二甲溝水庫溢洪道工程設計

曲洪雷，蘭朝臣

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

二甲溝水庫位于哈爾濱市通河縣富林鄉以北6.50 km，松花江左岸一級支流富拉渾河干流中游，壩址以上流域面積185 km2。庫區及樞紐工程全部位于通河縣境內。

二甲溝水庫是一座以農田灌溉為主，兼顧水產養殖和旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程，水庫總庫容7 605萬m3，設計灌溉面積1.31萬hm2。

水庫樞紐工程主要由攔河壩、鞍部溢洪道、灌溉洞等組成。

2 溢洪道設計

2.1 規模確定

根據二甲溝水庫興利規模及汛限水位，初擬溢洪道堰頂高程143.50 m、144.50m、145.50 m，堰寬4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m，共12個方案進行溢洪道規模比較，比較結果見表1。

表1 溢洪道方案比較表

根據以上比較結果，方案堰寬4 m、堰頂高程145.50 m投資最低，考慮二甲溝水庫為中型水庫，選擇4 m堰寬，跟國內同規模水庫比較，相對較小;同時，水庫洪水主要靠溢洪道宣泄，堰寬太小，溢洪道超泄能力弱，水庫安全度相對較低。考慮以上原因，在水庫投資增加不大的情況下，選擇堰寬相對較大的方案。因此本階段推薦堰寬8 m，堰頂高程145.50 m的方案為溢洪道規模選定方案。

2.2 結構布置

溢洪道為開敞式鞍部溢洪道，溢洪道軸線距右壩端約220 m，閘室兩側與山體相連。溢洪道由進口引渠、平直段、閘室、陡坡段、挑流段、尾水渠組成。

引水渠長35.0 m，底高程144.50 m，寬8.0 m。

進口平直段采用鋼筋混凝土“U”型槽結構，長12.0 m，底板頂高程144.50 m，凈寬8.0 m，墻頂高程150.90 m。

閘室段采用鋼筋混凝土“U”型槽結構，總凈寬8 m，分1孔，閘室順水流方向長15 m。采用駝峰堰，堰頂高程145.50 m，邊墩寬1.5 m，墩頂高程150.90 m。設平板工作門與平板檢修門，均采用卷揚式啟閉機。墩頂設交通橋，寬6.0 m，橋面高程150.90 m。邊墩與山體間設一道鋼筋混凝土刺墻，墻頂高程為150.90 m，刺墻底部位于弱風化花崗巖，刺墻下布置帷幕灌漿，與閘室帷幕灌漿連接成整體。

陡坡段長72 m，起點高程142.98 m，斷面為矩形，底寬8 m，陡坡比降1∶5，陡坡兩側為衡重式擋墻，擋墻頂高程按陡坡水面線加摻氣高度和超高后確定，陡槽底部為鋼筋混凝土底板，擋墻后及底板下布置排水系統。

挑流段長15 m，反弧半徑10 m，挑角 20°，鼻坎頂高程127.00 m。

尾水渠長663 m，起點底高程125.50 m，比降 1∶500，寬8.0 m。

2.3 設計計算

2.3.1 堰型設計

堰型采用駝峰堰，根據定型設計水頭和堰高關系，選擇a型堰面曲線，上游堰高1.0 m，中圓弧半徑2.5 m，上下圓弧半徑6.0 m。

2.3.2 泄流能力計算

泄流能力計算采用《溢洪道設計規范》(SL253－2000)中，開敞式駝峰堰的泄流能力公式計算:

式中:Q為流量，m3/s;B為溢流堰總凈寬，B=8m;n為閘孔數目，n=1;g為重力加速度，m/s2;H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m;ζk為邊墩形狀系數，取ζk=0;ε為閘墩側收縮系數;m為流量系數。

經計算:設計情況，Q計算=106m3/s，Q設計=93m3/s;校核情況Q計算=179m3/s，Q設計=155m3/s，泄洪能力滿足設計要求。

2.3.3 泄槽水面線計算

泄槽水面線根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式為:式中:Δ1－2為分段長度，m;h1、h2為分段始、末斷面水深，m; v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s;α1、α2為流速分布不均勻系數，取1.05;i為泄槽底坡，i=1:5;θ為泄槽底坡角度;n為泄槽槽身糙率系數;為分段平均流速，m/s;為分段平均水力半徑，m;為分段內平均摩阻坡降。

起始斷面水深h1可按下式計算:

式中:q為起始計算斷面單寬流量，m3/(s·m);H0為起始計算斷面渠底以上總水頭，m;θ為泄槽底坡角度;φ為起始計算斷面流速系數，取0.95。計算結果見表2。

表2 泄槽水面線計算成果表

2.3.4 挑流消能計算

挑流水舌外緣挑距按下式計算:

式中:L為自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m;θ為挑流水舌水面出射角，取θ=20°;h1為挑流鼻坎末端法向水深，m;h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m; v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v的1.1倍計。

鼻坎平均流速按下式計算:

式中:v為鼻坎末端斷面平均流速，m/s;Z0為鼻坎末端斷面水面以上的水頭，m;φ為流速系數;hf為泄槽沿程損失，m; hj為泄槽各項局部損失水頭之和，m;S為泄槽流程長度，m;q為泄槽單寬流量，m3/(s·m)。

沖刷坑最大水墊深度按下式計算:

式中:T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m;q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m);Z為上、下游水位差，m;K為綜合沖刷系數，取k=1.1。計算結果見表3。

表3 挑流計算成果表

沖坑上游坡比為1∶3.7，能夠滿足規范要求。

2.3.5 控制段穩定分析

堰基底面的抗滑穩定安全系數按下列抗剪斷強度公式計算:

式中:K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數;f'為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數，取f'=0.8;c'為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取c'=0.7Mpa;ΣW為作用于堰體上的全部荷載對計算滑動面的法向分量;ΣP為作用于堰體上的全部荷載對計算滑動面的切向分量;A為堰體與基巖接觸面的截面積。

計算了工程完建期、正常蓄水位擋水和校核洪水泄洪三種工況，成果見表4。

表4 閘室穩定計算成果表

根據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)要求，按抗剪斷強度公式計算的允許最小安全系數，基本組合〔K〕=3.0，特殊組合〔K〕=2.5，計算結果均大于規范允許最小值，閘室抗滑穩定能夠滿足設計要求。

3 基礎處理和排水

溢洪道基礎為弱風化花崗巖，考慮在閘室及刺墻下布置一排帷幕灌漿，并向兩側山體各延伸8 m，擬定帷幕灌漿的孔距為1.5 m，深度為8.0 m。根據物探成果，有2條構造破碎帶分別位于閘室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法處理。

為減弱閘室基底揚壓力，在帷幕灌漿下游3 m處設置一排排水孔，孔深5 m，孔距1.5 m。為減弱滲水對陡坡段底板和邊墻的滲透壓力，在底板底部和擋土墻后設置縱橫溝槽式碎石排水，構成縱橫排水系統，縱向排水通向挑流鼻坎下面，將滲水排向下游。

4 安全監測

4.1 變形監測

包括垂直、水平位移監測，共設置位移觀測點10個，兩岸設4個工作基點和4個校核基點。

4.2 滲流監測

選擇閘室軸線布置1個滲流觀測斷面，共設置4支滲壓計(揚壓力計)，用來監測溢洪道的揚壓力。

4.3 水位觀測

分別在堰前、閘室段、陡坡段及出口段設水尺以觀測水位，共設水尺5根。

［1］水利部天津水利水電勘測設計研究院.SL253—2000溢洪道設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.黑龍江省通河縣二甲溝水庫項目建議書報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2010.