北安市東勝灌區渠首改造工程溢流壩設計

呂仁國，孫蘭鳳，白建英

(1.黑河市愛輝區水務局，黑龍江黑河164300;2.黑河市水利勘測設計院，黑龍江黑河164300; 3.黑河水文局，黑龍江黑河164300)

1 工程概況

東勝灌區位于北安市東南東勝鄉境內，渠首位于東民村南2.0 km，距北安市城區25 km。東勝灌區以種植大豆為主，東勝灌區利用烏裕爾河來水可灌面積為933.3 hm2，遠景規劃利用聯合水庫及鬧龍河水庫補水，灌溉總面積可達2 000 hm2。東勝灌區渠首改造工程主要由進水閘、泄洪閘、溢流壩、防洪堤及灘地組成。

東勝灌區始建于1974年，1989年對灌區后續工程配套改造，1990年續建工程開工，1991年投入使用時完成溢流壩50 m。

2 溢流壩存在的問題

渠首工程自建成以來，多次發生溢流壩沖壞情況，現在溢流壩不能滿足過流要求，嚴重影響了東勝灌區的正常灌溉，需拆除原有溢流壩，在原河道處新建溢流壩。

3 溢流壩工程設計

3.1 溢流壩總體布置

溢流壩的主要作用是抬高水位，以便自流引水灌溉，并能宣泄河道多余的水量及汛期洪水。

原有溢流壩不能滿足過流要求，此次拆除原有溢流壩，在原河道處新建溢流壩，溢流壩凈寬320 m(樁號0+413.60～0+734.40)，溢流壩由防滲鋪蓋、壩體、消力池、海漫及防沖槽5個部分組成。

進口鋪蓋長13.6 m，采用素混凝土護砌，底板厚度0.5 m。兩側擋墻為鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，墻頂寬為0.4 m，墻頂高程257.63 m。

溢流壩壩體采用WES型堰，由壩頂曲線、直線段、反弧段組成。壩體由素混凝土護面及埋石混凝土構成。溢流壩壩頂高程為255.20 m，底寬3.0 m。

消力池采用底流式消能，鋼筋混凝土結構。池總長7.4 m，池深 0.7 m，消力池底高程 253.00 m，底板厚度0.8 m，兩側為懸臂式鋼筋混凝土擋土墻。消力池末端接干砌石海漫，海漫長15 m，采用干砌石護底，其下設0.2 m礫石墊層和砂墊層，兩側為懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程255.70 m，海漫末端設防沖槽，防沖槽以1∶5坡與天然河道連接。

3.2 溢流壩壩頂高程確定

當灌區引取河道枯水期全部流量時，溢流壩壩頂高程等于渠首水位(254.16+0.854)加過閘水頭損失(0.1 m)與渠道水頭損失(349×1/4000)之和。經計算 H頂 = 255.20 m。

3.3 溢流壩剖面設計

3.3.1 堰型選擇

采用WES型堰，由壩頂曲線、直線段、反弧段組成。

3.3.2 溢流壩剖面設計

由H－∑Q曲線查知:

1)堰頂O點上游三圓弧的半徑及其水平坐標值:

2)O點下游的壩頂曲線方程為:

壩頂曲線坐標見表1。

表1 壩頂曲線座標表

3)反弧半徑r=(0.25～0.5)(Hd+Hmax)取r=0.5 m。

4)下游直線段CD與曲線OC相切于C點。

C點座標Xc、Yc由下式求得

式中:ma為坡度，ma=0.7;P2為下游堰高，P2=2.2 m;r為反弧半徑，r=0.5 m;α為直線段傾角，α=55°;xc、yc分別為C點座標。

經計算:x0＇=2.33 m，y0＇=1.71 m，xE=2.33 m，yE= 2.2 m。

壩總長:2.55 m。為了和護坦很好地連接，同時也利于穩定，今將壩段長延至3.0 m。WES剖面圖見圖1。解得:xc=1.21，yc=1.25。

5)反弧曲線圓心O、切點D、E座標分別按下式計算:

圖1 溢流壩WES剖面圖

3.4 溢流壩水力計算

溢流壩按20 a一遇洪水設計，設計水位255.74 m，設計最大下泄流量243.81 m3/s;50 a一遇洪水校核，校核水位256.0 m，最大下泄流量439.13 m3/s。

3.4.1 溢流壩流量計算

采用公式為:

式中:m為流量系數等于0.49;ε為側收縮系數;ζk為溢流壩兩端側墻的形狀系數，ζk=0.7;H0為計入行近流速的水頭;P為最大壩高，m，P=2.2 m。

經計算:Q設=275.52 m3/s，Q校=439.13 m3/s。

計算流量均大于設計流量，斷面尺寸滿足要求。

3.4.2 溢流壩消能防沖設計

3.4.2.1 檢查壩下消能是否需建消力池

按校核洪水位的最大泄量求第二共軛水深hc〃。

1)上游比能T0計算公式為:

2)設φ=0.95，計算q2/3/T0。

3)根據q2/3/T0及φ值，從水力學書中，查得hc〃/q2/3=0.56。

hc〃=1.18 m＜hs=1.98 m，不需設消力池，但考慮到基礎的穩定及消能的充分，按構造設計一個池深為0.7 m的消力池。

3.4.2.2 消力池池長計算

公式為:

式中:H0為堰上水頭，H0=0.8 m;P為堰高，P=1.7 m;d0為池深，d0=0.7 m。計算結果:L=5.01 m，取L=6.5 m。

護坦采用0.8 m鋼筋混凝土結構。護坦下設10 cm厚素混凝土墊層。護坦設有排水孔，間距均為1.5 m，梅花形排列。

3.4.2.3 海漫設計

計算公式為:

式中:K為經驗系數;ΔH為上下游水頭差，ΔH=0.79 m;q為海漫末端單寬流量，q=1.37 m3/s/m。

計算結果:L=11.83 m，取L=12 m。

采用50 cm的干砌石護底，墊層采用厚度各為20 cm的礫石和粗砂層。

3.4.2.4 防沖槽設計

沖刷坑深度hp計算公式為:

式中:q為海漫末端的單寬流量，m3/s·m;α0為海漫末端斷面的動能改正系數，α0=1.3;y為海漫末端斷面垂線上最大流速點距河底的距離，m;hs為海漫末端斷面的水深，m，hs= 1.98 m;K為海漫末端斷面處的單寬流量集中系數，K=1.3;d為渠(河)床砂粒的平均粒徑，m，d=0.001 m。

經計算:hp=2.97 m＞h=1.98 m;h沖=0.99 m。

取防沖槽深1.0 m，防沖槽做成堆石形式，槽頂與海漫末端齊平，上游邊坡1∶2，下游邊坡1∶3，防沖槽底寬1.0 m，頂寬5.0 m，防沖槽采用1∶5坡度與下游河床連接。

4 結論

溢流壩建成后能保證渠首工程效益的正常發揮，抗御旱澇災害，提供灌區農業生產能力，保證東勝鄉經濟的可持續發展，加快新農村建設，對東勝灌區渠首工程的改造是十分必要的。

［1］ 宋祖詔，等.渠首工程［M］.北京:水利水電出版社，1986.

［2］ 吳持恭.水力學［M］.北京:高等教育出版社，1998.