浅谈卫星灌区渠首工程改造

张爱民

（黑龙江省卫星运河管护中心，黑龙江 齐齐哈尔 161635）

1 灌区工程概况

讷谟尔河流域位于黑龙江省中部，位置北纬47°43'～49°5'，东经124°34'～127°54'，是嫩江中游左侧的一级支流。流域干流上的山口水库（大二型）为下游灌区提供水源保证。山口水库以上河域为上游，山口水库以下河域为中下游。卫星灌区位于讷谟尔河中下游，渠首工程地理位置在东经125°57′00.15"，北纬48°32′57.07"。卫星灌区始建于1958 年，是跨齐齐哈尔市和黑河市两大行政区的大型自流引水灌溉工程。灌区范围行政所属为五大连池市团结乡、和平镇、太平乡的一部分，克山县北兴镇一部分，讷河市九井镇、讷南镇一部分，总面积3.03×104 hm2。卫星灌区是受益区当地农业和农村经济发展的重要基础设施，是农产品的重要生产基地。自20 世纪90 年代启动续建配套与节水改造以来，灌区严重病险、“卡脖子”工程基本得到改造，但受投资条件限制，灌区仍存在水利基础设施薄弱、供水保证程度不高等问题。“十四五”期间，卫星灌区续建配套与现代化改造重点任务其中包括改造引水枢纽、完善渠首工程、提升灌区供水保障能力[1]。

2 渠首工程布局

卫星渠首工程由溢流坝、冲沙泄洪闸、滩地溢流堰、土坝、引渠、渠首左岸防洪堤、卫星总干渠进水闸、三升分干渠进水闸组成。其中引渠、总干渠进水闸、溢流坝维修工程已由灌区续建配套与节水改造项目实施完成，三升进水闸新建工程已由五大连池市受益地方实施建设。滩地溢流堰、土坝、渠首左岸防洪堤维修工程为未实施工程。冲沙泄洪闸新建工程未实施。新建冲沙泄洪闸可以减少渠首及引渠淤积；春汛过水避免对溢流坝面造成破坏；在非灌溉期、汛期及大于灌溉流量时泄洪，提高下游河道水位，减小溢流坝、滩地溢流堰过流时上下游水位差，有利于河道稳定。另外，灌区渠首规划道路林带、景观设计、灌区信息化智慧水管理体系等。该灌区渠首工程总体布置的主要原则是根据卫星渠首的重要性及供水要求，在原渠首枢纽基础上，将渠首枢纽改造成为永久性工程，增设冲沙泄洪闸，达到平槽泄量时固滩工程基本不过流。

3 建设标准

3.1 工程等别及建筑物级别

卫星灌区总控制面积3.03×104hm2，设计灌溉面积2.17 ×104hm2，卫星渠首的总引水流量27.44 m3/s（卫星总干渠25.22 m3/s，三升分干渠2.22 m3/s），根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）[2]，卫星灌区工程为三等，卫星渠首工程级别为3 级。

3.2 设计标准

渠首工程设计标准为20a 一遇，校核标准为50a 一遇。

3.3 抗震标准

根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001 附录A，灌区地震基本烈度小于6 度，设计基本地震加速度值小于0.05g。

4 渠首各工程流量或高程的确定

4.1 流量计算公式

采用宽顶堰流公式[3]：

式中：m—流量系数；σ—淹没系数；B0—总净宽；H0—堰上水深。

4.2 渠首平槽流量与设计洪水

4.2.1 平槽流量

根据实测主槽断面及现场踏察，通过推求水面线，确定讷谟尔河卫星渠首平槽流量263m3/s。

4.2.2 设计洪水

根据计算20a 一遇洪峰流量1910m3/s，50a 一遇洪峰流量2790m3/s。

4.3 山口水库灌溉期各灌区引水流量

山口水库灌溉期最大供水流量66.60m3/s。根据灌区水量平衡计算，灌溉期上游永丰、建设灌区用水10.24m3/s，卫星灌区用水27.44m3/s（总干进水闸引水25.22m3/s，三升分干进水闸引水2.22m3/s），下游讷全、红太灌区用水28.16m3/s。

4.4 各工程高程关系的确定

4.4.1 溢流坝坝顶高程的确定

坝顶高程确定的原则：灌溉期冲沙泄洪闸、滩地溢流堰不过流，满足卫星灌区引水流量及水位的同时还要满足下游灌区用水流量。卫星干渠渠首水位239.90m，根据引渠设计推求到溢流坝处水位为240.16m，试算坝顶高程满足下游灌区用水流量28.16m3/s 为止，确定坝顶高程为239.85m。

4.4.2 冲沙泄洪闸堰顶高程的确定

堰顶高程确定的原则：1）在一般情况下，为了多泄水、多冲砂，冲沙闸闸槛高程宜与河底齐平。2）当河流含沙量较大，而河床本身也经常处于淤积情况时，闸底板高程可适当抬高，但要低于进水闸底板高程。由于渠首处河流含沙量大淤积较严重故设冲沙闸，经实测河床多年平均底高程为236.70m，卫星干渠进水闸维修已实施，闸底板高程237.55m，综合考虑冲沙泄洪闸闸底板高程定为237.00m。

4.4.3 冲沙泄洪闸闸孔净宽的确定

渠首处过平槽流量时，由溢流坝、冲沙泄洪闸共同承担，经计算溢流坝过流量为33m3/s，冲沙泄洪闸过流量为230m3/s，经计算闸孔净宽为30m，选定闸孔为3 孔，单孔净宽10m。

4.4.4 滩地溢流堰堰顶高程的确定

滩地溢流堰现状平均堰顶高程240.00m，堰长1061m。堰顶高程确定的原则：渠首处过平槽流量时，滩地溢流堰不过流，溢流坝、冲沙泄洪闸过流，上游水位即为滩地溢流堰堰顶高程。

上游水位为240.21m，确定滩地溢流堰堰顶高程为240.21m。

4.5 渠首各工程过流量

根据讷谟尔河卫星渠首断面水力要素及各工程之间的水力关系，按照各工程的堰形、尺寸数据，经过计算，渠首各工程过流量及水力要素如表1 所示，渠首上、下游水位流量关系根据水力计算结果形成关系曲线图，具体水位流量曲线见图1、图2。

表1 渠首各工程过流量统计表

图1 冲沙泄洪闸上游水位流量关系曲线

5 渠首工程设计

5.1 冲沙泄洪闸

5.1.1 冲沙泄洪闸作用

新建冲沙泄洪闸工程，主要有2 个功能：1）冲沙。减少渠首及引渠淤积，春汛过水避免对溢流坝面破坏；2）泄洪。非灌溉期、汛期及大于灌溉流量时泄洪，提高下游河道水位，减小溢流坝、溢流堰过流时上下游水位差，有利于河道稳定。

5.1.2 冲沙泄洪闸位置选择

由于卫星渠首范围大，特别是引渠较长，由溢流坝至总干渠进水闸长3.38km，渠首工程较分散，以往项目灌区规划设计对拟定渠首冲沙泄洪闸位置均有不同方案，该设计作为比选方案。方案比较考虑的因素：通过引渠清淤工程实践及现场勘察实测渠首、引渠现状，可以证明多年来引渠淤积量较小，冲沙泄洪闸不必靠近卫星干渠进水闸；保证原主河道不改道；工程地质条件好，施工相对容易；尽量少占用耕地等；工程量、投资较小。经方案比选，确定将闸址选择距溢流坝左岸180m 处，与溢流坝同一轴线，该处下游165m 处有一主叉河道，与冲沙泄洪闸下游海漫段连接，既能使泄流顺畅泄入讷谟尔河主河道，又不改变主河槽达到泄洪冲沙目的，同时不占耕地，施工容易，节省投资，投资约为824 万元[4]。

5.1.3 冲沙泄洪闸址地质条件

冲沙泄洪闸建筑地基主要由②低液限黏土、⑤级不良砾组成，基础坐落于⑤级不良砾层之上，地基强度满足要求。标准冻深2.3m，在冻深范围内的堤体填土、②低液限黏土为冻胀性土。拟建场地地下水位较高，易发生冻胀破坏，设计时须采取防冻措施。⑤级不良砾强透水，防渗性差，渗透稳定条件较差，在动水位作用下易发生管涌渗透变形破坏，设计时须采取适当措施。基坑坑壁稳定性差，须做好基坑支护工作。地下水位较高，施工时应做好降水工作，可采用井点法进行施工降水。

5.1.4 冲沙泄洪闸总体布置

冲沙泄洪闸由进口段、闸室段、消力池段及海漫段组成。1）进口段：由25.8m 长石笼护砌段和9.54m 钢筋砼铺盖组成，两侧为钢筋砼挡土墙。2）闸室段：由闸底板、闸墩、工作桥及交通桥组成。根据河底高程确定进口段闸底板高程为237.00m。墩顶高程与两侧土坝现有顶高程相同，为242.78m。3）消力池段，经计算长20m，底板顶高程235.70m，消力池深1.0m。4）海漫段长35m，宽41m，顶高程236.70m。冲沙泄洪闸水流方向总长度109.54m。

5.1.5 冲砂泄洪闸水力计算

5.1.5.1 流量计算

经计算溢流坝上游水位、流量见表1 及图2。平槽水位、P=5%设计洪水和P=2%设计洪水时，冲沙泄洪闸下泄流量Q平槽=230m3/s、Q5%=189m3/s、Q2%=241m3/s。

5.1.5.2 冲沙泄洪闸消能防冲计算

5.1.5.2.1 下游沟道Q～H曲线

下游水位流量关系曲线见图2。

图2 渠首处讷谟尔河下游水位流量曲线

5.1.5.2.2 冲沙泄洪闸消能防冲计算

冲沙泄洪闸采用底流式消能，包括消力池计算、消力池底板厚度计算、海漫长度计算和河床冲刷深度计算。

消能防冲根据控制运行条件采用几种情况进行计算：1）坝不过流，上游水位239.85m，开1 孔，开2 孔，全开；2）坝不过流，上游水位239.85m，开1 孔，闸门不同开启度；3）p=5%，上游水位241.28m，p=2%，上游水位241.55m。

具体计算略。

5.1.5.3 闸门控制运用方式的拟定

闸门的控制运用方式应满足以下要求：1）闸孔泄水时，保证在任何情况下水跃均发生在消力池内；2）闸门尽量同时均匀分级启闭；3）控制水流条件下的闸门开度，避免闸门停留在振动较大的开度区泄水；4）一般为非灌溉季节打开闸门泄水冲淤，如灌溉季节淤积较快，灌溉期也可以临时停灌冲沙。

5.1.6 防渗排水设计

根据《水闸设计规范》（SL265-2016）[5]防渗排水布设的有关规定，采用该规范中公式（4.3.2）进行冲沙闸抗渗稳定复核计算。

式中：L—闸基防渗长度；ΔH—上下游水位差；C—允许渗径系数。

采用以下2 种工况进行抗渗稳定验算。1）正常情况下，上游设计水位，下游无水，排水设备工作正常；2）特殊工作情况下，上游校核水位，下游无水，排水设备失效。经计算，在2 种工况下，计算渗径系数均大于允许渗径系数，闸基渗透稳定满足安全要求。

5.1.7 稳定计算

冲沙泄洪闸在上游校核水位241.55m，下游无水时，上下游水位差（ΔH=4.55m）最大，即闸室稳定计算由上游校核水位，下游无水情况控制。经计算：闸室基础底面的抗滑稳定、抗倾覆稳定、抗浮稳定均满足要求。

5.2 滩地溢流堰

5.2.1 滩地溢流堰概况

滩地溢流堰为现有工程，浆砌石堰体，堰长892m，堰顶原平均高程240.00m，设计堰顶高程240.21m，堰宽4m，设计堰长1061m。

5.2.2 滩地溢流堰过流计算

滩地溢流堰上游水位、流量经计算见表1，特征数据值：P=5%设计洪水和P=2%设计洪水时滩地溢流堰下泄流量Q5%=1535m3/s、Q2%=2287m3/s。

5.2.3 滩地溢流堰维修设计

滩地溢流堰位于渠首工程桩号1+154～2+215，总长1.061km。

5.2.3.1 堰体

现状堰顶采用混凝土加高至240.21m，平均加高0.21m，用钢筋与原结构锚固；堰体加长段长169m，采用钢筋混凝土结构，顶宽4.0m，板厚0.3m，齿深1.7m，板下设水撼砂厚1.7m。

5.2.3.2 上游铺盖

铺盖为干砌石结构，厚0.3m，下设碎石垫层0.15m，砾石垫层0.15m，无纺布一层。

5.2.3.3 堰体下游

堰体与地面用1︰15 边坡与地面连接，后接8～10 的水平护砌段，均为石笼结构，厚0.5m，下设碎石垫层0.15m，砾石垫层0.15m，无纺布一层，下游冲沟100m 内填平至地面。

5.3 土坝加固

渠首右岸土坝为现状土坝，共2 段，渠首工程桩号0+092～1+154、2+215～3+479，总长2.326 km，平均坝顶高程242.09～242.94m。土坝设计标准同讷谟尔河左岸堤防，讷谟尔河左岸堤防在土坝桩号2+600 处与土坝闭合。依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）[6]中第7.3.1 条规定，堤防高程按设计洪水位加堤防超高确定，土坝坝顶高程由讷谟尔河渠首处20a 一遇洪水位加超高确定，即241.28+1.5=242.78m。

第1 段土坝起点位于溢流坝左岸高地桩号0+092，终于滩地溢流堰右端桩号1+154，全长1062m。设计坝顶高程242.78m，坝顶宽5m，戗台顶高程241.00m，渠道外边坡1︰3，内边坡戗台以上1︰3，戗台以下1︰4。由于土坝垂直河道布置，并且该段距主河槽较近，洪水时冲刷较严重，冲刷下的土落入引渠中，加重了引渠淤积，因此该土坝桩号0+092～1+154 段采用混凝土板护砌。混凝土板厚20cm，板下铺无纺布一层，砂垫层20cm，坡脚处设有石笼齿墙。土坝背水侧设蜂巢约束系统生态草皮护坡。

第2 段桩号2+215～3+479，土坝起点位于滩地溢流堰左端桩号2+215，终于渠首进水闸，全长1.264km。设计坝顶高程242.78m，坝顶宽5m，土坝与渠首进水闸引渠右堤相结合布置，渠道为复式断面，设计渠底宽20m，戗台顶高程241.00m，渠道外边坡1︰3，内边坡戗台以上1︰3，戗台以下1︰4。土坝采用混凝土板护砌。混凝土板厚20cm，板下铺无纺布一层，砂垫层20cm，坡脚处设有石笼齿墙。土坝背水侧设蜂巢约束系统生态草皮护坡。

5.4 渠首左岸防洪堤

渠首左岸防洪堤起于建设灌区防洪堤末端，终于卫星灌区渠首进水闸，全长1214m，与渠首进水闸引渠左堤相结合布置。设计防洪标准P=5%，堤顶宽2.0m，堤顶高程同土坝设计坝顶高程为242.78m，戗台顶高程241.00m，渠道外边坡1︰3，内边坡戗台以上1︰3，戗台以下1︰4。左岸防洪堤采用混凝土板护砌。混凝土板厚20cm，板下铺无纺布一层，砂垫层20cm，坡脚处设有石笼齿墙。土坝背水侧设蜂巢约束系统生态草皮护坡。

5.5 道路及林带工程

渠首工程从溢流坝起至干渠进水闸，全长3.5km，现状无交通工程，本次在土坝坝顶布置混凝土路面20cm，路宽5.0m，长度2.4km。结合引渠布置渠道防护林。

5.6 渠首工程亮化设计

在3.5km 渠首工程沿线设置景观灯，绿地及观景平台上布置庭院灯，共同组成绚丽多彩的亮化效果，便于对渠首工程的监管，又可以作为当地一处景观。亮化工程设计布置路灯70 座。

5.7 灌区信息化智慧水管理体系建设

创建以深度学习算法为核心的渠首优化配水调度模型，建成渠首闸门自动控制系统，实现渠首优化配水调度辅助决策功能。搭建讷谟尔河卫星灌区信息化云中心，初步建成讷谟尔河卫星智慧灌区信息化软件平台系统，实现灌区业务管理标准化规范化信息化。

6 结语

卫星灌区是在原卫星运河工程的基础上整合五大连池市和平灌区、克山县北兴灌区、讷河市九井灌区等改造建设的，并发展成为国家大型灌区。灌区渠首工程位置水文、地质条件好，经过近50 年的整治、维修、维护，特别是对溢流主坝及滩地溢流堰的维修加固，渠首工程已经稳定。冲沙泄洪闸的建设减少渠首及引渠淤积，避免凌汛对溢流坝面破坏，泄洪时减少溢流坝、滩地溢流堰上下游水位差，更加有利于河道稳定。稳定的溢流坝、滩地溢流堰，再新建冲沙泄洪闸，达标土坝及防洪堤，卫星渠首工程达到永久渠首标准。