠首工程存在過(guò)洪能力和引水能力不足,泄洪沖沙閘混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,泄洪沖沙閘下游防沖消能不滿足規(guī)范要求,渠首淤積嚴(yán)重、泄洪沖沙閘和進(jìn)水閘閘室底板及閘墩混凝土磨損剝蝕嚴(yán)重等問(wèn)題,鑒定結(jié)果為四類(lèi)閘。

        2 氣象水文

        托克遜縣位于歐亞大陸腹地,北、西、南有高山屏障,地勢(shì)低洼,為典型的溫帶大陸性干旱氣候,酷熱、干燥、多大風(fēng)、降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,氣溫年際變化不大,而日差較大。多年平均降水量為8.2 mm,6—8 月降水量為5.1 mm,多年平均蒸發(fā)量為3 014.9 mm,多年平均氣溫為14.5 ℃,最大凍土深0.6 m。

        根據(jù)吐魯番地區(qū)水文水資源勘測(cè)局《新疆托克遜縣阿拉溝渠首除險(xiǎn)加固工程水文分析計(jì)算》報(bào)告成果,計(jì)算設(shè)計(jì)工況下阿拉溝渠首不同保證率設(shè)計(jì)年徑流量,成果如表1 所示[1]。

        表1 阿拉溝引水渠首工況下設(shè)計(jì)年徑流量成果表

        阿拉溝渠首設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,設(shè)計(jì)洪水的推演需要側(cè)重考慮阿拉溝水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)節(jié)影響,水庫(kù)僅調(diào)節(jié)遭遇30 年一遇以上規(guī)模洪水,因此,此次只需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為1.0%,2.0%,3.3%的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算,其余設(shè)計(jì)洪水與天然狀況下的設(shè)計(jì)洪水相同。不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表2[2]。

        表2 阿拉溝渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果對(duì)比表

        3 工程規(guī)模與總體設(shè)計(jì)

        3.1 工程規(guī)模

        工程主要任務(wù)是保證渠首正常引水,提高灌區(qū)9 200 hm2耕地的灌溉保證率;提高渠首的防洪標(biāo)準(zhǔn)至設(shè)計(jì)洪水20 年一遇、校核洪水50 年一遇。除險(xiǎn)加固工程采用拆除重建形式,主要建筑物由泄洪閘、沖砂閘、溢流堰、引水閘、上下游導(dǎo)流堤組成。工程規(guī)模為中型,工程為Ⅲ等,主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。

        3.2 工程總體布置

        阿拉溝渠首除險(xiǎn)加固選擇臨近原閘址上游約400 m 處修建,上下游河寬穩(wěn)定寬闊,河道平順,水流情況好,采用閘堰結(jié)合方案,樞紐從左岸至右岸依次布置引水閘、沖砂閘、溢流堰、泄洪沖砂閘、溢流堰,其中,引水閘軸線與泄洪沖砂閘軸線夾角為90°,引水角為90°,泄洪沖砂閘軸線和溢流堰軸線均與河道中心線垂直布置。

        上下游導(dǎo)流堤總長(zhǎng)度為535.80 m,其中上游左岸建導(dǎo)流堤173.30 m,右岸新建導(dǎo)流堤193.80 m;下游左岸新建導(dǎo)流堤100.50 m,右岸新建導(dǎo)流堤68.20 m。導(dǎo)流堤采用梯形斷面,迎水面坡比為1∶1.75,背水面坡比為1∶1.5,堤頂寬4.00 m,堤身高3.50 m,基礎(chǔ)埋深2.00~4.00 m。堤身采用砂礫石填筑,相對(duì)密度Dr≥0.75;迎水面采用混凝土面板襯砌,地面以上襯砌厚度為0.15 m,地面以下襯砌厚度為0.20 m,面板順?biāo)鞣较蛎?.00 m、垂直水流方向每5.00 m 設(shè)伸縮縫[3]。

        新建引水閘為1 孔,凈寬5.00 m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用C25 二級(jí)配混凝土澆筑,抗凍等級(jí)為F200,防滲等級(jí)為W6。引水閘進(jìn)口底板高程為813.50 m,閘墩頂高程為816.70 m,閘室邊墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),寬1.00 m,閘室總寬7.00 m、全長(zhǎng)10.00 m,設(shè)置1道平面工作閘門(mén)、一道平面檢修閘門(mén)。

        新建泄洪沖砂閘為3 孔,凈寬5.00 m,由上游防滲鋪蓋、閘室段、斜坡護(hù)坦段組成,布置在引水閘右側(cè),軸線與河床軸線平行,與引水閘軸線夾角為90°。閘室段全長(zhǎng)12.00 m、總寬19.40 m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),邊墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),邊墩頂寬1.00 m、中墩寬1.20 m。閘底板高程為812.30 m,閘墩頂高程為816.70 m,3 孔工作閘門(mén)均采用弧形閘門(mén),設(shè)置1 道移動(dòng)平面檢修鋼閘門(mén)。閘室后接消力池,采用陡坡連接,坡度為1∶6,消力池長(zhǎng)16.80 m,陡坡與消力池底板邊墻均采用漿砌石結(jié)構(gòu),消力池后接長(zhǎng)20.00 m 的鉛絲石籠。

        溢流堰靠泄洪沖砂閘兩側(cè)布置,共2段,單段凈寬31.50 m,采用WES 堰,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),溢流堰垂直水流方向?qū)挾?3.00 m,堰頂高程815.10 m,溢流堰垂直水流方向每隔10.00 m 設(shè)置沉降縫,采用橡皮止水。上游鋪蓋位于引水閘、泄洪沖砂閘、溢流堰上游測(cè),順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為20.00 m,底板為0.50 m 厚混凝土結(jié)構(gòu),呈10.00 m×10.00 m 分縫布置,采用橡皮止水。

        3.3 過(guò)流能力計(jì)算

        引水閘正常引水時(shí),泄洪沖砂閘關(guān)閉,引水閘凈寬5.00 m,加大引水流量為13.75 m3/s;為保證沖砂及閘底板同上游河道合理銜接,考慮到運(yùn)行期沖砂功能,泄洪沖砂閘閘底板高程為812.30 m;泄洪時(shí)溢流堰與泄洪沖砂閘聯(lián)合運(yùn)行。引水閘、泄洪沖砂閘和溢流堰過(guò)流能力計(jì)算公式[4]:

        式中:Q為過(guò)閘流量,m3/s;B0為閘孔總凈寬(堰寬),m;δs為堰流淹沒(méi)系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);m為流量系數(shù);H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的水深,m;g為重力加速度,9.81 m/s2。引水閘、泄洪沖砂閘過(guò)流能力計(jì)算成果如表3 所示。

        表3 引水閘泄洪沖砂閘及溢流堰過(guò)流能力計(jì)算成果表

        3.4 閘頂高程計(jì)算

        該工程為Ⅲ等中型工程,閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定,水閘擋水時(shí),閘頂高程應(yīng)不低于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)、波浪高度及相應(yīng)安全超高值之和,該工程安全超高下限值正常蓄水位下為0.40 m、最高檔水位下為0.30 m;泄水時(shí),閘頂高程應(yīng)不低于設(shè)計(jì)洪水位(或校核洪水位)及相應(yīng)安全超高值之和,該工程安全超高值設(shè)計(jì)洪水位下為0.70 m、校核洪水位下為0.50 m;工程閘頂交通橋梁底高程高出最高洪水位0.50 m。

        波浪平均波高h(yuǎn)m(m)、平均波周期Tm(m)采用下式計(jì)算:

        式中:W為計(jì)算風(fēng)速,m/s;Hm為水域平均水深,m;v0為計(jì)算風(fēng)速,設(shè)計(jì)洪水位取多年平均最大風(fēng)速的2 倍,校核洪水位取多年平均最大風(fēng)速,m/s;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m;H為堰上水深,m;Lm為平均波長(zhǎng),m。泄洪沖沙閘閘頂超高及閘頂高程計(jì)算結(jié)果如表4 所示,綜合各工況計(jì)算成果確定泄洪閘閘頂高程為816.70 m。

        表4 泄洪沖砂閘閘頂超高及閘頂高程計(jì)算成果表

        3.5 消能防沖設(shè)計(jì)

        以迭代法計(jì)算收縮水深和共軛水深,判定該工程泄洪沖沙閘、溢流堰下發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍,根據(jù)有關(guān)規(guī)范選取挖深式等寬消力池,消力池各特征值按下式計(jì)算:

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

        進(jìn)水閘消力池底板厚度t(m)按下式計(jì)算。

        根據(jù)抗沖要求:

        根據(jù)抗浮要求:

        式中:k1為消力池底板計(jì)算系數(shù);k2為消力池底板安全系數(shù);△H為閘孔泄流時(shí)上下游水位差,m;U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力,kPa;W為作用在消力池表明底面的揚(yáng)壓力,kPa;Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力,kPa;γb為消力池底板的飽和重度,kN/m3。

        海漫長(zhǎng)度Lp(m)按下式計(jì)算。

        式中:KS為海漫計(jì)算系數(shù);q為海漫末端單寬流量,m3/s。

        經(jīng)計(jì)算可知,泄洪沖沙閘消力池計(jì)算深度為1.18 m,設(shè)計(jì)值取1.20 m;消力池水平段計(jì)算長(zhǎng)度為14.67~16.77 m,設(shè)計(jì)值取16.80 m;陡坡段坡度為1∶6;陡坡段水平長(zhǎng)度與溢流堰陡坡段銜接長(zhǎng)度為13.20 m,故消力池總長(zhǎng)度取30.00 m;消力池底板厚度取抗沖和抗浮計(jì)算值較大者,由抗沖計(jì)算結(jié)果控制為0.68 m,設(shè)計(jì)值取0.80 m;消力池下海漫長(zhǎng)度計(jì)算值為18.84 m,設(shè)計(jì)值取20.00 m。溢流堰消力池計(jì)算深度為0.69 m,設(shè)計(jì)值取0.8 m;消力池水平段計(jì)算長(zhǎng)度為11.83~13.52 m,設(shè)計(jì)值取14.00 m;陡坡段坡度為1∶6;消力池底板厚度取抗沖和抗浮計(jì)算值較大者,由抗沖計(jì)算結(jié)果控制為0.32 m,設(shè)計(jì)值取0.50 m;消力池下海漫長(zhǎng)度計(jì)算值為13.42 m,設(shè)計(jì)值取15.00 m。

        4 結(jié)語(yǔ)

        阿拉溝渠首是托克遜縣重要引水樞紐,始建于20 世紀(jì)60 年代,受建設(shè)時(shí)條件限制和多年運(yùn)行影響,渠首工程存在防洪能力不足、主要建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等嚴(yán)重隱患。針對(duì)上述情況,此次研究通過(guò)對(duì)過(guò)流能力、消能防沖、閘頂高程等的水力計(jì)算,確定了阿拉溝渠首工程的除險(xiǎn)加固方案。該方案的實(shí)施使區(qū)域居民供水能力得到了進(jìn)一步提高和完善,有效保障了區(qū)域防洪安全。

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