水闸除险加固设计探析——以塔里木引水枢纽除险加固为例

张敬军

（新疆兵团第一师水利工程建设管理处 阿拉尔市 843300）

塔里木灌区经过几十年的艰苦创业,现已建立起以“一闸、二渠、三库”为骨干，引、输、蓄、灌、排工程基本配套的水利工程网络。“一闸”：即塔里木拦河引水枢纽工程；“二渠”：即塔南、塔北总干渠（均含一干渠）；“三库”：塔南灌区有上游、胜利两座水库，塔北灌区有多浪水库。三库均属灌注式平原水库，总库容4.08亿m3。

1 塔里木引水枢纽工程建设的必要性

（1）当前引水枢纽存在的问题已威胁工程的安全运行。

（2）引水枢纽除险加固工程是灌区经济发展的重要保障，是工业、农业生产的生命线。

（3）引水枢纽除险加固工程效益显著。

（4）引水枢纽是阿克苏河流域大石峡水库工程农一师灌区的配套工程之一。

（5）引水枢纽除险加固工程是一项富民工程、民心工程[1]。

2 塔里木引水枢纽现状及存在的主要问题

2.1 工程现状

塔里木引水枢纽建成于1972年6月，位于阿克苏河中下游，是农一师塔里木灌区的引水枢纽，担负着塔里木灌区14.65万hm2（219.82万亩）的灌溉任务，与此同时还担负着阿克苏市部分企事业单位和阿拉尔市及周边团场生活用水和工业用水，是塔里木灌区工农业生产的命脉。引水枢纽属于“三边工程”，受当时人力、物力、财力、施工条件、设备简陋等条件的限制，设计和建设标准偏低，经过近40年的运行，混凝土碳化、老化、裂缝、部分混凝土脱落及淤积等问题普遍存在。

2.2 存在的主要问题

（1）引水枢纽泄洪能力不足。

（2）上、下游河道淤积。

（3）泄洪闸混凝土老化、破损严重。

（4）泄洪闸闸门安全超高不足，海漫破损严重。

（5）泄洪闸上、下导流堤冲刷严重、安全超高不足。

（6）南北岸引水渠淤积，导致闸前灌溉水位抬高。

（7）南北岸进水闸混凝土老化，上部结构破损严重。

（8）南北岸进水闸闸室较短、闸孔单孔净宽偏小。

（9）引水枢纽无融冰设施，冬季运行难度大。

（10）闸后交通桥存在安全隐患。

（11）引水枢纽管理设施简陋，观测设备不完备[2]。

3 塔里木引水枢纽除险加固任务及总体的布置设计

3.1 工程任务

通过本次除险加固工程的实施，旨在提高引水枢纽自动调控能力和管理水平，保证灌区的引水，为塔里木灌区的经济发展提供保障，确保引水枢纽的安全运行[3]。

3.2 工程总体布置设计

3.2.1 泄洪闸的布置

将泄洪闸闸室向上游延伸，闸室上部设闸房、人行桥、检修桥，原泄洪闸加高后作为交通桥桥墩，改建交通桥。

（1）闸室：泄洪闸闸室向上游延伸，综合考虑引水枢纽的平面布置，结合闸室布置的需要，闸室长度确定为5.0 m，底板高程为1 040.90 m，墩顶高程为1 046.40 m，单孔净宽为6.0 m，共32孔，与原闸室完全一致。闸室增设检修闸门、门槽融冰设施、上部设置闸房，泄洪闸交通桥布置在原闸室位置，将原闸室上部结构拆除，保留并加高闸墩作为改建后交通桥桥墩，桥面净宽为4.64 m。

（2）闸前铺盖：闸前铺盖布置型式与方案一一致，不同的是铺盖的长度及为了提高南北岸进水闸的引水防砂能力，将泄洪闸紧临南北干渠进水闸侧的3孔闸兼作冲砂闸，在闸前设置导砂坎束水冲砂，冲砂槽前设高压旋喷墙，型式与铺盖前一致。

（3）闸后消能防冲：基本同方案一，根据消能防冲计算成果，消力池长度不满足设计要求，消力池长度需向下游延伸，消力池末端设置消力墩，混凝土软排后增加格宾填充块石护砌段，长度为20 m，格宾后接抛块石段，长度为15 m。

（4）金属结构：原泄洪闸闸门及启闭机全部进行更换，采用平面钢闸门，共32扇，采用双吊点卷扬式启闭机，检修闸门1扇，采用手动吊葫芦启闭。

3.2.2 南北岸进水闸的布置

保持原有闸室总宽度，在原闸后重建闸室，拆除原有中墩，保留边墩，作为新建闸室闸前连接段。

（1）闸室：在原进水闸后重建闸室，利用原消力池的基础作为闸室基础，保持原有闸室总宽度不变，通过减少中墩个数扩大单孔净宽，单孔净宽为5.7m，共4孔，根据检修闸门、工作闸门、上部闸房、闸后交通桥等布置的要求，确定重建闸室长度为10.1 m，上部设置闸房，闸后带净宽4.5 m的交通桥。将原闸室中墩拆除，边墩保留加高后作为重建闸室闸前连接段。

（2）消能防冲设施：闸后海漫段及包砂浆条梢捆连接段全部拆除，原海漫段末端的板桩保留，闸后新建消力池采用现浇C20混凝土扭面结构型式，底板设置滤水孔。海漫段总长度为25.6 m，分两段，前段长度为10.6 m，采用扭面结构型式，末端设置高压旋喷墙，深度为6.0 m；下段长度15.0 m，采用格宾护垫填充块石护砌，海漫段后采用格宾填充块石护砌段与下游渠道连接[4]。

（3）金属结构：平面钢闸门需全部更换，采用平面钢闸门，共8扇（南北岸进水闸各4扇），启闭机采用双吊点螺杆式启闭机。南北岸进水闸各增设检修闸门1套，分上、下两部分，布置完全一样，启闭机采用手动吊葫芦，工作门槽增设融冰系统。

3.2.3 推荐方案模型试验成果结论

采用调查点位土壤样品数据，借助反距离权重插值（IDW）法进行空间插值，并对插值结果进行土壤Cd风险等级评价，结果显示珠三角地区土壤Cd有风险区域集中分布在北江流域两岸，包括肇庆东南部、佛山中北部、中山市、广州市南端及珠海市东北部（图4）。

（1） 泄洪闸两孔（16#、17#）过流时，由于下游水位相对较低，流量系数相对较大，特征水位下综合流量系数为（0.371～0.378）。

（2） 泄洪闸六孔过流时（1#～3#、30#～32#开），特征水位下综合流量系数为（0.346～0.352）。

（3）泄洪闸32孔全开时，特征水位下综合流量系数为0.250～0.337。试验量测校核洪水时试验值较设计值小19.7%，泄洪闸下泄3 175 m3/s流量时，较设计校核洪水位高0.4 m。

（4） 闸前水位1044m，泄洪闸1#、32#两孔过流，1#、32#孔边壁侧向进流，两闸孔出流经过消力池消能后，在护坦上均产生二次水跃。经过护坦和海漫调整在抛石末端流速由消力池尾坎断面的（3～4）m/s降至（1.8～2.2）m/s。

（5） 泄洪闸 1#～3#、30#～32#6 孔过流以及南北进水闸取水情况下，闸孔墩头绕流范围大于两孔过流。闸下护坦产生波状水跃。

（6）32孔在各级特征洪水时，闸上游南岸300 m处导流土堤岸坡流速达到4 m/s多，导流土堤约80 m范围均遭到水流冲刷，闸上游北岸200 m处导流土堤岸坡流速达到3 m/s，导流土堤遭到水流冲刷，建议对此进行防护。设计与校核特征洪水条件下，闸孔出流淹没度较大，闸下水面波动较为剧烈。

（7）32孔泄洪闸全开，流量分别为2 550 m3/s和3175m3/s时对应闸室上下游最大水位差分别为0.4 m、0.8m。流量为3175m3/s时，由于闸室冲击波影响，闸室内局部最大水面高程接近闸前水位1045.4m。

（9）泄洪闸32孔开启，流量分别为2 550 m3/s，冲刷约20 h后海漫下游冲刷，下游冲坑最深点高程约为1 035.8 m，距海漫末端51 m，最大冲刷深度约为7 m，个别抛石下蛰。

（10）泄洪闸32孔开启，流量分别为3 175 m3/s，冲刷约20 h后海漫下游冲刷，下游冲坑最深点高程约为1 032.58 m，距海漫末端44 m，最大冲刷深度约为9.4 m，个别抛石下蛰。

（11）6孔冲沙闸拉沙试验结果表明，冲沙闸开启后闸前淤积泥沙很快被拉走，约1 h后冲沙闸前冲砂槽内（14～19）m范围的泥沙被拉走，此后拉沙过程比较缓慢，约4 h后冲砂槽内拉沙范围为（16～20）m。

（12）试验量测北进水闸在灌溉水位1044m时，取水闸过流能力为132 m3/s，满足设计要求。南进水闸在灌溉水位1 044 m时北取水闸过流能力为142 m3/s，满足设计要求。

（13）试验结果表明北进水闸受左岸直边壁绕流影响，南进水闸受右岸直边壁绕流影响，闸前及出闸室后各断面流速分布不均匀，经过海漫调整后渠道内流速分布相对均匀。

（14）导沙坎加高后冲砂槽内流速增大，有利于冲砂闸拉沙，但导沙坎加高后南北取水闸泄流能力略有减小。靠近南北取水闸一侧的导沙坎加高至1.2 m，坎顶高程1 042.1 m，其它导沙坎均加高至1.8m，坎顶高程1 042.7 m，南北取水闸泄流能力略有减小，但仍然满足设计要求。

3.2.4 上下游导流堤布置

（1）上、下游导流堤混凝土护坡。上游南北岸各60 m，下游南、北岸各90 m六棱块护岸段，将六棱块护坡全部拆除，按现状边坡1∶1现浇C20混凝土板护坡，加高后堤顶宽为6.0 m，高程为1 046.40m。在坡角连环井柱桩前设置格宾护垫填充块石护砌，护砌宽度为10 m，防止混凝土护坡基础淘刷。在原扭坡结构上加固难度较大，在设计上考虑土堤增高对其应力影响，在堤顶增设1.5 m高C20混凝土重力式挡土墙，距原重力式断面墙顶外边线2.7 m，扭坡末端斜坡断面墙顶外边线1.7 m，堤顶新增挡土墙与原扭坡顶之间采用现浇C20混凝土板连接。

（2）上、下游导流土堤加高。导流土堤加高的范围：上游北岸365 m，南岸697 m，下游北岸250 m，南岸517 m。上游导流土堤加固设计方案：土堤加高后高程为1 046.9 m～1 047.08 m，堤顶宽度为7.0 m，备宽度为5.0 m，高度为2.0 m。下游导流土堤加固设计方案：土堤加高后堤顶高程为1 046.1 m～1 045.84m，堤顶宽度为6.0 m，堤顶覆盖砂砾石。

3.2.5 监测系统的布置

按照塔里木引水枢纽运行管理的需要，规划观测项目、布设观测设施、构建塔里木引水枢纽工程安全监测系统。系统含监测项目和测点布置、自动化系统、应用软件三部分。

[1]古丽巴哈·吾斯曼.水闸除险加固设计问题及质量控制[J].中国水运(下半月)，2017，（01）：161-162.

[2]王飞.关于水闸除险加固工程设计的几个问题[J].建筑知识，2016，（08）：128+131.

[3]白子昕.水库除险加固之水闸设计探究[J].水利技术监督，2014，（02）：50-51.

[4]杨淑娟.某水库除险加固施工中的水闸设计分析[J].科技视界，2013，（32）：377.