北安市东胜灌区渠首改造工程溢流坝设计

吕仁国，孙兰凤，白建英

(1.黑河市爱辉区水务局，黑龙江黑河164300;2.黑河市水利勘测设计院，黑龙江黑河164300; 3.黑河水文局，黑龙江黑河164300)

1 工程概况

东胜灌区位于北安市东南东胜乡境内，渠首位于东民村南2.0 km，距北安市城区25 km。东胜灌区以种植大豆为主，东胜灌区利用乌裕尔河来水可灌面积为933.3 hm2，远景规划利用联合水库及闹龙河水库补水，灌溉总面积可达2 000 hm2。东胜灌区渠首改造工程主要由进水闸、泄洪闸、溢流坝、防洪堤及滩地组成。

东胜灌区始建于1974年，1989年对灌区后续工程配套改造，1990年续建工程开工，1991年投入使用时完成溢流坝50 m。

2 溢流坝存在的问题

渠首工程自建成以来，多次发生溢流坝冲坏情况，现在溢流坝不能满足过流要求，严重影响了东胜灌区的正常灌溉，需拆除原有溢流坝，在原河道处新建溢流坝。

3 溢流坝工程设计

3.1 溢流坝总体布置

溢流坝的主要作用是抬高水位，以便自流引水灌溉，并能宣泄河道多余的水量及汛期洪水。

原有溢流坝不能满足过流要求，此次拆除原有溢流坝，在原河道处新建溢流坝，溢流坝净宽320 m(桩号0+413.60～0+734.40)，溢流坝由防渗铺盖、坝体、消力池、海漫及防冲槽5个部分组成。

进口铺盖长13.6 m，采用素混凝土护砌，底板厚度0.5 m。两侧挡墙为钢筋混凝土悬臂式挡土墙，墙顶宽为0.4 m，墙顶高程257.63 m。

溢流坝坝体采用WES型堰，由坝顶曲线、直线段、反弧段组成。坝体由素混凝土护面及埋石混凝土构成。溢流坝坝顶高程为255.20 m，底宽3.0 m。

消力池采用底流式消能，钢筋混凝土结构。池总长7.4 m，池深 0.7 m，消力池底高程 253.00 m，底板厚度0.8 m，两侧为悬臂式钢筋混凝土挡土墙。消力池末端接干砌石海漫，海漫长15 m，采用干砌石护底，其下设0.2 m砾石垫层和砂垫层，两侧为悬臂式钢筋混凝土挡土墙，墙顶高程255.70 m，海漫末端设防冲槽，防冲槽以1∶5坡与天然河道连接。

3.2 溢流坝坝顶高程确定

当灌区引取河道枯水期全部流量时，溢流坝坝顶高程等于渠首水位(254.16+0.854)加过闸水头损失(0.1 m)与渠道水头损失(349×1/4000)之和。经计算 H顶 = 255.20 m。

3.3 溢流坝剖面设计

3.3.1 堰型选择

采用WES型堰，由坝顶曲线、直线段、反弧段组成。

3.3.2 溢流坝剖面设计

由H－∑Q曲线查知:

1)堰顶O点上游三圆弧的半径及其水平坐标值:

2)O点下游的坝顶曲线方程为:

坝顶曲线坐标见表1。

表1 坝顶曲线座标表

3)反弧半径r=(0.25～0.5)(Hd+Hmax)取r=0.5 m。

4)下游直线段CD与曲线OC相切于C点。

C点座标Xc、Yc由下式求得

式中:ma为坡度，ma=0.7;P2为下游堰高，P2=2.2 m;r为反弧半径，r=0.5 m;α为直线段倾角，α=55°;xc、yc分别为C点座标。

经计算:x0＇=2.33 m，y0＇=1.71 m，xE=2.33 m，yE= 2.2 m。

坝总长:2.55 m。为了和护坦很好地连接，同时也利于稳定，今将坝段长延至3.0 m。WES剖面图见图1。解得:xc=1.21，yc=1.25。

5)反弧曲线圆心O、切点D、E座标分别按下式计算:

图1 溢流坝WES剖面图

3.4 溢流坝水力计算

溢流坝按20 a一遇洪水设计，设计水位255.74 m，设计最大下泄流量243.81 m3/s;50 a一遇洪水校核，校核水位256.0 m，最大下泄流量439.13 m3/s。

3.4.1 溢流坝流量计算

采用公式为:

式中:m为流量系数等于0.49;ε为侧收缩系数;ζk为溢流坝两端侧墙的形状系数，ζk=0.7;H0为计入行近流速的水头;P为最大坝高，m，P=2.2 m。

经计算:Q设=275.52 m3/s，Q校=439.13 m3/s。

计算流量均大于设计流量，断面尺寸满足要求。

3.4.2 溢流坝消能防冲设计

3.4.2.1 检查坝下消能是否需建消力池

按校核洪水位的最大泄量求第二共轭水深hc〃。

1)上游比能T0计算公式为:

2)设φ=0.95，计算q2/3/T0。

3)根据q2/3/T0及φ值，从水力学书中，查得hc〃/q2/3=0.56。

hc〃=1.18 m＜hs=1.98 m，不需设消力池，但考虑到基础的稳定及消能的充分，按构造设计一个池深为0.7 m的消力池。

3.4.2.2 消力池池长计算

公式为:

式中:H0为堰上水头，H0=0.8 m;P为堰高，P=1.7 m;d0为池深，d0=0.7 m。计算结果:L=5.01 m，取L=6.5 m。

护坦采用0.8 m钢筋混凝土结构。护坦下设10 cm厚素混凝土垫层。护坦设有排水孔，间距均为1.5 m，梅花形排列。

3.4.2.3 海漫设计

计算公式为:

式中:K为经验系数;ΔH为上下游水头差，ΔH=0.79 m;q为海漫末端单宽流量，q=1.37 m3/s/m。

计算结果:L=11.83 m，取L=12 m。

采用50 cm的干砌石护底，垫层采用厚度各为20 cm的砾石和粗砂层。

3.4.2.4 防冲槽设计

冲刷坑深度hp计算公式为:

式中:q为海漫末端的单宽流量，m3/s·m;α0为海漫末端断面的动能改正系数，α0=1.3;y为海漫末端断面垂线上最大流速点距河底的距离，m;hs为海漫末端断面的水深，m，hs= 1.98 m;K为海漫末端断面处的单宽流量集中系数，K=1.3;d为渠(河)床砂粒的平均粒径，m，d=0.001 m。

经计算:hp=2.97 m＞h=1.98 m;h冲=0.99 m。

取防冲槽深1.0 m，防冲槽做成堆石形式，槽顶与海漫末端齐平，上游边坡1∶2，下游边坡1∶3，防冲槽底宽1.0 m，顶宽5.0 m，防冲槽采用1∶5坡度与下游河床连接。

4 结论

溢流坝建成后能保证渠首工程效益的正常发挥，抗御旱涝灾害，提供灌区农业生产能力，保证东胜乡经济的可持续发展，加快新农村建设，对东胜灌区渠首工程的改造是十分必要的。

［1］ 宋祖诏，等.渠首工程［M］.北京:水利水电出版社，1986.

［2］ 吴持恭.水力学［M］.北京:高等教育出版社，1998.