新疆白杨河胜利渠首斜坡护坦消能防冲设施

张爱民

（新疆白杨河流域管理局水利管理局，乌鲁木齐830000）

1 工程概况及现状

白杨河发源于乌鲁木齐县境内博格达山南坡，源区为著名的博格达峰（海拔5445m），地跨乌鲁木齐县和托克逊县。 河流由北向南经峡口、后沟，穿越天山支脉流入托克逊县境内， 再向东注入吐鲁番盆地最低点一艾丁湖（海拔在-125m）。 多年平均流量7.52m3/s，多年平均径流量2.372×108m3。

胜利渠首位于托克逊县白杨河上， 红山出山口处。 胜利渠首海拔高程227m， 地理坐标为东经88°28′48″，北纬42° 57′02″，集水面积2778km2。 其主要功能为引白杨河水为托克逊县郭勒布依乡和夏乡灌区供水，灌溉面积7906.67hm2。 场址处悬移质多年平均输沙量13.4×104t， 推移质多年平均输沙量2.01×104t，多年平均总输沙量15.41×104t。

胜利渠首在1970年建成使用， 为闸堰结合式渠首。 工程规模为中型，主要建筑物为3级，由导流堤、溢流堰、泄洪排砂闸和引水闸组成。渠首设计引水流量为8m3/s，加大为10m3/s，设计流量100m3/s，校核流量120m3/s。 1996年发生特大洪水，将泄洪排砂闸、引水闸和部分溢流堰冲毁，并于1997年8月完成维修。

胜利渠首运行已50年，工程老化严重，防洪能力下降，加之施工条件和施工质量差，存在安全隐患。胜利渠首主要问题有：

（1）枢纽过洪能力和引水能力不足。

（2）枢纽淤积严重，泄洪冲砂闸及引水闸闸室底板、 闸墩混凝土磨损严重， 闸室排架柱和工作桥混凝土多处裂缝，泄洪冲砂闸下游护坦破坏，浆砌石溢流堰裂缝、砌石脱落，下游消能设施冲刷破坏。

（3）引水闸和泄洪冲砂闸闸门及启闭设施锈蚀、老化失修。

（4）无工程观测及水文测报设施，管理设施简陋等。

经专家对渠首安全鉴定，鉴定结果为四类闸。鉴于渠首存在的诸多隐患问题， 已威胁到整个工程的安全运行，已无加固必要，因此拆除重建。

新疆白杨河胜利渠首除险加固工程依据规范工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物工程级别为5级。 设计洪水标准为20年一遇（P=5%），设计流量313m3/s；校核洪水标准为50年一遇（P=2%），相应校核流量467m3/s，设计引水流量不变。

闸址区出露岩性为第四系全新统河床冲积砂卵砾石层， 该层砂卵砾石厚度约20m， 天然密度2.24～2.28g/cm3，相对密度0.61～0.68。 砂卵砾石深度0～3m，结构中等密实，3m以下砂卵砾石结构密实，渗透系数1.8×102～4.8×102cm/s，横波波速200～500m/s，地下水位埋深约2.6m，承载力建议值250kPa。

2 渠首及泄洪冲砂建筑物布置

新疆白杨河胜利渠首除险加固工程维持原闸堰（正堰）结合布置方案，并在原址重建。拆除原有右岸引水闸、泄洪冲砂闸、WES堰、和上下游导流堤，新建引水闸、 泄洪冲砂闸及上下游进行新建导流堤防护处理。

泄洪冲砂闸及溢流堰布置为拦河式， 泄洪冲砂闸闸室轴线垂直水流流向， 引水闸布置于泄洪冲沙闸右侧， 将泄洪冲砂闸和引水闸闸室轴线夹角设置为30°。 溢流堰布置在泄洪闸的左侧，轴线位置同泄洪冲砂闸的轴线平行。 引水闸上游右岸通过扭面连接上游导流堤， 溢流堰上游左岸通过扭面连接上游导流堤。 胜利渠首总布置如图1。

由图1可知， 泄洪冲砂闸设置3孔， 单孔净宽5.0m，闸底板高程217.00m，设计洪水位219.84m，校核洪水位220.21m。闸室长10m，为钢筋混凝土结构，闸室底板厚1.0m，中墩厚1.2m，边墩厚1m，闸墩高3.71m，闸顶高程220.71m。 为了防止对闸室混凝土的磨损， 闸室底板表层20cm、 闸墩由闸底板算起75cm采用高强度硅粉混凝土浇筑，硅粉混凝土标号为C60、二级配、W6，其余采用C25、F200、W6、二级配混凝土浇筑。 泄洪冲砂闸后接斜坡护坦，护坦长10m，坡比为1∶10，斜坡护坦末端高程216.00m。 护坦末端设置混凝土重力式挡土墙， 挡土墙深5.5m，重力式挡墙混凝土标号为C25、F200、W6、 二级配，重力式挡土墙顶部20cm厚度采用高强度硅粉混凝土浇筑，硅粉混凝土标号为C60、二级配、W6。 重力式挡土墙墙体内增设PVC 排水孔， 排水孔直径为φ63mm，并在入口处设置三级砂砾石反滤。 重力式挡土墙下游侧冲坑底部采用钢筋石笼（卵石粒径大于300mm）， 在顶部设置C20二级配混凝土软排，混凝土软排尺寸为300cm× 300cm×80cm（长×宽×高）。泄洪冲砂闸及斜坡护坦及混凝土软排分别如图2，图3。

图1 胜利渠首平面布置

图2 泄洪冲沙闸及斜坡护坦纵剖面

图3 混凝土软排平面及横剖面

3 消能防冲设施方案比选

新疆各渠首工程斜坡式护坦、 消力池有普遍应用。消力池底流消能方案是较为常见的消能工，利用水跃进行消能，底流消能具有流态稳定、消能效果较好、水位变化适应性较强、泄洪雾化轻微等优势，可适应不同水头；斜坡式护坦末端需修建防冲墙，为了进一步消除水流余能， 墙后接海漫一般为柔性防冲结构。柔性防冲结构有较强的适应冲刷变形能力，可消减冲击能量，冲坑深度较小，对下游无明显冲刷，且施工方便。两种消能防冲设施能均满足消能需要，但在多泥沙河流上斜坡式护坦的运行效果较好，新疆已建渠首较为成功的工程如表1。

表1 新疆已建渠首斜坡式护坦消能型式统计

根据工程类比、原闸运行经验、冲砂要求及运行管理难易程度， 泄洪冲砂闸下游消能防冲设施选取两种方案进行比选：方案一，消力池消能；方案二，斜坡护坦式消能。 消能方式比选如表2。

表2 泄洪冲砂闸下游消能防冲设施方案比选

白杨河河道中泥沙含量较大， 常规消能方式如消力池易产生淤积，宜导致消能设施失效。 因此，从运行管理方面，消力池易被泥沙淤积，需要在洪水过后及时人工清理泥沙，费时费工，斜坡护坦式消能不用考虑泥沙淤泥问题，运行简单， 管理方便；从投资方面， 斜坡护坦式消能较消力池消能方式投资小很多，较为经济。 结合新疆多泥沙河流的消能经验，综合比较， 本工程泄洪冲砂闸及溢流堰下游消能选择斜坡护坦式消能。

4 护坦末端防冲计算

护坦末端的河床冲刷深度经计算， 设计洪水及校核洪水泄洪冲砂闸下游冲刷坑深度分别为3.62，3.94m，如表3。

表3 泄洪冲砂闸下游冲刷深度计算

冲刷坑深度的计算不冲流速采用砂砾石基础，最大冲坑深3.94m。 根据多地实际冲坑深度调查资料，结合当地渠首的多年运行经验，护坦末端防冲齿墙深度确定为5.5m。

5 结语

对照新疆已建成同类渠首工程， 由于白杨河胜利渠首地处多沙河流卵砾石河床上， 并且闸前闸后水位差小，沙石淤填可能降低闸后消力池消能功效，尾坎也易受磨蚀破坏。因此，新疆白杨河胜利渠首除险加固工程泄洪冲砂闸取消闸后消能工，闸后以“适度消能”为原则，采用抗冲耐磨的斜坡护坦、防冲墙及混凝土软排组合的防冲方式， 避免因闸后局部消能过大， 加大下泄水流挟沙能力， 既能保护水闸安全，又能防止闸后淤积。