“三个山河”渠首除险加固工程方案研究

唐加尔克·也斯木汉

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 831100）

1 三个山河工程概况

1.1 工程现状

三个山河位于天山东段南坡，乌鲁木齐东南郊柴窝堡境内，距乌鲁木齐市区40km，东邻达坂城的白杨河流域支流黑沟，西接柴窝堡白杨沟，北侧为天山中段海拔5445m的博格达峰，南侧为柴窝堡及山前倾斜平原。三个山渠渠首引水工程位于三个山河出山口处，为拦河闸坝式引水枢纽，主要由上下游导流堤、引水闸、泄洪闸、溢流堰等组成，渠首控制区域主要包括天山牧场、西沟乡、林场、柴窝堡农业大队等。

工程始建于1979年，经多年运行出现了很多问题：一是引水闸工作闸门锈蚀严重，止水处磨损脱落，闸门开启闭合困难；二是泄洪闸闸室段钢筋混凝土底板及闸后陡坡段混凝土严重磨损，局部形成深40cm的凹槽，护坦被击穿，失去作用；三是非常溢洪道溢流堰被洪水完全冲毁，溢流堰冲刷、磨损严重，泄流能力不满足要求，降低了排砂能力。根据新疆维吾尔自治区水利厅《关于对全疆水闸进行安全鉴定的通知》（新水建管〔2008〕171号）、《水闸安全鉴定规定》和《水闸技术管理章程》的要求，三个山渠的渠首闸运用不满足设计标准，现状运行中存在安全隐患，安全类别为三类闸，须进行除险加固。

1.2 水文气象条件

三个山流域，属柴窝堡谷地温凉气候区，流域内多年平均降水量为320mm；多年平均气温为8.8℃，极端最高气温为37.5℃，极端最低气温为-30.9℃；多年平均最大风速为7.3m/s；最大冻土深度为1.4m。多年实测资料显示，三个山河历年封冻期最长为114d。

根据三个山水文站的典型水文年（1979、1984、1989年）径流统计结果，计算保证率为50%、75%、95%的全年设计径流量，分别为0.4502亿、0.3880亿、0.3088亿m3。

三个山河洪水类型，主要包括融雪洪水、暴雨洪水、暴雨与融雪混合型洪水。按地区洪峰流量模比系数的综合频率曲线法计算，三个山渠首工程场址设计洪水为1%、2%、3.33%、5%、10%、20%的频率下，洪峰流量分别为256m3/s、193m3/s、151m3/s、120m3/s、72.2m3/s、32m3/s。

根据白杨河水文站含砂量资料和国内类似工程经验，计算得三个山河断面年输砂总量为2.41万t。

1.3 工程地质条件

本工程所在地海拔高度为2008～2080m，由低山丘陵和中高山带组成2个地貌单元，山体主要由褶皱断块山形成，两岸山体呈U形山谷，渠首坐落在两岸山体之间。三个山河横贯达板城区及西沟乡全境，纵坡坡度1/20，河床宽窄不一，最宽处达300m，两岸发育不对称的侵蚀、堆积、基座阶地（Ⅰ～Ⅳ级）。

工程所在地及周边地层受燕山运动和喜马拉雅运动的影响最强烈，地层特征为：晚古生代～新生代有地层不整合关系，主要出露上古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界第三系和第四系地层。

工程所在地地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.40s，地震基本烈度为Ⅷ度。

2 除险加固方案

2.1 工程等级与防洪标准

三个山渠首设计引水流量为2.1m3/s，加大引水流量为2.7m3/s，控制灌溉面积为0.16万hm2。渠首过闸流量＞100.0m3/s，按拦河水闸分等指标划分为Ⅲ等中型。水工建筑物级别为：主要建筑物3级，次要建筑物4级，临时建筑物5级。洪水设计标准为20年一遇，洪峰流量为120m3/s；校核标准为50年一遇，洪峰流量为193m3/s。

2.2 闸址选择

根据三个山渠首现状与引水灌溉条件，考虑以下原因：一是该处河道由于修建了渠首，经多年运行，河态、河势基本稳定，因此仍选择渠首位置作为渠首场址；二是原渠首位置道路相通，工程建设、管理较方便；三是原渠首左岸防洪堤与引水闸主体工程完好；四是下游输水干渠修复工程量较小，施工成本较低。确定三个山渠首仍采用原闸址。

2.3 方案比选

根据闸址区的枢纽布置、工程地质、施工条件、施工成本等综合分析，并依据安全鉴定结论，保留原引水闸，拆除泄洪闸、正常溢洪道溢流堰、溢流侧堰、非常溢洪道溢流堰及导流堤，初步拟定以下除险加固方案。

2.3.1 闸堰结合式渠首（方案1）

采用闸堰结合式渠首（25m溢流堰+2孔泄洪闸+1孔冲砂闸+两孔引水闸，呈一字形布置），本方案拆除泄洪闸、正常溢洪道溢流堰、溢流侧堰、非常溢洪道溢流堰，在现状引水闸右侧布置1孔冲砂闸，净宽3.0m。紧邻冲砂闸布置2孔泄洪闸，每孔净宽5.0m，将原溢流侧堰、非常溢洪道溢流堰和正常溢洪道溢流堰拆除后重建，新建溢流堰净宽25m，溢流堰、泄洪闸、冲砂闸及引水闸呈一字形布置，右岸采用导流堤的形式与河岸衔接。

2.3.2 拦河闸式渠首（方案2）

采用拦河闸式渠首（3孔泄洪闸+1孔冲砂闸+2孔引水闸，呈一字型布置），本方案拆除泄洪闸、正常溢洪道溢流堰、溢流侧堰、非常溢洪道溢流堰及导流堤，在现状引水闸右岸布置1孔冲砂闸，净宽3.0 m，紧邻冲砂闸右侧布置3孔泄洪闸，每孔净宽5.0 m。泄洪闸、冲砂闸、引水闸呈一字形布置。

经比选，确定采用方案1，比较情况见表1。

表1 除险加固方案比较表

3 加固关键技术

3.1 河道护岸整治

现状河道主流摇摆不定，且河岸冲刷严重。为保护河岸，使主流顺利入槽，在现场勘察的基础上，根据河道稳定宽度分析和护岸水力计算结果，在两岸修建导流堤、护岸，并对渠首上、下游河道进行综合整治，以利于渠首取水防砂。

3.2 建筑物防冲刷

现状建筑物表面磨损严重，局部底板出现凹槽。考虑工程所在地河段为多泥砂河段，河道水流内含砂量较高，采用抗冲耐磨混凝土进行建筑物防冲刷施工，并适当增加边墙、底板等水流冲刷部位混凝土厚度。在建筑物衔接部位或底板结构分缝位置设置抗滑齿墙，齿墙基础深度根据河床冲刷深度计算确定。根据地质勘察结果，可知闸室等主要建筑物基础上层为第四系全新统（Q4al）冲积层，厚度为2.5～12.0m。为防止高速水流冲刷，需在一定范围内对闸底板及闸墩下部进行固化处理。结合本工程地质条件，对闸底板及闸墩下部75cm范围内进行C60硅粉混凝土浇筑。

3.3 建筑物抗冻胀

工程所在地历年最大冻土深度为140cm，属季节性冻土。为防止建筑物季节性冻胀，需将建筑物基础、底板伸入冻土层以下，并采用C20混凝土和C25钢筋混凝土进行整浇，其中，混凝土抗冻等级为F200，抗渗等级为W6。

3.4 建筑物防腐蚀处理

工程所在地土层地表水、地下水对混凝土及钢筋具有弱腐蚀性，因此，对建筑物进行防腐蚀处理。采用低碱水泥配制混凝土，水泥碱含量应≥0.6%，宜选用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，用作矿物掺合料的粉煤灰应选用游离氧化钙含量≥10%的低钙灰。

钢筋混凝土之间的分缝宽度为2cm，分缝表层涂抹2cm厚聚氨酯密封膏，中部使用664型橡胶止水带，其余部分采用高压闭孔板填充。

4 结语

（1）从利于枢纽布置和施工角度考虑，渠首加固工程一般宜在原址建设，并尽量利用现有建筑物及设施，以减少工程量、降低施工成本。

（2）根据现有建筑物现状和工程量，确定渠首加固工程建筑物组成，并根据枢纽布置、主要建筑物、施工条件、水力条件等综合选择较优的枢纽布置方案。

（3）根据气候环境和河道水文条件，西北地区渠首加固工程需重点研究合理的河道护岸整治方案、建筑物防冲刷方案、建筑物抗冻胀方案和建筑防腐蚀处理方案等，使枢纽工程在设计生命周期内正常运行，同时满足耐久性要求。