阿拉溝渠首工程除險加固設計

張藝媛

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 項目概況

阿拉溝河發源于天格爾山山脊處的冰川區，流域上游為高山區，流域最高海拔4 km 以上。河流自西向東先后與支流夏爾格溝、艾維爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝和白楊河匯合，尾閭為位于吐魯番市境內的艾丁湖。阿拉溝出山口處設有阿拉溝水文站，測站以上集水面積1 861 km2，多年平均徑流量為1.34 億m3，出山口以下河段位于堆積平原，河段為基本對稱U 型河谷，土壤以栗鈣土-棕鈣土為主，植被稀疏。

阿拉溝渠首位于托克遜縣西部約60 km 阿拉溝河出山口處，始建于1962 年，為中型工程，設計洪水標準為20 年一遇、校核洪水標準為100 年一遇，設計引水流量為11 m3/s。

工程建設運行60 余年來，對灌區工農業生產發展起到了重要作用。受建設期條件限制，且工程長期帶病運行，經托克遜縣水利局委托鑒定，阿拉溝渠首工程存在過洪能力和引水能力不足，泄洪沖沙閘混凝土結構強度不足，泄洪沖沙閘下游防沖消能不滿足規范要求，渠首淤積嚴重、泄洪沖沙閘和進水閘閘室底板及閘墩混凝土磨損剝蝕嚴重等問題，鑒定結果為四類閘。

2 氣象水文

托克遜縣位于歐亞大陸腹地，北、西、南有高山屏障，地勢低洼，為典型的溫帶大陸性干旱氣候，酷熱、干燥、多大風、降雨稀少、蒸發強烈，氣溫年際變化不大，而日差較大。多年平均降水量為8.2 mm，6—8 月降水量為5.1 mm，多年平均蒸發量為3 014.9 mm，多年平均氣溫為14.5 ℃，最大凍土深0.6 m。

根據吐魯番地區水文水資源勘測局《新疆托克遜縣阿拉溝渠首除險加固工程水文分析計算》報告成果，計算設計工況下阿拉溝渠首不同保證率設計年徑流量，成果如表1 所示[1]。

表1 阿拉溝引水渠首工況下設計年徑流量成果表

阿拉溝渠首設計洪水標準為20 年一遇，校核洪水標準為50 年一遇，設計洪水的推演需要側重考慮阿拉溝水庫對洪水的調節影響，水庫僅調節遭遇30 年一遇以上規模洪水，因此，此次只需對標準為1.0%，2.0%，3.3%的設計洪水進行計算，其余設計洪水與天然狀況下的設計洪水相同。不同頻率設計洪峰流量成果見表2[2]。

表2 阿拉溝渠首設計洪峰流量成果對比表

3 工程規模與總體設計

3.1 工程規模

工程主要任務是保證渠首正常引水，提高灌區9 200 hm2耕地的灌溉保證率；提高渠首的防洪標準至設計洪水20 年一遇、校核洪水50 年一遇。除險加固工程采用拆除重建形式，主要建筑物由泄洪閘、沖砂閘、溢流堰、引水閘、上下游導流堤組成。工程規模為中型，工程為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級。

3.2 工程總體布置

阿拉溝渠首除險加固選擇臨近原閘址上游約400 m 處修建，上下游河寬穩定寬闊，河道平順，水流情況好，采用閘堰結合方案，樞紐從左岸至右岸依次布置引水閘、沖砂閘、溢流堰、泄洪沖砂閘、溢流堰，其中，引水閘軸線與泄洪沖砂閘軸線夾角為90°，引水角為90°，泄洪沖砂閘軸線和溢流堰軸線均與河道中心線垂直布置。

上下游導流堤總長度為535.80 m，其中上游左岸建導流堤173.30 m，右岸新建導流堤193.80 m；下游左岸新建導流堤100.50 m，右岸新建導流堤68.20 m。導流堤采用梯形斷面，迎水面坡比為1∶1.75，背水面坡比為1∶1.5，堤頂寬4.00 m，堤身高3.50 m，基礎埋深2.00～4.00 m。堤身采用砂礫石填筑，相對密度Dr≥0.75；迎水面采用混凝土面板襯砌，地面以上襯砌厚度為0.15 m，地面以下襯砌厚度為0.20 m，面板順水流方向每4.00 m、垂直水流方向每5.00 m 設伸縮縫[3]。

新建引水閘為1 孔，凈寬5.00 m，鋼筋混凝土結構，采用C25 二級配混凝土澆筑，抗凍等級為F200，防滲等級為W6。引水閘進口底板高程為813.50 m，閘墩頂高程為816.70 m，閘室邊墩為鋼筋混凝土結構，寬1.00 m，閘室總寬7.00 m、全長10.00 m，設置1道平面工作閘門、一道平面檢修閘門。

新建泄洪沖砂閘為3 孔，凈寬5.00 m，由上游防滲鋪蓋、閘室段、斜坡護坦段組成，布置在引水閘右側，軸線與河床軸線平行，與引水閘軸線夾角為90°。閘室段全長12.00 m、總寬19.40 m，為鋼筋混凝土結構，邊墻采用鋼筋混凝土結構，邊墩頂寬1.00 m、中墩寬1.20 m。閘底板高程為812.30 m，閘墩頂高程為816.70 m，3 孔工作閘門均采用弧形閘門，設置1 道移動平面檢修鋼閘門。閘室后接消力池，采用陡坡連接，坡度為1∶6，消力池長16.80 m，陡坡與消力池底板邊墻均采用漿砌石結構，消力池后接長20.00 m 的鉛絲石籠。

溢流堰靠泄洪沖砂閘兩側布置，共2段，單段凈寬31.50 m，采用WES 堰，為鋼筋混凝土結構，溢流堰垂直水流方向寬度63.00 m，堰頂高程815.10 m，溢流堰垂直水流方向每隔10.00 m 設置沉降縫，采用橡皮止水。上游鋪蓋位于引水閘、泄洪沖砂閘、溢流堰上游測，順水流方向長度為20.00 m，底板為0.50 m 厚混凝土結構，呈10.00 m×10.00 m 分縫布置，采用橡皮止水。

3.3 過流能力計算

引水閘正常引水時，泄洪沖砂閘關閉，引水閘凈寬5.00 m，加大引水流量為13.75 m3/s；為保證沖砂及閘底板同上游河道合理銜接，考慮到運行期沖砂功能，泄洪沖砂閘閘底板高程為812.30 m；泄洪時溢流堰與泄洪沖砂閘聯合運行。引水閘、泄洪沖砂閘和溢流堰過流能力計算公式[4]：

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬（堰寬），m；δs為堰流淹沒系數；ε為側收縮系數；m為流量系數；H0為計入行進流速水頭的水深，m；g為重力加速度，9.81 m/s2。引水閘、泄洪沖砂閘過流能力計算成果如表3 所示。

表3 引水閘泄洪沖砂閘及溢流堰過流能力計算成果表

3.4 閘頂高程計算

該工程為Ⅲ等中型工程，閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況確定，水閘擋水時，閘頂高程應不低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）、波浪高度及相應安全超高值之和，該工程安全超高下限值正常蓄水位下為0.40 m、最高檔水位下為0.30 m；泄水時，閘頂高程應不低于設計洪水位（或校核洪水位）及相應安全超高值之和，該工程安全超高值設計洪水位下為0.70 m、校核洪水位下為0.50 m；工程閘頂交通橋梁底高程高出最高洪水位0.50 m。

波浪平均波高hm（m）、平均波周期Tm（m）采用下式計算：

式中：W為計算風速，m/s；Hm為水域平均水深，m；v0為計算風速，設計洪水位取多年平均最大風速的2 倍，校核洪水位取多年平均最大風速，m/s；D為風區長度，m；H為堰上水深，m；Lm為平均波長，m。泄洪沖沙閘閘頂超高及閘頂高程計算結果如表4 所示，綜合各工況計算成果確定泄洪閘閘頂高程為816.70 m。

表4 泄洪沖砂閘閘頂超高及閘頂高程計算成果表

3.5 消能防沖設計

以迭代法計算收縮水深和共軛水深，判定該工程泄洪沖沙閘、溢流堰下發生遠離式水躍，根據有關規范選取挖深式等寬消力池，消力池各特征值按下式計算：

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數；h″c為躍后水深，m；h′s為出池下游水深，m；△z為出池落差，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數；q為過閘單寬流量，m3/s；b1，b2為消力池首段和末段長度，m；T0為消力池底板頂面算起的總勢能，m；φ為孔流流速系數。

進水閘消力池底板厚度t（m）按下式計算。

根據抗沖要求：

根據抗浮要求：

式中：k1為消力池底板計算系數；k2為消力池底板安全系數；△H為閘孔泄流時上下游水位差，m；U為作用在消力池底板底面的揚壓力，kPa；W為作用在消力池表明底面的揚壓力，kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3。

海漫長度Lp（m）按下式計算。

式中：KS為海漫計算系數；q為海漫末端單寬流量，m3/s。

經計算可知，泄洪沖沙閘消力池計算深度為1.18 m，設計值取1.20 m；消力池水平段計算長度為14.67～16.77 m，設計值取16.80 m；陡坡段坡度為1∶6；陡坡段水平長度與溢流堰陡坡段銜接長度為13.20 m，故消力池總長度取30.00 m；消力池底板厚度取抗沖和抗浮計算值較大者，由抗沖計算結果控制為0.68 m，設計值取0.80 m；消力池下海漫長度計算值為18.84 m，設計值取20.00 m。溢流堰消力池計算深度為0.69 m，設計值取0.8 m；消力池水平段計算長度為11.83～13.52 m，設計值取14.00 m；陡坡段坡度為1∶6；消力池底板厚度取抗沖和抗浮計算值較大者，由抗沖計算結果控制為0.32 m，設計值取0.50 m；消力池下海漫長度計算值為13.42 m，設計值取15.00 m。

4 結語

阿拉溝渠首是托克遜縣重要引水樞紐，始建于20 世紀60 年代，受建設時條件限制和多年運行影響，渠首工程存在防洪能力不足、主要建筑物結構失穩等嚴重隱患。針對上述情況，此次研究通過對過流能力、消能防沖、閘頂高程等的水力計算，確定了阿拉溝渠首工程的除險加固方案。該方案的實施使區域居民供水能力得到了進一步提高和完善，有效保障了區域防洪安全。