二甲沟水库溢洪道工程设计

曲洪雷，兰朝臣

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 工程概况

二甲沟水库位于哈尔滨市通河县富林乡以北6.50 km，松花江左岸一级支流富拉浑河干流中游，坝址以上流域面积185 km2。库区及枢纽工程全部位于通河县境内。

二甲沟水库是一座以农田灌溉为主，兼顾水产养殖和旅游等综合利用的中型水利枢纽工程，水库总库容7 605万m3，设计灌溉面积1.31万hm2。

水库枢纽工程主要由拦河坝、鞍部溢洪道、灌溉洞等组成。

2 溢洪道设计

2.1 规模确定

根据二甲沟水库兴利规模及汛限水位，初拟溢洪道堰顶高程143.50 m、144.50m、145.50 m，堰宽4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m，共12个方案进行溢洪道规模比较，比较结果见表1。

表1 溢洪道方案比较表

根据以上比较结果，方案堰宽4 m、堰顶高程145.50 m投资最低，考虑二甲沟水库为中型水库，选择4 m堰宽，跟国内同规模水库比较，相对较小;同时，水库洪水主要靠溢洪道宣泄，堰宽太小，溢洪道超泄能力弱，水库安全度相对较低。考虑以上原因，在水库投资增加不大的情况下，选择堰宽相对较大的方案。因此本阶段推荐堰宽8 m，堰顶高程145.50 m的方案为溢洪道规模选定方案。

2.2 结构布置

溢洪道为开敞式鞍部溢洪道，溢洪道轴线距右坝端约220 m，闸室两侧与山体相连。溢洪道由进口引渠、平直段、闸室、陡坡段、挑流段、尾水渠组成。

引水渠长35.0 m，底高程144.50 m，宽8.0 m。

进口平直段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长12.0 m，底板顶高程144.50 m，净宽8.0 m，墙顶高程150.90 m。

闸室段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，总净宽8 m，分1孔，闸室顺水流方向长15 m。采用驼峰堰，堰顶高程145.50 m，边墩宽1.5 m，墩顶高程150.90 m。设平板工作门与平板检修门，均采用卷扬式启闭机。墩顶设交通桥，宽6.0 m，桥面高程150.90 m。边墩与山体间设一道钢筋混凝土刺墙，墙顶高程为150.90 m，刺墙底部位于弱风化花岗岩，刺墙下布置帷幕灌浆，与闸室帷幕灌浆连接成整体。

陡坡段长72 m，起点高程142.98 m，断面为矩形，底宽8 m，陡坡比降1∶5，陡坡两侧为衡重式挡墙，挡墙顶高程按陡坡水面线加掺气高度和超高后确定，陡槽底部为钢筋混凝土底板，挡墙后及底板下布置排水系统。

挑流段长15 m，反弧半径10 m，挑角 20°，鼻坎顶高程127.00 m。

尾水渠长663 m，起点底高程125.50 m，比降 1∶500，宽8.0 m。

2.3 设计计算

2.3.1 堰型设计

堰型采用驼峰堰，根据定型设计水头和堰高关系，选择a型堰面曲线，上游堰高1.0 m，中圆弧半径2.5 m，上下圆弧半径6.0 m。

2.3.2 泄流能力计算

泄流能力计算采用《溢洪道设计规范》(SL253－2000)中，开敞式驼峰堰的泄流能力公式计算:

式中:Q为流量，m3/s;B为溢流堰总净宽，B=8m;n为闸孔数目，n=1;g为重力加速度，m/s2;H0为计入行近流速水头的堰上总水头，m;ζk为边墩形状系数，取ζk=0;ε为闸墩侧收缩系数;m为流量系数。

经计算:设计情况，Q计算=106m3/s，Q设计=93m3/s;校核情况Q计算=179m3/s，Q设计=155m3/s，泄洪能力满足设计要求。

2.3.3 泄槽水面线计算

泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为:式中:Δ1－2为分段长度，m;h1、h2为分段始、末断面水深，m; v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s;α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.05;i为泄槽底坡，i=1:5;θ为泄槽底坡角度;n为泄槽槽身糙率系数;为分段平均流速，m/s;为分段平均水力半径，m;为分段内平均摩阻坡降。

起始断面水深h1可按下式计算:

式中:q为起始计算断面单宽流量，m3/(s·m);H0为起始计算断面渠底以上总水头，m;θ为泄槽底坡角度;φ为起始计算断面流速系数，取0.95。计算结果见表2。

表2 泄槽水面线计算成果表

2.3.4 挑流消能计算

挑流水舌外缘挑距按下式计算:

式中:L为自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m;θ为挑流水舌水面出射角，取θ=20°;h1为挑流鼻坎末端法向水深，m;h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m; v1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。

鼻坎平均流速按下式计算:

式中:v为鼻坎末端断面平均流速，m/s;Z0为鼻坎末端断面水面以上的水头，m;φ为流速系数;hf为泄槽沿程损失，m; hj为泄槽各项局部损失水头之和，m;S为泄槽流程长度，m;q为泄槽单宽流量，m3/(s·m)。

冲刷坑最大水垫深度按下式计算:

式中:T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m;q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/(s·m);Z为上、下游水位差，m;K为综合冲刷系数，取k=1.1。计算结果见表3。

表3 挑流计算成果表

冲坑上游坡比为1∶3.7，能够满足规范要求。

2.3.5 控制段稳定分析

堰基底面的抗滑稳定安全系数按下列抗剪断强度公式计算:

式中:K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;f'为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，取f'=0.8;c'为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，取c'=0.7Mpa;ΣW为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量;ΣP为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量;A为堰体与基岩接触面的截面积。

计算了工程完建期、正常蓄水位挡水和校核洪水泄洪三种工况，成果见表4。

表4 闸室稳定计算成果表

根据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)要求，按抗剪断强度公式计算的允许最小安全系数，基本组合〔K〕=3.0，特殊组合〔K〕=2.5，计算结果均大于规范允许最小值，闸室抗滑稳定能够满足设计要求。

3 基础处理和排水

溢洪道基础为弱风化花岗岩，考虑在闸室及刺墙下布置一排帷幕灌浆，并向两侧山体各延伸8 m，拟定帷幕灌浆的孔距为1.5 m，深度为8.0 m。根据物探成果，有2条构造破碎带分别位于闸室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法处理。

为减弱闸室基底扬压力，在帷幕灌浆下游3 m处设置一排排水孔，孔深5 m，孔距1.5 m。为减弱渗水对陡坡段底板和边墙的渗透压力，在底板底部和挡土墙后设置纵横沟槽式碎石排水，构成纵横排水系统，纵向排水通向挑流鼻坎下面，将渗水排向下游。

4 安全监测

4.1 变形监测

包括垂直、水平位移监测，共设置位移观测点10个，两岸设4个工作基点和4个校核基点。

4.2 渗流监测

选择闸室轴线布置1个渗流观测断面，共设置4支渗压计(扬压力计)，用来监测溢洪道的扬压力。

4.3 水位观测

分别在堰前、闸室段、陡坡段及出口段设水尺以观测水位，共设水尺5根。

［1］水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL253—2000溢洪道设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］黑龙江省水利水电勘测设计研究院.黑龙江省通河县二甲沟水库项目建议书报告［R］.哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2010.