新疆叶尔羌河灌区叶城县骨干工程江卡渠首泄洪闸除险加固分析

聂亮亮

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330209)

江卡渠首工程是一座人工弯道式渠首工程，自建成以来，为叶城县农业灌溉用水及环境生态用水提供了极大的保证，发挥了巨大的社会效益。通过现状调查，江卡渠首工程基本处于安全状态，但目前存在：因汛期泄洪闸没有连续或间歇冲砂，闸前上游河道淤积严重。闸后挑流裙板严重损坏，由于下游河床冲刷较深，护岸工程存在安全隐患；泄洪闸为弧形钢闸门，闸门吊点与面板已锈蚀，闸门卷扬机时常被卡，闸门止水老化，漏水严重。检修门无起吊设施，运行管理不便等问题。为保证渠首安全运行，应采取必要的加固处理措施，充分发挥水闸泄洪的作用，保障供水安全，增强防洪能力，以更好地促进区域经济又好又快发展。

1 工程概况

江卡渠首工程开工兴建于1994年，1997年正式建成投入运行，1999年经受了遭遇超标准洪水考验，2004年完成了防洪改建达到现有规模。江卡渠首工程是一座人工弯道式渠首工程，主要建筑物包括：泄洪闸、人工弯道、进水闸、冲砂闸、溢流堰五大部分。江卡渠首在1987年设计时，实测洪水资料只有30年，属于大(2)型水利枢纽工程，因灌区可以从叶尔羌河调水，同时，建筑物失事不致对下游造成很大威胁，所以，本渠首工程当时按三级建筑物设计。设计洪水标准为50 a一遇，设计洪峰流量为640 m3/s，校核洪水标准为500 a一遇，校核洪峰流量为880 m3/s。

江卡渠首水闸挡水高度较小，当设计洪峰到来时，除进水闸闸门控制运行外，其他闸门均可全开参与泄洪。闸址以上形成的水库属河道型水库，其洪水调蓄作用小，滞洪能力有限。因此，从工程安全角度考虑，本工程的闸上设计水位计算不考虑河道的调蓄作用，直接采用溢流堰断面水位～流量关系曲线按比降(S=3.8‰)推算求得。P=3.33%设计标准的洪峰流量为998 m3/s，P=1%校核标准的洪峰流量为1418 m3/s。

2 工程复核计算

因工程安全鉴定为2008年进行，已超过10年，按相关文件要求，本次除险加固按相关规范重新对渠首建筑物进行复核计算。

2.1 泄洪闸消能防冲复核

(1)泄洪闸后消能坑深度复核计算

河道的来水情况通常较为复杂,使得其上下游水位变化非常大，裙板下游会出现底流和面流衔接两种流态[1]。

底流衔接冲深经验计算公式:

T/E0=0.445k0.336(d50/E0)-0.156

面流衔接冲深经验计算公式:

T/E0=0.682-0.314(k-0.15)0.2-2.998(d50/E0)

其中流能比：

式中：T为从下游护坦高程起算的最大水深，m；E0为闸室最末端底板以上的水头，m；d50为中值粒径，m；ht为下游水深，m；q为闸后单宽流量，m3/(s·m)；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

根据设计、校核两种工况下计算结果，校核工况为最不利工况，通过计算泄洪闸闸后消能水深为2.64 m，考虑本工程的实际情况，应取一定的安全系数(1.5)[2]，因此，最大设计冲深为3.96 m。根据实际运行情况，闸后冲刷深度为3.0 m。泄洪闸后消能设施经多年运行，塌陷、淘刷较为严重，此次需对闸后拆除重建。

(2)泄洪闸消能坑下游河道冲刷深度复核

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)进行水流平行与岸坡产生的冲刷深度计算[3]：

式中：hB为从水面起计算的局部冲刷深度，m；hp为冲刷处的水深，本工程以设计水位最大深度的近似值代替，hp=1.10 m；Vcp为平均流速，Vcp=8.69 m/s；V允为河床面允许不冲流速，本工程河床为卵石，因此不冲流速取1.8 m/s；n的取值与工程防护岸坡在平面上的形状密切相关[4]，一般取n=0.25。

得出hB=1.58 m。

2.2 闸基渗透稳定计算

(1)基本参数

泄洪闸所处位置地形平坦，整个工程的地层岩性主要是以第四系全新统(Q4al)青灰色砂卵砾石为主，厚度大于10.0 m。呈稍密～中密,磨圆度好和受力条件较好，粒径4 cm～20 cm，最大的达80 cm。

闸室渗流地下轮廓线简化见图1。

顺水流向总渗透长度L=2+13.5+3+4.1×2+1.4+1+1+1.2+1+1=33.3 m

比较闸室稳定各工况水位，在校核工况，上、下游水位差最大为5.66 m，按《水闸设计规范》(SL 265-2016)4.3.2条，闸基础防渗长度应满足L=CΔH的要求，闸基础为砂卵砾石层，C取值范围为3～2.5，则，计算设计防渗长度L=CΔH=3×5.66=16.98 m，小于33.3 m，闸基防渗长度满足设计要求。

采用改进阻力系数法[5]在校核洪水水位差5.66 m工况进行渗流复核，按《水闸设计规范》(SL 265-2016)附录C.2计算各段的阻力系数，并计算各段的渗压水头损失。

由于L0=18.5 m，S0=5 m，故L0/S0=18.5/5=3.7<5

Te按下式计算：

Te=(5×18.5)/(1.6×18.5/5+2)=92.5/7.92=11.67，按计算的透水层深度进行计算。

(2)渗透压力计算

泄洪闸渗流计算简图见图2，将地下轮廓划分为15段，对最不利情况，即校核洪水位下进行渗流稳定计算。通过对进口和出口段的修正计算，相应得出进口段修正系数均大于1，不需要修正各段水头损失。

(3)渗透稳定性复核计算

经计算，出口段出逸坡降J0=0.2，水平坡降最大值Jx=0.046。

闸基础为砂卵砾石，《水闸设计规范》(SL 265-2016)表6.0.4可知，出口段允许渗透坡降为[J]=0.30，[J]=0.30>J0=0.20；闸底板水平段允许渗透坡降[Jx]=0.22>Jx=0.046，均满足允许出逸坡降的要求，不会发生渗透破坏。

3 泄洪闸除险加固设计

3.1 除险加固方案确定

根据该闸现状及复核计算成果，确定本次加固设计方案。

拆除现有泄洪闸及护坦底板表面0.3 m厚的浆砌石，对底板进行凿毛，打入Φ12@2 m×2 m梅花形布置的插筋，插筋深入底板0.6 m，外露0.2 m，重新浇筑0.3 m厚C40F200W6硅粉砼。对闸墩下部2 m高度范围内冲刷较严重的砼表面进行凿毛及打磨处理后，在其表面涂刷2 cm厚的改性环氧砂浆。

在消能坑上游及两侧混凝土重力式挡墙墙脚河床新建地下槽孔墙，地下槽孔墙采用C25F200W6钢筋混凝土浇筑，厚0.8 m，深7 m，为保证防冲效果，槽孔墙与现状混凝土挡墙之间采用水平钢筋砼段进行封闭连接。水平段钢筋砼厚0.8 m，水平钢筋砼段宽3 m。

泄洪闸左侧120 m长导流堤新建段，堤脚采用C25F200W6混凝土挡墙，挡墙墙顶高程为1492.92 m，挡墙基础埋深至现有河床以下2.8 m，挡墙上部至新建导流堤堤顶(高程1496.50 m)采用0.15 m厚C25F200W6现浇砼护坡，下设0.2 m厚级配砾石垫层。同时为防止考虑溢流堰下泄洪水会对泄洪闸左岸导流堤形成冲刷，在新建导流堤背坡同样采用0.15 m厚C25F200W6现浇砼护坡，下设0.2 m厚级配砾石垫层，在护坡坡脚设置4 m深，1.5 m厚的C25F200现浇砼齿槽。护坡坡顶均设置有1 m宽，0.15 m厚的现浇砼压顶。

在右侧导流堤堤脚新建地下槽孔墙，地下槽孔墙采用C25F200W6钢筋混凝土浇筑，长170 m，厚0.8 m，深7 m，为保证防冲效果，槽孔墙与现状坡脚砼齿槽之间采用水平钢筋砼段进行封闭连接，水平段钢筋砼厚0.8 m，宽3 m。因现状右岸边坡冲刷破坏严重，为保护岸坡，同时减少对现有护坡的破坏，在现有浆砌石护坡坡面重新浇筑0.15 m厚的C25F200W6现浇砼护坡，护坡坡顶延伸至拟建管理站周边道路路面(高程1496.50 m)，并在坡顶设置1 m宽，0.15 m厚的现浇砼压顶[7]。

3.2 泄洪闸消能计算

泄洪闸效能计算如2.1泄洪闸消能防冲复核。

3.2.1 泄洪闸后消能坑深度复核计算。

根据设计、校核两种工况下计算结果，校核工况为最不利工况，通过计算泄洪闸闸后消能水深为2.64 m，考虑到工程应取一定的安全系数，取安全系数为1.5。

3.2.2 裙板长度计算

裙板消能主要是为了增大水流的入水面积,以减小单位面积的下游河床能量,并利用裙板底部空间形成反向的水流旋转,防止基础被淘刷[6]。闸墩下游端齿墙距离冲坑最深处的距离:

式中：ts为以下游护坦高程为基础起算的最大水深，m；q为消能裙板的单宽流量，m2/s；d50为中值粒径，m。

由此可以发现，设计时应该考虑裙板长度L小于这一长度的特点。工程一般实际运用中的挑流裙板长度通常为3 m～5 m。考虑运输方便，本次裙板钢轨的长度最终确定为3.5 m。

4 结语

江卡渠首引水枢纽工程主要由灌溉进水闸、冲砂闸、泄洪闸、溢流堰等组成，是一座以引水灌溉、生态输水为主要目的的水利枢纽工程，现有实际农田灌溉面积99.5万亩。通过现场检测及复核计算，泄洪闸抗滑稳定、砼结构、闸墩顶高程满足规范要求，水闸泄流能力可满足工程运行需要。同时，结合工程运行管理需要，本次改造应增设管理站房，以方便运行管理。