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土木工程畢業(yè)論文-協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計(jì)特點(diǎn)
摘要：，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(diǎn)較少。協(xié)合拉引水樞紐設(shè)計(jì)充分吸取各種樞紐的特點(diǎn)，較好地解決樞紐引水、防沙、抗磨等，保證了樞紐的安全運(yùn)行。關(guān)鍵詞：引水樞紐 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
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(guó)際河流，也是塔里木河水系的最大支流。河道全長(zhǎng)293km，其內(nèi)河段長(zhǎng)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(shí)測(cè)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，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(jí)水電站工程，總裝機(jī)4萬Kw，年發(fā)電量2.47億Kw.h。同時(shí)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(jí)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(jí)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(jí)。樞紐設(shè)計(jì)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(jì)引水流量90m3/s，加大引水流量120m3/s，西岸設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)有的引水樞紐評(píng)價(jià)
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(yùn)動(dòng)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(shí)引水和沖沙的矛盾，只得采取間歇沖沙，閘前易淤積，造成泥沙進(jìn)入引水閘。另外，彎道要求有較長(zhǎng)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(jià)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(shí)，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(yùn)行，沖沙不利，閘前淤積區(qū)會(huì)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(yùn)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(jiǎn)單、施工方便、工程造價(jià)低。目前對(duì)原型式進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)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(jì)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(jì)和管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)�？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(jì)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(jì)布置。但人工彎道式布置時(shí)，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(jiǎn)潔、投資少。通過水工模型試驗(yàn)，二個(gè)方案均不太理想，但互補(bǔ)性較強(qiáng)，將兩個(gè)方案優(yōu)勢(shì)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(yàn)驗(yàn)證、修改，形成了目前實(shí)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�，F(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(zhǎng)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(zhǎng)300m，底寬104.4m�？v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(zhǎng)104.4m，共計(jì)9孔，單孔寬10m，閘室長(zhǎng)18m，閘底板高程1420.5m，孔高10m，為單孔整體式結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)泄洪Q=2674m3/s，設(shè)計(jì)水位h=5.32m，校核流量Q=3013m3/s，時(shí)，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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(shí)，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(zhǎng)30～50m。西岸進(jìn)水閘前廊道不分孔，廊道凈高1.4m，廊道長(zhǎng)10～20m，廊道出口接泄洪閘。
五、協(xié)合拉引水樞紐工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)
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(yàn)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(gè)方面簡(jiǎn)要說明。
1、引水與沖沙
充分利用懸板分層式引水的優(yōu)點(diǎn)，為減少閘前淤積問題，在廊道設(shè)計(jì)時(shí)，增加了廊道的長(zhǎng)度，廊道長(zhǎng)度達(dá)50m，將淤積區(qū)控制在遠(yuǎn)離進(jìn)水閘區(qū)域，同時(shí)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(yàn)和，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(xiǎn)。
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(yùn)行的時(shí)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(shí)可敞泄排沙的流量出現(xiàn)頻率越大或時(shí)間越長(zhǎng)，越利于防沙減淤。在利用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí)，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(jì)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(yàn)，確定合理的穩(wěn)定河寬為104.4m，同時(shí)為保證輸沙順暢，上游整治段長(zhǎng)400m，下游整治段300m。從工程近幾年的運(yùn)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，否則樞紐安全運(yùn)行。在設(shè)計(jì)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(yùn)用，效果較好，施工簡(jiǎn)單。經(jīng)多方考察，決定將該先進(jìn)材料到協(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(yùn)用。而對(duì)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(yùn)行三年，并經(jīng)歷了設(shè)計(jì)洪水的運(yùn)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(fèi)用。
4、消能防沖設(shè)計(jì)
由于泄洪閘校核洪水時(shí)，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(yàn)時(shí)，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。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(zhǎng)短相間并列布置，鋼軌長(zhǎng)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(jì)方面，我們有成功的經(jīng)驗(yàn)，所以協(xié)合拉消能防沖采用裙板設(shè)計(jì)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(yùn)行，東、西岸進(jìn)水閘工作閘門冬季均運(yùn)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(yùn)行。
6、水閘自動(dòng)化系統(tǒng)
本閘樞紐自動(dòng)化系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控及遠(yuǎn)動(dòng)的目的，同時(shí)保留手動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的功能：
（1）監(jiān)測(cè)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(dòng)調(diào)節(jié)閘門開序。
�。�4）日平均流量及累積水量。
�。�5）具有定時(shí)打印及召喚打印各種報(bào)表。
�。�6）實(shí)現(xiàn)事故自動(dòng)處理功能。
�。�7）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)停機(jī)控制。
�。�8）實(shí)現(xiàn)緊急狀態(tài)下自動(dòng)聲光報(bào)警。
該系統(tǒng)由河海大學(xué)水利水電院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、研制、安裝和調(diào)試。
7、上游導(dǎo)流堤護(hù)面設(shè)計(jì)
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(jì)事關(guān)工程安危，故在壩體設(shè)計(jì)中，首次成功地引進(jìn)了面板壩設(shè)計(jì)，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(jì)
以前工程不重視外觀設(shè)計(jì)，而協(xié)合拉引水樞紐主體工程外觀建筑設(shè)計(jì)新穎，造型美觀大方，將水利工程設(shè)計(jì)與工民建的建筑設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合在一起，為地區(qū)的業(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(jì)，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(yàn)，在繼承中，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(yàn)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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