北引渠首工程溢流壩設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)十分重要，文章闡述了壩頂高程的確定以及設(shè)計(jì)計(jì)算要素，并提出了溢流壩設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些因素。

北引;水利工程;溢流壩;設(shè)計(jì)計(jì)算

1 概述

北引渠首工程是尼爾基水利樞紐配套項(xiàng)目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程中的“龍頭”工程，位于訥河市拉哈鎮(zhèn)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(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、調(diào)整改造大慶等東北老工業(yè)基地、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展保證生態(tài)省和生態(tài)市、充分發(fā)揮尼爾基水利樞紐工程綜合效益，作為其配套項(xiàng)目的“龍頭”工程，應(yīng)該首先修建。渠首工程修建后，將大大提高和改善現(xiàn)有的北部引嫩工程的引水條件，增加引水量，為城市和農(nóng)業(yè)灌溉供水，為松嫩平原建設(shè)提供了引水保證。渠首建成后能夠更快更好的帶動并促進(jìn)引嫩骨干一期工程其他項(xiàng)目的全面實(shí)施，加快以大慶為中心的周圍市縣工業(yè)、牧業(yè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)，更好地滿足黑龍江省經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展，提供水資源支撐和保障。

2 溢流壩設(shè)計(jì)

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(shí)的壩頂交通要求，以免在正常引水水位時(shí)，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(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

2.2 溢流壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)溢流壩高程的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合樞紐工程的總體布置，對于泄洪閘右側(cè)壩軸線方向現(xiàn)狀地面線高程低于177.00 m的地段布置溢流壩。據(jù)此溢流壩供需布設(shè)3段：一段在主河槽緊靠泄洪閘右側(cè);一段位于過水路面處;另一段團(tuán)結(jié)橋下，3段溢流壩總長度為839.5 m。

表1 壩頂高程計(jì)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(shè)插筋。

壩頂寬度除團(tuán)結(jié)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(tǒng)一，均為7 m。考慮泄洪閘側(cè)涵橋銜接段下溢流壩水流條件較為復(fù)雜，上游鋪蓋采用格賓與混凝土相結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)0.1 m砂礫石墊層，下鋪400 g/m2無紡布一層，海漫末端設(shè)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(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 過流計(jì)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(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m;m為堰流流量系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);σ0為涇深系數(shù)。

計(jì)算成果見表2。

依據(jù)運(yùn)用條件選用寬頂堰計(jì)算過流能力，其理論公式可按下式計(jì)算：

表2 溢流壩過流計(jì)算成果表

2.3.2 消能防沖計(jì)算

計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)附錄B的相關(guān)公式，由于溢流壩開始泄流時(shí)，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(jì)算結(jié)果看不需要設(shè)置消力池，考慮溢流壩在整個(gè)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(shè)消力池，但為防止沖刷需設(shè)置海漫。由于下游灘地土質(zhì)按級配良好的細(xì)礫，經(jīng)驗(yàn)算需要海漫長度為17.95 m，但根據(jù)地形及總體布置需求，結(jié)合消力池計(jì)算，海漫設(shè)計(jì)長度取25 m。

2.3.3 穩(wěn)定計(jì)算

溢流壩正常引水水位為176.20 m，當(dāng)嫩江來水水位達(dá)到177.00 m時(shí)，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(shí)下游水位達(dá)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(shè)計(jì)和校核狀態(tài)，但這兩種工況下的水頭差都＜0.2 m，對于穩(wěn)定計(jì)算不起控制作用。

當(dāng)上游水位為正常引水水位176.2 m，而主河槽為生態(tài)流量35 m3/s時(shí)，對應(yīng)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(shí)對于溢流壩穩(wěn)定屬最不利工況，據(jù)此進(jìn)行滲透，抗滑穩(wěn)定計(jì)算。選擇泄洪閘側(cè)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(jìn)行計(jì)算。

2.3.3.1 滲透穩(wěn)定計(jì)算

在上述最不利工況下，經(jīng)驗(yàn)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(wěn)定計(jì)算

在上述最不利水況下，按下式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為5.4，滿足《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25-2006)要求。

2.3.3.3 基底應(yīng)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(yīng)力均小于壩基允許壓應(yīng)力，最大與最小應(yīng)力比值＜2.0，滿足規(guī)范要求。計(jì)算成果見表3。

表3 溢流壩應(yīng)力計(jì)算成果表

3 結(jié)語

在溢流壩設(shè)計(jì)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(fù)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(dá)30～40 m/s或更大，下游河床單寬消能功率可達(dá)幾萬甚至幾十萬千瓦。從溢流或泄水段到下游消能工設(shè)計(jì)要解決好：空蝕和磨蝕、摻氣和霧化、輕型結(jié)構(gòu)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(wěn)定的水流形態(tài)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(yùn)行具有重要意義。

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

［2］夏毓常.關(guān)于溢流壩壩面流速系數(shù)的計(jì)算［J］.水利學(xué)報(bào)，1980(4)：89-91.

［3］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.北引渠首初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)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。