新疆玛河流域灌区西调渠节制退水闸水力设计与闸室稳定分析

吴文新

（新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000）

1 新疆玛河流域西调渠概况

2 西调渠节制退水阀设计

新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域位于天山北坡经济开发区核心地带，地处准噶尔盆地南缘，东至塔西河，西至巴音沟河，南至依连哈尔尕山，北至古尔班通古特沙漠。灌区西调渠建于1990 年，1992 年通水运行，起点位于东岸大渠桩号15+781 处，经过玛河过河涵洞后，平行玛河西岸防洪堤布置，末端投入夹河子水库溢洪渠。西调渠工程是灌区引蓄玛河东西岸水量调节平衡的重要水利工程，担负着由东岸大渠向蘑菇湖、大泉沟水库的调水任务，是玛纳斯河水进入石河子灌区的重要通道之一。

西调渠节制退水闸位于跨河渡槽的引水渠桩号0+837.55 处，由节制闸和分水闸组成，节制闸最大过流量35 m3/s，分水闸最大过流量35 m3/s，作为玛河的防洪通道，不仅起着防洪作用，还承担着给玛河灌区分水的任务，因此，该退水闸是玛河灌区重要的水利枢纽工程。西调渠节制退水闸设计流量为35 m3/s，工程级别为Ⅲ级。

2.1 闸孔净宽

根据水闸运行工况，假设上游渠道来水最大流量93.5 m3/s，分别按下列两种最不利工况计算节制闸与分水闸闸孔宽。

（1）引用流量82.5 m3/s，分水闸引用流量11 m3/s。

该工况下节制闸引用流量最大，节制闸所需闸孔宽最大；分水闸引用流量仅11 m3/s，分水闸为半开状态。根据规范，闸孔净宽如下公式确定：

式中：Q 为过闸流量，m3/s；b 为单孔闸净宽，节制闸b=4 m，分水闸b=4.5 m；n 为孔口数，节制闸n=5，分水闸n=2；H0为包括行进流速水头的堰前水头，闸前水深为1.61 m，闸前总水头1.85 m；m 为流量系数，可采用0.385；ε 为侧收缩系数；σ 为堰流淹没系数。

由渠道水力计算知，节制闸下游渠道水深为hs=1.27 m，hs/H=1.27/1.61=0.79＞0.72，判断节制闸后为自由出流，淹没系数查σ=1。将以上各值代入公式，计算结果见表1。

表1 节制闸过流能力计算结果

根据表1 可知，节制闸过加大流量82.5 m3/s 时，所需节制闸孔宽为20 m，因此，确定节制闸闸孔总净宽为20 m。

（2）节制闸引用流量58.5 m3/s，分水闸引用流量35 m3/s。

该工况下分水闸引用流量最大，分水闸所需闸孔净宽最大，根据水力计算确定分水闸孔口宽，并拟定节制闸闸门运行方式。因分水闸下游接陡坡，判断分水闸闸后为自由出流，淹没系数σ=1。

表2 分水闸过流能力计算结果

由表2 计算结果，分水闸引用流量为35 m3/s 时，所需闸孔净宽为9 m。因此，分水闸闸孔总净宽取9 m。

2.2 结构设计

节制闸设计流量75 m3/s，加大流量82.5 m3/s，分水闸设计流量30 m3/s，加大流量35 m3/s。根据渠道水力要素计算（表1 和表2），在设计流量与加大流量下，下游渠道水深分别为1.27 m和2.21 m。同时闸孔净宽计算得出，西调渠节制闸闸孔开启宽度为20 m，因此只需开启4 扇闸门，闸孔总宽度为16 m，可满足过流。为减少闸门由于不对称开启产生折冲水流，该工况下，闸门仅中间的1 扇关闭，两边各开启2 扇闸门。

基于上述计算分析并结合实际需要，西调渠节制闸共设2 孔，单孔净宽3.5 m，闸室高4.0 m，闸室为整体钢筋混凝土结构，闸室长9.0 m，闸底板厚1.0 m，边墩厚0.8 m，中墩厚1.0 m，闸室排架柱高3.5 m，排架柱上设工作平台，平台净宽2.6 m，闸顶上游设4 m 宽人行桥，闸门为平板钢闸门（b×h=3.5 m×3.0 m）。启闭设备配5 t 手电两用螺杆启闭机2 台。为管理方便，在水闸上设置彩钢闸房，面积25 m2。节制闸前扭面长30 m，边墙采用C20 细砾混凝土砌筑的浆砌石扭面，高度从3.5 m 渐变至4 m，闸前现浇混凝土底板厚20 cm；闸后接6 m 长的陡坡，坡比1∶3，边墙高4.9 m，采用混凝土重力式结构，底板采用0.7 m 厚的钢筋混凝土结构。

2.3 闸后消能计算

闸后消能计算根据《水闸设计规范》公式：

首先拟定消力池深度d，求得T0，将T0代入计算，试算收缩水深hc，根据收缩水深求跃后水深hc"，再根据计算的hc" 计算池深d，使假设池深与计算值相等为止。经计算，得到分水闸后消力池深度d=0，因此，不需要修建消力池。

2.4 闸后防冲设计

为减少消力池下游冲刷，计算消力池出口冲刷坑深度。闸基础为圆砾层，为砂性土，冲刷深度计算根据公式：

式中：dm为下游消能设施末端河床冲刷深度，m；qm为下游消能设施末端单宽流量，m3/s；[v0] 为河床土质允许不冲流速，m/s；hm为下游消能设施末端抛石处河床水深，m。

经计算，最大冲刷深度为5.82 m（见表3），取下游防冲墙深度为6.0 m。

表3 闸后海曼末端冲刷深度计算结果

3 闸室稳定性计算

闸室稳定性计算按照施工期（未放水）和设计情况、地震情况下，分别计算闸室基底应力、抗滑稳定及渗流稳定。

3.1 闸室基底应力

根据地质勘探成果，闸基础为卵石混合土，地基允许承载力[η]=400 kPa。根据规范，基底应力最大值与最小值之比的允许值为[η]：基本组合为2.0，特殊组合为2.5。

（1）施工期

基于作用在节制闸上主要荷载，在施工期应计算：

1）偏心距：

2）节制闸底基底应力值：

3）不均匀系数：

式中：σmax、σmin分别为闸室基底应力的最大值及最小值，kPa；ΣG 为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；ΣM 为作用在闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；A 为闸室基底的面积，m2；W 为闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面距，m3。

得出：

计算表明承载力满足规范要求。

（2）运行期

1）偏心距：

2）节制闸底基底应力值：

3）不均匀系数：

同理，得出：

计算表明运行期的承载力仍满足规范要求。

表4 基地应力计算结果参数表 单位：kPa

3.2 闸室抗滑稳定计算

闸室抗滑稳定按如下公式计算：

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f 为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；H 为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。

（1）施工期

节制闸及分水闸∑H≈0，闸室稳定能满足设计要求，不需抗滑稳定验算。

（2）运行期

∑G=7784 kN，∑H=187.5 kN，基础卵石混合土，摩擦系数取0.45，将以上各值代入公式：K=f∑G/∑H=18.68＞[Kc]=1.25，闸室抗滑稳定满足规范要求；同理，地震工况下求得K=18.07，闸室抗滑稳定也满足规范要求。

3.3 闸室渗流稳定计算

地基为砂砾卵石，允许渗径系数C=3。地下轮廓线最小长度为[L]=C×H=3×4=12 m，H 为上、下游水位差。求得地下轮廓线实际长度L=17.35 m。由于L＞[L]=12 m，不会发生渗透变形，满足安全要求。

渗流稳定计算采用改进阻力系数法：

阻力系数的计算：

铺盖垂直段阻力系数：

各段渗压损失：

式中：ε 为阻力系数；T 为土基上水闸的地基有效深度，m；S 为地下轮廓线的垂直投影长度，m。

闸底为低液限粉土，根据《水闸设计规范》[1]可知，水平段允许渗流坡降值[Jx]=0.25，出口段为[J出]=0.5。计算得出Jx=0.07＜[Jx]，J出=0.1＜[Jx]，渗流稳定满足要求，不会发生渗透破坏。

4 结论

结合节制退水闸设计规范及场地实际，本文对新疆玛纳斯河灌区西调渠节制退水闸闸孔净宽、结构设计、闸后消能及防冲进行计算分析，同时分析闸室在施工和运行期的稳定性，结果表明该节制退水闸设计合理，且满足设计规范要求。