衛(wèi)星灌區(qū)節(jié)水改造5#交叉樞紐工程設計分析

耿金榮

（齊齊哈爾市嫩江巡查管護總站，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 灌區(qū)概況

1.1 灌區(qū)基本情況

衛(wèi)星灌區(qū)始建于1958 年，是黑龍江省北部跨齊齊哈爾市和黑河市兩大行政區(qū)的大型引水灌溉工程，衛(wèi)星運河干渠由土泥淺起途經五大連池市、克山縣至訥河市的魯民村，全長89 km，比降約1/15000，灌區(qū)總面積45.3 萬畝，衛(wèi)星灌區(qū)雖經過多年建設灌溉、排水工程已具有一定規(guī)模，現(xiàn)有分干渠2 條，即北興分干渠長13.6 km，九井分干渠長31.5 km；支渠51 條，長82.9 km，排水分干溝16 條，長47 km，支溝47 條，長75.4 km。

1.2 存在的問題及建設的必要性

（1）區(qū)外坡水出路未徹底解決

干渠上已建的坡水交叉工程，經多年運行，有的已沖壞，有的需維修。分干渠上的坡水交叉大多沒有工程，坡水直接入渠，使渠道局部沖毀、淤積嚴重，影響渠道正常通水。

（2）渠系不健全，建筑物工程不配套

分干渠、支渠上控制性建筑物很少，已有工程老化失修，有的已經損壞，配水、用水無法控制，水源浪費嚴重，不能滿足正常供水及擴大灌溉面積的要求，影響了灌區(qū)效益的發(fā)揮。

（3）渠道滲漏、沖刷嚴重

衛(wèi)星干渠與坡水溝交叉地段粘土層很薄，下層為極強透水的礫類土，有的渠段渠底砂礫石裸露，特別在樁號14+000～18+500 段，玄武巖出露地表，渠坡由碎石與粘土混合組成，造成干渠滲漏嚴重。

北興一、二分干渠、九井一、二分干渠與衛(wèi)星干渠聯(lián)網段，地形陡，跌水工程多，已有工程沖刷破壞現(xiàn)象嚴重，需要做防沖消能處理。

（4）缺少必要的節(jié)水工程及節(jié)水措施

由于建筑物不配套，失修損壞，漏水嚴重，加之渠道滲漏嚴重，水量浪費很大。灌溉方法、灌溉制度因循守舊，目前的灌溉水利用系數(shù)只能達到0.47 左右，灌溉毛定額達828 m3/畝。

基于以上情況，為了完善灌區(qū)設施配套，保證水源的利用率，確保灌溉效益的發(fā)揮。衛(wèi)星干渠重建交叉工程10 座，5#、8#、9#、13#、15#、16#、18#、19#、24#、25#，從參考灌區(qū)成熟水交叉工程運行情況，坡水涵洞型式的均有淤積現(xiàn)象，排水不暢，由于坡水流量較大，坡水交叉工程均選擇坡水渡槽，用水壓力涵型式。其中5#、8#、13#、16#交叉為坡水渡槽用水涵洞與泄水閘結合的樞紐工程。此次以衛(wèi)星干渠5#交叉改造工程為例進行分析。

2 衛(wèi)星干渠5#交叉工程改造

在原交叉衛(wèi)星干渠21+300～21+700 下游坡水溝30 m 處重建5#交叉，相應地衛(wèi)星干渠21+300-21+700 段改線與新建5#交叉樞紐相連，施工期間利用原渠道和建筑物供水。

重建5#交叉樞紐包括坡洪堰、干渠倒虹吸和干渠泄洪閘。坡洪堰流量設計標準為20 年一遇，流量為203.43 m3/s，干渠倒虹吸設計流量為19.87 m3/s，校核流量為23.84 m3/s；衛(wèi)星干渠在灌區(qū)南部邊界地勢較高一側，沿等高線布置。干渠左側為坡地，當夏季坡地上游地區(qū)發(fā)生連續(xù)降雨時，經常出現(xiàn)坡水漫過干渠左側堤寬進入渠道并沖毀干渠問題，為了保證干渠的安全，在發(fā)生坡水入渠時，需要快速排除渠道內積水，因此泄洪閘的設計流量取該段渠道的設計流量是非常必要的，本次設計泄洪閘的設計流量為19.87 m3/s，校核流量為23.84 m3/s。

2.1 倒虹吸

倒虹吸為鋼筋混凝土方涵每節(jié)長10 m，共分5 節(jié)洞，洞連接處設止水，孔數(shù)為三孔，斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬），洞身厚0.3 m，洞頂厚0.4 m，洞底板厚0.6 m，下設水撼砂，洞身進口處設閘室，閘墩厚0.8 m，上設工作橋及排架。洞身進出口段采用鋼筋混凝土、混凝土板。倒虹吸下游渠道采用預制混凝土板護砌，長度50 m。

2.2 坡洪堰

坡洪堰由上游溝道、進口段、閘室洞身、陡坡、消力池、海漫和下游溝道組成。上游溝道長100 m，底寬50 m，邊坡1∶2.5；堰進口段采用石籠護砌，長20 m，厚0.3 m，下設砂礫石墊層、無紡布。

坡洪堰堰頂高程為洞身頂板高程235.00 m，兩側高中間低，相差0.5 m，頂板厚0.4 m，兩側設導流墻，下游設陡坡段、消力池、防沖槽，海漫兩側采用混凝土板護砌。其中陡坡段長6.0 m，底板厚0.8 m；消力池分2 節(jié)，每節(jié)長7 m，池深0.5 m，底板厚0.8 m；海漫長28 m，海漫兩側采用混凝土板護砌，寬50 m；防沖槽深2.0 m，長13 m。下游溝道長100 m，底寬50 m，邊坡1∶2.5。

2.3 泄水閘

泄洪閘由進口段、閘室洞身、陡坡、消力池、海漫和下游溝道組成，鋪蓋至海漫長64.6 m。進口采用八字擋墻，渠道采用干砌石護砌，此處護砌與5#交叉的護砌相接；閘室洞身一體，閘室2 孔，單孔凈寬2.5 m，閘墩厚0.8 m，方涵斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬），洞身厚0.3 m，洞頂厚0.4 m，洞底板厚0.6 m，下設水撼砂，上設工作橋及排架。

下游設陡坡段、消力池、防沖槽，海漫兩側采用混凝土板護砌。其中陡坡段長7.5 m，底板厚0.9 m；消力池分2 節(jié)，每節(jié)長7 m，池深0.5 m，底板厚0.9 m；海漫長18 m，海漫兩側采用混凝土板護砌護砌，寬10 m；防沖槽深1.5 m，長9.5 m。出口用1∶5 的底坡與下游溝道連接。

下游溝道：下游溝道長60 m，然后進入坡水溝，邊坡坡比1∶2.5。

地基處理及防凍害布置：本區(qū)凍害嚴重，為減輕凍害，基礎底板均采用水撼砂換填，所有擋墻后面均用中粗砂回填。

2.4 衛(wèi)星干渠21+300-21+700 改線段渠道設計

渠道改線段樁號21+300-21+700，長度400 m。渠道左側堤頂寬2.0 m，右堤為干渠路，堤頂寬5.0 m，內外邊坡為1∶2。渠道水力要素見表1。

表1 干渠水力要素表

為了防止水流沖刷，在渠道改線起點21+300 處，上下游各設50 m 長渠道護砌，樁號21+250-21+350，渠道護砌斷面形式同干渠渠道防滲。

3 水力計算

3.1 倒虹吸

3.1.1 基本情況

倒虹吸為三孔，斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬）鋼筋混凝土方涵，洞身長50 m，洞底高程232.60 m，洞頂高程235.00 m。

干渠流量：Qmax=23.84 m3/s，Q設=19.87 m3/s，Qmin=7.95 m3/s。

干渠設計水位：上游237.30 m，下游237.10 m；干渠堤頂高程：上游238.30 m，下游238.10 m；干渠渠底高程：上游235.07 m，下游234.87 m；干渠上下游渠底寬15 m。

3.1.2 倒虹吸過流能力計算

倒虹吸過流能力按《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（N-1）～（N-3）公式計算：

式中：Q 為倒虹吸設計流量，m3/s；m 為流量系數(shù)；A 為倒虹吸過水斷面面積，m2；g 為重力加速度，m/s2；Z 為上、下游水位差，m；∑ξ 為局部水頭損失系數(shù)的總和，包括閘門槽、進口、出口、轉彎段等損失系數(shù)；λ 為能量損失系數(shù)；L 為包括進出口斜坡段在內的倒虹吸總長度，m；D 為倒虹吸斷面為矩形時，D 為 4R；R 為水力半徑，m；C 為謝才系數(shù)，m1/2/s。

計算得倒虹吸的過流量為26.35 m3/s，滿足設計流量Q=19.87 m3/s，并且能夠通過加大流量Qmax=23.84 m3/s，滿足要求。

3.1.3 倒虹吸總水頭損失計算：

倒虹吸總水頭損失計算按《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（N-4）公式計算：

式中：hw為倒虹吸從進口至出口的總水頭損失，m；V 為倒虹吸斷面平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；∑ξ 為局部水頭損失系數(shù)的總和，包括閘門槽、進口、出口、轉彎段等損失系數(shù)；λ 為能量損失系數(shù)；L 為包括進出口斜坡段在內的倒虹吸總長度，m；D 為倒虹吸斷面為矩形時，D 為4R。

計算得倒虹吸的水頭損失為0.2 m，滿足設計要求。

3.1.4 倒虹吸進出口漸變段長度計算

倒虹吸進出口漸變斷長度計算按《倒虹吸管》（3-15）公式計算：

式中：L 為倒虹吸進出口漸變段長度，m；C 為系數(shù)，采用4～6，進口取小值，出口取大值。

計算得倒虹吸進口漸變段長度為8.92 m，取10 m，出口漸變段長度為12.3 m，取13 m。

3.1.5 倒虹吸出口消能設計

倒虹吸出口流速較小時，可不做消力池，僅用斜坡和八字墻漸變段與下游渠道銜接即可，當出口流速較大時，可在下游渠道適當長度內（2 m～5 m）砌石防沖。此次設計出口八字墻漸變段與下游渠道銜接部位采用干砌石護砌，以增加消能防沖效果。

3.2 坡洪堰

建筑物設計流量203.43 m3/s，校核流量318.73 m3/s。

3.2.1 坡洪堰流量的確定

坡洪堰流量采用寬頂堰流量公式計算：

式中：Q 為坡洪堰流量 m3/s；m 為寬頂堰的流量系數(shù)；σs為寬頂堰的淹沒系數(shù)；B 為堰頂寬度，m；H0為堰頂水頭，m；ε 為側收縮系數(shù)；bs為上游河道一半水深處的寬度，m；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

計算結果見表2。

表2 坡洪堰流量計算表

3.2.2 消能防沖計算

消力池采用等寬斷面，底寬50 m。

消力池池長、池深的計算分別按設計流量和校核流量進行計算。

計算公式：

式中：d 為池深，m；σ 為水躍淹沒度，取 σ=1.1；hc"為池中發(fā)生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；Δz為消力池尾部出口水面跌落，m；Q 為流量，m3/s；b 為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，取0.95；L 為自由水躍的長度，可按 L=6.9（h2-h1）計算。

表3 消力池池深、池長計算

依據(jù)計算結果表消力池池深取0.5 m，池長取14 m。

3.2.3 海漫計算

海漫長度計算，采用公式：

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計算系數(shù)，取Ks=10；ΔH'為上、下游水位差，m。

海漫計算長度26.5 m，考慮安全采用長度28 m，下接防沖槽。

3.3 泄水閘

建筑物設計流量19.87 m3/s，校核流量23.84 m3/s。

3.3.1 流量的確定

流量采用寬頂堰流量公式計算：

式中：Q 為流量 m3/s；m 為寬頂堰的流量系數(shù)，取 0.385；B 為堰頂寬度,取 5.0 m；H0為堰頂水頭，m。

計算得泄洪閘的過流量為28.38 m3/s，滿足設計流量Q=19.87 m3/s，并且能夠通過加大流量Qmax=23.84 m3/s，滿足要求。

3.3.2 消能防沖計算

消力池采用漸擴式矩形斷面，底寬5.4 m～10.0 m。

計算公式：

式中：d 為池深，m；σ 為水躍淹沒度，取 σ=1.1；hc"為池中發(fā)生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；Δz為消力池尾部出口水面跌落，m；Q 為流量，m3/s；b 為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，取0.95；L 為自由水躍的長度，可按 L=6.9（h2-h1）計算。

經計算池深為0.30 m，池長11.3 m，采用消力池池深0.5 m，采用消力池池長14 m。

3.3.3 海漫計算

海漫長度計算，采用公式：

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計算系數(shù)，取Ks=9；ΔH'為上、下游水位差，m。

海漫計算長度16.5 m，考慮安全采用長度18 m，下接防沖槽。

4 結論

5#交叉樞紐工程是衛(wèi)星灌區(qū)節(jié)水改造的一個小工程，也是比較有代表性的工程，從設計到運行均是依據(jù)灌區(qū)實際情況來進行，故在工程建成后，新增灌溉面積15.13 萬畝，使灌區(qū)總水田自流灌溉面積達到23.06 萬畝，年效益達到7376.29 萬元，效益十分可觀。衛(wèi)星灌區(qū)地表水系主要就是降雨徑流，并且主要集中在7 月、8 月份，通過灌區(qū)節(jié)水改造工程的實施，對于整個灌區(qū)的經濟長遠發(fā)展和水資源利用率上都得到有效的保證。