窝巴特渠首工程除险加固方案分析

李晓燕

(塔城水利设计研究院有限公司，新疆 塔城 834700)

1 项目概况

巴音沟河又称安集海河，地处新疆天山北部沙湾市境内，发源于天山北坡冰川，河流水网发育呈树状，河流全长140km，黑山头水文站以上集水面积1579km2[1]。

窝巴特渠首是巴音沟河重要引水枢纽，渠首以上流域面积为1549km2，承担博尔通古牧场和农业开发基地共计3万亩农田的灌溉引水任务。工程于1967年竣工，由进水闸、泄洪闸、冲砂闸、溢流堰和上下游整治段组成，布置如图1所示[2]。

图1 窝巴特渠首工程布置示意图

2008年塔城地区水利局对该渠首进行安全鉴定，结论为三类闸，主要病险问题为：过洪能力不足；水闸底板磨蚀严重；进水闸、泄洪闸和冲砂闸闸门等主要构件变形，止水失效，进水闸底板、闸墩及岸墙磨损，闸前淤积严重；泄洪闸和冲砂闸室底板破裂，闸槽内二期砼普遍裂缝，渗流稳定不满足要求[3]。

2 水文地质

2.1 水文气象

巴音沟河流域地处北半球中纬度地区欧亚大陆腹地，属中温带大陆性干旱气候，流域内气候垂直分布和地带性分布规律显著，冬季寒冷漫长，夏季短暂凉爽，流域内无霜期短，昼夜及年内温差较大，光照充足。流域多年平均气温4.8℃，多年平均降水量291.8mm，多年平均年蒸发总量1251.0mm，多年平均风速2.0m/s、最大风速17.0m/s，最大冻土深181cm。

巴音沟河上中游有高山区冰雪融水和暴雨混合洪水补给、中下游有中低山区暴雨山洪和融雪洪水补给，多年平均径流量3.1亿m3。巴音沟河干流有黑山头水文站(1959—1980年)和喇嘛庙水文站(1981年—至今)。渠首设计年径流量与设计洪峰流量成果见表1—2。

表1 窝巴特渠首设计年径流量成果表

表2 窝巴特渠首设计洪峰流量成果表

2.2 闸址区工程地质

闸址区山势较缓，基岩裸露，冲沟发育，河谷呈宽阔U型，河谷岸坡较缓，现代河床宽200～300m，两侧阶坎陡立。河床地层岩性主要为松散砂砾石(Q4)和含土砂砾石(Q1)；河道内卵石混合土覆盖厚度7～8m，；潜水含水层下部为含土砂砾石层，弱胶结，孔隙多被泥质充填，透水性和储水能力较差，构成相对隔水层。

闸址区季节性冻土标准冻深1.60m，地基土卵石层粒径小于0.075mm颗粒含量小于10%，为非冻胀性土；地基土无差异沉降问题，承载力满足建筑物荷载要求；闸基土为卵石混合土，可能的渗透变形类型为管涌型，允许渗透比降0.094。现状渠首存在问题属长期运行后老旧和设计标准较低所致，闸址区工程地质条件简单，适合工程建设。

3 工程规模与设计

3.1 工程规模与等别

窝巴特渠首工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，进水闸、泄洪闸、冲砂闸、溢流堰、消能防冲设施等主要建筑物为3级；上下游整治段防护堤为4级。设计洪水频率为20年一遇(P=5%)，相应洪峰流量304m3/s；校核洪水频率为50年一遇(P=2%)，相应洪峰流量445m3/s。进水闸设计引水流量4.0m3/s[4]。

本次除险加固内容包括进水闸、泄洪闸和冲砂闸及闸室上下游连接段拆除重建；溢流堰表层凿毛挂钢筋网浇筑C30混凝土进行加高处理；上下游整治段拆除重建等，增设安全检测及水位流量观测设施[5]。

3.2 工程总布置

本次除险加固设计在原闸址拆除重建，建筑物布置基本保留原状[6]。

(1)新建进水闸位于左岸，与泄洪闸和冲砂闸夹角为14°，进水闸2孔，净宽3.0m，总宽6.0m。进水闸设计引水流量4.0m3/s，其中2.15m3/s为引水闸冲砂流量，1.85m3/s为引水闸引水流量；加大流量5.20m3/s。

(2)新建泄洪闸、冲砂闸轴线垂直河道布置，共4孔，靠近进水闸侧2孔为冲砂闸，另2孔为泄洪闸，孔口尺寸均为5.0m×2.6m，设计洪峰流量为304m3/s，校核洪峰流量为445m3/s。泄洪闸、冲砂闸上游设15m长、20cm厚的C30F300砼铺盖。泄洪闸、冲砂闸闸室长15m，泄洪闸闸室下游设10m长陡坡，坡度i=0.15，陡坡后接15m长消力池，消力池后接25m长海漫，海漫后设抛石坑；冲砂闸闸室后设50m长护坦，护坦后设抛石坑，抛石坑尺寸均为底宽5.0m，深6.0m。

新建小流量冲砂闸垂直于河道布置，共2孔，其中1孔位于冲砂闸靠近引水闸一侧边墩上，另1孔位于2冲砂闸的中墩，形式为胸腔式冲砂闸门，孔口尺寸均为1.5m(宽)×1.0m(高)，2孔设计洪峰流量均为10m3/s[7]。

原溢流堰堰型为折线形实用堰，堰宽72.60m，堰高1.00m。本次除险加固将原溢流堰表层凿毛2cm，C30混凝土加高2.95m，堰宽67.00m。溢流堰上游设20cm厚C30F300砼铺盖，下游设25.15m长护坦，坡度i=0.03；护坦后接抛石坑，抛石坑底宽5.0m，深4.0m。

为保证泄洪闸、冲砂闸和溢流堰安全运行，泄洪闸和冲砂闸上游整治段左岸防护堤长77.70m，右岸防护堤长460.0m，其中靠近溢流堰120m防护堤堤高由4.20m渐变至2.20m，其余340.0m防护堤堤高2.20m，内边坡1∶1.75，外边坡1∶2.0。下游整治段左岸修筑防护堤长86.60m，右岸防护堤长158.60m防护堤，堤高2.20m，内边坡1∶1.75，外边坡1∶2.0[8]。

3.3 水力计算

进水闸、泄洪闸和冲沙闸下游水位即渠道的运行水位按明渠均匀流计算，公式如下。

(1)

式中，Q—流量，m3/s；A—过水断面面积，m2；C—谢才系数；R—水力半径，m；i—纵坡比。

进水闸和溢流堰过流能力按有坎宽顶堰堰流计算，公式如下。

(2)

(3)

式中，Q—过闸流量，m3/s；B0—闸孔总净宽(堰宽)，m；εs—侧收缩系数；m—流量系数；H—堰上水深，m；H0—计入行进流速水头的堰上水深，m；v—上游行进流速，m/s；H—坎高，m。

泄洪闸和冲沙闸过流能力按多孔无坎宽顶堰堰流计算，公式如下[9]。

(4)

(5)

式中，b0—每孔净宽，m；其余同上。

新建小流量冲砂闸形式为胸腔式冲砂闸门，其过流按闸孔出流计算，公式如下。

Q=ueb(2×9.81×H0)0.5

(6)

式中，Q—过闸流量，m3/s；b—每孔净宽，m；u—闸孔出流系数；e—闸门开启度；H0—闸前水深，m。

波浪平均波高采用莆田公式计算，公式如下。

(7)

式中，hm—平均波高，m；W—计算风速，m/s；D—风区长度，m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，9.81m2/s。

根据渠首挡水运用状况不同，按照下述4种工况开展水力计算。工况1为正常蓄水：枯水季节，泄洪闸、冲沙闸关闭，溢流堰挡水，进水闸全开，自由出流，满足正常引水；工况2为最高挡水：校核洪水时，泄洪闸与冲砂闸全部开启，溢流堰下泄其余水量，进水闸调整开启度引设计流量，进水闸为闸孔出流；工况3为设计洪水：泄洪闸与冲砂闸全部开启，与溢流堰联合泄洪，进水闸不引水；工况4为校核洪水：泄洪闸与冲砂闸全部开启，与溢流堰联合泄洪，进水闸不引水。闸墩顶高程根据挡水时正常蓄水位和泄水时校核洪水位即运行工况下的水位比较确定，计算成果见表3，闸墩顶高程选定为965.30m。

表3 各工况下闸墩顶设计高程计算成果表

3.4 消能计算

进水闸下确定为底流消能，消力池深度、长度计算公式如下。

d=σ0h″c-h′s-Δz

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，d—消力池深度，m；σ0—水跃淹没系数；h″c—跃后水深，m；hc—收缩水深，m；α—水流动能校正系数；q—过闸单宽流量，m3/s；b1、b2—消力池首段和末段长度，m；T0—消力池底板顶面算起的总势能，m；Δz—出池落差，m；φ—孔流流速系数；h″s—出池下游水深，m。

进水闸消力池底板厚度计算公式如下。

(12)

式中，t—消力池底板厚度，m；k1为—消力池底板计算系数；q—过闸单宽流量，m3/s；ΔH—闸孔泄流时上下游水位差，m。

通过以上计算，在正常运行工况下进水闸池宽7.2m；消力池长2.97m，取10.0m；池深0.11m，取0.5m；安全超高取0.7m，边墙高取2.50m；消力池底板厚0.30m。

泄洪闸深度、长度和底板厚度计算同上，校核洪水位下闸池宽11.20m；消力池长11.62m，取15m；池深0.19m，取0.50m；消力池跃后水深3.18m，安全超高取0.7m，边墙高取3.90m；消力池底板厚0.80m。

泄洪闸消力池下海漫长度、末端冲刷深度计算公式如下。

(13)

(14)

式中，Lp—海漫长度，m；ks—海漫计算系数；dm—海漫末端河床冲刷深度，m；qm—海漫末端单宽流量，m3/s；hm—海漫末端河床水深，m；[v0]—河床允许不冲流速，m3/s。计算得海漫长度22.42m，取25.0m；海漫末端防冲槽深5.54m，取6.0m；防冲槽末端设5m长抛石坑。

4 结语

本文从流域水文和工程地质特性入手，对渠首除险加固重建工程总体布置进行分析论述，如渠首工程新建进水闸、泄洪闸和冲沙闸、溢流堰凿毛加固、上下游整治段治理等建筑物的具体布置与设计参数，同时对闸墩顶高程和防冲消能等水力计算过程进行了详细介绍。工程布局合理，有实际指导意义，可供邻近地区同类工程设计提供参考。基于此得出了窝巴特渠首工程的除险加固方案，方案的实施使区域农业灌溉引水能力进一步提高和完善，区域防洪安全得到了进一步保障。因除险加固主要采用了原闸址拆除重建，因此流域水文成果和工程区地质条件主要沿用了历史成果，研究深度略显不足，下一步可根据最新系列开展水文水力计算，更好地为区域工程建设做好技术支撑。