萬寶河水利樞紐工程截流工程設(shè)計(jì)

王洪麗

(哈爾濱市雙城區(qū)水務(wù)局，黑龍江 哈爾濱 150100)

1 工程概況

1.1 氣象條件

大壩區(qū)域年平均氣溫為3.4 ℃，一般從10月中旬進(jìn)入冬季(氣溫在0 ℃以下)到翌年4月中旬截止，其中氣溫低于-20.0 ℃的時間約為兩個月，最低氣溫約為-34.8 ℃，6—8月溫度高，年內(nèi)日最高溫度大于30.0 ℃的時間約為半個月，最高溫度為35.8 ℃。

其中7—8月降雨量約為252 mm，平均每2 d下一場雨,為全年降雨最多的月份，可以達(dá)到全年降雨量的45.6%，不宜進(jìn)行黏性土施工，多年月平均降水量見表1。

表1 多年月平均降雨量表 mm

大壩區(qū)域土壤一般在11月中旬開始結(jié)凍，凍土最深可達(dá)到2.1 m，河流結(jié)凍時間約為四個半月，在4月10日左右冰層開始融化，之后還會有約半個月的時間水流中會摻雜冰塊流動。

1.2 水文條件

對于汛期可能發(fā)生的洪水，一次洪水在上游一般會經(jīng)歷約9 d的時間，在下游經(jīng)歷洪水要比上游多3 d左右的時間，其中，洪水期淹沒河道過水與過水灘地寬度之和可達(dá)到500 m。

萬寶河水庫處于所在河流中上游，在距離水庫1000 m左右有已建水文站，所以不另設(shè)水文站，資料選擇現(xiàn)有水文站的觀測值。據(jù)桃山站1940—1982年中26 a(年份不連續(xù))資料統(tǒng)計(jì)4—11月、5月20日—6月20日以及9月15—30日的平均流量、最大流量見表2，汛期4—6月的平均流量統(tǒng)計(jì)計(jì)算得各頻率流量見表3，下游流量與水位關(guān)系見表4。

表2 多年流量統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

表3 4—6月不同頻率流量表

表4 下游流量與水位關(guān)系表

1.3 選定黏土料開采場地

選擇位于大鞍部一帶距壩址1500 m的黏土料場作為主料場，此料場分路東路西兩個料區(qū)，經(jīng)過碾壓試驗(yàn)，儲量對比，含水率比較后決定選擇路西料區(qū)作為主料場。

1.4 碎石料(壩殼料)場

壩殼填料選擇位于壩址下游北岸的北山料場，運(yùn)輸距離為2.0 km。地面高程170～279 m，儲量豐富。巖性儲量均滿足施工要求。

1.5 砂石料場

附近巖石料質(zhì)量差與混凝土澆筑所需要的砂礫料、護(hù)坡所需塊石料質(zhì)量要求不能匹配，所以另選擇購買外地砂漿料，至于質(zhì)量要求不高的回填砂礫料可以在當(dāng)?shù)刭徺I。砂礫料選擇在蓮江口砂礫石場購買，料場到火車站鐵路運(yùn)輸距離為184 km，火車站到工地汽車運(yùn)輸距離為13 km；塊石選擇在楚山石料場購買，鐵路運(yùn)輸距離為152 km，汽車運(yùn)距同上。

2 截流工程

2.1 確定截流時間和截流流量

首先要對截流的時間和截流的流量進(jìn)行選擇，其中對截流時間的選擇要遵循對截流時間的要求[1]:(1)盡量選擇在流量不是很大的時段截流。(2)對于具有特定作用的河道，施工前應(yīng)該做全面考慮，在可控范圍內(nèi)減輕截流產(chǎn)生的影響。(3)因?yàn)楸竞恿饔斜鶅銎?，為了避免工程?fù)雜化，沒有特殊情況，要避免截流和河流夾冰塊流動時期沖突。

本河流從9月中旬進(jìn)入枯水期，11月進(jìn)入冰凍期，4月解凍，枯水期可持續(xù)到翌年6月，所以允許施工的枯水期只有冰凍前枯水期和翌年解凍后枯水期。本工程截流時段選在9月10—30日。截流設(shè)計(jì)流量選擇按照頻率法確定，截流時段已經(jīng)選定，初步擬定采取10%頻率的平均流量作為截流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 平堵法立堵法的比較選擇

對于截流的方式一共有四種，本文選擇兩種截流的方式，對立堵法截流與平堵法截流進(jìn)行比較分析，選擇最適合的方法用于此截流工程。

立堵法截流優(yōu)點(diǎn)在于比較經(jīng)濟(jì)，而且都是水上施工，施工難度相對較小，在巖基河床中使用較多。缺點(diǎn)是產(chǎn)生紊流沖刷河床的可能性高，出現(xiàn)的最大流速也較高。平堵法截流使用，物料粒徑相對較小，流速相比立堵法也較緩，不過對于河流的特殊功能會產(chǎn)生不小的影響，且需要不便宜的浮橋，所以較為不經(jīng)濟(jì)[2-3]。處于對河床地質(zhì)考慮此處選用立堵截流法。

2.3 截流水力計(jì)算

截流時的導(dǎo)流工作由溢洪道和輸水洞聯(lián)合完成。溢流堰頂高程和輸水洞進(jìn)水口的高程分別為168 m、166 m。溢流堰寬為36 m，輸水洞的直徑為4 m，龍口底高程和兩岸灘地的高程約165 m。其中，水庫庫容泄流等在不同的預(yù)留龍口門寬度的關(guān)系見表5。

截流工程在枯水期動工，隨著圍堰進(jìn)占，原河槽變窄，使上游水位雍高，上下游水位差越大，龍口流速越快。對三種預(yù)留龍口門的寬度分別計(jì)算如式(1)～式(5)所示。

(1)

(2)

Wc=Bh

(3)

V0=hp(Bp-Shp)

(4)

(5)

式中：Q為溢流堰過堰流量,m3/s；m0為流量系數(shù)，取0.502；h為堰高，m；Vc為束窄斷面平均流速，m/s；B為預(yù)留龍口門寬度，m；Wc為束窄斷面面積，m2；V0為天然河床斷面平均流速，m/s；hp為束窄斷面平均水深，取2.5 m；S為戧堤進(jìn)占方向的邊坡取1.1～1.5，本文取1.2；Z為上下游落差，m；Bp為束窄斷面水面寬，取4 m；φ為流速系數(shù)取0.80～0.85，本文取0.80。

對拋石粒徑計(jì)算，按伊茲巴什公式如式(6)～式(7)所示。

滑動穩(wěn)定計(jì)算：

(6)

滾動穩(wěn)定計(jì)算：

(7)

式中：V為龍口流速，根據(jù)表5對應(yīng)龍口門寬度選擇對應(yīng)流速,m/s；yC為為塊石滑動穩(wěn)定系數(shù),采用0.86；yB為為塊石滾動穩(wěn)定系數(shù),采用1.20；α為堆石邊坡形水平面所成的夾角，取36°；rm為塊石料的單位體積重量，取6.4 t/m3；r為水的單位體積比重，t/m3。

主河槽開始束窄，上游水位雍高，龍口流速加大，合攏進(jìn)入緊張階段，這時要求的拋投強(qiáng)度很大，應(yīng)兩側(cè)同時進(jìn)行，直至龍口全部合攏。

2.4 龍口位置的選擇

龍口設(shè)在明渠右側(cè)、河床主流處。為防止截流過程覆蓋層被沖刷，必要時需對龍口進(jìn)行平拋?zhàn)o(hù)底，這樣可以避免物料沖刷流失。

3 基坑排水

初期排水按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如式(8)～式(9)所示。

(8)

V=wchp

(9)

式中：Q為初期排水量，m3/s；K為基坑體積系數(shù)，取2.5；V為基坑基坑積水體積，m3；T為初期排水時間，取5 d。對于50 m、100 m、150 m寬的龍口門，所需初期排水分別為18.2×104m3、26.1×104m3、48.7×104m3。

初期排水完成后基坑內(nèi)并不是再無積水問題困擾，因?yàn)榛觾?nèi)會不斷有滲水進(jìn)入，因此需要繼續(xù)排出基坑內(nèi)的滲水和后續(xù)降雨等產(chǎn)生的可能會影響施工的排水工作[4]。

4 結(jié) 論

通過對萬寶河水利樞紐工程的施工條件進(jìn)行分析，對該工程的截流方式進(jìn)行了選擇，對其進(jìn)行水力計(jì)算，確定龍口設(shè)計(jì)位置，對不同龍口門所需的基坑排水進(jìn)行計(jì)算。對研究區(qū)碎石料場情況進(jìn)行分析，確定施工所用混凝土骨料的料場及用量，為后續(xù)溢洪道施工奠定了良好的基礎(chǔ)。