阿克塔什渠首闸设计方案研究

胡恒鹏

（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 工程现状

民丰县隶属新疆和田，位于塔里木盆地南侧边缘，东西两侧分别与巴音郭楞蒙古自治州、于田县相接，南部是昆仑山和西藏自治区交接，北部为阿克苏地区，年平均气温11.4℃，无霜期平均194 d，冬季最大冻土深度0.8 m，年平均降雨量35.5 mm，多集中在5~8月，年蒸发量2 881 mm，属于降雨少、蒸发量多的地区。萨勒吾则克乡下辖8个行政村，20个村民小组。灌区现状有1 708户5 130人，其中城镇人口298人，农村人口4 832人，萨勒吾则克灌区控制灌溉面积为5.38万亩，其中常规灌面积4.48万亩，高效节水面积0.90万亩。主要种植小麦、玉米、棉花、苜蓿、红枣、核桃、红柳大芸和经济林、生态林等。

阿克塔什引水工程位于新疆民丰县萨勒吾则克乡的吐郎胡加河上，距离县城85 km，距离乡镇所在位置40 km，是萨勒吾则克乡重要的引水工程，1987年建成，为拦河闸堰结合的引水工程，原渠首闸为1孔进水闸，目前灌满面积5.8万亩，设计引水量5.36 m3/s。

2 工程现存问题

工程建成至今已有36年，多年运行下，受水流冲刷，水闸前后200 m范围内出现严重冲蚀现象，上游河床变宽，导致溢流堰宽度不满足现状要求；因吐朗胡加河含沙量大，目前上游河床淤积、下游河床冲刷，上下游出现约10 m深的大跌坎，严重影响枢纽工程泄洪能力，影响工程正常发挥效益；水闸钢闸门主梁、面板强度严重不足，启闭机、电机锈蚀老化，使用期限均已超过20年，理应报废处理。且引水保证率已无法满足灌区各业生产需求，经鉴定，阿克塔什渠首闸已为四类闸，应拆除重建。

3 工程设计

3.1 水文计算

3.1.1 径流计算

吐郎胡加河，河流全长218 km，河源至大弯图专用站（大弯图村）河长72.0 km，流域面积2 007 km2；大弯图专用站至阿克塔什水闸河长51.4 km，流域面积330 km2。径流主要以冬季融雪水、夏季降雨和泉水补给为主，属于混合型补给河流，坡降大，流程短，水量较大，夏季容易形成暴雨洪水[1]。吐郎胡加河流域内无国家水文观测站点，仅有一个常年驻测专用站—大弯图专用站和位于工程上游750 m处的阿克塔什专用站，因此从区域气候条件、产流情况等方面考虑，选取克里雅水文站作为参证站。

以适线法对克里雅水文站年径流统计参数进行计算，再用适线法选配P-Ⅲ型频率曲线，分别得出该站年径参数和不同频率下设计年径流量成果[2]，如表1。

表1 克里雅水文站年径流参数及不同频率设计年径流量成果表 单位：108 m3

考虑计算成果精度问题，用长短比例法分析计算大弯图专用站多年平均年径流量1.314×108m3，不同频率设计年径流量成果如表2。阿克塔什专用站多年平均年径流量成果0.977 6×108m3，不同频率年径流量成果如表3。

表2 大弯图专用站不同频率设计年径流量成果表 单位：108 m3

表3 阿克塔什专用站不同频率设计年径流量成果表 单位：108 m3

阿克塔什专用站在阿克塔什渠首以上750 m处，区间无支流汇入，无分流支出，两断面距离较近，阿克塔什专用站年径流设计成果直接移用至阿克塔什渠首工程场址处，不再做衰减计算。

3.1.2 设计洪水计算

吐朗胡加河洪水主要来源于积雪消融和山洪，多发于夏季的6~8月，以克里雅水文站年最大洪峰流量，采用p-III型曲线适配[3]，可以得出克里雅水文站不同频率下的洪峰流量，见表4。

表4 克里雅水文站设计洪水计算成果表 单位：m3/s

因克里雅水文站与大弯图专用站处在昆仑山同一坡上，既能确保资料精度可靠，也能满足频率计算对系列长度的要求，因此采用地区模比系数综合频率曲线法推算大弯图专用站的设计洪峰[4]，分别选取1987年12月调查洪峰流量和2008年6月大弯图专用站实测洪峰流量，推算出洪峰流量模比系数Kp分别为3.41和2.44，得到不同设计频率的洪峰流量，为减少重现期差别大的影响和消除单一历史洪水计算可能产生的偶然误差，取两场洪水计算平均值[5]，作为大弯图专用站的设计洪水成果，最终成果见表5。

表5 大弯图专用站设计洪水计算成果表 单位：m3/s

根据2005年和2010年大弯图专用站和阿克塔什专用站实测同场次洪水资料计算得出沿程衰减系数为每公里损失0.17%，得出阿克塔什专用站的设计洪峰流量为表6。

表6 阿克塔什专用站设计洪水计算成果表 单位：m3/s

3.2 工程等别及建筑物级别

阿克塔什是以灌溉为主，同时为工业、生活等提供用水的引水枢纽，其中渠首闸工程属重建，现状水平年为2018年，设计水平年为2025年，根据《灌溉与排水工程设计标准》[6]的规定，本项目区灌溉设计保证率确定为P=75%。结合本地种植结构和灌溉制度，计算出设计引水流量4.1m3/s，加大引水流量5.36 m3/s，渠首闸的设计水平年可控制灌溉面积5.38万亩，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[7]的规定，确定工程等别为Ⅲ等，规模为中型，因此渠首闸应为3级建筑物，合理使用年限为50年，闸门合理使用年限为30年。

主要建筑物由进水闸、泄洪冲沙闸、泄洪闸、溢流堰及上游导流堤组成，为3级建筑物；次要建筑物由管理道路和管理房等组成，为4级建筑物；临时建筑物由围堰和导流渠等组成为5级建筑物。阿克塔什渠首闸的合理使用年限为50年，永久性水工建筑物的合理使用年限为50年，闸门的合理使用年限为30年。

3.3 渠首闸工程设计

3.3.1 闸室布置及结构尺寸

渠首闸布置形式为侧面引水，其轴线与泄洪冲沙闸夹角为34°。设计引水流量为4.1 m3/s，设计水位1 781.45 m，加大引水流量为5.36 m3/s，加大水位1 781.60 m。闸前最高水位（校核洪水位）1 782.56 m。主要由铺盖、闸室、消力池3部分组成，其具体结构尺寸为：

（1）铺盖

闸前设1道挡沙坎，为悬臂式C30钢筋混凝土结构，坎高1.0 m，坎顶高程1 780.70 m。闸前右边墙为C25重力式挡土墙与上游扭面及导流堤衔接，扭面长20 m，为C25混凝土结构。

（2）闸室

进水闸闸室为C30钢筋混凝土结构，1孔，单孔净宽4.0 m，闸室总宽度5.8 m，闸室长13.0 m，闸底板高程为1 780.70 m，闸顶高程为1 784.30 m，边墩厚0.9 m，底板厚1.0 m。闸门形式：工作闸门为平面钢闸门，上游设1道平面检修钢闸门。

（3）消力池

进水闸后设挖深式消力池，池深0.8 m，池底高程1 779.20 m，池长18.5 m，其中斜坡段坡比1∶4，水平投影长6.0 m，平段长12.5 m，池宽4.0 m，池坎顶高程1 780 m。消力池底板为C30钢筋混凝土结构，厚0.8 m，末端设排水孔，底部设反滤层。消力池段边墙为C30混凝土重力式挡墙结构。消力池后设15 m长C25混凝土扭面段与下游引水渠连接，扭面段底板厚0.4 m，末端设C25混凝土隔墙，厚0.8 m，深3 m。隔墙后与原浆砌石渠道衔接。

3.3.2 渠首闸设计计算

（1）过流能力计算

根据SL265-2001《水闸设计规范》[8]，进水闸水力计算按照宽顶堰计算，公式为：

式中：Q—过闸流量（m3/s）；

B—闸孔总净宽（m）；

H0—H+v2/2g，计入行进流速水头的堰上总水头（m）；

g—重力加速度9.81（m/s2）；

m—堰流流量系数，取0.385；

ε—堰流侧收缩系数，取0.927；

σ—堰流淹没系数，取1.0。

经计算，在设计水位条件下，过闸流量为4.1 m3/s，在加到水位条件下，过闸流量为5.36 m3/s。

闸孔出流时，按照下列公式计算闸孔出流总净宽：

式中：Q—过闸流量（m3/s）；

B0—闸孔总净宽（m）；

H0—计入行进流速水头的堰上总水头（m）；

he—孔口高度(m)；

μ—孔流流量系数，可按下式计算：

式中：φ—孔流流速系数，可采用0.95~1.0；

ε'—闸孔垂直收缩系数，可按下式计算：

式中：λ—计算系数，可按下式计算：

式中：r—胸墙底圆弧半径(m)；

σ'—孔流淹没系数，可按《水闸设计规范表》A.0.3-2查得。

最终计算成果为表7。

表7 进水闸闸门开度计算表

（2）闸顶高程计算

渠首闸工作闸门在洪水期始终处于挡水工况，闸顶高程应根据挡水情况确定，安全超高下限值在正常蓄水位条件下，定位0.4 m，在最高挡水位条件下定位0.3 m。选择两种工况进行计算，工况1：设计洪水位+波浪计算高度+安全超高值；工况2：校核洪水位+波浪计算高度+安全超高值；经计算在工况1时，闸顶高程为1 783.25 m，在工况2的情况下，闸顶高程为1 783.3 m，同时考虑渠首闸与泄洪冲沙闸闸顶高程的衔接，最终确定渠首闸闸顶高程为1 783.5 m。

4 闸室稳定性计算及渗流稳定性分析

4.1 稳定性计算

根据《水闸设计规范》，闸体混凝土与砂卵砾石接触面的抗剪摩擦系数：f1=0.5；卵石层地基允许承载力为0.5 MPa。分别取基本荷载组合和特殊荷载组合进行稳定及最大压应力复核计算，其中特殊组合按照校核洪水情况和地震情况两种分别计算，经计算抗滑稳定安全系数分别为K正常=1.25，K校核洪水=1.10，K地震=1.05。

同时，《水闸设计规范》规定，在冻得坚实的土质情况下，闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值，基本组合下为2.0，特殊组合下为2.5。经计算进水闸稳定及应力计算成果见表8。由表中可见，各项数值均满足规范要求。

表8 进水闸稳定及应力计算成果

4.2 渗流稳定性分析

工程区处于山前倾斜砾质平原区，岩性以砂卵砾石为主，厚度15 m以上；现代河床宽约55~80 m左右，切深为3~6 m，无漫滩发育，两岸为Ⅱ~Ⅲ级阶地，阶面平坦开阔。无断裂及其他构造通过，工程区构造稳定性较好。在勘探深度（15 m）内，未见地下水。主要地基渗流破坏形式为管涌。

基础为卵石混合土，d50=28 mm，根据《水闸设计规范》，水平段允许渗流坡降值为0.22，出口段为0.50。水闸实际渗径长度46 m，经计算实际透水层厚度大于23 m，所以水闸地基的有效深度取为23 m。

按照改进阻力系数法计算水闸基底渗透压力：

式中：ξ0—进出口段的阻力系数；S—板桩或齿墙的入土深度（m）；T—地基透水层深度（m）。

内部垂直段：

式中：ξy—内部垂直段的阻力系数。

水平段：

式中：ξx—水平段的阻力系数；Lx—水平段长度（m）；S1、S2—进、出口段板桩或齿墙的入土深度（m）。

各分段水头损失值可按下列公式计算：

式中：hi—各分段水头损失值（m）；ξi—各分段的阻力系数；n—总分段数。

出口段渗流坡降值可按下列公式计算：

按照以上公式，可得出水闸在正常水位、设计水位和校核水位3种情况下的阻力系数和水损值，如表9。

表9 各段阻力系数修正后各段水损值

取砂砾石允许渗径系数为3，则渗径长度L最大值为33.3 m，小于水闸渗径长度46 m，符合规范要求，而水头坡降值如表10，闸底板水平段最大渗透坡降为0.188，出口段最大渗透坡降为0.264，均小于规范允许值。闸室渗透稳定。

表10 水头坡降值

5 结语

阿克塔什渠首闸作为民丰县萨勒吾则克乡重要引水工程的主要组成部分，现状已无法满足当地饮用水需求，且无法抵御洪水，需拆除重建。结合当地自然地理及水文情况，需要以克里雅水文站数据为参证，推算出大弯图专用站和阿克塔什专用站多年平均径流量和设计洪水，并给出渠首闸的设计方案，经过水力计算得出渠首闸过流能力、渠首闸在不同情况下的闸门开度、闸顶高程，经过稳定性计算和渗流稳定分析，确定该设计方案符合规范要求。