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協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計特點理工論文
摘要:目前,我區(qū)已建成的引水樞紐型式雖多,但工程布置從整體方向考慮較多,而樞紐細(xì)部結(jié)構(gòu)特點較少。協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計充分吸取各種樞紐的特點,較好地解決樞紐引水、防沙、抗磨等問題,保證了樞紐的安全運行。
關(guān)鍵詞:引水樞紐 設(shè)計特點
一、工程概況
協(xié)合拉引水樞紐工程位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)的庫瑪拉克河出山口,閘址距溫宿63km,距阿克蘇市77km。
庫瑪拉克河是一條國際河流,也是塔里木河水系的最大支流。河道全長293km,其中國內(nèi)河段長118km。河道徑流年際變化小,但年內(nèi)四季徑流變化很大,主要集中在夏季6~8月份,為全年徑流量的68.6%,多年平均徑流量46.1億m3,多年平均流量148m3/s,實測最大流量2860m3/s。
庫瑪拉克河屬多沙性河流,泥沙來源主要為上游淺山區(qū)冰磧物和風(fēng)化物及河相物,多年平均輸沙量為1570萬噸,最大月平均含沙量為4.69kg/m3,河床中推移質(zhì)平均粒徑0.12m,最大粒徑為0.49m。
樞紐區(qū)結(jié)冰期為11月中旬,解冰期3月中旬。在12月至2月有岸冰出現(xiàn),最大岸冰0.65m,主要為流冰花和流冰塊。據(jù)資料分析,年輸冰量在200萬m3。
閘址區(qū)河床蓋層厚度30~50m,為全新統(tǒng)沖積(aLQ4)沙卵礫石層,地質(zhì)條件較好。其中0~2m為松散卵礫石層,以5~20cm卵石為主,2~4.5m為較致密的含漂石卵礫石層,漂石粒徑30~60cm;4.5~6m為致密卵礫石層。閘基土允許承載力為40~50t/m2,閘基土內(nèi)摩擦角為40°。
該工程興建,近期將解決兩岸灌區(qū)132萬畝良田的引水問題,緩解了春旱缺水。通過工程渠化,防滲節(jié)水7000萬m3,并利用總干渠水能和有利地形條件修建塔尕克一級水電站工程,總裝機(jī)4萬Kw,年發(fā)電量2.47億Kw.h。同時為向塔里木河輸送33億m3的生態(tài)水量提供保障。
二、工程規(guī)模
協(xié)合拉引水樞紐是庫瑪拉克河梯級中、大、小石峽水庫后規(guī)劃的唯一引水樞紐,控制著下游5級引水式電站和該河全部灌區(qū),是灌溉發(fā)電的綜合引水工程。工程為二等大(2)型,主要建筑物為二級。樞紐設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)流量為2674m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,相應(yīng)流量為3013m3/s。閘前蓄冰庫容230萬m3,東岸設(shè)計引水流量90m3/s,加大引水流量120m3/s,西岸設(shè)計引水流量10m3/s,加大流量18m3/s,樞紐最大泄洪流量為2913m3/s。
三、對現(xiàn)有的引水樞紐評價
1、人工彎道引水樞紐
利用彎道環(huán)流的特性,“正面引水、側(cè)面排沙”邊引水、邊排沙,進(jìn)水閘引取表層含沙量低的水,而沖沙閘排走運動中的底沙,須消耗較大的能量和水量,無法解決汛前5、6月份水量緊缺時引水和沖沙的矛盾,只得采取間歇沖沙方法,閘前易淤積,造成泥沙進(jìn)入引水閘。另外,彎道要求有較長的整治段,以形成人工彎道,上游要設(shè)泄洪閘,干渠上要設(shè)沉沙池以配套沖砂,這樣造成樞紐造價高、工程分散、管理不便。
2、懸板分層式引水樞紐
利用懸板,把推移質(zhì)隔在懸板以下,從懸板以上引取表層水,當(dāng)淤積到一定高度時,利用懸板下設(shè)沖沙廊道沖沙,保證進(jìn)水閘前不淤積,所以引水防沙效果較好。但由于汛期取表層水,閘前采用壅水運行,沖沙不利,閘前淤積區(qū)會增加,因而必須考慮采取措施,限制閘前淤積區(qū)。但這種樞紐建筑物比較集中,便于運行管理,投資少。
3、底欄柵式引水樞紐
底欄柵式引水樞紐,由于受柵隙及廊道過水能力的限制,大中型引水樞紐還未采用。它與其它型式的渠首相比,布置容易、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、工程造價低。目前對原型式進(jìn)行了改進(jìn),對廊道斷面和柵條斷面形狀進(jìn)行了更合理的改進(jìn),適應(yīng)范圍不斷擴(kuò)大。
四、協(xié)合拉引水樞紐工程布置
協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計初期,曾專門考察了已建成大中型引水樞紐多座,聽取了設(shè)計和管理運行經(jīng)驗�？紤]采用人工彎道式引水樞紐和懸板分層式引水樞紐,作為協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計方案。這二種樞紐布置型式較適合新疆多推移質(zhì)山溪性河流,早已為許多區(qū)內(nèi)外專家所肯定,無疑是輕車熟路,也易于審查通過。
根據(jù)樞紐地形條件,按人工彎道式引水樞紐和懸板分層式引水樞紐設(shè)計布置。但人工彎道式布置時,解決兩岸引水較困難,須在干渠設(shè)分水閘及跨河工程方可解決另岸引水問題,而懸板分層式布置,以整體布置考慮較理想,工程結(jié)構(gòu)簡潔、投資少。通過水工模型試驗,二個方案均不太理想,但互補(bǔ)性較強(qiáng),將兩個方案優(yōu)勢結(jié)合,形成目前協(xié)合拉引水樞紐的布置雛形。通過模型試驗驗證、修改,形成了目前實施的方案。詳見附圖。
協(xié)合拉引水樞紐是攔河式懸板分層引水樞紐,該樞紐主要由:(1)上、下游人工整治段;(2)泄洪沖砂閘;(3)東西岸進(jìn)水閘;(4)進(jìn)水閘前懸板組成。現(xiàn)分述如下:
1、上、下游人工整治段
上游人工整治段底寬104.4m,全段長400m,壩端以弧型與兩岸銜接,整治段河床穩(wěn)定縱坡1/235,兩岸導(dǎo)流堤高10m,坡比1:1.75,護(hù)面采用50cm厚C15細(xì)粒砼砌卵石。
下游整治段長300m,底寬104.4m。縱向穩(wěn)定河床坡降為1/225,坡面為50cmC15細(xì)粒砼砌卵石。導(dǎo)流堤高6.5m,坡比1:1.5,河床以下設(shè)防沖齒墻,防沖深度為8m。
2、泄洪沖砂閘
為“一”字?jǐn)r河閘,總長104.4m,共計9孔,單孔寬10m,閘室長18m,閘底板高程1420.5m,孔高10m,為單孔整體式結(jié)構(gòu)。設(shè)計泄洪Q=2674m3/s,設(shè)計水位h=5.32m,校核流量Q=3013m3/s,時,校核水位h=5.71m,閘墩上設(shè)封閉式工作房,內(nèi)設(shè)啟閉設(shè)備。
閘前鋪蓋為斜坡式,坡比1:4,鋪蓋總長30m,深度為5.5m,閘后護(hù)堤10m,后接裙板消能。
3、東西岸進(jìn)水閘
東岸進(jìn)水閘與泄洪沖砂閘順?biāo)鞣较蜉S線夾角60°,設(shè)閘3孔,每孔凈寬10m,設(shè)計過閘流量Q=90m3/s。閘底板高程1421.7m,比沖砂閘底板抬高1.2m,比沖砂廊道懸板面低0.45~0.25m,閘室長16m,閘頂與泄洪閘同高,墩頂上設(shè)封閉式啟閉工作室及檢修設(shè)備。
西岸進(jìn)水閘與九孔泄洪閘并列布置,為單孔,孔寬8m,設(shè)胸墻,孔高2.5m,設(shè)計過閘流量Q=10m3/s,底板高1421.5m,閘頂及閘上結(jié)構(gòu)同泄洪閘。
4、進(jìn)水閘前懸板
在靠近泄洪閘第一、二孔和第九孔時,西岸進(jìn)水閘前布置沖砂廊道(即分層懸板),東岸進(jìn)水閘前廊道為4孔,2孔4.95m,2孔5.35m,廊道凈高1.2~1.4m,廊道長30~50m。西岸進(jìn)水閘前廊道不分孔,廊道凈高1.4m,廊道長10~20m,廊道出口接泄洪閘。
五、協(xié)合拉引水樞紐工程設(shè)計特點
目前我區(qū)引水樞紐普遍存在著引水與沖沙的矛盾,樞紐上下游淤積的問題、閘室抗磨問題、下游消能問題等,以往人們往往從整體上考慮的多,從局部上考慮的少,因此防沙引水效果不夠理想。而協(xié)合拉引水樞紐借助于模型試驗大膽嘗試,通過局部結(jié)構(gòu)改變,取得了較好的成效。以下從幾個方面簡要說明。
1、引水與沖沙
充分利用懸板分層式引水的優(yōu)點,為減少閘前淤積問題,在廊道設(shè)計時,增加了廊道的長度,廊道長度達(dá)50m,將淤積區(qū)控制在遠(yuǎn)離進(jìn)水閘區(qū)域,同時為達(dá)到廊道用少量水排走大量沙的目的,縮小了廊道的斷面尺寸,改為四孔。經(jīng)試驗和計算,廊道內(nèi)流速比上游整治段流速大1.31~1.37倍。通過這些措施達(dá)到了預(yù)期的效果,避免了閘前淤積面抬高,又有泥沙躍上懸板引入進(jìn)水閘的危險。
2、樞紐上、下游淤積的防治
由于懸板分層式引水,造成閘前水位壅高,而壅水運行的時間越短,其閘前淤積量越少,越利于敞泄沖刷達(dá)到?jīng)_淤平衡。換言之,在滿足引水時可敞泄排沙的流量出現(xiàn)頻率越大或時間越長,越利于防沙減淤。在利用現(xiàn)有的經(jīng)驗公式計算時,充分考慮閘前蓄冰庫而堤防加高的有利條件,采用P=99%作為造床流量計算。利用“束水攻沙”的原理,在防洪安全的前提下,縮窄上下游整治段的寬度。經(jīng)模型試驗,確定合理的穩(wěn)定河寬為104.4m,同時為保證輸沙順暢,上游整治段長400m,下游整治段300m。從工程近幾年的運行情況看,樞紐沖沙效果較好。
3、建筑物抗磨問題
由于河道推移質(zhì)粒大量多,樞紐抗磨問題至關(guān)重要,否則影響樞紐安全運行。在設(shè)計初期,曾考慮采用花崗巖條石、鑄鐵、塑料磚、砌石等作為抗磨材料,但均不理想。在考察中,武漢水利水電大學(xué)提供了新型抗磨抗砸的建筑材料,即耐磨砼,而且已成功運用,效果較好,施工簡單。經(jīng)多方考察,決定將該先進(jìn)科技材料應(yīng)用到協(xié)合拉工程中,并在泄洪閘底板護(hù)堤及沖刷廊道底板大規(guī)模運用。而對墩兩側(cè)1.2m磨損部分,采用10cm厚鋼板防護(hù),并將鋼板直接和墩體澆筑,解決抗磨問題。工程已運行三年,并經(jīng)歷了設(shè)計洪水的運行,只有部分區(qū)域出現(xiàn)損壞,經(jīng)分析主要是施工過程中的問題。由于采用新材料,保證了工程安全,減少了維護(hù)費用。
4、消能防沖設(shè)計
由于泄洪閘校核洪水時,單寬流量達(dá)到32.4m3/s,而閘室處地質(zhì)條件差,抗沖能力弱,水工模型試驗時,最大沖刷深度達(dá)到10m。解決好消能事關(guān)閘室安危,而采用裙板消能裝置,較好地解決消能防沖問題。裙板設(shè)置要求裙板與護(hù)堤連接處預(yù)留20cm左右的間隙,裙板鋼軌長短相間并列布置,鋼軌長度為4.5m和6m,并每10片鋼軌組成一組,并列排列,要求不留間隙,裙板下要有一定的空間,不能全填。在裙板設(shè)計方面,我們有成功的經(jīng)驗,所以協(xié)合拉消能防沖采用裙板設(shè)計是成功的。
5、融冰電熱系統(tǒng)
協(xié)合拉引水樞紐冬季極端氣溫達(dá)-27.6℃,泄洪閘有2扇工作閘門運行,東、西岸進(jìn)水閘工作閘門冬季均運行。門槽均設(shè)置電熱系統(tǒng)冬季融冰。門楣、側(cè)軌及底檻均設(shè)置電熱器。電熱器規(guī)格為側(cè)軌電熱器GYQ01-220/0.8,門楣電熱器GYQ03-220/0.8,底檻電熱器GYQ01-220/0.8。共有6扇門槽設(shè)置了電熱融冰裝置,以保證工作閘門在冬季能正常運行。
6、水閘自動化系統(tǒng)
本閘樞紐自動化系統(tǒng)的目標(biāo)是實現(xiàn)遙測、遙控及遠(yuǎn)動的目的,同時保留手動系統(tǒng),提高管理水平和質(zhì)量,減輕勞務(wù)強(qiáng)度。
樞紐自動控制系統(tǒng)的功能:
(1)監(jiān)測記錄過閘流量、閘門開度及上、下游水位。
(2)數(shù)字顯示水位、閘門開度及流量。
(3)根據(jù)河道來水及水位和給定引水流量自動調(diào)節(jié)閘門開序。
(4)計算日平均流量及累積水量。
(5)具有定時打印及召喚打印各種報表。
(6)實現(xiàn)事故自動處理功能。
(7)實現(xiàn)現(xiàn)場手動停機(jī)控制。
(8)實現(xiàn)緊急狀態(tài)下自動聲光報警。
該系統(tǒng)由河海大學(xué)水利水電科學(xué)研究院負(fù)責(zé)設(shè)計、研制、安裝和調(diào)試。
7、上游導(dǎo)流堤護(hù)面設(shè)計
由于上游導(dǎo)流堤又是蓄冰庫的壩體,壩體高10m。壩體設(shè)計事關(guān)工程安危,故在壩體設(shè)計中,首次成功地引進(jìn)了面板壩設(shè)計,較好地解決了壩體防沖、防滲及安全穩(wěn)定問題。
8、閘體的建筑設(shè)計
以前工程不重視外觀設(shè)計,而協(xié)合拉引水樞紐主體工程外觀建筑設(shè)計新穎,造型美觀大方,將水利工程設(shè)計與工民建的建筑設(shè)計有機(jī)地結(jié)合在一起,為地區(qū)的旅游業(yè)增添了一道亮麗的風(fēng)景線。
結(jié)束語
通過該樞紐設(shè)計,筆者認(rèn)為,首先要因地制宜,不迷信某一種型式,不拘泥于固定的經(jīng)驗,在繼承中發(fā)展,在發(fā)展中創(chuàng)新,敢于負(fù)責(zé),大膽創(chuàng)新,提出合理的方案,最后在水工模型試驗中進(jìn)一步優(yōu)化,一定能創(chuàng)造出適合當(dāng)?shù)睾恿魉程匦缘囊畼屑~型式。
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