莎车县阿克苏支渠水闸设计方案探析

田振响

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程区域概况

1.1 地理位置

莎车县骨干工程阿克苏支渠位于莎车县境内，其水源为叶尔羌河水，叶尔羌河流域位于新疆西南部、塔里木盆地边缘，流域东邻塔克拉玛干大沙漠，西接布古里、托乎克拉克沙漠，南以喀喇昆仑山为屏障[1]，北接天山南麓余脉，与阿克苏毗连，与印度、巴基斯坦、阿富汗、塔吉克斯坦等国接壤。

叶尔羌河流域平原灌区按行政区可划分为7个子灌区，其中，莎车子灌区以莎车县为主，还包含喀什监狱的牌楼劳改农场及兵团农三师46团少部分土地[2]，灌区灌面214.05万亩。

1.2 渠系建筑物地质条件

1.2.1 地形地貌

阿克苏支渠地处叶尔羌河中下游左岸细土平原区上，位于苏库恰克水库东北侧，渠线沿线地势平坦，两侧以农田、荒地及居民区为主，总的地势西南高东北低，地面高程1 187~1 192 m。

1.2.2 地层岩性

渠线沿线地层岩性较为单一，主要为全新统冲洪积粉土质砂及低液限粉土。

1.2.3 地质构造

根据地质调查，工程区一带发育有几条推测隐伏断层，特别是F2、F3两条断层，距工程区较近，第四系以来有过活动，但两条断裂历史上地震很少，加之本工程为线性工程，F2、F3对本工程影响较小。

1.2.4 水文地质条件

渠线沿线地下水主要为孔隙潜水和承压水，其补给来源主要为上游地下水、渠水和农田灌溉水，水量受季节控制，地下水的排泄主要以由南向北的地下径流方式排泄。地下水位受季节控制，根据区内机井资料揭露，地下水位埋深一般2.0~6.0 m，水位变幅0.5 m。根据钻孔及探坑揭露，阿克苏支渠0+000~5+720.5段地下水位埋深自原渠底以下2.0~2.2 m，水位变幅约0.5 m；阿克苏支渠5+720.5~9+500段地下水位埋深自原渠底以下2.5~2.7 m，水位变幅约0.5 m；阿克苏支渠9+500~18+400段下水位埋深自原渠底以下大于3.0 m；阿克苏支渠18+400~24+208.4段地下水位埋深自原渠底以下大于3.0 m。

2 工程布置

2.1 工程布置

阿克苏支渠向荒地镇、西湖镇及阔什艾日克乡供水，起点位于苏库恰克水库西放水闸， 渠道全长24.21 km，渠道设计流量Q设计=4 m3/s，渠道加大流量Q加大=5 m3/s。渠道沿线布置渠系建筑物共52座，其中闸39座（节制分水闸9座、节制闸1座、分水闸29座）、桥13座（农桥10座、测桥3座）。

2.2 工程等别和建筑物级别

根据《灌溉与排水工程设计规范》，结合《渠道防渗技术规范》，按渠道流量大小确定本项目渠道工程级别和规模。划分标准见表1。

表1 防渗渠道工程级别和规模划分标准

阿克苏支渠设计流量Q设计=3~4 m3/s，加大流量Q加大=4~5 m3/s，农场渠设计流量Q设计=4 m3/s，加大流量Q加大=5 m3/s。因此，确定阿克苏支渠为中型工程。

依据划分标准，各工程级别和规模见表2。

表2 工程级别、规模汇总表

3 水闸设计方案

阿克苏支渠沿线配套有闸39座，其中节制分水闸9座、节制闸1座、分水闸29座，水闸建筑物统计见表3、表4。

表3 渠系节制分水闸统计表

表4 渠道分水闸统计表

根据灌区渠系规划，在阿克苏支渠沿线上拆除重建1座节制闸、6座节制单向分水闸、3座节制双向分水闸、29座分水闸，根据分水流量大小，按宽顶堰流计算孔口尺寸。分水闸与节制分水闸均采用整体开敞式结构，节制闸与分水闸采用 “八”字墙连接。节制闸上下游连接段均采用扭面与渠道连接，扭面为混凝土结构，扭面扩散角为6°~8°。分水闸后亦采用“八”字与渠道连接，各节制分水闸的节制闸闸室和节制闸闸后消力池底板均采用C25钢筋混凝土结构，其余结构采用C20素混凝土。

3.1 水闸净宽计算

根据《水闸设计规范》，本工程各节制分水闸闸孔净宽可按下式计算：

单孔闸时：

多孔闸、闸墩墩头为圆弧形时：

式中：B0为闸孔总净宽（m）；H0为计入行进流速水头的堰上水深（m）；g为重力加速度；ε为堰流侧收缩系数；εz为中闸孔侧收缩系数；εb为边闸孔侧收缩系数；b0为闸孔净宽（m）；bs为上游河道一半水深处的宽度（m）；N为闸孔数；dz为中闸墩厚度（m）；σ为堰流淹没系数；hs为由堰顶算起的下游水深（m）。

渠道起点现状闸口宽度为3.0 m，阿克苏支渠引水的加大流量为3.75 m³/s，节制闸上游水深1.5 m，下游渠道水深1.36 m，现对闸口过流能力进行复核。计算见表5。

表5 阿克苏支渠起点节制闸过流能力复核表

经计算，闸口宽度满足引水流量的需求，渠道节制闸计算结果见表6。

表6 阿克苏支渠节制闸计算表

渠道分水闸计算结果见表7。

表7 阿克苏支渠分水闸计算结果表

表8 阿克苏支渠节制闸消能计算结果表

表9 上游冲刷深度计算

表10 下游冲刷深度计算

3.2 消能防冲计算

3.2.1 消力池的长度计算

式中：Ls为消力池斜坡段水平投影长度（m）；Lj为水跃长度（m）；β为水跃长度校正系数；h''c为跃后水深（m）；hc为收缩水深（m）。

3.2.2 消力池的深度计算

式中：q为过闸单宽流量（m3/s）；α为水流动能校正系数；b1为消力池首端宽度（m）；b2消力池末端宽度（m）；T0为由消力池底板顶面算起的总势能（m）；ΔZ出池落差（m）；h's为出池河床水深（m）。

根据上述公式，经计算，跃后水深h'c'

3.3 上游铺盖始端河床冲刷深度复核

上游护底首端河床冲刷深度为：

式中：d'm为上游护底首端河床冲刷深度(m)；q'm为上游护底首端单宽流量(m3/s)；V0为河床土质允许不冲流速(m/s)；h'm为上游护底首端处河床水深(m)。

根据计算上游冲刷深度为0.30 m、0.21 m、0.40 m，渠道上游段不需要设抗冲齿墙。

3.4 末端河床冲刷深度复核

下游消能设施末端的河床冲刷深度为：

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)；hm为下游消能设施末端处河床水深(m)。

根据计算节制闸消力池末端冲刷深度为0.91 m、0.84 m、1.03 m，需要设防冲墙。考虑工程的经济性、施工难度并结合水闸工程的实践经验与下游渠道衬砌等因素，本工程在消力池末端及分水闸下游扭面处设置1.0 m深防冲墙。

3.5 闸室超高计算

挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和[3-5]。安全超高下限值，正常蓄水位时为0.3 m，最高挡水位时为0.2 m。风浪要素按《水闸设计规范》附录E计算。波浪的平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式：

式中：hm为平均波高（m）；v0为计算风速（m/s）；D为风区长度（m）；Hm为风区内的平均水深（m）；Tm为平均波周期（s）。

式中：hz为波浪中心线超出计算水位的高度（m）。

闸顶超高及闸顶高程计算结果见表11。

表11 渠段闸室超高计算结果表

3.6 闸室稳定计算

3.6.1 抗滑稳定计算

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的摩擦系数；ΣG为作用在闸室上的全部竖向荷载（t）；ΣH为作用在闸室上的全部水平荷载（t）。

经计算，在最不利荷载情况组合下Kc值大于允许值[Kc]，满足要求。

3.6.2 闸室基地应力计算

建筑物基础面垂直正应力，按材料力学偏心受压公式计算，计算公式为：

闸室抗滑稳定计算根据各节制闸的孔口尺寸、地基土特性等分成两类进行计算，其中，桩号5+690、7+196.8、10+111.2、11+869.7、12+347.0、14+737.3为第一类；桩号18+056.2、23+048.2、23+437.8、24+208.4处为第二类。

经计算，闸基地基反力最大值小于80 kPa，且没有出现拉应力，在地震情况下，闸室基底拉应力不大于100 kPa，抗滑稳定安全系数大于允许值。但根据地质资料提供基础多为粉土质砂、低液限粉土，初判建筑物基础土存在液化的可能性，因此在闸室基础下换填1 m砂砾石垫层。

4 结论

本文以莎车县骨干工程阿克苏支渠为例，对该支渠水闸设计进行了研究，结果表明：渠道起点闸口宽度为3.0 m，该宽度满足引水流量的需求；各节制闸后均无需设置消力池，但考虑到闸后到下游水流紊乱，不稳定等多种不确定因素，需在闸后设消力池，采用混凝土扭面与下游支渠连接；渠道上游段不需要设抗冲齿墙，在消力池末端及分水闸下游扭面处设置1.0 m深防冲墙；闸室基底抗滑稳定安全系数大于允许值，初判建筑物基础土存在液化的可能性，因此在闸室基础下换填1 m砂砾石垫层。