孔雀河第一分水枢纽泄洪冲沙闸除险加固探析

西尔艾力·加帕尔

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局， 新疆 巴州 841000)

孔雀河第一分水枢纽1965年建成投产,在促进当地社会经济发展和防汛抗洪方面发挥了重要作用，效益显著。工程运行多年，泄洪闸出现众多问题，急需进行除险加固。

1 工程概况

孔雀河第一分水枢纽位于孔雀河石灰窑水电站尾水末端[1]，枢纽包括：5孔泄洪冲砂闸、西岸(右岸)4孔进水闸及东岸(左岸)2孔的进水闸。泄洪冲砂闸布置在河道中间，泄洪冲砂闸总净宽30 m(5孔×6.0 m)。泄洪冲砂闸为平底开敞式，由上游铺盖段、闸室段、下游消能防冲段组成。枢纽工程设计洪水标准为20 a一遇，相应流量为243 m3/s；校核洪水标准为50 a一遇，相应流量为317 m3/s，左岸库塔干渠进水闸引水流量35 m3/s，右岸十八团渠进水闸引水流量23 m3/s。孔雀河第一分水枢纽主要担负农二师十八团渠灌区、库塔干渠灌区(库尔勒、尉犁县)灌溉引水任务[2]。

2 工程病险问题

经过勘察调查，泄洪冲沙闸主要存在以下问题：

2.1 泄洪能力不足

经过勘察计算，现状建筑物高度不能满足宣泄现设计和校核洪水流量，威胁枢纽运行安全，需加高闸墩。由于本工程地处孔雀河出山口处，汛期洪水将大量的泥沙携运到此，导致了枢纽处上游河段泥沙淤积严重，抬高河床，行洪能力降低[3]，威胁着工程安全。

2.2 泄洪冲沙闸后消能防冲不足

由于洪水淘刷，造成泄洪冲沙闸闸后形成冲刷坑，闸后消能防冲不满足要求，消力池及海漫段冲毁，影响枢纽安全。

2.3 建筑物破损严重

由于冻融加上洪水期泥沙的磨损，造成闸室底板存在冲坑，破坏严重；闸墩存在冻融破坏，浆砌石剥落，并多处存在破坏裂缝。闸墩下部表层浆砌石剥落，并多处存在破坏裂缝，影响浆砌石结构安全；泄洪冲沙闸弧门支承牛腿均存在裂缝、压碎破坏；启闭平台宽度较窄，管理极为不便。同时未设检修闸门，且无法设置启闭设施。

3 枢纽形式及闸址选择

目前新疆已经建成并具成功经验的引水型式有：无坝引水渠首，弯道式引水渠首，底栏栅式引水渠首，拦河闸坝式引水渠首，分层式引水渠首等。

根据孔雀河水文地质条件以及第一分水枢纽的功能，初步比选适合于孔雀河的引水枢纽型式为拦河闸式和橡胶坝式引水渠首。孔雀河从达吾提闸开始经铁门关水库、石灰窑水电站到达孔雀河第一分水枢纽，孔雀河第一分水枢纽接石灰窑水电站尾水末端，由于受到石灰窑水电站调峰影响，枢纽前水位变化频繁，同时孔雀河第一分水枢纽两岸承担着向农二师十八团渠、地方库塔干渠分水的任务，为了达到引水要求，需要反复调节枢纽前的水位，而橡胶坝不能适应这种反复、快速调节水位的要求，而拦河闸基本上不改变上、下游河道的形态既可以雍水又可利用开闸泄洪冲砂，除能排除闸前淤积的泥砂外，并能灵活调节水位和流量，还可借闸门的开启来调节主流的方向，使取水口始终保持良好的引水条件。因此本次除险加固枢纽型式仍和现状一样，采用拦河闸型式，闸址维持不变。

4 泄洪冲沙闸除险加固设计

4.1 闸底板高程确定

孔雀河第一分水枢纽现状拦河闸五孔，闸孔净宽6 m，原设计闸底板高程947.657 m，本次测量高程947.720 m；左岸库塔干渠进水闸2孔，原设计闸底板高程948.351 m，本次测量高程948.350 m；右岸十八团渠闸4孔，原设计闸底板高程948.351 m，本次测量高程949.100 m。河底平均调和948.580 m。

根据本次测量成果结合孔雀河现场查看，再对比原设计图纸，可以看出，经过多年运行，枢纽闸址上下游处有部分淤积。为了保证河道稳定性，本次设计时，拟将闸底板高程抬高0.3 m。初步拟定泄洪闸闸底板高程948.000 m。

4.2 闸孔宽度确定

根据泄洪流量和造床流量下的河宽来确定闸宽，避免过分束窄水流造成阻水现象。闸孔宽度主要涉及过闸单宽流量的大小。闸孔总净宽计算公式，见式(1)：

(1)

式中：B0为闸孔总净宽,m；Q为过闸流量，Q设取243 m3/s,Q校取317 m3/s；σ为堰流淹没系数,取1.0；ε为堰流侧收缩系数，取0.96；m为堰流流量系数,取0.385；g为重力加速度,取9.81 m2/s；H0为计入行近流速水头的堰上水深,m。

根据勘察知：闸址处(0+553)断面、上游河道(0+473.4)处和下游河道(0+644.6)处断面在过设计和校核洪峰流量时水位情况，详见表1。

表1 闸址和下游河道处断面水位～流量关系成果

经计算，闸孔总净宽为30.0 m，初步拟定拦河闸总宽度维持现状不变，即泄洪闸冲沙闸30.0 m(5孔×6.0 m)。

4.3 闸顶高程确定

根据过流能力知：闸前正常水位950.89 m，闸前设计洪水位950.90 m、校核洪水位951.47 m。

波浪计算高h见式(2)：

h=hp+hz

(2)

式中：hp为平均波高,m;换算为累计频率5%的波高(高出波浪中心线的高度)，m；hz为波浪中心线超出计算水深的高度，m。

波浪的平均波高和波长采用莆田试验站公式，见式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：hm为平均波高，m；W为计算风速，m/s；D为风区长度，m；Hm为水域平均水深，m；Tm为平均波周期，s；Lm为平均波长，m；多年最大风速为12 m/s；H为闸前水深，m。

hp应根据工程等级查表换算得出，波列累计频率可有《水闸设计规范》(SL 265—2016)附录E表E.0.1-1查得；再根据平均波高与风区内平均水深的比值hm/Hm，可由规范SL 265—2016表E.0.1-2查出波高与平均波高的比值hp/hm,由规范SL 265—2016表E.0.1-2查得。

波浪中心线超出计算水位的高度hz计算公式，见式(6)：

(6)

按规范SL 265—2016中规定，确定3级建筑物安全超高下限值，经计算闸顶超高及闸顶高程计算结果见表2。

表2 闸顶高程计算成果

由表2知：最不利情况计算的闸墩顶高程为952.32 m。考虑闸前泥沙淤积、留一定安全富裕，最终拟定闸墩顶高程为952.50 m。

4.4 闸室布置

泄洪闸冲沙闸闸室长12 m，闸室结构为整体式钢筋混凝土结构，闸室设检修门槽、工作闸门，上部设交通桥、排架、工作桥及启闭闸房。泄洪冲沙闸闸底板高程948.00 m，闸墩顶高程952.50 m。

(1)底板。采用平底宽顶堰型式，顺水流方向长12 m，底板厚1.0 m，在底板上、下游各设一道深1.2 m齿墙，齿墙底宽1.0 m，底板高程为948.0 m。

(2)闸墩。闸墩净高4.4 m、厚1.2 m、墩顶高程952.5 m。分缝处闸墩净高4.4 m、厚0.8 m、墩顶高程952.5 m。

(3)工作闸门。工作闸门为弧形闸门，闸门宽高尺寸为6.0 m×3.0 m，选用QH2×100 kN-10 m双吊点固定卷扬式启闭机动水启闭。上游侧设检修门槽，检修门为平板钢闸门，闸门宽高尺寸为6.0 m×2.5 m。

(4)检修桥、启闭台及工作桥。闸墩中游顶部设有高4.40 m的钢筋混凝土排架，排架顶部设有宽6.42 m启闭台，启闭台上布置有闸房，闸房为砖混结构，闸房宽3.90 m，闸房前后为走廊宽1.26 m。启闭台上游底部设吊葫芦轨道。闸墩下游顶部设有宽4.0 m工作桥，桥面净宽3.5 m，桥面板为厚0.4 m的钢筋混凝土结构,桥面高程952.9 m。

(5)上游铺盖段。上游铺盖水平长10 m，水平铺盖厚0.5 m为混凝土结构，铺盖高程为948.0 m，铺盖顺水流方向间隔8 m设纵向伸缩缝。根据场址处的河床土质条件，上游铺盖前设一道厚0.5 m、深3.0 m、边坡为1∶1.5的混凝土斜墙，做为防冲墙兼垂直防渗体。

4.5 消能防冲布置

闸后消能采用底流式消能方式，泄洪冲沙闸下游连接段包括斜坡护坦段、防冲深隔墙等。

(1) 斜坡护坦段。考虑与现有泄洪冲沙闸的衔接，设斜坡护坦段长12 m，采用1∶40斜坡，末端高程947.7 m，采用钢筋混凝土结构；斜坡护坦段两岸翼墙为钢筋混凝土悬臂式挡土墙结构，墙高6.7 m、墙顶宽0.6 m、底宽4.5 m。

(2)防冲深隔墙。斜坡护坦末端设一道顶宽1.0 m、基础宽2.552 m，深为5.0 m的混凝土深隔墙，作为垂直防冲墙,防冲墙迎水面坡度1∶0.75，底部设1.0 m宽的放大基础。墙后设结构尺寸长×宽×高=1.0 m×1.0 m×0.8 m的排软排混凝土块,混凝土软排长19.9 m，软排混凝土块下铺抛石(d≥30 cm)，混凝土软排两岸翼墙为钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构，其中前段11.0 m墙高9.8 m、墙顶宽0.6 m、底宽7.0 m；后段9.9 m墙高7.3 m、墙顶宽0.6 m、底宽6.5 m。

4.6 过流能力计算

(1)泄洪冲沙闸。枢纽泄洪只考虑泄洪冲沙闸泄洪，保证运行安全。泄洪冲沙闸为平底开敞式宽顶堰,根据公式(1)计算，计算结果见表3。

表3 泄洪冲沙闸过流能力计算情况

由枢纽处(桩号K0+553)天然河道水位—流量关系曲线可知，设计洪水位951.05 m，校核洪水位951.44 m，计算过程详见表1。所以，闸前设计水位、校核水位与水文分析计算的水位流量关系基本符合。

(2) 过流能力计算。正常引水工况：库塔干渠设计流量35 m3/s，加大流量40 m3/s，相应设计引水位950.89 m，加大引水位951.07 m；十八团渠设计流量23 m3/s，加大流量28 m3/s，相应设计引水位950.53 m，加大引水位950.73 m；

本次以库塔干渠引水位作为正常引水位，正常引水位950.89 m。设计工况：设计流量243 m3/s(P=5%)，相应水位950.90 m；校核工况：校核流量317 m3/s(P=2%)，相应水位951.47 m。经对比，过流能力满足设计防洪标准，满足正常引水、农业灌溉用水要求,详见表4。

表4 枢纽过流能力计算成果

5 结 语

为了确保孔雀河第一分水枢纽泄洪冲沙闸安全运行，经对调查勘察和分析计算，在除险加固中，对闸底板和闸顶分别进行加高，即加固方案为泄洪冲沙闸共设5孔，每孔宽6 m，中墩厚1.20 m，缝墩厚0.80 m，泄洪冲沙闸闸墩顶高程为952.50 m，闸室长12 m，采用整体式钢筋混凝土结构，闸室总宽为37.60 m，闸底板厚1.0 m，底板高程为948.00 m，为工程除险加固提供了科学依据。