協合拉引水樞紐設計特點理工論文

協合拉引水樞紐設計特點理工論文

　　摘要:目前,我區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,而樞紐細部結構特點較少。協合拉引水樞紐設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。

　　關鍵詞:引水樞紐 設計特點

　　一、工程概況

　　協合拉引水樞紐工程位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內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,其中國內河段長118km。河道徑流年際變化小,但年內四季徑流變化很大,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冰磧物和風化物及河相物,多年平均輸沙量為1570萬噸,最大月平均含沙量為4.69kg/m3,河床中推移質平均粒徑0.12m,最大粒徑為0.49m。

　　樞紐區結冰期為11月中旬,解冰期3月中旬。在12月至2月有岸冰出現,最大岸冰0.65m,主要為流冰花和流冰塊。據資料分析,年輸冰量在200萬m3。

　　閘址區河床蓋層厚度30~50m,為全新統沖積(aLQ4)沙卵礫石層,地質條件較好。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,閘基土內摩擦角為40°。

　　該工程興建,近期將解決兩岸灌區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4萬Kw,年發電量2.47億Kw.h。同時為向塔里木河輸送33億m3的生態水量提供保障。

　　二、工程規模

　　協合拉引水樞紐是庫瑪拉克河梯級中、大、小石峽水庫后規劃的唯一引水樞紐,控制著下游5級引水式電站和該河全部灌區,是灌溉發電的綜合引水工程。工程為二等大(2)型,主要建筑物為二級。樞紐設計洪水標準為50年一遇,相應流量為2674m3/s,校核洪水標準為100年一遇,相應流量為3013m3/s。閘前蓄冰庫容230萬m3,東岸設計引水流量90m3/s,加大引水流量120m3/s,西岸設計引水流量10m3/s,加大流量18m3/s,樞紐最大泄洪流量為2913m3/s。

　　三、對現有的引水樞紐評價

　　1、人工彎道引水樞紐

　　利用彎道環流的特性,“正面引水、側面排沙”邊引水、邊排沙,進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,上游要設泄洪閘,干渠上要設沉沙池以配套沖砂,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,把推移質隔在懸板以下,從懸板以上引取表層水,當淤積到一定高度時,利用懸板下設沖沙廊道沖沙,保證進水閘前不淤積,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,閘前淤積區會增加,因而必須考慮采取措施,限制閘前淤積區。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、結構簡單、施工方便、工程造價低。目前對原型式進行了改進,對廊道斷面和柵條斷面形狀進行了更合理的改進,適應范圍不斷擴大。

　　四、協合拉引水樞紐工程布置

　　協合拉引水樞紐設計初期,曾專門考察了已建成大中型引水樞紐多座,聽取了設計和管理運行經驗�？紤]采用人工彎道式引水樞紐和懸板分層式引水樞紐,作為協合拉引水樞紐設計方案。這二種樞紐布置型式較適合新疆多推移質山溪性河流,早已為許多區內外專家所肯定,無疑是輕車熟路,也易于審查通過。

　　根據樞紐地形條件,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,工程結構簡潔、投資少。通過水工模型試驗,二個方案均不太理想,但互補性較強,將兩個方案優勢結合,形成目前協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)東西岸進水閘;(4)進水閘前懸板組成�，F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,整治段河床穩定縱坡1/235,兩岸導流堤高10m,坡比1:1.75,護面采用50cm厚C15細粒砼砌卵石。

　　下游整治段長300m,底寬104.4m。縱向穩定河床坡降為1/225,坡面為50cmC15細粒砼砌卵石。導流堤高6.5m,坡比1:1.5,河床以下設防沖齒墻,防沖深度為8m。

　　2、泄洪沖砂閘

　　為“一”字攔河閘,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,為單孔整體式結構。設計泄洪Q=2674m3/s,設計水位h=5.32m,校核流量Q=3013m3/s,時,校核水位h=5.71m,閘墩上設封閉式工作房,內設啟閉設備。

　　閘前鋪蓋為斜坡式,坡比1:4,鋪蓋總長30m,深度為5.5m,閘后護堤10m,后接裙板消能。

　　3、東西岸進水閘

　　東岸進水閘與泄洪沖砂閘順水流方向軸線夾角60°,設閘3孔,每孔凈寬10m,設計過閘流量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,墩頂上設封閉式啟閉工作室及檢修設備。

　　西岸進水閘與九孔泄洪閘并列布置,為單孔,孔寬8m,設胸墻,孔高2.5m,設計過閘流量Q=10m3/s,底板高1421.5m,閘頂及閘上結構同泄洪閘。

　　4、進水閘前懸板

　　在靠近泄洪閘第一、二孔和第九孔時,西岸進水閘前布置沖砂廊道(即分層懸板),東岸進水閘前廊道為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、協合拉引水樞紐工程設計特點

　　目前我區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。而協合拉引水樞紐借助于模型試驗大膽嘗試,通過局部結構改變,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點,為減少閘前淤積問題,在廊道設計時,增加了廊道的長度,廊道長度達50m,將淤積區控制在遠離進水閘區域,同時為達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。經試驗和計算,廊道內流速比上游整治段流速大1.31~1.37倍。通過這些措施達到了預期的效果,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,越利于敞泄沖刷達到沖淤平衡。換言之,在滿足引水時可敞泄排沙的流量出現頻率越大或時間越長,越利于防沙減淤。在利用現有的經驗公式計算時,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。經模型試驗,確定合理的穩定河寬為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

　　由于河道推移質粒大量多,樞紐抗磨問題至關重要,否則影響樞紐安全運行。在設計初期,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。經多方考察,決定將該先進科技材料應用到協合拉工程中,并在泄洪閘底板護堤及沖刷廊道底板大規模運用。而對墩兩側1.2m磨損部分,采用10cm厚鋼板防護,并將鋼板直接和墩體澆筑,解決抗磨問題。工程已運行三年,并經歷了設計洪水的運行,只有部分區域出現損壞,經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,減少了維護費用。

　　4、消能防沖設計

　　由于泄洪閘校核洪水時,單寬流量達到32.4m3/s,而閘室處地質條件差,抗沖能力弱,水工模型試驗時,最大沖刷深度達到10m。解決好消能事關閘室安危,而采用裙板消能裝置,較好地解決消能防沖問題。裙板設置要求裙板與護堤連接處預留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。在裙板設計方面,我們有成功的經驗,所以協合拉消能防沖采用裙板設計是成功的。

　　5、融冰電熱系統

　　協合拉引水樞紐冬季極端氣溫達-27.6℃,泄洪閘有2扇工作閘門運行,東、西岸進水閘工作閘門冬季均運行。門槽均設置電熱系統冬季融冰。門楣、側軌及底檻均設置電熱器。電熱器規格為側軌電熱器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

　　本閘樞紐自動化系統的目標是實現遙測、遙控及遠動的目的,同時保留手動系統,提高管理水平和質量,減輕勞務強度。

　　樞紐自動控制系統的功能:

　　(1)監測記錄過閘流量、閘門開度及上、下游水位。

　　(2)數字顯示水位、閘門開度及流量。

　　(3)根據河道來水及水位和給定引水流量自動調節閘門開序。

　　(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)實現事故自動處理功能。

　　(7)實現現場手動停機控制。

　　(8)實現緊急狀態下自動聲光報警。

　　該系統由河海大學水利水電科學研究院負責設計、研制、安裝和調試。

　　7、上游導流堤護面設計

　　由于上游導流堤又是蓄冰庫的壩體,壩體高10m。壩體設計事關工程安危,故在壩體設計中,首次成功地引進了面板壩設計,較好地解決了壩體防沖、防滲及安全穩定問題。

　　8、閘體的建筑設計

　　以前工程不重視外觀設計,而協合拉引水樞紐主體工程外觀建筑設計新穎,造型美觀大方,將水利工程設計與工民建的建筑設計有機地結合在一起,為地區的旅游業增添了一道亮麗的風景線。

　　結束語

　　通過該樞紐設計,筆者認為,首先要因地制宜,不迷信某一種型式,不拘泥于固定的經驗,在繼承中發展,在發展中創新,敢于負責,大膽創新,提出合理的方案,最后在水工模型試驗中進一步優化,一定能創造出適合當地河流水沙特性的引水樞紐型式。

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