北引渠首工程溢流壩設計

李 軍 ，倪萬勝

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶 163000)

北引渠首工程溢流壩設計

李 軍 ，倪萬勝

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶 163000)

北引渠首為嫩江干流上的引水樞紐工程，不但具有引水功能也具有一定的防洪功能，因此溢流壩的設計十分重要，文章闡述了壩頂高程的確定以及設計計算要素，并提出了溢流壩設計中應考慮的一些因素。

北引;水利工程;溢流壩;設計計算

1 概述

北引渠首工程是尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程中的“龍頭”工程，位于訥河市拉哈鎮西北約7.0 km處，尼爾基水庫下游28 km的嫩江干流上。

為了保證松嫩平原國家商品糧基地糧食安全、促進農村經濟發展、調整改造大慶等東北老工業基地、促進生態環境良性發展保證生態省和生態市、充分發揮尼爾基水利樞紐工程綜合效益，作為其配套項目的“龍頭”工程，應該首先修建。渠首工程修建后，將大大提高和改善現有的北部引嫩工程的引水條件，增加引水量，為城市和農業灌溉供水，為松嫩平原建設提供了引水保證。渠首建成后能夠更快更好的帶動并促進引嫩骨干一期工程其他項目的全面實施，加快以大慶為中心的周圍市縣工業、牧業、生態環境建設，更好地滿足黑龍江省經濟持續、快速、健康發展，提供水資源支撐和保障。

2 溢流壩設計

2.1 壩頂高程的確定

溢流壩既要滿足宣泄洪水的要求，還要滿足正常蓄水位時的壩頂交通要求，以免在正常引水水位時，江水漫過壩頂，對交通安全造成隱患。綜合以上因素確定溢流壩在正常引水水位情況下的壩頂高程，計算數據見表1。

2.2 溢流壩結構設計

根據溢流壩高程的計算結果，結合樞紐工程的總體布置，對于泄洪閘右側壩軸線方向現狀地面線高程低于177.00 m的地段布置溢流壩。據此溢流壩供需布設3段：一段在主河槽緊靠泄洪閘右側;一段位于過水路面處;另一段團結橋下，3段溢流壩總長度為839.5 m。

表1 壩頂高程計算成果表 m

所有溢流壩斷面形式均為混凝土埋石外包鋼筋混凝土殼的重力式，混凝土埋石與壩殼接觸面設插筋。

壩頂寬度除團結橋下沒有交通要求定為2 m外，其余兩端壩頂寬度與土壩及泄洪閘交通橋統一，均為7 m。考慮泄洪閘側涵橋銜接段下溢流壩水流條件較為復雜，上游鋪蓋采用格賓與混凝土相結合的形式，其余壩段上游均采用單一格賓鋪蓋形式，格賓下設0.1 m砂礫石墊層，下鋪400 g/m2無紡布一層，溢流壩下游均設格賓石籠海漫，海漫布置高度的原則為盡量減小開挖量，格賓下設0.1 m砂礫石墊層，下鋪400 g/m2無紡布一層，海漫末端設防沖槽，防沖槽底寬1.5 m，深1.6 m。

溢流壩各分塊之間以及混凝土鋪蓋與溢流壩之間均采用紫銅片止水，溢流壩與固灘交界處上下游均采用擋土墻連接。

2.3 設計計算

2.3.1 過流計算

式中：B為總凈寬，m;Q為流量，m3/s;g為重力加速度，采用9.81 m/s2;H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m;m為堰流流量系數;ε為側收縮系數;σ0為涇深系數。

計算成果見表2。

依據運用條件選用寬頂堰計算過流能力，其理論公式可按下式計算：

表2 溢流壩過流計算成果表

2.3.2 消能防沖計算

計算采用《水閘設計規范》(SL 265-2001)附錄B的相關公式，由于溢流壩開始泄流時，泄洪閘已開啟，下游水位已抬高，因此，溢流壩泄洪均為淹沒出流。

從計算結果看不需要設置消力池，考慮溢流壩在整個溢流過程中上，下游水頭差很小，基本不存在動能突然增大的情況，因此，擬不設消力池，但為防止沖刷需設置海漫。由于下游灘地土質按級配良好的細礫，經驗算需要海漫長度為17.95 m，但根據地形及總體布置需求，結合消力池計算，海漫設計長度取25 m。

2.3.3 穩定計算

溢流壩正常引水水位為176.20 m，當嫩江來水水位達到177.00 m時，溢流壩開始溢流，而此前泄洪閘閘門早已全部打開泄洪，此時下游水位達到176.94 m，溢流壩上下游水頭差為0.06 m，隨著上游來量增大，水位升高逐漸逼近設計和校核狀態，但這兩種工況下的水頭差都＜0.2 m，對于穩定計算不起控制作用。

當上游水位為正常引水水位176.2 m，而主河槽為生態流量35 m3/s時，對應的下游水位為171.05 m，江水集中在主河槽，溢流壩下游無江水，此時對于溢流壩穩定屬最不利工況，據此進行滲透，抗滑穩定計算。選擇泄洪閘側溢流壩斷面尺寸最大且沒有混凝土鋪蓋處作為典型斷面進行計算。

2.3.3.1 滲透穩定計算

在上述最不利工況下，經驗證得出出口段滲流比降J處=0.13，水平段滲流比降J水平=0.1滿足要求。

2.3.3.2 抗滑穩定計算

在上述最不利水況下，按下式計算的抗滑穩定安全系數為5.4，滿足《砌石壩設計規范》(SL25-2006)要求。

2.3.3.3 基底應力分析

在基本荷載組合情況下，壩基面所承受的最大垂直正應力均小于壩基允許壓應力，最大與最小應力比值＜2.0，滿足規范要求。計算成果見表3。

表3 溢流壩應力計算成果表

3 結語

在溢流壩設計工作中還要充分考慮以下因素的影響：

1)有足夠的溢流前沿長度和泄流能力以滿足防洪要求。

2)水流平順，壩面無不利的負壓或振動。

3)下泄水流不造成危害性沖刷。高水頭溢流壩泄水流速可達30～40 m/s或更大，下游河床單寬消能功率可達幾萬甚至幾十萬千瓦。從溢流或泄水段到下游消能工設計要解決好：空蝕和磨蝕、摻氣和霧化、輕型結構的振動、河床和岸坡的沖刷等一系列高速水流問題。要選擇合適的壩頂和堰面曲線形式：既要有較大泄流能力，又要有穩定的水流形態和免遭空蝕破壞、容易施工的體型。較好的消能工形式和尺寸對樞紐各建筑物的安全運行具有重要意義。

［1］王文婷，董玉濤.溢流壩設計存在的主要問題［J］.河南水利與南水北調，2009(6)：62-63.

［2］夏毓常.關于溢流壩壩面流速系數的計算［J］.水利學報，1980(4)：89-91.

［3］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.北引渠首初步設計報告［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2009：211-214.

TV652.1

B

1007-7596(2011)06-0126-02

2011-06-16;

2011-11-12

李軍(1981-)，男，黑龍江訥河人，助理工程師;倪萬勝(1966-)，男，黑龍江訥河人，助理工程師。