阿拉沟渠首工程除险加固设计

张艺媛

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000）

1 项目概况

阿拉沟河发源于天格尔山山脊处的冰川区，流域上游为高山区，流域最高海拔4 km 以上。河流自西向东先后与支流夏尔格沟、艾维尔沟、祖鲁木图沟、乌斯通沟和白杨河汇合，尾闾为位于吐鲁番市境内的艾丁湖。阿拉沟出山口处设有阿拉沟水文站，测站以上集水面积1 861 km2，多年平均径流量为1.34 亿m3，出山口以下河段位于堆积平原，河段为基本对称U 型河谷，土壤以栗钙土-棕钙土为主，植被稀疏。

阿拉沟渠首位于托克逊县西部约60 km 阿拉沟河出山口处，始建于1962 年，为中型工程，设计洪水标准为20 年一遇、校核洪水标准为100 年一遇，设计引水流量为11 m3/s。

工程建设运行60 余年来，对灌区工农业生产发展起到了重要作用。受建设期条件限制，且工程长期带病运行，经托克逊县水利局委托鉴定，阿拉沟渠首工程存在过洪能力和引水能力不足，泄洪冲沙闸混凝土结构强度不足，泄洪冲沙闸下游防冲消能不满足规范要求，渠首淤积严重、泄洪冲沙闸和进水闸闸室底板及闸墩混凝土磨损剥蚀严重等问题，鉴定结果为四类闸。

2 气象水文

托克逊县位于欧亚大陆腹地，北、西、南有高山屏障，地势低洼，为典型的温带大陆性干旱气候，酷热、干燥、多大风、降雨稀少、蒸发强烈，气温年际变化不大，而日差较大。多年平均降水量为8.2 mm，6—8 月降水量为5.1 mm，多年平均蒸发量为3 014.9 mm，多年平均气温为14.5 ℃，最大冻土深0.6 m。

根据吐鲁番地区水文水资源勘测局《新疆托克逊县阿拉沟渠首除险加固工程水文分析计算》报告成果，计算设计工况下阿拉沟渠首不同保证率设计年径流量，成果如表1 所示[1]。

表1 阿拉沟引水渠首工况下设计年径流量成果表

阿拉沟渠首设计洪水标准为20 年一遇，校核洪水标准为50 年一遇，设计洪水的推演需要侧重考虑阿拉沟水库对洪水的调节影响，水库仅调节遭遇30 年一遇以上规模洪水，因此，此次只需对标准为1.0%，2.0%，3.3%的设计洪水进行计算，其余设计洪水与天然状况下的设计洪水相同。不同频率设计洪峰流量成果见表2[2]。

表2 阿拉沟渠首设计洪峰流量成果对比表

3 工程规模与总体设计

3.1 工程规模

工程主要任务是保证渠首正常引水，提高灌区9 200 hm2耕地的灌溉保证率；提高渠首的防洪标准至设计洪水20 年一遇、校核洪水50 年一遇。除险加固工程采用拆除重建形式，主要建筑物由泄洪闸、冲砂闸、溢流堰、引水闸、上下游导流堤组成。工程规模为中型，工程为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级。

3.2 工程总体布置

阿拉沟渠首除险加固选择临近原闸址上游约400 m 处修建，上下游河宽稳定宽阔，河道平顺，水流情况好，采用闸堰结合方案，枢纽从左岸至右岸依次布置引水闸、冲砂闸、溢流堰、泄洪冲砂闸、溢流堰，其中，引水闸轴线与泄洪冲砂闸轴线夹角为90°，引水角为90°，泄洪冲砂闸轴线和溢流堰轴线均与河道中心线垂直布置。

上下游导流堤总长度为535.80 m，其中上游左岸建导流堤173.30 m，右岸新建导流堤193.80 m；下游左岸新建导流堤100.50 m，右岸新建导流堤68.20 m。导流堤采用梯形断面，迎水面坡比为1∶1.75，背水面坡比为1∶1.5，堤顶宽4.00 m，堤身高3.50 m，基础埋深2.00～4.00 m。堤身采用砂砾石填筑，相对密度Dr≥0.75；迎水面采用混凝土面板衬砌，地面以上衬砌厚度为0.15 m，地面以下衬砌厚度为0.20 m，面板顺水流方向每4.00 m、垂直水流方向每5.00 m 设伸缩缝[3]。

新建引水闸为1 孔，净宽5.00 m，钢筋混凝土结构，采用C25 二级配混凝土浇筑，抗冻等级为F200，防渗等级为W6。引水闸进口底板高程为813.50 m，闸墩顶高程为816.70 m，闸室边墩为钢筋混凝土结构，宽1.00 m，闸室总宽7.00 m、全长10.00 m，设置1道平面工作闸门、一道平面检修闸门。

新建泄洪冲砂闸为3 孔，净宽5.00 m，由上游防渗铺盖、闸室段、斜坡护坦段组成，布置在引水闸右侧，轴线与河床轴线平行，与引水闸轴线夹角为90°。闸室段全长12.00 m、总宽19.40 m，为钢筋混凝土结构，边墙采用钢筋混凝土结构，边墩顶宽1.00 m、中墩宽1.20 m。闸底板高程为812.30 m，闸墩顶高程为816.70 m，3 孔工作闸门均采用弧形闸门，设置1 道移动平面检修钢闸门。闸室后接消力池，采用陡坡连接，坡度为1∶6，消力池长16.80 m，陡坡与消力池底板边墙均采用浆砌石结构，消力池后接长20.00 m 的铅丝石笼。

溢流堰靠泄洪冲砂闸两侧布置，共2段，单段净宽31.50 m，采用WES 堰，为钢筋混凝土结构，溢流堰垂直水流方向宽度63.00 m，堰顶高程815.10 m，溢流堰垂直水流方向每隔10.00 m 设置沉降缝，采用橡皮止水。上游铺盖位于引水闸、泄洪冲砂闸、溢流堰上游测，顺水流方向长度为20.00 m，底板为0.50 m 厚混凝土结构，呈10.00 m×10.00 m 分缝布置，采用橡皮止水。

3.3 过流能力计算

引水闸正常引水时，泄洪冲砂闸关闭，引水闸净宽5.00 m，加大引水流量为13.75 m3/s；为保证冲砂及闸底板同上游河道合理衔接，考虑到运行期冲砂功能，泄洪冲砂闸闸底板高程为812.30 m；泄洪时溢流堰与泄洪冲砂闸联合运行。引水闸、泄洪冲砂闸和溢流堰过流能力计算公式[4]：

式中：Q为过闸流量，m3/s；B0为闸孔总净宽（堰宽），m；δs为堰流淹没系数；ε为侧收缩系数；m为流量系数；H0为计入行进流速水头的水深，m；g为重力加速度，9.81 m/s2。引水闸、泄洪冲砂闸过流能力计算成果如表3 所示。

表3 引水闸泄洪冲砂闸及溢流堰过流能力计算成果表

3.4 闸顶高程计算

该工程为Ⅲ等中型工程，闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定，水闸挡水时，闸顶高程应不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）、波浪高度及相应安全超高值之和，该工程安全超高下限值正常蓄水位下为0.40 m、最高档水位下为0.30 m；泄水时，闸顶高程应不低于设计洪水位（或校核洪水位）及相应安全超高值之和，该工程安全超高值设计洪水位下为0.70 m、校核洪水位下为0.50 m；工程闸顶交通桥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）采用下式计算：

式中：W为计算风速，m/s；Hm为水域平均水深，m；v0为计算风速，设计洪水位取多年平均最大风速的2 倍，校核洪水位取多年平均最大风速，m/s；D为风区长度，m；H为堰上水深，m；Lm为平均波长，m。泄洪冲沙闸闸顶超高及闸顶高程计算结果如表4 所示，综合各工况计算成果确定泄洪闸闸顶高程为816.70 m。

表4 泄洪冲砂闸闸顶超高及闸顶高程计算成果表

3.5 消能防冲设计

以迭代法计算收缩水深和共轭水深，判定该工程泄洪冲沙闸、溢流堰下发生远离式水跃，根据有关规范选取挖深式等宽消力池，消力池各特征值按下式计算：

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

进水闸消力池底板厚度t（m）按下式计算。

根据抗冲要求：

根据抗浮要求：

式中：k1为消力池底板计算系数；k2为消力池底板安全系数；△H为闸孔泄流时上下游水位差，m；U为作用在消力池底板底面的扬压力，kPa；W为作用在消力池表明底面的扬压力，kPa；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa；γb为消力池底板的饱和重度，kN/m3。

海漫长度Lp（m）按下式计算。

式中：KS为海漫计算系数；q为海漫末端单宽流量，m3/s。

经计算可知，泄洪冲沙闸消力池计算深度为1.18 m，设计值取1.20 m；消力池水平段计算长度为14.67～16.77 m，设计值取16.80 m；陡坡段坡度为1∶6；陡坡段水平长度与溢流堰陡坡段衔接长度为13.20 m，故消力池总长度取30.00 m；消力池底板厚度取抗冲和抗浮计算值较大者，由抗冲计算结果控制为0.68 m，设计值取0.80 m；消力池下海漫长度计算值为18.84 m，设计值取20.00 m。溢流堰消力池计算深度为0.69 m，设计值取0.8 m；消力池水平段计算长度为11.83～13.52 m，设计值取14.00 m；陡坡段坡度为1∶6；消力池底板厚度取抗冲和抗浮计算值较大者，由抗冲计算结果控制为0.32 m，设计值取0.50 m；消力池下海漫长度计算值为13.42 m，设计值取15.00 m。

4 结语

阿拉沟渠首是托克逊县重要引水枢纽，始建于20 世纪60 年代，受建设时条件限制和多年运行影响，渠首工程存在防洪能力不足、主要建筑物结构失稳等严重隐患。针对上述情况，此次研究通过对过流能力、消能防冲、闸顶高程等的水力计算，确定了阿拉沟渠首工程的除险加固方案。该方案的实施使区域居民供水能力得到了进一步提高和完善，有效保障了区域防洪安全。