淺談衛(wèi)星灌區(qū)渠首工程改造

張愛(ài)民

（黑龍江省衛(wèi)星運(yùn)河管護(hù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161635）

1 灌區(qū)工程概況

訥謨爾河流域位于黑龍江省中部，位置北緯47°43'～49°5'，東經(jīng)124°34'～127°54'，是嫩江中游左側(cè)的一級(jí)支流。流域干流上的山口水庫(kù)（大二型）為下游灌區(qū)提供水源保證。山口水庫(kù)以上河域?yàn)樯嫌?，山口水?kù)以下河域?yàn)橹邢掠?。衛(wèi)星灌區(qū)位于訥謨爾河中下游，渠首工程地理位置在東經(jīng)125°57′00.15"，北緯48°32′57.07"。衛(wèi)星灌區(qū)始建于1958 年，是跨齊齊哈爾市和黑河市兩大行政區(qū)的大型自流引水灌溉工程。灌區(qū)范圍行政所屬為五大連池市團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)、和平鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)的一部分，克山縣北興鎮(zhèn)一部分，訥河市九井鎮(zhèn)、訥南鎮(zhèn)一部分，總面積3.03×104 hm2。衛(wèi)星灌區(qū)是受益區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地。自20 世紀(jì)90 年代啟動(dòng)續(xù)建配套與節(jié)水改造以來(lái)，灌區(qū)嚴(yán)重病險(xiǎn)、“卡脖子”工程基本得到改造，但受投資條件限制，灌區(qū)仍存在水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、供水保證程度不高等問(wèn)題?！笆奈濉逼陂g，衛(wèi)星灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造重點(diǎn)任務(wù)其中包括改造引水樞紐、完善渠首工程、提升灌區(qū)供水保障能力[1]。

2 渠首工程布局

衛(wèi)星渠首工程由溢流壩、沖沙泄洪閘、灘地溢流堰、土壩、引渠、渠首左岸防洪堤、衛(wèi)星總干渠進(jìn)水閘、三升分干渠進(jìn)水閘組成。其中引渠、總干渠進(jìn)水閘、溢流壩維修工程已由灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目實(shí)施完成，三升進(jìn)水閘新建工程已由五大連池市受益地方實(shí)施建設(shè)。灘地溢流堰、土壩、渠首左岸防洪堤維修工程為未實(shí)施工程。沖沙泄洪閘新建工程未實(shí)施。新建沖沙泄洪閘可以減少渠首及引渠淤積；春汛過(guò)水避免對(duì)溢流壩面造成破壞；在非灌溉期、汛期及大于灌溉流量時(shí)泄洪，提高下游河道水位，減小溢流壩、灘地溢流堰過(guò)流時(shí)上下游水位差，有利于河道穩(wěn)定。另外，灌區(qū)渠首規(guī)劃道路林帶、景觀設(shè)計(jì)、灌區(qū)信息化智慧水管理體系等。該灌區(qū)渠首工程總體布置的主要原則是根據(jù)衛(wèi)星渠首的重要性及供水要求，在原渠首樞紐基礎(chǔ)上，將渠首樞紐改造成為永久性工程，增設(shè)沖沙泄洪閘，達(dá)到平槽泄量時(shí)固灘工程基本不過(guò)流。

3 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 工程等別及建筑物級(jí)別

衛(wèi)星灌區(qū)總控制面積3.03×104hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.17 ×104hm2，衛(wèi)星渠首的總引水流量27.44 m3/s（衛(wèi)星總干渠25.22 m3/s，三升分干渠2.22 m3/s），根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288-2018）[2]，衛(wèi)星灌區(qū)工程為三等，衛(wèi)星渠首工程級(jí)別為3 級(jí)。

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

渠首工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20a 一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為50a 一遇。

3.3 抗震標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2001 附錄A，灌區(qū)地震基本烈度小于6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值小于0.05g。

4 渠首各工程流量或高程的確定

4.1 流量計(jì)算公式

采用寬頂堰流公式[3]：

式中：m—流量系數(shù)；σ—淹沒(méi)系數(shù)；B0—總凈寬；H0—堰上水深。

4.2 渠首平槽流量與設(shè)計(jì)洪水

4.2.1 平槽流量

根據(jù)實(shí)測(cè)主槽斷面及現(xiàn)場(chǎng)踏察，通過(guò)推求水面線，確定訥謨爾河衛(wèi)星渠首平槽流量263m3/s。

4.2.2 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)計(jì)算20a 一遇洪峰流量1910m3/s，50a 一遇洪峰流量2790m3/s。

4.3 山口水庫(kù)灌溉期各灌區(qū)引水流量

山口水庫(kù)灌溉期最大供水流量66.60m3/s。根據(jù)灌區(qū)水量平衡計(jì)算，灌溉期上游永豐、建設(shè)灌區(qū)用水10.24m3/s，衛(wèi)星灌區(qū)用水27.44m3/s（總干進(jìn)水閘引水25.22m3/s，三升分干進(jìn)水閘引水2.22m3/s），下游訥全、紅太灌區(qū)用水28.16m3/s。

4.4 各工程高程關(guān)系的確定

4.4.1 溢流壩壩頂高程的確定

壩頂高程確定的原則：灌溉期沖沙泄洪閘、灘地溢流堰不過(guò)流，滿足衛(wèi)星灌區(qū)引水流量及水位的同時(shí)還要滿足下游灌區(qū)用水流量。衛(wèi)星干渠渠首水位239.90m，根據(jù)引渠設(shè)計(jì)推求到溢流壩處水位為240.16m，試算壩頂高程滿足下游灌區(qū)用水流量28.16m3/s 為止，確定壩頂高程為239.85m。

4.4.2 沖沙泄洪閘堰頂高程的確定

堰頂高程確定的原則：1）在一般情況下，為了多泄水、多沖砂，沖沙閘閘檻高程宜與河底齊平。2）當(dāng)河流含沙量較大，而河床本身也經(jīng)常處于淤積情況時(shí)，閘底板高程可適當(dāng)抬高，但要低于進(jìn)水閘底板高程。由于渠首處河流含沙量大淤積較嚴(yán)重故設(shè)沖沙閘，經(jīng)實(shí)測(cè)河床多年平均底高程為236.70m，衛(wèi)星干渠進(jìn)水閘維修已實(shí)施，閘底板高程237.55m，綜合考慮沖沙泄洪閘閘底板高程定為237.00m。

4.4.3 沖沙泄洪閘閘孔凈寬的確定

渠首處過(guò)平槽流量時(shí)，由溢流壩、沖沙泄洪閘共同承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算溢流壩過(guò)流量為33m3/s，沖沙泄洪閘過(guò)流量為230m3/s，經(jīng)計(jì)算閘孔凈寬為30m，選定閘孔為3 孔，單孔凈寬10m。

4.4.4 灘地溢流堰堰頂高程的確定

灘地溢流堰現(xiàn)狀平均堰頂高程240.00m，堰長(zhǎng)1061m。堰頂高程確定的原則：渠首處過(guò)平槽流量時(shí)，灘地溢流堰不過(guò)流，溢流壩、沖沙泄洪閘過(guò)流，上游水位即為灘地溢流堰堰頂高程。

上游水位為240.21m，確定灘地溢流堰堰頂高程為240.21m。

4.5 渠首各工程過(guò)流量

根據(jù)訥謨爾河衛(wèi)星渠首斷面水力要素及各工程之間的水力關(guān)系，按照各工程的堰形、尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，渠首各工程過(guò)流量及水力要素如表1 所示，渠首上、下游水位流量關(guān)系根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果形成關(guān)系曲線圖，具體水位流量曲線見圖1、圖2。

表1 渠首各工程過(guò)流量統(tǒng)計(jì)表

圖1 沖沙泄洪閘上游水位流量關(guān)系曲線

5 渠首工程設(shè)計(jì)

5.1 沖沙泄洪閘

5.1.1 沖沙泄洪閘作用

新建沖沙泄洪閘工程，主要有2 個(gè)功能：1）沖沙。減少渠首及引渠淤積，春汛過(guò)水避免對(duì)溢流壩面破壞；2）泄洪。非灌溉期、汛期及大于灌溉流量時(shí)泄洪，提高下游河道水位，減小溢流壩、溢流堰過(guò)流時(shí)上下游水位差，有利于河道穩(wěn)定。

5.1.2 沖沙泄洪閘位置選擇

由于衛(wèi)星渠首范圍大，特別是引渠較長(zhǎng)，由溢流壩至總干渠進(jìn)水閘長(zhǎng)3.38km，渠首工程較分散，以往項(xiàng)目灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)擬定渠首沖沙泄洪閘位置均有不同方案，該設(shè)計(jì)作為比選方案。方案比較考慮的因素：通過(guò)引渠清淤工程實(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)測(cè)渠首、引渠現(xiàn)狀，可以證明多年來(lái)引渠淤積量較小，沖沙泄洪閘不必靠近衛(wèi)星干渠進(jìn)水閘；保證原主河道不改道；工程地質(zhì)條件好，施工相對(duì)容易；盡量少占用耕地等；工程量、投資較小。經(jīng)方案比選，確定將閘址選擇距溢流壩左岸180m 處，與溢流壩同一軸線，該處下游165m 處有一主叉河道，與沖沙泄洪閘下游海漫段連接，既能使泄流順暢泄入訥謨爾河主河道，又不改變主河槽達(dá)到泄洪沖沙目的，同時(shí)不占耕地，施工容易，節(jié)省投資，投資約為824 萬(wàn)元[4]。

5.1.3 沖沙泄洪閘址地質(zhì)條件

沖沙泄洪閘建筑地基主要由②低液限黏土、⑤級(jí)不良礫組成，基礎(chǔ)坐落于⑤級(jí)不良礫層之上，地基強(qiáng)度滿足要求。標(biāo)準(zhǔn)凍深2.3m，在凍深范圍內(nèi)的堤體填土、②低液限黏土為凍脹性土。擬建場(chǎng)地地下水位較高，易發(fā)生凍脹破壞，設(shè)計(jì)時(shí)須采取防凍措施。⑤級(jí)不良礫強(qiáng)透水，防滲性差，滲透穩(wěn)定條件較差，在動(dòng)水位作用下易發(fā)生管涌滲透變形破壞，設(shè)計(jì)時(shí)須采取適當(dāng)措施?；涌颖诜€(wěn)定性差，須做好基坑支護(hù)工作。地下水位較高，施工時(shí)應(yīng)做好降水工作，可采用井點(diǎn)法進(jìn)行施工降水。

5.1.4 沖沙泄洪閘總體布置

沖沙泄洪閘由進(jìn)口段、閘室段、消力池段及海漫段組成。1）進(jìn)口段：由25.8m 長(zhǎng)石籠護(hù)砌段和9.54m 鋼筋砼鋪蓋組成，兩側(cè)為鋼筋砼擋土墻。2）閘室段：由閘底板、閘墩、工作橋及交通橋組成。根據(jù)河底高程確定進(jìn)口段閘底板高程為237.00m。墩頂高程與兩側(cè)土壩現(xiàn)有頂高程相同，為242.78m。3）消力池段，經(jīng)計(jì)算長(zhǎng)20m，底板頂高程235.70m，消力池深1.0m。4）海漫段長(zhǎng)35m，寬41m，頂高程236.70m。沖沙泄洪閘水流方向總長(zhǎng)度109.54m。

5.1.5 沖砂泄洪閘水力計(jì)算

5.1.5.1 流量計(jì)算

經(jīng)計(jì)算溢流壩上游水位、流量見表1 及圖2。平槽水位、P=5%設(shè)計(jì)洪水和P=2%設(shè)計(jì)洪水時(shí)，沖沙泄洪閘下泄流量Q平槽=230m3/s、Q5%=189m3/s、Q2%=241m3/s。

5.1.5.2 沖沙泄洪閘消能防沖計(jì)算

5.1.5.2.1 下游溝道Q～H曲線

下游水位流量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 渠首處訥謨爾河下游水位流量曲線

5.1.5.2.2 沖沙泄洪閘消能防沖計(jì)算

沖沙泄洪閘采用底流式消能，包括消力池計(jì)算、消力池底板厚度計(jì)算、海漫長(zhǎng)度計(jì)算和河床沖刷深度計(jì)算。

消能防沖根據(jù)控制運(yùn)行條件采用幾種情況進(jìn)行計(jì)算：1）壩不過(guò)流，上游水位239.85m，開1 孔，開2 孔，全開；2）壩不過(guò)流，上游水位239.85m，開1 孔，閘門不同開啟度；3）p=5%，上游水位241.28m，p=2%，上游水位241.55m。

具體計(jì)算略。

5.1.5.3 閘門控制運(yùn)用方式的擬定

閘門的控制運(yùn)用方式應(yīng)滿足以下要求：1）閘孔泄水時(shí)，保證在任何情況下水躍均發(fā)生在消力池內(nèi)；2）閘門盡量同時(shí)均勻分級(jí)啟閉；3）控制水流條件下的閘門開度，避免閘門停留在振動(dòng)較大的開度區(qū)泄水；4）一般為非灌溉季節(jié)打開閘門泄水沖淤，如灌溉季節(jié)淤積較快，灌溉期也可以臨時(shí)停灌沖沙。

5.1.6 防滲排水設(shè)計(jì)

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）[5]防滲排水布設(shè)的有關(guān)規(guī)定，采用該規(guī)范中公式（4.3.2）進(jìn)行沖沙閘抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

式中：L—閘基防滲長(zhǎng)度；ΔH—上下游水位差；C—允許滲徑系數(shù)。

采用以下2 種工況進(jìn)行抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算。1）正常情況下，上游設(shè)計(jì)水位，下游無(wú)水，排水設(shè)備工作正常；2）特殊工作情況下，上游校核水位，下游無(wú)水，排水設(shè)備失效。經(jīng)計(jì)算，在2 種工況下，計(jì)算滲徑系數(shù)均大于允許滲徑系數(shù)，閘基滲透穩(wěn)定滿足安全要求。

5.1.7 穩(wěn)定計(jì)算

沖沙泄洪閘在上游校核水位241.55m，下游無(wú)水時(shí)，上下游水位差（ΔH=4.55m）最大，即閘室穩(wěn)定計(jì)算由上游校核水位，下游無(wú)水情況控制。經(jīng)計(jì)算：閘室基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定均滿足要求。

5.2 灘地溢流堰

5.2.1 灘地溢流堰概況

灘地溢流堰為現(xiàn)有工程，漿砌石堰體，堰長(zhǎng)892m，堰頂原平均高程240.00m，設(shè)計(jì)堰頂高程240.21m，堰寬4m，設(shè)計(jì)堰長(zhǎng)1061m。

5.2.2 灘地溢流堰過(guò)流計(jì)算

灘地溢流堰上游水位、流量經(jīng)計(jì)算見表1，特征數(shù)據(jù)值：P=5%設(shè)計(jì)洪水和P=2%設(shè)計(jì)洪水時(shí)灘地溢流堰下泄流量Q5%=1535m3/s、Q2%=2287m3/s。

5.2.3 灘地溢流堰維修設(shè)計(jì)

灘地溢流堰位于渠首工程樁號(hào)1+154～2+215，總長(zhǎng)1.061km。

5.2.3.1 堰體

現(xiàn)狀堰頂采用混凝土加高至240.21m，平均加高0.21m，用鋼筋與原結(jié)構(gòu)錨固；堰體加長(zhǎng)段長(zhǎng)169m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬4.0m，板厚0.3m，齒深1.7m，板下設(shè)水撼砂厚1.7m。

5.2.3.2 上游鋪蓋

鋪蓋為干砌石結(jié)構(gòu)，厚0.3m，下設(shè)碎石墊層0.15m，礫石墊層0.15m，無(wú)紡布一層。

5.2.3.3 堰體下游

堰體與地面用1︰15 邊坡與地面連接，后接8～10 的水平護(hù)砌段，均為石籠結(jié)構(gòu)，厚0.5m，下設(shè)碎石墊層0.15m，礫石墊層0.15m，無(wú)紡布一層，下游沖溝100m 內(nèi)填平至地面。

5.3 土壩加固

渠首右岸土壩為現(xiàn)狀土壩，共2 段，渠首工程樁號(hào)0+092～1+154、2+215～3+479，總長(zhǎng)2.326 km，平均壩頂高程242.09～242.94m。土壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同訥謨爾河左岸堤防，訥謨爾河左岸堤防在土壩樁號(hào)2+600 處與土壩閉合。依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）[6]中第7.3.1 條規(guī)定，堤防高程按設(shè)計(jì)洪水位加堤防超高確定，土壩壩頂高程由訥謨爾河渠首處20a 一遇洪水位加超高確定，即241.28+1.5=242.78m。

第1 段土壩起點(diǎn)位于溢流壩左岸高地樁號(hào)0+092，終于灘地溢流堰右端樁號(hào)1+154，全長(zhǎng)1062m。設(shè)計(jì)壩頂高程242.78m，壩頂寬5m，戧臺(tái)頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內(nèi)邊坡戧臺(tái)以上1︰3，戧臺(tái)以下1︰4。由于土壩垂直河道布置，并且該段距主河槽較近，洪水時(shí)沖刷較嚴(yán)重，沖刷下的土落入引渠中，加重了引渠淤積，因此該土壩樁號(hào)0+092～1+154 段采用混凝土板護(hù)砌?；炷涟搴?0cm，板下鋪無(wú)紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)草皮護(hù)坡。

第2 段樁號(hào)2+215～3+479，土壩起點(diǎn)位于灘地溢流堰左端樁號(hào)2+215，終于渠首進(jìn)水閘，全長(zhǎng)1.264km。設(shè)計(jì)壩頂高程242.78m，壩頂寬5m，土壩與渠首進(jìn)水閘引渠右堤相結(jié)合布置，渠道為復(fù)式斷面，設(shè)計(jì)渠底寬20m，戧臺(tái)頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內(nèi)邊坡戧臺(tái)以上1︰3，戧臺(tái)以下1︰4。土壩采用混凝土板護(hù)砌?；炷涟搴?0cm，板下鋪無(wú)紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)草皮護(hù)坡。

5.4 渠首左岸防洪堤

渠首左岸防洪堤起于建設(shè)灌區(qū)防洪堤末端，終于衛(wèi)星灌區(qū)渠首進(jìn)水閘，全長(zhǎng)1214m，與渠首進(jìn)水閘引渠左堤相結(jié)合布置。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)P=5%，堤頂寬2.0m，堤頂高程同土壩設(shè)計(jì)壩頂高程為242.78m，戧臺(tái)頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內(nèi)邊坡戧臺(tái)以上1︰3，戧臺(tái)以下1︰4。左岸防洪堤采用混凝土板護(hù)砌。混凝土板厚20cm，板下鋪無(wú)紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)草皮護(hù)坡。

5.5 道路及林帶工程

渠首工程從溢流壩起至干渠進(jìn)水閘，全長(zhǎng)3.5km，現(xiàn)狀無(wú)交通工程，本次在土壩壩頂布置混凝土路面20cm，路寬5.0m，長(zhǎng)度2.4km。結(jié)合引渠布置渠道防護(hù)林。

5.6 渠首工程亮化設(shè)計(jì)

在3.5km 渠首工程沿線設(shè)置景觀燈，綠地及觀景平臺(tái)上布置庭院燈，共同組成絢麗多彩的亮化效果，便于對(duì)渠首工程的監(jiān)管，又可以作為當(dāng)?shù)匾惶幘坝^。亮化工程設(shè)計(jì)布置路燈70 座。

5.7 灌區(qū)信息化智慧水管理體系建設(shè)

創(chuàng)建以深度學(xué)習(xí)算法為核心的渠首優(yōu)化配水調(diào)度模型，建成渠首閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)渠首優(yōu)化配水調(diào)度輔助決策功能。搭建訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化云中心，初步建成訥謨爾河衛(wèi)星智慧灌區(qū)信息化軟件平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務(wù)管理標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化信息化。

6 結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星灌區(qū)是在原衛(wèi)星運(yùn)河工程的基礎(chǔ)上整合五大連池市和平灌區(qū)、克山縣北興灌區(qū)、訥河市九井灌區(qū)等改造建設(shè)的，并發(fā)展成為國(guó)家大型灌區(qū)。灌區(qū)渠首工程位置水文、地質(zhì)條件好，經(jīng)過(guò)近50 年的整治、維修、維護(hù)，特別是對(duì)溢流主壩及灘地溢流堰的維修加固，渠首工程已經(jīng)穩(wěn)定。沖沙泄洪閘的建設(shè)減少渠首及引渠淤積，避免凌汛對(duì)溢流壩面破壞，泄洪時(shí)減少溢流壩、灘地溢流堰上下游水位差，更加有利于河道穩(wěn)定。穩(wěn)定的溢流壩、灘地溢流堰，再新建沖沙泄洪閘，達(dá)標(biāo)土壩及防洪堤，衛(wèi)星渠首工程達(dá)到永久渠首標(biāo)準(zhǔn)。