鶴崗市小鶴立河水庫除險加固工程溢洪道設(shè)計

高 磊，王勇剛，段新宇

(1. 黑龍江省工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢事務(wù)所，哈爾濱150001;2. 黑龍江省政府發(fā)展研究中心，哈爾濱150001;3. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感技術(shù)中心，哈爾濱150086)

1 概 況

1.1 自然地理及水文氣象特征

鶴崗市小鶴立河水庫位于黑龍江省鶴崗市蔬園鄉(xiāng)西側(cè)3 km附近，松花江二級支流鶴立河的支流小鶴立河中上游，壩址地理座標(biāo)為E130°12'40″，N47°20'35″。集水面積183 km2，占小鶴立河流域面積的63%，水庫壩址以下為淺丘向平原過渡地帶。

鶴立河流域?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬嚴(yán)寒而漫長。多年平均氣溫3 ℃左右，以7、8月份最熱，最高氣溫35 ℃;以1、2月份最冷，最低氣溫－33 ℃，多年平均封凍天數(shù)約150 d左右。多年平均最大凍土深度約2.0 m。

1.2 水利工程現(xiàn)狀及存在問題

小鶴立河水庫1958年由鶴崗市礦務(wù)局興建，1962年投入使用，原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為:20 a一遇洪水設(shè)計，300 a一遇洪水校核。設(shè)計總庫容1150 ×104m3。當(dāng)時水庫建設(shè)規(guī)模沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，實際總庫容僅達(dá)到530 ×104m3，興利庫容為246 ×104m3，僅供礦務(wù)局供水需要。水庫大壩逐漸加高，現(xiàn)總庫容已達(dá)到1120 ×104m3，校核洪水位為161.00 m;設(shè)計庫容900 ×104m3，設(shè)計洪水位159.9m;興利庫容為728 ×104m3，興利水位為159.00 m;死庫容為76 ×104m3，死水位154.00 m。現(xiàn)日供水能力達(dá)到2.56 ×104m3，農(nóng)田灌溉為333 hm2。

1.2.1 水庫現(xiàn)狀規(guī)模小、防洪標(biāo)準(zhǔn)低

小鶴立河水庫集雨面積大，既有大壩頂高程低，水庫規(guī)模小，調(diào)蓄能力極低。經(jīng)復(fù)核，大壩頂高程應(yīng)為164.0 m，比既有壩頂高程161.80 m高2.20 m。當(dāng)發(fā)生超20 a一遇洪水時，水庫泄量與來量大致相等，水庫無攔洪削峰作用［1］。

1.2.2 既有工程損壞重、隱患多

既有大壩護(hù)坡塊石風(fēng)化嚴(yán)重;溢洪道上下游翼墻出現(xiàn)多出錯位，縱橫向裂縫、底板剝蝕、海漫沖毀，閘門漏水、啟閉不靈;輸水洞進(jìn)口翼墻、底板裂縫、錯位、剝蝕，閘門銹蝕、漏水，啟閉困難。

1.2.3 城市防洪安全需要水庫提供保障

水庫以下河道左岸雖建有堤防，但堤距較窄，堤防標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，洪水給該地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，嚴(yán)重影響著本地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。1985年洪水約為20 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，使沿岸的村鎮(zhèn)2 ×104余人，2 333 hm2農(nóng)田受災(zāi)，3 座國有煤礦受淹，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1389 ×104元之多。因洪災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失累計已達(dá)1 ×108余元。

1.2.4 水庫除險是保證城市和工業(yè)用水的需要

目前向陽、工農(nóng)、南山區(qū)居民“吃水難、用水難”現(xiàn)象十分突出。為了保證這些地區(qū)的供水，全年只能采用定時、限量的供水方式保證供水，對此，群眾反映強烈。在工業(yè)方面，為了保證居民生活用水和冬季鍋爐用水，部分企業(yè)只能停產(chǎn)、限產(chǎn)，使工廠路十幾家企業(yè)減產(chǎn)3500 ×104元。

1.2.5 小鶴立河水庫工程除險的有利條件

小鶴立河水庫工程距鶴崗市區(qū)僅5 km左右，水庫與市區(qū)有公路相接。鶴崗市交通十分便利，區(qū)內(nèi)有鶴大、鶴伊高等級公路，有佳鶴國鐵。通過料場勘察可知，壩址附近有足夠的筑壩材料，黏土料距壩址2.0 km，風(fēng)化料距壩址僅1.0 km，混凝土骨料距壩址20 km左右。所需三材鶴崗市及其附近的佳市有充足的貨源。

1.3 水庫工程除險設(shè)計任務(wù)

根據(jù)小鶴立河水庫現(xiàn)狀存在的問題及業(yè)主的要求，本次設(shè)計的主要任務(wù)是水庫除險加固。具體任務(wù)包括:根據(jù)原興利狀況及新的水文資料，復(fù)核水庫規(guī)模;依據(jù)新用水要求，論證水庫興利規(guī)模;改造或維修加固已遭損壞工程。

2 地 質(zhì)

2.1 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

庫區(qū)地下水類型可分為第四系松散層孔隙潛水和前第四紀(jì)基巖裂隙水兩種;庫區(qū)基本不存在滲漏問題，兩岸均為連續(xù)的花崗巖侵入體，巖性單一，厚度大，緩坡地帶覆蓋著黏性土，巖體透水性弱，無構(gòu)造破碎帶分布。庫岸穩(wěn)定性較好，岸坡較緩，庫區(qū)上游及庫區(qū)內(nèi)植被良好，從多年觀察看基本沒有淤積問題。

2.2 溢洪道工程地質(zhì)條件

溢洪道地處右岸山體斜坡地帶，沿線地表起伏較大，有沖溝縱橫分布，切割深度、寬度一般＞4 m，該部位均被第四系松散層所覆蓋。

2.3 天然建筑材料

勘探深度內(nèi)黏土質(zhì)中砂其各項指標(biāo)滿足碾壓式均質(zhì)土壩土料質(zhì)量技術(shù)要求;從實驗結(jié)果看料場各項指標(biāo)除緊密密度略低外其他指標(biāo)滿足土壩壩殼填筑用砂礫料質(zhì)量技術(shù)要求;石料場位于水庫東側(cè)4 km，質(zhì)量好，儲量豐富。

3 工程任務(wù)和規(guī)模

小鶴立河水庫工程的開發(fā)任務(wù)是以防洪、城市供水為主，兼顧農(nóng)田水利灌溉及水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合利用中型水庫。

3.1 防洪

水庫除險后，可使鶴崗市城市防洪體系進(jìn)一步完善，其防洪效果較為顯著，20 a一遇洪峰流量由163 m3/s消減至95 m3/s，削峰42%;1 000 a一遇洪峰流量由490 m3/s，消減至340 m3/s，削峰31%。可使3個國有煤礦、2.0 ×104人口及2 333 hm2農(nóng)田免遭20 a一遇洪水襲擊。

3.2 城市及工業(yè)用水

水庫除險后，可為城市居民及工業(yè)日供水3.5 ×104m3，年供水能力為1278 ×104m3。

3.3 農(nóng)田灌溉及水產(chǎn)養(yǎng)殖

小鶴立河水庫下游有宜灌耕地3 333 hm2，水庫除險后，為農(nóng)田供水379 × 104m3，保證灌溉水田333 hm2。

3.4 水庫養(yǎng)殖面積

水庫多年養(yǎng)殖水面200 hm2。

4 溢洪道設(shè)計

4.1 基本資料

4.1.1 水位及泄量水位及泄量情況見表1。

表1 水位及泄量情況

4.1.2 設(shè)計采用的有關(guān)系數(shù)和參數(shù)

抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù):根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)第4.3.11 之規(guī)定，按抗剪斷公式計算的安全系數(shù)k:基本組合為3.0，特殊組合為K =2.5。

抗剪斷摩擦系數(shù):f' =0.50;抗剪斷凝聚力:c'=50kPa。

4.2 溢洪道方案及選定

溢洪道凈寬及堰頂高程的選定，現(xiàn)擬訂四種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較如。

本除險加固初設(shè)對溢洪道寬度擬定了3個堰寬，即8 m、10 m、14 m，每個堰寬又?jǐn)M定了157.50 m、156.50 m兩個坎高，共計6個方案，計算結(jié)果表明，從水庫工程造價上看，6個方案基本一樣，從地質(zhì)條件看，閘室均座落在強風(fēng)化巖上，地質(zhì)條件也基本相近。本設(shè)計認(rèn)為坎高157.50 m方案宜于遠(yuǎn)景擴(kuò)建相結(jié)合，所以選定單孔10 m、坎高157.30 m、弧型閘方案作為推薦設(shè)計方案。

4.3 總體布置及結(jié)構(gòu)型式

溢洪道布置在既有右側(cè)泄洪閘位置，相應(yīng)大壩樁號為0 +345。溢洪道由進(jìn)口段、閘室、陡坡、消力池、海漫及尾水渠組成。

1)進(jìn)口段:進(jìn)口段由引水渠及鋪蓋組成。

2)閘室:閘室凈寬10 m，長16 m，閘底為強風(fēng)化巖。

3)陡坡段:陡坡段為鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，長74.77 m，寬10 m，底坡為i =1/10。

4)消力池:消力池采用水平擴(kuò)散式，鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)。

5)海漫:海漫平面布置成弧形，弧半徑為180 m。

6)尾水渠:為使下泄水流通暢入河，需疏通尾水渠長200 m。

4.4 水力計算

溢流堰過流能力計算:

采用規(guī)范推薦的開敞式WES 型實用堰的泄流能力公式計算為:

經(jīng)計算:P =3.33%時，過閘流量為191 m3/s，堰后收縮水深為1.66 m;設(shè)計情況下過閘流量230 m3/s，堰后收縮水深為2.04m;校核情況下過閘流量為333 m3/s。

設(shè)計情況:

1)臨界水深hk:

2)臨界坡度ik

所采用陡槽底坡i = 0.1 ＞ik=0.0039 屬于正坡

3)陡槽長度

陡槽的總落差p =7.44 m，陡槽的長度為:

綜上所試算的結(jié)果可得h0=1.24 m。

校核情況:

1)臨界水深

2)臨界坡度ik

所采用陡槽底坡i =0.1 ＞ik = 0.0042 屬于正坡。

海漫的結(jié)構(gòu)布置:

4)閘室穩(wěn)定計算

閘室穩(wěn)定計算對下述3 種情況進(jìn)行:

1)正常運用情況:閘前興利水位，關(guān)閘;

2)非常運用情況:閘前校核洪水位，閘門全開;

3)施工完建期:閘前、后均無水。

抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強度公式計算:

閘室穩(wěn)定計算成果見表2。

表2 閘室穩(wěn)定計算成果表

上述計算成果均滿足規(guī)范要求。

［1］李楊. 東溝水庫除險加固工程溢洪道設(shè)計［J］. 中國科技信息，2012(08):94.