吳文新

（新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000）

1 新疆瑪河流域西調(diào)渠概況

2 西調(diào)渠節(jié)制退水閥設計

新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)核心地帶，地處準噶爾盆地南緣，東至塔西河，西至巴音溝河，南至依連哈爾尕山，北至古爾班通古特沙漠。灌區(qū)西調(diào)渠建于1990 年，1992 年通水運行，起點位于東岸大渠樁號15+781 處，經(jīng)過瑪河過河涵洞后，平行瑪河西岸防洪堤布置，末端投入夾河子水庫溢洪渠。西調(diào)渠工程是灌區(qū)引蓄瑪河東西岸水量調(diào)節(jié)平衡的重要水利工程，擔負著由東岸大渠向蘑菇湖、大泉溝水庫的調(diào)水任務，是瑪納斯河水進入石河子灌區(qū)的重要通道之一。

西調(diào)渠節(jié)制退水閘位于跨河渡槽的引水渠樁號0+837.55 處，由節(jié)制閘和分水閘組成，節(jié)制閘最大過流量35 m3/s，分水閘最大過流量35 m3/s，作為瑪河的防洪通道，不僅起著防洪作用，還承擔著給瑪河灌區(qū)分水的任務，因此，該退水閘是瑪河灌區(qū)重要的水利樞紐工程。西調(diào)渠節(jié)制退水閘設計流量為35 m3/s，工程級別為Ⅲ級。

2.1 閘孔凈寬

根據(jù)水閘運行工況，假設上游渠道來水最大流量93.5 m3/s，分別按下列兩種最不利工況計算節(jié)制閘與分水閘閘孔寬。

（1）引用流量82.5 m3/s，分水閘引用流量11 m3/s。

該工況下節(jié)制閘引用流量最大，節(jié)制閘所需閘孔寬最大；分水閘引用流量僅11 m3/s，分水閘為半開狀態(tài)。根據(jù)規(guī)范，閘孔凈寬如下公式確定：

式中：Q 為過閘流量，m3/s；b 為單孔閘凈寬，節(jié)制閘b=4 m，分水閘b=4.5 m；n 為孔口數(shù)，節(jié)制閘n=5，分水閘n=2；H0為包括行進流速水頭的堰前水頭，閘前水深為1.61 m，閘前總水頭1.85 m；m 為流量系數(shù)，可采用0.385；ε 為側收縮系數(shù)；σ 為堰流淹沒系數(shù)。

由渠道水力計算知，節(jié)制閘下游渠道水深為hs=1.27 m，hs/H=1.27/1.61=0.79＞0.72，判斷節(jié)制閘后為自由出流，淹沒系數(shù)查σ=1。將以上各值代入公式，計算結果見表1。

表1 節(jié)制閘過流能力計算結果

根據(jù)表1 可知，節(jié)制閘過加大流量82.5 m3/s 時，所需節(jié)制閘孔寬為20 m，因此，確定節(jié)制閘閘孔總凈寬為20 m。

（2）節(jié)制閘引用流量58.5 m3/s，分水閘引用流量35 m3/s。

該工況下分水閘引用流量最大，分水閘所需閘孔凈寬最大，根據(jù)水力計算確定分水閘孔口寬，并擬定節(jié)制閘閘門運行方式。因分水閘下游接陡坡，判斷分水閘閘后為自由出流，淹沒系數(shù)σ=1。

表2 分水閘過流能力計算結果

由表2 計算結果，分水閘引用流量為35 m3/s 時，所需閘孔凈寬為9 m。因此，分水閘閘孔總凈寬取9 m。

2.2 結構設計

節(jié)制閘設計流量75 m3/s，加大流量82.5 m3/s，分水閘設計流量30 m3/s，加大流量35 m3/s。根據(jù)渠道水力要素計算（表1 和表2），在設計流量與加大流量下，下游渠道水深分別為1.27 m和2.21 m。同時閘孔凈寬計算得出，西調(diào)渠節(jié)制閘閘孔開啟寬度為20 m，因此只需開啟4 扇閘門，閘孔總寬度為16 m，可滿足過流。為減少閘門由于不對稱開啟產(chǎn)生折沖水流，該工況下，閘門僅中間的1 扇關閉，兩邊各開啟2 扇閘門。

基于上述計算分析并結合實際需要，西調(diào)渠節(jié)制閘共設2 孔，單孔凈寬3.5 m，閘室高4.0 m，閘室為整體鋼筋混凝土結構，閘室長9.0 m，閘底板厚1.0 m，邊墩厚0.8 m，中墩厚1.0 m，閘室排架柱高3.5 m，排架柱上設工作平臺，平臺凈寬2.6 m，閘頂上游設4 m 寬人行橋，閘門為平板鋼閘門（b×h=3.5 m×3.0 m）。啟閉設備配5 t 手電兩用螺桿啟閉機2 臺。為管理方便，在水閘上設置彩鋼閘房，面積25 m2。節(jié)制閘前扭面長30 m，邊墻采用C20 細礫混凝土砌筑的漿砌石扭面，高度從3.5 m 漸變至4 m，閘前現(xiàn)澆混凝土底板厚20 cm；閘后接6 m 長的陡坡，坡比1∶3，邊墻高4.9 m，采用混凝土重力式結構，底板采用0.7 m 厚的鋼筋混凝土結構。

2.3 閘后消能計算

閘后消能計算根據(jù)《水閘設計規(guī)范》公式：

首先擬定消力池深度d，求得T0，將T0代入計算，試算收縮水深hc，根據(jù)收縮水深求躍后水深hc"，再根據(jù)計算的hc" 計算池深d，使假設池深與計算值相等為止。經(jīng)計算，得到分水閘后消力池深度d=0，因此，不需要修建消力池。

2.4 閘后防沖設計

為減少消力池下游沖刷，計算消力池出口沖刷坑深度。閘基礎為圓礫層，為砂性土，沖刷深度計算根據(jù)公式：

式中：dm為下游消能設施末端河床沖刷深度，m；qm為下游消能設施末端單寬流量，m3/s；[v0] 為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm為下游消能設施末端拋石處河床水深，m。

經(jīng)計算，最大沖刷深度為5.82 m（見表3），取下游防沖墻深度為6.0 m。

表3 閘后海曼末端沖刷深度計算結果

3 閘室穩(wěn)定性計算

閘室穩(wěn)定性計算按照施工期（未放水）和設計情況、地震情況下，分別計算閘室基底應力、抗滑穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定。

3.1 閘室基底應力

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，閘基礎為卵石混合土，地基允許承載力[η]=400 kPa。根據(jù)規(guī)范，基底應力最大值與最小值之比的允許值為[η]：基本組合為2.0，特殊組合為2.5。

（1）施工期

基于作用在節(jié)制閘上主要荷載，在施工期應計算：

1）偏心距：

2）節(jié)制閘底基底應力值：

3）不均勻系數(shù)：

式中：σmax、σmin分別為閘室基底應力的最大值及最小值，kPa；ΣG 為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；ΣM 為作用在閘室上的全部豎向和水平荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；A 為閘室基底的面積，m2；W 為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面距，m3。

得出：

計算表明承載力滿足規(guī)范要求。

（2）運行期

1）偏心距：

2）節(jié)制閘底基底應力值：

3）不均勻系數(shù)：

同理，得出：

計算表明運行期的承載力仍滿足規(guī)范要求。

表4 基地應力計算結果參數(shù)表 單位：kPa

3.2 閘室抗滑穩(wěn)定計算

閘室抗滑穩(wěn)定按如下公式計算：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；H 為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

（1）施工期

節(jié)制閘及分水閘∑H≈0，閘室穩(wěn)定能滿足設計要求，不需抗滑穩(wěn)定驗算。

（2）運行期

∑G=7784 kN，∑H=187.5 kN，基礎卵石混合土，摩擦系數(shù)取0.45，將以上各值代入公式：K=f∑G/∑H=18.68＞[Kc]=1.25，閘室抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；同理，地震工況下求得K=18.07，閘室抗滑穩(wěn)定也滿足規(guī)范要求。

3.3 閘室滲流穩(wěn)定計算

地基為砂礫卵石，允許滲徑系數(shù)C=3。地下輪廓線最小長度為[L]=C×H=3×4=12 m，H 為上、下游水位差。求得地下輪廓線實際長度L=17.35 m。由于L＞[L]=12 m，不會發(fā)生滲透變形，滿足安全要求。

滲流穩(wěn)定計算采用改進阻力系數(shù)法：

阻力系數(shù)的計算：

鋪蓋垂直段阻力系數(shù)：

各段滲壓損失：

式中：ε 為阻力系數(shù)；T 為土基上水閘的地基有效深度，m；S 為地下輪廓線的垂直投影長度，m。

閘底為低液限粉土，根據(jù)《水閘設計規(guī)范》[1]可知，水平段允許滲流坡降值[Jx]=0.25，出口段為[J出]=0.5。計算得出Jx=0.07＜[Jx]，J出=0.1＜[Jx]，滲流穩(wěn)定滿足要求，不會發(fā)生滲透破壞。

4 結論

結合節(jié)制退水閘設計規(guī)范及場地實際，本文對新疆瑪納斯河灌區(qū)西調(diào)渠節(jié)制退水閘閘孔凈寬、結構設計、閘后消能及防沖進行計算分析，同時分析閘室在施工和運行期的穩(wěn)定性，結果表明該節(jié)制退水閘設計合理，且滿足設計規(guī)范要求。