干渠渠首工程溢流壩設計實例剖析

曲洪雷，蘭朝臣，李嚴坤

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶163316)

1 工程概況

營城子干渠渠首工程位于龍鳳山水庫下游50 km、牤牛河93 km鐵路橋下游1.3 km處。

營城子灌區設計灌溉面積6 467 hm2，設計毛灌溉定額為819 m3/666.7 m2，設計用水量0.80 億m3。在全灌溉期只有5月中旬區間來水不滿足用水需求，因此在5月中旬需由龍鳳山水庫供水423.36 萬m3。

原渠首包括進水閘、溢流壩其中溢流壩原壩長130 m，堆石結構，壩高3.0 m，1973年對壩體進行了整修加固，采用壩頂混凝土罩面護砌。現壩體塊石脫落嚴重，壩頂沉陷，現壩頂高程163.30 m，已經不能安全運行，本次設計新建永久性溢流壩工程。

2 溢流壩設計

2.1 壩線選擇

本次設計新建永久性溢流壩工程，原壩線處堆石壩無利用價值。在原壩線新建溢流壩、泄洪沖砂閘施工難度較大，因壩體需要全部拆除，同時需要滿足正常引水要求，故不作為比選壩線。

根據渠首工程地形地貌、渠首總體布置、引水灌溉等要求，布置兩條壩軸線。上壩線在原壩線上游60 m，下壩線在原壩線下游150 m。2 條壩線布設建筑物: 左側攔河溢流壩、右側泄洪沖沙閘。

經比較，上壩線方案工程投資960 萬元。下壩線方案工程投資1 105萬元。上壩線比下壩線省145 萬元，經過比較，選用上壩線方案。

2.2 結構布置和材料

溢流壩由進口段、控制段、消力池段及海漫段組成，總長91 m。設計泄流量585 m3/s。

進口段前部渠底高程160.00 m。采用0.4 m厚雷諾護墊干砌石護砌，長10 m。進口段導墻為懸臂式，控制段前渠底采用厚度0.6 m 的鋼筋混凝土板，護砌長度8 m。底高程160 m。

控制段現狀溢流壩壩頂高程為163.30 m，經多年運用，水流順暢，高度合適。本次設計堰頂高程163.30 m。長10 m，堰體為WES 堰，泄流寬度為90 m，每10 m設一伸縮縫，凈寬90 m。堰體底板上下游均設齒墻。

消能選擇底流消能形式。消力池長度18 m，底高程159.20 m，凈寬度90 m。采用分離式，底板為1.2 m厚的鋼筋混凝土結構。左、右側采用懸臂式邊墻。

海漫段采用雷諾護墊護砌長33 m，厚度0.4 m。下設0.15 m厚砂礫石，無紡布反濾。末端設拋石結構防沖槽。海漫段兩側護坡坡比為1∶2.5，采用0.4 m厚雷諾護墊干砌石，下設0.15 m厚砂礫石，無紡布反濾。固腳采用混凝土梯型結構，下底寬1 m，上底寬0.9 m，高1.0 m。

2.3 設計計算

2.3.1 水利計算

采用開敞式WES 型實用堰，堰面曲線方程為:

式中:k 為上游堰高及坡面的影響系數;n 為與上游堰坡有關的指數;Hd為堰面曲線定型設計水頭m。

取上游垂直布置，則k =2，n =1.85，Hd=2.4 m，則堰面曲線方程為

雙圓弧曲線參數為: R1=0.5Hd=1.2 m; a =0.175Hd=0.42;R2=0.2Hd=0.48; b =0.282Hd=0.68。冪曲線在堰頂下游處與半徑為3.04 m，圓心角51°的反弧段相切，反弧段在159.20 m高程處與消力池底板相切。

2.3.2 泄流能力計算

采用《溢洪道設計規范》( SL253－2000) 中開敞式WES型實用堰的泄流能力公式:

式中:Q 為設計流量，m3/s;ε 為側收縮系數，設計0.968，校核0.997;σm為淹沒系數;m 為流量系數0.5;b 為過流凈寬，m;H0為計入行近流速水頭的堰上水頭。

按以上公式進行驗算，當溢流壩寬度90 m，上設人行橋，凈過流寬度B=79.2 m時，溢流壩過流能力計算見下表1。

表1 溢流壩90 m過流能力計算表

滿足設計流量要求。

2.3.3 消能計算

計算采用《水閘設計規范》( SL 265－2001) 附錄B 的相關公式，根據上游設計水位，下游設計水位，經計算消力池深度為0.8 m，消力池長度為18 m，消力池底板厚度為1.2 m。經計算得到海漫長度22.98 m，設計與沖砂閘海漫段末端相銜接，取長度33 m。

2.3.4 穩定計算

2.3.4.1 擋土墻穩定分析計算

進、出口擋土墻均為懸臂式結構形式。進、出口擋土墻的高度不同，取最不利斷面分別計算擋土墻穩定。擋土墻穩定計算公式采用《水閘設計規范》( SL265－2001) 中的計算公式，計算結果見下表2、表3。

表2 擋土墻抗滑穩定計算結果

表3 擋土墻基底應力計算結果

［σ］=200 kN/m2，經過計算，滿足穩定要求。

2.3.4.2 滲透穩定計算壩基允許滲徑系數為5，上下游最大水頭差為3.3 m。

允許滲徑長度L=C ×ΔH =5 ×3.3 =16.5 m，而防滲長度為32 m，大于允許滲徑長度，滿足防滲要求。

3 結 語

在溢流壩設計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，壩面無不利的負壓或振動。

3) 結構除應滿足強度、剛度、穩定性外，還應根據部位所在的工作條件、地區氣候和環境等情況，分別滿足抗滲、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷等耐久性要求。

［1］陳德亮. 取水輸水建筑物叢書:取水工程［M］. 北京:中國水利水電出版社，2003.

［2］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 營城子渠首工程實施方案［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2009.