淺談衛星灌區渠首工程改造

張愛民

（黑龍江省衛星運河管護中心，黑龍江 齊齊哈爾 161635）

1 灌區工程概況

訥謨爾河流域位于黑龍江省中部，位置北緯47°43'～49°5'，東經124°34'～127°54'，是嫩江中游左側的一級支流。流域干流上的山口水庫（大二型）為下游灌區提供水源保證。山口水庫以上河域為上游，山口水庫以下河域為中下游。衛星灌區位于訥謨爾河中下游，渠首工程地理位置在東經125°57′00.15"，北緯48°32′57.07"。衛星灌區始建于1958 年，是跨齊齊哈爾市和黑河市兩大行政區的大型自流引水灌溉工程。灌區范圍行政所屬為五大連池市團結鄉、和平鎮、太平鄉的一部分，克山縣北興鎮一部分，訥河市九井鎮、訥南鎮一部分，總面積3.03×104 hm2。衛星灌區是受益區當地農業和農村經濟發展的重要基礎設施，是農產品的重要生產基地。自20 世紀90 年代啟動續建配套與節水改造以來，灌區嚴重病險、“卡脖子”工程基本得到改造，但受投資條件限制，灌區仍存在水利基礎設施薄弱、供水保證程度不高等問題。“十四五”期間，衛星灌區續建配套與現代化改造重點任務其中包括改造引水樞紐、完善渠首工程、提升灌區供水保障能力[1]。

2 渠首工程布局

衛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、衛星總干渠進水閘、三升分干渠進水閘組成。其中引渠、總干渠進水閘、溢流壩維修工程已由灌區續建配套與節水改造項目實施完成，三升進水閘新建工程已由五大連池市受益地方實施建設。灘地溢流堰、土壩、渠首左岸防洪堤維修工程為未實施工程。沖沙泄洪閘新建工程未實施。新建沖沙泄洪閘可以減少渠首及引渠淤積；春汛過水避免對溢流壩面造成破壞；在非灌溉期、汛期及大于灌溉流量時泄洪，提高下游河道水位，減小溢流壩、灘地溢流堰過流時上下游水位差，有利于河道穩定。另外，灌區渠首規劃道路林帶、景觀設計、灌區信息化智慧水管理體系等。該灌區渠首工程總體布置的主要原則是根據衛星渠首的重要性及供水要求，在原渠首樞紐基礎上，將渠首樞紐改造成為永久性工程，增設沖沙泄洪閘，達到平槽泄量時固灘工程基本不過流。

3 建設標準

3.1 工程等別及建筑物級別

衛星灌區總控制面積3.03×104hm2，設計灌溉面積2.17 ×104hm2，衛星渠首的總引水流量27.44 m3/s（衛星總干渠25.22 m3/s，三升分干渠2.22 m3/s），根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）[2]，衛星灌區工程為三等，衛星渠首工程級別為3 級。

3.2 設計標準

渠首工程設計標準為20a 一遇，校核標準為50a 一遇。

3.3 抗震標準

根據《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2001 附錄A，灌區地震基本烈度小于6 度，設計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 流量計算公式

采用寬頂堰流公式[3]：

式中：m—流量系數；σ—淹沒系數；B0—總凈寬；H0—堰上水深。

4.2 渠首平槽流量與設計洪水

4.2.1 平槽流量

根據實測主槽斷面及現場踏察，通過推求水面線，確定訥謨爾河衛星渠首平槽流量263m3/s。

4.2.2 設計洪水

根據計算20a 一遇洪峰流量1910m3/s，50a 一遇洪峰流量2790m3/s。

4.3 山口水庫灌溉期各灌區引水流量

山口水庫灌溉期最大供水流量66.60m3/s。根據灌區水量平衡計算，灌溉期上游永豐、建設灌區用水10.24m3/s，衛星灌區用水27.44m3/s（總干進水閘引水25.22m3/s，三升分干進水閘引水2.22m3/s），下游訥全、紅太灌區用水28.16m3/s。

4.4 各工程高程關系的確定

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、灘地溢流堰不過流，滿足衛星灌區引水流量及水位的同時還要滿足下游灌區用水流量。衛星干渠渠首水位239.90m，根據引渠設計推求到溢流壩處水位為240.16m，試算壩頂高程滿足下游灌區用水流量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）當河流含沙量較大，而河床本身也經常處于淤積情況時，閘底板高程可適當抬高，但要低于進水閘底板高程。由于渠首處河流含沙量大淤積較嚴重故設沖沙閘，經實測河床多年平均底高程為236.70m，衛星干渠進水閘維修已實施，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

渠首處過平槽流量時，由溢流壩、沖沙泄洪閘共同承擔，經計算溢流壩過流量為33m3/s，沖沙泄洪閘過流量為230m3/s，經計算閘孔凈寬為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

灘地溢流堰現狀平均堰頂高程240.00m，堰長1061m。堰頂高程確定的原則：渠首處過平槽流量時，灘地溢流堰不過流，溢流壩、沖沙泄洪閘過流，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 渠首各工程過流量

根據訥謨爾河衛星渠首斷面水力要素及各工程之間的水力關系，按照各工程的堰形、尺寸數據，經過計算，渠首各工程過流量及水力要素如表1 所示，渠首上、下游水位流量關系根據水力計算結果形成關系曲線圖，具體水位流量曲線見圖1、圖2。

表1 渠首各工程過流量統計表

圖1 沖沙泄洪閘上游水位流量關系曲線

5 渠首工程設計

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 個功能：1）沖沙。減少渠首及引渠淤積，春汛過水避免對溢流壩面破壞；2）泄洪。非灌溉期、汛期及大于灌溉流量時泄洪，提高下游河道水位，減小溢流壩、溢流堰過流時上下游水位差，有利于河道穩定。

5.1.2 沖沙泄洪閘位置選擇

由于衛星渠首范圍大，特別是引渠較長，由溢流壩至總干渠進水閘長3.38km，渠首工程較分散，以往項目灌區規劃設計對擬定渠首沖沙泄洪閘位置均有不同方案，該設計作為比選方案。方案比較考慮的因素：通過引渠清淤工程實踐及現場勘察實測渠首、引渠現狀，可以證明多年來引渠淤積量較小，沖沙泄洪閘不必靠近衛星干渠進水閘；保證原主河道不改道；工程地質條件好，施工相對容易；盡量少占用耕地等；工程量、投資較小。經方案比選，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，又不改變主河槽達到泄洪沖沙目的，同時不占耕地，施工容易，節省投資，投資約為824 萬元[4]。

5.1.3 沖沙泄洪閘址地質條件

沖沙泄洪閘建筑地基主要由②低液限黏土、⑤級不良礫組成，基礎坐落于⑤級不良礫層之上，地基強度滿足要求。標準凍深2.3m，在凍深范圍內的堤體填土、②低液限黏土為凍脹性土。擬建場地地下水位較高，易發生凍脹破壞，設計時須采取防凍措施。⑤級不良礫強透水，防滲性差，滲透穩定條件較差，在動水位作用下易發生管涌滲透變形破壞，設計時須采取適當措施。基坑坑壁穩定性差，須做好基坑支護工作。地下水位較高，施工時應做好降水工作，可采用井點法進行施工降水。

5.1.4 沖沙泄洪閘總體布置

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

5.1.5 沖砂泄洪閘水力計算

5.1.5.1 流量計算

經計算溢流壩上游水位、流量見表1 及圖2。平槽水位、P=5%設計洪水和P=2%設計洪水時，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算

5.1.5.2.1 下游溝道Q～H曲線

下游水位流量關系曲線見圖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算

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

消能防沖根據控制運行條件采用幾種情況進行計算：1）壩不過流，上游水位239.85m，開1 孔，開2 孔，全開；2）壩不過流，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。

具體計算略。

5.1.5.3 閘門控制運用方式的擬定

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

5.1.6 防滲排水設計

根據《水閘設計規范》（SL265-2016）[5]防滲排水布設的有關規定，采用該規范中公式（4.3.2）進行沖沙閘抗滲穩定復核計算。

式中：L—閘基防滲長度；ΔH—上下游水位差；C—允許滲徑系數。

采用以下2 種工況進行抗滲穩定驗算。1）正常情況下，上游設計水位，下游無水，排水設備工作正常；2）特殊工作情況下，上游校核水位，下游無水，排水設備失效。經計算，在2 種工況下，計算滲徑系數均大于允許滲徑系數，閘基滲透穩定滿足安全要求。

5.1.7 穩定計算

沖沙泄洪閘在上游校核水位241.55m，下游無水時，上下游水位差（ΔH=4.55m）最大，即閘室穩定計算由上游校核水位，下游無水情況控制。經計算：閘室基礎底面的抗滑穩定、抗傾覆穩定、抗浮穩定均滿足要求。

5.2 灘地溢流堰

5.2.1 灘地溢流堰概況

灘地溢流堰為現有工程，漿砌石堰體，堰長892m，堰頂原平均高程240.00m，設計堰頂高程240.21m，堰寬4m，設計堰長1061m。

5.2.2 灘地溢流堰過流計算

灘地溢流堰上游水位、流量經計算見表1，特征數據值：P=5%設計洪水和P=2%設計洪水時灘地溢流堰下泄流量Q5%=1535m3/s、Q2%=2287m3/s。

5.2.3 灘地溢流堰維修設計

灘地溢流堰位于渠首工程樁號1+154～2+215，總長1.061km。

5.2.3.1 堰體

現狀堰頂采用混凝土加高至240.21m，平均加高0.21m，用鋼筋與原結構錨固；堰體加長段長169m，采用鋼筋混凝土結構，頂寬4.0m，板厚0.3m，齒深1.7m，板下設水撼砂厚1.7m。

5.2.3.2 上游鋪蓋

鋪蓋為干砌石結構，厚0.3m，下設碎石墊層0.15m，礫石墊層0.15m，無紡布一層。

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 的水平護砌段，均為石籠結構，厚0.5m，下設碎石墊層0.15m，礫石墊層0.15m，無紡布一層，下游沖溝100m 內填平至地面。

5.3 土壩加固

渠首右岸土壩為現狀土壩，共2 段，渠首工程樁號0+092～1+154、2+215～3+479，總長2.326 km，平均壩頂高程242.09～242.94m。土壩設計標準同訥謨爾河左岸堤防，訥謨爾河左岸堤防在土壩樁號2+600 處與土壩閉合。依據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）[6]中第7.3.1 條規定，堤防高程按設計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 段土壩起點位于溢流壩左岸高地樁號0+092，終于灘地溢流堰右端樁號1+154，全長1062m。設計壩頂高程242.78m，壩頂寬5m，戧臺頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內邊坡戧臺以上1︰3，戧臺以下1︰4。由于土壩垂直河道布置，并且該段距主河槽較近，洪水時沖刷較嚴重，沖刷下的土落入引渠中，加重了引渠淤積，因此該土壩樁號0+092～1+154 段采用混凝土板護砌。混凝土板厚20cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設有石籠齒墻。土壩背水側設蜂巢約束系統生態草皮護坡。

第2 段樁號2+215～3+479，土壩起點位于灘地溢流堰左端樁號2+215，終于渠首進水閘，全長1.264km。設計壩頂高程242.78m，壩頂寬5m，土壩與渠首進水閘引渠右堤相結合布置，渠道為復式斷面，設計渠底寬20m，戧臺頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內邊坡戧臺以上1︰3，戧臺以下1︰4。土壩采用混凝土板護砌。混凝土板厚20cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設有石籠齒墻。土壩背水側設蜂巢約束系統生態草皮護坡。

5.4 渠首左岸防洪堤

渠首左岸防洪堤起于建設灌區防洪堤末端，終于衛星灌區渠首進水閘，全長1214m，與渠首進水閘引渠左堤相結合布置。設計防洪標準P=5%，堤頂寬2.0m，堤頂高程同土壩設計壩頂高程為242.78m，戧臺頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內邊坡戧臺以上1︰3，戧臺以下1︰4。左岸防洪堤采用混凝土板護砌。混凝土板厚20cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設有石籠齒墻。土壩背水側設蜂巢約束系統生態草皮護坡。

5.5 道路及林帶工程

渠首工程從溢流壩起至干渠進水閘，全長3.5km，現狀無交通工程，本次在土壩壩頂布置混凝土路面20cm，路寬5.0m，長度2.4km。結合引渠布置渠道防護林。

5.6 渠首工程亮化設計

在3.5km 渠首工程沿線設置景觀燈，綠地及觀景平臺上布置庭院燈，共同組成絢麗多彩的亮化效果，便于對渠首工程的監管，又可以作為當地一處景觀。亮化工程設計布置路燈70 座。

5.7 灌區信息化智慧水管理體系建設

創建以深度學習算法為核心的渠首優化配水調度模型，建成渠首閘門自動控制系統，實現渠首優化配水調度輔助決策功能。搭建訥謨爾河衛星灌區信息化云中心，初步建成訥謨爾河衛星智慧灌區信息化軟件平臺系統，實現灌區業務管理標準化規范化信息化。

6 結語

衛星灌區是在原衛星運河工程的基礎上整合五大連池市和平灌區、克山縣北興灌區、訥河市九井灌區等改造建設的，并發展成為國家大型灌區。灌區渠首工程位置水文、地質條件好，經過近50 年的整治、維修、維護，特別是對溢流主壩及灘地溢流堰的維修加固，渠首工程已經穩定。沖沙泄洪閘的建設減少渠首及引渠淤積，避免凌汛對溢流壩面破壞，泄洪時減少溢流壩、灘地溢流堰上下游水位差，更加有利于河道穩定。穩定的溢流壩、灘地溢流堰，再新建沖沙泄洪閘，達標土壩及防洪堤，衛星渠首工程達到永久渠首標準。