协合拉引水枢纽设计特点理工论文
摘要:目前,我区已建成的引水枢纽型式虽多,但工程布置从整体方向考虑较多,而枢纽细部结构特点较少。协合拉引水枢纽设计充分吸取各种枢纽的特点,较好地解决枢纽引水、防沙、抗磨等问题,保证了枢纽的安全运行。
关键词:引水枢纽 设计特点
一、工程概况
协合拉引水枢纽工程位于新疆阿克苏地区温宿县境内的库玛拉克河出山口,闸址距温宿63km,距阿克苏市77km。
库玛拉克河是一条国际河流,也是塔里木河水系的最大支流。河道全长293km,其中国内河段长118km。河道径流年际变化小,但年内四季径流变化很大,主要集中在夏季6~8月份,为全年径流量的68.6%,多年平均径流量46.1亿m3,多年平均流量148m3/s,实测最大流量2860m3/s。
库玛拉克河属多沙性河流,泥沙来源主要为上游浅山区冰碛物和风化物及河相物,多年平均输沙量为1570万吨,最大月平均含沙量为4.69kg/m3,河床中推移质平均粒径0.12m,最大粒径为0.49m。
枢纽区结冰期为11月中旬,解冰期3月中旬。在12月至2月有岸冰出现,最大岸冰0.65m,主要为流冰花和流冰块。据资料分析,年输冰量在200万m3。
闸址区河床盖层厚度30~50m,为全新统冲积(aLQ4)沙卵砾石层,地质条件较好。其中0~2m为松散卵砾石层,以5~20cm卵石为主,2~4.5m为较致密的含漂石卵砾石层,漂石粒径30~60cm;4.5~6m为致密卵砾石层。闸基土允许承载力为40~50t/m2,闸基土内摩擦角为40°。
该工程兴建,近期将解决两岸灌区132万亩良田的引水问题,缓解了春旱缺水。通过工程渠化,防渗节水7000万m3,并利用总干渠水能和有利地形条件修建塔尕克一级水电站工程,总装机4万Kw,年发电量2.47亿Kw.h。同时为向塔里木河输送33亿m3的生态水量提供保障。
二、工程规模
协合拉引水枢纽是库玛拉克河梯级中、大、小石峡水库后规划的唯一引水枢纽,控制着下游5级引水式电站和该河全部灌区,是灌溉发电的综合引水工程。工程为二等大(2)型,主要建筑物为二级。枢纽设计洪水标准为50年一遇,相应流量为2674m3/s,校核洪水标准为100年一遇,相应流量为3013m3/s。闸前蓄冰库容230万m3,东岸设计引水流量90m3/s,加大引水流量120m3/s,西岸设计引水流量10m3/s,加大流量18m3/s,枢纽最大泄洪流量为2913m3/s。
三、对现有的引水枢纽评价
1、人工弯道引水枢纽
利用弯道环流的特性,“正面引水、侧面排沙”边引水、边排沙,进水闸引取表层含沙量低的水,而冲沙闸排走运动中的底沙,须消耗较大的能量和水量,无法解决汛前5、6月份水量紧缺时引水和冲沙的矛盾,只得采取间歇冲沙方法,闸前易淤积,造成泥沙进入引水闸。另外,弯道要求有较长的整治段,以形成人工弯道,上游要设泄洪闸,干渠上要设沉沙池以配套冲砂,这样造成枢纽造价高、工程分散、管理不便。
2、悬板分层式引水枢纽
利用悬板,把推移质隔在悬板以下,从悬板以上引取表层水,当淤积到一定高度时,利用悬板下设冲沙廊道冲沙,保证进水闸前不淤积,所以引水防沙效果较好。但由于汛期取表层水,闸前采用壅水运行,冲沙不利,闸前淤积区会增加,因而必须考虑采取措施,限制闸前淤积区。但这种枢纽建筑物比较集中,便于运行管理,投资少。
3、底栏栅式引水枢纽
底栏栅式引水枢纽,由于受栅隙及廊道过水能力的限制,大中型引水枢纽还未采用。它与其它型式的渠首相比,布置容易、结构简单、施工方便、工程造价低。目前对原型式进行了改进,对廊道断面和栅条断面形状进行了更合理的改进,适应范围不断扩大。
四、协合拉引水枢纽工程布置
协合拉引水枢纽设计初期,曾专门考察了已建成大中型引水枢纽多座,听取了设计和管理运行经验。考虑采用人工弯道式引水枢纽和悬板分层式引水枢纽,作为协合拉引水枢纽设计方案。这二种枢纽布置型式较适合新疆多推移质山溪性河流,早已为许多区内外专家所肯定,无疑是轻车熟路,也易于审查通过。
根据枢纽地形条件,按人工弯道式引水枢纽和悬板分层式引水枢纽设计布置。但人工弯道式布置时,解决两岸引水较困难,须在干渠设分水闸及跨河工程方可解决另岸引水问题,而悬板分层式布置,以整体布置考虑较理想,工程结构简洁、投资少。通过水工模型试验,二个方案均不太理想,但互补性较强,将两个方案优势结合,形成目前协合拉引水枢纽的布置雏形。通过模型试验验证、修改,形成了目前实施的方案。详见附图。
协合拉引水枢纽是拦河式悬板分层引水枢纽,该枢纽主要由:(1)上、下游人工整治段;(2)泄洪冲砂闸;(3)东西岸进水闸;(4)进水闸前悬板组成。现分述如下:
1、上、下游人工整治段
上游人工整治段底宽104.4m,全段长400m,坝端以弧型与两岸衔接,整治段河床稳定纵坡1/235,两岸导流堤高10m,坡比1:1.75,护面采用50cm厚C15细粒砼砌卵石。
下游整治段长300m,底宽104.4m。纵向稳定河床坡降为1/225,坡面为50cmC15细粒砼砌卵石。导流堤高6.5m,坡比1:1.5,河床以下设防冲齿墙,防冲深度为8m。
2、泄洪冲砂闸
为“一”字拦河闸,总长104.4m,共计9孔,单孔宽10m,闸室长18m,闸底板高程1420.5m,孔高10m,为单孔整体式结构。设计泄洪Q=2674m3/s,设计水位h=5.32m,校核流量Q=3013m3/s,时,校核水位h=5.71m,闸墩上设封闭式工作房,内设启闭设备。
闸前铺盖为斜坡式,坡比1:4,铺盖总长30m,深度为5.5m,闸后护堤10m,后接裙板消能。
3、东西岸进水闸
东岸进水闸与泄洪冲砂闸顺水流方向轴线夹角60°,设闸3孔,每孔净宽10m,设计过闸流量Q=90m3/s。闸底板高程1421.7m,比冲砂闸底板抬高1.2m,比冲砂廊道悬板面低0.45~0.25m,闸室长16m,闸顶与泄洪闸同高,墩顶上设封闭式启闭工作室及检修设备。
西岸进水闸与九孔泄洪闸并列布置,为单孔,孔宽8m,设胸墙,孔高2.5m,设计过闸流量Q=10m3/s,底板高1421.5m,闸顶及闸上结构同泄洪闸。
4、进水闸前悬板
在靠近泄洪闸第一、二孔和第九孔时,西岸进水闸前布置冲砂廊道(即分层悬板),东岸进水闸前廊道为4孔,2孔4.95m,2孔5.35m,廊道净高1.2~1.4m,廊道长30~50m。西岸进水闸前廊道不分孔,廊道净高1.4m,廊道长10~20m,廊道出口接泄洪闸。
五、协合拉引水枢纽工程设计特点
目前我区引水枢纽普遍存在着引水与冲沙的矛盾,枢纽上下游淤积的问题、闸室抗磨问题、下游消能问题等,以往人们往往从整体上考虑的多,从局部上考虑的少,因此防沙引水效果不够理想。而协合拉引水枢纽借助于模型试验大胆尝试,通过局部结构改变,取得了较好的'成效。以下从几个方面简要说明。
1、引水与冲沙
充分利用悬板分层式引水的优点,为减少闸前淤积问题,在廊道设计时,增加了廊道的长度,廊道长度达50m,将淤积区控制在远离进水闸区域,同时为达到廊道用少量水排走大量沙的目的,缩小了廊道的断面尺寸,改为四孔。经试验和计算,廊道内流速比上游整治段流速大1.31~1.37倍。通过这些措施达到了预期的效果,避免了闸前淤积面抬高,又有泥沙跃上悬板引入进水闸的危险。
2、枢纽上、下游淤积的防治
由于悬板分层式引水,造成闸前水位壅高,而壅水运行的时间越短,其闸前淤积量越少,越利于敞泄冲刷达到冲淤平衡。换言之,在满足引水时可敞泄排沙的流量出现频率越大或时间越长,越利于防沙减淤。在利用现有的经验公式计算时,充分考虑闸前蓄冰库而堤防加高的有利条件,采用P=99%作为造床流量计算。利用“束水攻沙”的原理,在防洪安全的前提下,缩窄上下游整治段的宽度。经模型试验,确定合理的稳定河宽为104.4m,同时为保证输沙顺畅,上游整治段长400m,下游整治段300m。从工程近几年的运行情况看,枢纽冲沙效果较好。
3、建筑物抗磨问题
由于河道推移质粒大量多,枢纽抗磨问题至关重要,否则影响枢纽安全运行。在设计初期,曾考虑采用花岗岩条石、铸铁、塑料砖、砌石等作为抗磨材料,但均不理想。在考察中,武汉水利水电大学提供了新型抗磨抗砸的建筑材料,即耐磨砼,而且已成功运用,效果较好,施工简单。经多方考察,决定将该先进科技材料应用到协合拉工程中,并在泄洪闸底板护堤及冲刷廊道底板大规模运用。而对墩两侧1.2m磨损部分,采用10cm厚钢板防护,并将钢板直接和墩体浇筑,解决抗磨问题。工程已运行三年,并经历了设计洪水的运行,只有部分区域出现损坏,经分析主要是施工过程中的问题。由于采用新材料,保证了工程安全,减少了维护费用。
4、消能防冲设计
由于泄洪闸校核洪水时,单宽流量达到32.4m3/s,而闸室处地质条件差,抗冲能力弱,水工模型试验时,最大冲刷深度达到10m。解决好消能事关闸室安危,而采用裙板消能装置,较好地解决消能防冲问题。裙板设置要求裙板与护堤连接处预留20cm左右的间隙,裙板钢轨长短相间并列布置,钢轨长度为4.5m和6m,并每10片钢轨组成一组,并列排列,要求不留间隙,裙板下要有一定的空间,不能全填。在裙板设计方面,我们有成功的经验,所以协合拉消能防冲采用裙板设计是成功的。
5、融冰电热系统
协合拉引水枢纽冬季极端气温达-27.6℃,泄洪闸有2扇工作闸门运行,东、西岸进水闸工作闸门冬季均运行。门槽均设置电热系统冬季融冰。门楣、侧轨及底槛均设置电热器。电热器规格为侧轨电热器GYQ01-220/0.8,门楣电热器GYQ03-220/0.8,底槛电热器GYQ01-220/0.8。共有6扇门槽设置了电热融冰装置,以保证工作闸门在冬季能正常运行。
6、水闸自动化系统
本闸枢纽自动化系统的目标是实现遥测、遥控及远动的目的,同时保留手动系统,提高管理水平和质量,减轻劳务强度。
枢纽自动控制系统的功能:
(1)监测记录过闸流量、闸门开度及上、下游水位。
(2)数字显示水位、闸门开度及流量。
(3)根据河道来水及水位和给定引水流量自动调节闸门开序。
(4)计算日平均流量及累积水量。
(5)具有定时打印及召唤打印各种报表。
(6)实现事故自动处理功能。
(7)实现现场手动停机控制。
(8)实现紧急状态下自动声光报警。
该系统由河海大学水利水电科学研究院负责设计、研制、安装和调试。
7、上游导流堤护面设计
由于上游导流堤又是蓄冰库的坝体,坝体高10m。坝体设计事关工程安危,故在坝体设计中,首次成功地引进了面板坝设计,较好地解决了坝体防冲、防渗及安全稳定问题。
8、闸体的建筑设计
以前工程不重视外观设计,而协合拉引水枢纽主体工程外观建筑设计新颖,造型美观大方,将水利工程设计与工民建的建筑设计有机地结合在一起,为地区的旅游业增添了一道亮丽的风景线。
结束语
通过该枢纽设计,笔者认为,首先要因地制宜,不迷信某一种型式,不拘泥于固定的经验,在继承中发展,在发展中创新,敢于负责,大胆创新,提出合理的方案,最后在水工模型试验中进一步优化,一定能创造出适合当地河流水沙特性的引水枢纽型式。
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