新西渠首工程设计

2013-09-19魏宏刚

水利技术监督 2013年3期

魏宏刚

（平凉市水利水电勘测设计院，甘肃平凉 744000）

1 工程概况

新西渠首位于策底河上游甘肃省华亭县河西乡新西村境内的支流上，距宁夏泾源县县界碑约0.6km，工程坝址在河西乡新西村的涅桥，坝址以上控制流域面积218km2。新西渠设计灌溉面积2500亩，渠首引水流量0.3m3/s，工程等级为Ⅴ等小（2）型，主要建筑物级别均为5级，新西渠引水枢纽防洪标准按10年一遇洪水设计，20年一遇洪水校核。

2 水文

汭河是泾河上中游右岸的一级支流，发源于六盘山、陇山分水岭的东麓，水源地最高海拔2670m，上游由策底河、北汭河、南汭河及南川河汇流而成，流经华亭、崇信，于泾川县城西侧汇入泾河，干流全长119km，纵坡比降5.27‰，流域面积1671km2。策底河是汭河为一级支流，发源于六盘山东麓的宁夏泾源县新民乡童家山，自西向东流经泾源县新民乡、华亭县河西乡、砚峡乡、策底镇、于石堡子工业园区东侧汇入汭河，全长54.5km,总流域面积527km2,其中华亭县境内309 km2，河床平均比降0.99%。

由于策底河无实测水文资料，华亭县石堡子水库已经建成，且石堡子位于策底河下游，其下垫面因素相同，故利用石堡子水库径流、洪水资料，采用面积比拟法推算渠首枢纽工程坝址处的径流及洪水资料。

经计算新西渠渠首坝址处P =50% 年径流量2167万m3，20年一遇洪峰流量237m3/s ，10年一遇洪峰流量165m3/s。P =75% 年径流量1414万m3。

3 工程地质

新西渠渠首位于河西乡以西4.0km处，坝址河谷宽200m，平均高程1650～1651m，右岸为基岩山体，白垩系砂质泥岩裸露，远离现代河床。由室内颗粒试验资料，现代河床大于60mm块石漂石占66.7%，60～5mm占20.7%，小于5mm以下各粒组占12.6%，地基承载力标准值0.4MPa，可满足渠首建设要求。

4 工程总体布置

新西渠首枢纽工程采用自流无坝引水取水方式，渠首设在涅桥社公路桥向东80m的策地河支流上。新西渠渠首枢纽由冲砂闸、进水闸、冲砂闸右边墩导流堤、左岸护岸四部分组成。冲砂闸布置在河道主流，处在河岸较为坚固、河流弯道的凹岸，冲砂闸前沿主河床布置导流堤69.77m，闸后设消力池。进水闸位于河左岸，引水角为21.70，进水闸前设13.5m护岸。

4.1 控制高程确定

渠首枢纽的控制高程主要是冲砂闸底板、进水闸底板和导流堤顶高程。根据渠首附近河道比降及冲淤状态，冲砂闸地板高程取河床平均高程，确定冲砂闸底板高程为1649.9m。进水闸底板高出冲砂闸底板0.3m计，确定为1650.2m。

4.2 基本尺寸确定

冲砂闸总宽度按渠首总过水宽度的1/3～1/10规范建议，并结合本市已建工程经验，确定本渠首工程共设2孔冲砂闸，每孔净宽设计3m，总净宽6m。进水闸宽度取0.8m。

4.3 水力计算

4.3.1 坝轴线下游河道洪水位计算

采用坝轴线以下50m处的河道为计算断面，该段河床顺直，无杂草、漂石，平均比降6.06‰，糙率选0.04。按复式断面下明渠均匀流法计算得下游河床水位流量关系曲线，按渠首设计和校核洪峰流量查得下游河道设计洪水位为1650.950m，校核洪水位为1651.900m。

4.3.2 泄流计算

枢纽泄流由两部分组成，一部分为冲砂闸泄流，另一部分为河床泄流。

（1）冲砂闸泄流量计算：渠首共设2孔冲砂闸，每孔净宽3m，为开敞式，按无坎宽顶堰（0.6＜δ＜2.5H＝泄流公式计算闸前水位与流量关系。即：

式中：Q闸－冲砂闸泄流量（m3/s）；

δs－淹没系数，根据上下游水位关系冲砂闸泄流为自由出流；

m’－流量系数，取0.36；

n －闸孔数，为2孔；

b －单孔净宽，为3m；

H0－计入行近流速的闸前水头（m）；

g－重力加速度，为9.81m/s 。

从闸底板高程1649.9m算起，计算得冲砂闸不同水位泄流量。

（2）河床泄流计算：扣除冲砂闸宽度后，河道泄流按明渠均匀流计算：

式中Q －流量（m3/s）；

ω －河床过水断面面积m2；

n －造率，取0.04；

i －河床比降，实测6.06% 。

（3）冲砂闸、河床联合泄流量计算：当上游水位低于右岸河床高程时砂闸单独泄流，总泄流量等于冲砂闸泄流量，当高于河床地面高程时，冲砂闸和河床联合泄流，总泄流量等于相同水位时两者泄流量之和。

（4）渠首水力计算结果：经水力计算，当上游来水为设计洪水165m3/s时，上游水位为1651.700m，冲砂闸泄流量为23.1m3/s，河床泄量为141.9m3/s，闸、河床泄流比为1：6.1，冲砂闸单宽流量为3.85m3/s。当上游来水为校核洪水237m3/s时，上游水位为1651.9m，冲砂闸泄流量为27m3/s，河床泄流量为210m3/s，闸、河床、闸泄流比为1： 7.7，冲砂闸单宽流量为4.5m3/s，闸、坝单宽流量均在地基允许的单宽流量范围内。渠首枢纽水力计算成果详见表1。

表1 新西渠首水力计算成果表

（5）导流堤顶高程按下式确定：

式中：Z－堤导流堤顶高程；

Z－设计相应设计引水流量的进水闸前水位，进水闸顶高程为1650.2m，相应于设计流量的闸前水深H按下式计算：

经计算：H为0.5；

则Z设计=1650.2+0.5=1650.7m。

ΔZ渠首进水闸水头损失，取0.1m ；

ΔD1安全超高，取0.2m；

则Z堤=Z设计+ΔZ+ΔD1

=1650.7+0.1+0.2

=1651.00m

（6）导流堤堤底设计高程计算。

护堤基底按冲刷深度计算确定，护堤顶高为设计洪水位加0.5m安全超高值（根据《堤防工程设计规范》查取）再加上波浪爬高及风壅水面高0.3m (波浪爬高及风壅水面高度计算方法同上，设计风速V＝20m/s；吹程为100m；水深3.1m。)。设计冲刷深度按《堤防工程设计规范》GB50286-98给出的平顺护堤冲刷深度公式计算：

式中：

hB－局部冲刷深度（m），从河底算起（深弘线）；

hp－冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；

Vcp－河槽设计流量时平均流速（m/s）；

V允－允许不冲流速（m/s），根据堤基d50粒径选定，根据地质资料提供d50 =11.0～23mm，相应V允＝0.5～0.8 m/s，取V允＝0.6m/s；

n －指数，河岸冲刷一般取1/4；

求得冲刷深度（从河底算起）hB＝0.7m，设计护堤基底埋深为冲刷深度加1.8m的安全埋深，为2.5m。

导流堤底高程=冲砂闸底板高程-冲刷深度-安全超高，随着导流堤向上游延伸，其底部高程随着河床平均比降逐渐抬高止导流堤起始段河床高程1651.000m。

4.4 结构设计

（1）冲砂闸结构设计：据河流泥砂状况及渠首枢纽泄流计算，新建渠首冲砂闸设为2孔，单孔宽3m，总净宽6m，选用开敞式，基础座于砂砾层上，闸墩长6m，中墩厚1m，两边墩为重力挡土墙式，顶厚1.0m。冲砂闸底板设计高程1649.9m，与主河槽平均高程基本齐平，采用C30钢筋混凝土现浇，其余采用C15混凝土现浇。闸后修建长度为12m的消力池，池深0.6m。

考虑闸门启闭高度要求，闸墩高度为3.9m闸墩顶高程设计为1653.8m，高于校核水位1.9m，闸墩及底板均用C20钢筋混凝土现浇，启闭机室直接修在闸墩顶部，净长13.46m，净宽5.34m，底板为板梁结构，用C20钢筋混凝土现浇，板厚0.12m，梁高0.4m。

（2）进水闸：位于冲砂闸右侧。进水闸轴线与冲砂闸中轴线夹角 21.7°闸墩长8m，高 3.6m，闸底板高程1650.2m，孔口净宽为0.8m，孔高0.8m，闸前设胸墙，厚0.25m，用C20钢筋混凝土现浇。闸墩采用C15混凝土现浇。

（3）冲砂闸右边墩导流堤：冲砂闸右边墩导流堤设计为重力式挡土墙结构，长度69.77m，导流堤顶高程1651.00m，基底高程在1647.9～1649.824m。顶宽 1.0m，底宽 3.0 m，采用C15混凝土现浇。

（4）左岸护岸：为保证引水安全，延长渗径，在进水闸左侧边墩修了长度为5m的齿墙，齿墙与河岸衔接，断面为重力式结构，顶宽0.6m，底宽1.9m，高度6.4m；为了保证泾华公路安全，防止洪水冲刷左岸岸坡，左岸进水闸上游设计了长13.5m的护岸，基底坐落在河床沙砾上，底部高程1647.4m，护岸顶高程为上游校核洪水位1651.9m加0.9m超高即为1652.8m，护岸总高5.4m，基础宽1.9m，顶宽0.4m，采用重力式挡土墙结构，用C15混凝土现浇，护岸后用土石填筑与堤顶齐平。

（5）启闭机室：进冲闸启闭机室直接建于闸墩顶部，设计为砖混结构，高3.3m，建筑面积64m2，底板高程1653.8m，闸室底板为C20钢筋混凝土现浇梁板结构。