萬寶河水利樞紐工程截流工程設計

王洪麗

(哈爾濱市雙城區水務局，黑龍江 哈爾濱 150100)

1 工程概況

1.1 氣象條件

大壩區域年平均氣溫為3.4 ℃，一般從10月中旬進入冬季(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，可以達到全年降雨量的45.6%，不宜進行黏性土施工，多年月平均降水量見表1。

表1 多年月平均降雨量表 mm

大壩區域土壤一般在11月中旬開始結凍，凍土最深可達到2.1 m，河流結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

對于汛期可能發生的洪水，一次洪水在上游一般會經歷約9 d的時間，在下游經歷洪水要比上游多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，所以不另設水文站，資料選擇現有水文站的觀測值。據桃山站1940—1982年中26 a(年份不連續)資料統計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月的平均流量統計計算得各頻率流量見表3，下游流量與水位關系見表4。

表2 多年流量統計計算表

表3 4—6月不同頻率流量表

表4 下游流量與水位關系表

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，經過碾壓試驗，儲量對比，含水率比較后決定選擇路西料區作為主料場。

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

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

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，施工前應該做全面考慮，在可控范圍內減輕截流產生的影響。(3)因為本河流有冰凍期，為了避免工程復雜化，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月中旬進入枯水期，11月進入冰凍期，4月解凍，枯水期可持續到翌年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。截流設計流量選擇按照頻率法確定，截流時段已經選定，初步擬定采取10%頻率的平均流量作為截流設計標準。

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。

立堵法截流優點在于比較經濟，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。缺點是產生紊流沖刷河床的可能性高，出現的最大流速也較高。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生不小的影響，且需要不便宜的浮橋，所以較為不經濟[2-3]。處于對河床地質考慮此處選用立堵截流法。

2.3 截流水力計算

截流時的導流工作由溢洪道和輸水洞聯合完成。溢流堰頂高程和輸水洞進水口的高程分別為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留龍口門寬度的關系見表5。

截流工程在枯水期動工，隨著圍堰進占，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。對三種預留龍口門的寬度分別計算如式(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，取0.502；h為堰高，m；Vc為束窄斷面平均流速，m/s；B為預留龍口門寬度，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為流速系數取0.80～0.85，本文取0.80。

對拋石粒徑計算，按伊茲巴什公式如式(6)～式(7)所示。

滑動穩定計算：

(6)

滾動穩定計算：

(7)

式中：V為龍口流速，根據表5對應龍口門寬度選擇對應流速,m/s；yC為為塊石滑動穩定系數,采用0.86；yB為為塊石滾動穩定系數,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，合攏進入緊張階段，這時要求的拋投強度很大，應兩側同時進行，直至龍口全部合攏。

2.4 龍口位置的選擇

龍口設在明渠右側、河床主流處。為防止截流過程覆蓋層被沖刷，必要時需對龍口進行平拋護底，這樣可以避免物料沖刷流失。

3 基坑排水

初期排水按照經驗公式計算，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，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并不是再無積水問題困擾，因為基坑內會不斷有滲水進入，因此需要繼續排出基坑內的滲水和后續降雨等產生的可能會影響施工的排水工作[4]。

4 結 論

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