托克逊县胜利渠渠首除险加固工程初步设计研究

周 蕾

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番，838000)

1 工程概况

托克逊县位于吐鲁番盆地西端，总面积17342km2。白杨河发源于博格达山南坡，由北向南经峡口、后沟，穿越天山支脉流入托克逊县境内，向东注入艾丁湖。胜利引水渠渠首工程位于托克逊县白杨河上、红山出山口、红山桥下游300m处，集水面积2778km2，是白杨河上的第三座渠首，其主要功能是引白杨河水为托克逊县郭勒布依乡和夏乡灌区供水，控制灌溉面积0.7907万hm2。

胜利引水渠渠首工程主要建筑物包括导流堤、泄洪冲砂闸、引水闸和溢流堰等，于1970年建成投入使用。1996年因发生特大洪水，泄洪冲砂闸、引水闸和部分溢流堰被冲毁，1997年8月完成除险加固。

2 气象水文

2.1 气象

托克逊县地处欧亚大陆腹地，北、西、南有高山屏障，地势低洼，冷湿空气不易进入，为典型的温带大陆性干旱气候。春季气温回升快，风沙危害严重；夏季较长，高温酷热；秋季降温迅速，天气多晴好；冬季短暂干冷，风小雪稀。多年平均降水量为8.2mm，平均蒸发量为3014.9mm，平均气温为14.5℃，最大冻土深度为0.60m。托克逊县风灾严重，多年平均最大风速>40m/s，常为NW风，8级以上大风年平均达108d。

2.2 水文

胜利渠渠首设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准50年一遇。以白杨河峡口站为参证站，推算不同保证率下渠首工程坝址处设计年径流量成果如表1所示，利用洪水沿程变率计算工程断面处渠首设计洪峰流量成果如表2所示。

表1 胜利渠渠首设计年径流频率计算成果

表2 胜利渠渠首设计洪峰流量计算成果

3 工程布置与设计

3.1 工程病险现状

工程建于1970年，受历史条件所限施工条件和质量较差，且已运行近50年，工程老化严重，长年来一直带病运行。工程存在的问题主要有：枢纽过洪能力和引水能力不足，引水闸、泄洪冲砂闸混凝土结构强度不满足要求，泄洪冲砂闸和溢流堰下游防冲消能不满足规范要求，枢纽淤积严重，引水闸和泄洪冲砂闸闸门及启闭设施锈蚀、老化失修等。

3.2 工程建设任务与规模

工程建设主要任务为提高渠首的泄洪标准，提高灌区的灌溉保证率，减少泥沙入渠的同时提升渠首运行管理环境，保护周边生态。主要建设内容包括拆除重建引水闸1孔、泄洪冲砂闸3孔、溢流堰1座，修复导流堤损毁严重部分，新建闸房、管理房等。

工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等；主要、次要、临时建筑物级别分别为3级、4级、5级。设计洪水标准为20年一遇(P=5%)，相应设计流量为313m3/s；校核洪水标准为50年一遇(P=2%)，相应校核流量为467m3/s。设计引水规模维持现状控制灌溉面积0.7907万hm2不变，设计引水流量为8m3/s，加大流量为10m3/s。

3.3 方案比选

3.3.1闸址选择

根据河道来水情况和地形地质条件，本次水闸除险加固可选用的闸址有两个方案，方案一原闸址位置拆除重建和方案二原址上游110m位置新建，经比较选定方案一。其比选如表3所示。

表3 闸址比选

3.3.2工程方案比选

在拆除原有右岸引水闸、泄洪冲砂闸、宽顶堰和上下游导流堤，新建引水闸、泄洪冲砂闸及上下游导流堤的基础上，工程布置有两个方案，方案一为泄洪闸+WES堰形式，方案二为全拦河闸形式。其比选如表4所示。

表4 工程方案比选

比较可知，方案一泥沙易淤积在堰前，但通过及时清淤及通过泄洪冲砂闸及时冲沙，能很好地改善现状堰前淤积问题，工程适应突发性洪水较强，管理方便，运行安全可靠；方案二闸前不易淤积，但适应突发性洪水较弱，闸孔数较多，管理复杂，对管理水平要求较高，且工程量和投资较大。因此选定方案一。

3.4 过流能力核算

引水闸正常引水时，泄洪冲沙闸关闭。引水闸总净宽为5.0m，设计引水流量为8.0m3/s，加大流量为10.0m3/s，计算公式如下：

式中：Q为过水流量(m3/s)；m为流量系数，取0.385；g为重力常数；Ho为计入流速水头的水深(m)；σ为堰流淹没系数；ε为侧收缩系数。经计算，得到引水闸、泄洪冲沙闸、溢流堰过流能力。计算结果如表5所示。

表5 引水闸、泄洪冲沙闸、溢流堰过流能力计算结果

当上游水深为1.2m时，引水闸过流能力为10.0m3/s，满足加大流量过水要求。确定引水闸闸底板高程为218.0m，泄洪冲砂闸闸底板高程为217.0m，溢流堰堰顶高程为218.0m，溢流堰与泄洪冲砂闸共同泄洪。经计算，在设计洪水位219.85m时，泄洪冲沙闸与溢流堰共同下泄流量为313m3/s；在校核洪水位220.20m时，共同下泄流量为467m3/s，满足设计要求。

3.5 消能防冲设施设计

为满足下游引水及泄洪要求，胜利渠渠首水闸布置为闸堰结合型，泄洪冲砂闸、溢流堰和引水闸均需进行消能防冲设计。

3.5.1 斜坡护坦式消能设计

根据水文结论，河道中泥沙含量较大，常规消能方式如消力池和消能坎易产生淤积，导致消能设施失效。根据新疆当地多泥沙河流的消能经验，本次泄洪冲砂闸和溢流堰采用斜坡护坦式消能，斜坡长度为10.0m，坡度为1∶10。

泄洪冲沙闸与溢流堰上游护底首端的河床冲刷深度按下式计算：

经计算，设计洪水情况下泄洪冲砂闸、溢流堰首端冲坑深度分别为1.86m、0.66m；校核洪水情况下泄洪冲砂闸、溢流堰首端冲坑深度分别为1.99m、0.92m。结合当地渠首多年运行经验，将下游防冲墙基础向下埋深3.0m。

护坦末端的河床冲刷深度按照式计算：

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(m2/s)。

经计算，设计洪水情况下泄洪冲砂闸、溢流堰下游冲刷坑深度分别为3.62m、1.42m；校核洪水情况下泄洪冲砂闸、溢流堰下游冲刷坑深度分别为3.94m、1.83m。根据当地渠首多年运行经验，护坦末端防冲齿墙深度确定为5.5m。

3.5.2 消力池设计

引水闸消能采用挖深式等宽消力池，采用以下公式计算：

出池长度、消力池长度按下式计算：

式中：hc为收缩水深(m)；β为水跃长度校正系数。

消力池底板厚度按抗冲、抗浮要求：

式中：△H′为闸孔泄水时上、下游水位差；k1、k2分别为消力池底板计算系数、安全系数；U为作用在消力池底板底面的扬压力(kPa)；W为作用在消力池底板顶面的水重(kPa)，Pm为作用在消力池底板上的脉动压力(kPa)；γb为消力池底板的饱和重度(kN/m3)。

海漫长度按下式计算：

式中：Lp为海漫长度(m)；qs为消力池末端单宽流量(m2/s)。

计算可得，引水闸消力池深度取0.5m，水平段取6.0m，陡坡段坡度为1∶4，陡坡段水平长度为4.0m，故消力池总长为10.0m。底板厚度由抗冲计算结果控制取0.8m，海漫长度取10.0m。

4 结语

托克逊县胜利渠渠首工程自建成以来经过多年运行，工程老化严重，存在枢纽过洪能力和引水能力不足，防冲消能不满足要求，枢纽淤积严重等问题。通过对渠首工程进行安全鉴定，根据相关规范，对闸址方案和闸堰结合、全河闸两种布置方案进行比选，对泄洪冲砂闸和溢流堰下游进行斜坡护坦式消能设计，对引水闸下游进行消力池设计，得到了较为全面的渠首除险加固工程方案。经过一段时间的运行，验证了该工程方案是合理的。