衛星灌區節水改造5#交叉樞紐工程設計分析

耿金榮

（齊齊哈爾市嫩江巡查管護總站，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 灌區概況

1.1 灌區基本情況

衛星灌區始建于1958 年，是黑龍江省北部跨齊齊哈爾市和黑河市兩大行政區的大型引水灌溉工程，衛星運河干渠由土泥淺起途經五大連池市、克山縣至訥河市的魯民村，全長89 km，比降約1/15000，灌區總面積45.3 萬畝，衛星灌區雖經過多年建設灌溉、排水工程已具有一定規模，現有分干渠2 條，即北興分干渠長13.6 km，九井分干渠長31.5 km；支渠51 條，長82.9 km，排水分干溝16 條，長47 km，支溝47 條，長75.4 km。

1.2 存在的問題及建設的必要性

（1）區外坡水出路未徹底解決

干渠上已建的坡水交叉工程，經多年運行，有的已沖壞，有的需維修。分干渠上的坡水交叉大多沒有工程，坡水直接入渠，使渠道局部沖毀、淤積嚴重，影響渠道正常通水。

（2）渠系不健全，建筑物工程不配套

分干渠、支渠上控制性建筑物很少，已有工程老化失修，有的已經損壞，配水、用水無法控制，水源浪費嚴重，不能滿足正常供水及擴大灌溉面積的要求，影響了灌區效益的發揮。

（3）渠道滲漏、沖刷嚴重

衛星干渠與坡水溝交叉地段粘土層很薄，下層為極強透水的礫類土，有的渠段渠底砂礫石裸露，特別在樁號14+000～18+500 段，玄武巖出露地表，渠坡由碎石與粘土混合組成，造成干渠滲漏嚴重。

北興一、二分干渠、九井一、二分干渠與衛星干渠聯網段，地形陡，跌水工程多，已有工程沖刷破壞現象嚴重，需要做防沖消能處理。

（4）缺少必要的節水工程及節水措施

由于建筑物不配套，失修損壞，漏水嚴重，加之渠道滲漏嚴重，水量浪費很大。灌溉方法、灌溉制度因循守舊，目前的灌溉水利用系數只能達到0.47 左右，灌溉毛定額達828 m3/畝。

基于以上情況，為了完善灌區設施配套，保證水源的利用率，確保灌溉效益的發揮。衛星干渠重建交叉工程10 座，5#、8#、9#、13#、15#、16#、18#、19#、24#、25#，從參考灌區成熟水交叉工程運行情況，坡水涵洞型式的均有淤積現象，排水不暢，由于坡水流量較大，坡水交叉工程均選擇坡水渡槽，用水壓力涵型式。其中5#、8#、13#、16#交叉為坡水渡槽用水涵洞與泄水閘結合的樞紐工程。此次以衛星干渠5#交叉改造工程為例進行分析。

2 衛星干渠5#交叉工程改造

在原交叉衛星干渠21+300～21+700 下游坡水溝30 m 處重建5#交叉，相應地衛星干渠21+300-21+700 段改線與新建5#交叉樞紐相連，施工期間利用原渠道和建筑物供水。

重建5#交叉樞紐包括坡洪堰、干渠倒虹吸和干渠泄洪閘。坡洪堰流量設計標準為20 年一遇，流量為203.43 m3/s，干渠倒虹吸設計流量為19.87 m3/s，校核流量為23.84 m3/s；衛星干渠在灌區南部邊界地勢較高一側，沿等高線布置。干渠左側為坡地，當夏季坡地上游地區發生連續降雨時，經常出現坡水漫過干渠左側堤寬進入渠道并沖毀干渠問題，為了保證干渠的安全，在發生坡水入渠時，需要快速排除渠道內積水，因此泄洪閘的設計流量取該段渠道的設計流量是非常必要的，本次設計泄洪閘的設計流量為19.87 m3/s，校核流量為23.84 m3/s。

2.1 倒虹吸

倒虹吸為鋼筋混凝土方涵每節長10 m，共分5 節洞，洞連接處設止水，孔數為三孔，斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬），洞身厚0.3 m，洞頂厚0.4 m，洞底板厚0.6 m，下設水撼砂，洞身進口處設閘室，閘墩厚0.8 m，上設工作橋及排架。洞身進出口段采用鋼筋混凝土、混凝土板。倒虹吸下游渠道采用預制混凝土板護砌，長度50 m。

2.2 坡洪堰

坡洪堰由上游溝道、進口段、閘室洞身、陡坡、消力池、海漫和下游溝道組成。上游溝道長100 m，底寬50 m，邊坡1∶2.5；堰進口段采用石籠護砌，長20 m，厚0.3 m，下設砂礫石墊層、無紡布。

坡洪堰堰頂高程為洞身頂板高程235.00 m，兩側高中間低，相差0.5 m，頂板厚0.4 m，兩側設導流墻，下游設陡坡段、消力池、防沖槽，海漫兩側采用混凝土板護砌。其中陡坡段長6.0 m，底板厚0.8 m；消力池分2 節，每節長7 m，池深0.5 m，底板厚0.8 m；海漫長28 m，海漫兩側采用混凝土板護砌，寬50 m；防沖槽深2.0 m，長13 m。下游溝道長100 m，底寬50 m，邊坡1∶2.5。

2.3 泄水閘

泄洪閘由進口段、閘室洞身、陡坡、消力池、海漫和下游溝道組成，鋪蓋至海漫長64.6 m。進口采用八字擋墻，渠道采用干砌石護砌，此處護砌與5#交叉的護砌相接；閘室洞身一體，閘室2 孔，單孔凈寬2.5 m，閘墩厚0.8 m，方涵斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬），洞身厚0.3 m，洞頂厚0.4 m，洞底板厚0.6 m，下設水撼砂，上設工作橋及排架。

下游設陡坡段、消力池、防沖槽，海漫兩側采用混凝土板護砌。其中陡坡段長7.5 m，底板厚0.9 m；消力池分2 節，每節長7 m，池深0.5 m，底板厚0.9 m；海漫長18 m，海漫兩側采用混凝土板護砌護砌，寬10 m；防沖槽深1.5 m，長9.5 m。出口用1∶5 的底坡與下游溝道連接。

下游溝道：下游溝道長60 m，然后進入坡水溝，邊坡坡比1∶2.5。

地基處理及防凍害布置：本區凍害嚴重，為減輕凍害，基礎底板均采用水撼砂換填，所有擋墻后面均用中粗砂回填。

2.4 衛星干渠21+300-21+700 改線段渠道設計

渠道改線段樁號21+300-21+700，長度400 m。渠道左側堤頂寬2.0 m，右堤為干渠路，堤頂寬5.0 m，內外邊坡為1∶2。渠道水力要素見表1。

表1 干渠水力要素表

為了防止水流沖刷，在渠道改線起點21+300 處，上下游各設50 m 長渠道護砌，樁號21+250-21+350，渠道護砌斷面形式同干渠渠道防滲。

3 水力計算

3.1 倒虹吸

3.1.1 基本情況

倒虹吸為三孔，斷面尺寸為2 m×2.5 m（高×寬）鋼筋混凝土方涵，洞身長50 m，洞底高程232.60 m，洞頂高程235.00 m。

干渠流量：Qmax=23.84 m3/s，Q設=19.87 m3/s，Qmin=7.95 m3/s。

干渠設計水位：上游237.30 m，下游237.10 m；干渠堤頂高程：上游238.30 m，下游238.10 m；干渠渠底高程：上游235.07 m，下游234.87 m；干渠上下游渠底寬15 m。

3.1.2 倒虹吸過流能力計算

倒虹吸過流能力按《灌溉與排水工程設計規范》（N-1）～（N-3）公式計算：

式中：Q 為倒虹吸設計流量，m3/s；m 為流量系數；A 為倒虹吸過水斷面面積，m2；g 為重力加速度，m/s2；Z 為上、下游水位差，m；∑ξ 為局部水頭損失系數的總和，包括閘門槽、進口、出口、轉彎段等損失系數；λ 為能量損失系數；L 為包括進出口斜坡段在內的倒虹吸總長度，m；D 為倒虹吸斷面為矩形時，D 為 4R；R 為水力半徑，m；C 為謝才系數，m1/2/s。

計算得倒虹吸的過流量為26.35 m3/s，滿足設計流量Q=19.87 m3/s，并且能夠通過加大流量Qmax=23.84 m3/s，滿足要求。

3.1.3 倒虹吸總水頭損失計算：

倒虹吸總水頭損失計算按《灌溉與排水工程設計規范》（N-4）公式計算：

式中：hw為倒虹吸從進口至出口的總水頭損失，m；V 為倒虹吸斷面平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；∑ξ 為局部水頭損失系數的總和，包括閘門槽、進口、出口、轉彎段等損失系數；λ 為能量損失系數；L 為包括進出口斜坡段在內的倒虹吸總長度，m；D 為倒虹吸斷面為矩形時，D 為4R。

計算得倒虹吸的水頭損失為0.2 m，滿足設計要求。

3.1.4 倒虹吸進出口漸變段長度計算

倒虹吸進出口漸變斷長度計算按《倒虹吸管》（3-15）公式計算：

式中：L 為倒虹吸進出口漸變段長度，m；C 為系數，采用4～6，進口取小值，出口取大值。

計算得倒虹吸進口漸變段長度為8.92 m，取10 m，出口漸變段長度為12.3 m，取13 m。

3.1.5 倒虹吸出口消能設計

倒虹吸出口流速較小時，可不做消力池，僅用斜坡和八字墻漸變段與下游渠道銜接即可，當出口流速較大時，可在下游渠道適當長度內（2 m～5 m）砌石防沖。此次設計出口八字墻漸變段與下游渠道銜接部位采用干砌石護砌，以增加消能防沖效果。

3.2 坡洪堰

建筑物設計流量203.43 m3/s，校核流量318.73 m3/s。

3.2.1 坡洪堰流量的確定

坡洪堰流量采用寬頂堰流量公式計算：

式中：Q 為坡洪堰流量 m3/s；m 為寬頂堰的流量系數；σs為寬頂堰的淹沒系數；B 為堰頂寬度，m；H0為堰頂水頭，m；ε 為側收縮系數；bs為上游河道一半水深處的寬度，m；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

計算結果見表2。

表2 坡洪堰流量計算表

3.2.2 消能防沖計算

消力池采用等寬斷面，底寬50 m。

消力池池長、池深的計算分別按設計流量和校核流量進行計算。

計算公式：

式中：d 為池深，m；σ 為水躍淹沒度，取 σ=1.1；hc"為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；Δz為消力池尾部出口水面跌落，m；Q 為流量，m3/s；b 為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數，取0.95；L 為自由水躍的長度，可按 L=6.9（h2-h1）計算。

表3 消力池池深、池長計算

依據計算結果表消力池池深取0.5 m，池長取14 m。

3.2.3 海漫計算

海漫長度計算，采用公式：

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計算系數，取Ks=10；ΔH'為上、下游水位差，m。

海漫計算長度26.5 m，考慮安全采用長度28 m，下接防沖槽。

3.3 泄水閘

建筑物設計流量19.87 m3/s，校核流量23.84 m3/s。

3.3.1 流量的確定

流量采用寬頂堰流量公式計算：

式中：Q 為流量 m3/s；m 為寬頂堰的流量系數，取 0.385；B 為堰頂寬度,取 5.0 m；H0為堰頂水頭，m。

計算得泄洪閘的過流量為28.38 m3/s，滿足設計流量Q=19.87 m3/s，并且能夠通過加大流量Qmax=23.84 m3/s，滿足要求。

3.3.2 消能防沖計算

消力池采用漸擴式矩形斷面，底寬5.4 m～10.0 m。

計算公式：

式中：d 為池深，m；σ 為水躍淹沒度，取 σ=1.1；hc"為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；Δz為消力池尾部出口水面跌落，m；Q 為流量，m3/s；b 為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數，取0.95；L 為自由水躍的長度，可按 L=6.9（h2-h1）計算。

經計算池深為0.30 m，池長11.3 m，采用消力池池深0.5 m，采用消力池池長14 m。

3.3.3 海漫計算

海漫長度計算，采用公式：

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計算系數，取Ks=9；ΔH'為上、下游水位差，m。

海漫計算長度16.5 m，考慮安全采用長度18 m，下接防沖槽。

4 結論

5#交叉樞紐工程是衛星灌區節水改造的一個小工程，也是比較有代表性的工程，從設計到運行均是依據灌區實際情況來進行，故在工程建成后，新增灌溉面積15.13 萬畝，使灌區總水田自流灌溉面積達到23.06 萬畝，年效益達到7376.29 萬元，效益十分可觀。衛星灌區地表水系主要就是降雨徑流，并且主要集中在7 月、8 月份，通過灌區節水改造工程的實施，對于整個灌區的經濟長遠發展和水資源利用率上都得到有效的保證。