張愛民

（黑龍江省衛(wèi)星運河管護中心，黑龍江 齊齊哈爾 161635）

1 灌區(qū)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(jīng)124°34'～127°54'，是嫩江中游左側(cè)的一級支流。流域干流上的山口水庫（大二型）為下游灌區(qū)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(wèi)星灌區(qū)位于訥謨爾河中下游，渠首工程地理位置在東經(jīng)125°57′00.15"，北緯48°32′57.07"。衛(wèi)星灌區(qū)始建于1958 年，是跨齊齊哈爾市和黑河市兩大行政區(qū)的大型自流引水灌溉工程。灌區(qū)范圍行政所屬為五大連池市團結(jié)鄉(xiāng)、和平鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)的一部分，克山縣北興鎮(zhèn)一部分，訥河市九井鎮(zhèn)、訥南鎮(zhèn)一部分，總面積3.03×104 hm2。衛(wèi)星灌區(qū)是受益區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地。自20 世紀90 年代啟動續(xù)建配套與節(jié)水改造以來，灌區(qū)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(qū)仍存在水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、供水保證程度不高等問題?！笆奈濉逼陂g，衛(wèi)星灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造重點任務(wù)其中包括改造引水樞紐、完善渠首工程、提升灌區(qū)供水保障能力[1]。

2 渠首工程布局

衛(wèi)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(wèi)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(qū)續(xù)建配套與節(jié)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(shè)。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(wěn)定。另外，灌區(qū)渠首規(guī)劃道路林帶、景觀設(shè)計、灌區(qū)信息化智慧水管理體系等。該灌區(qū)渠首工程總體布置的主要原則是根據(jù)衛(wèi)星渠首的重要性及供水要求，在原渠首樞紐基礎(chǔ)上，將渠首樞紐改造成為永久性工程，增設(shè)沖沙泄洪閘，達到平槽泄量時固灘工程基本不過流。

3 建設(shè)標準

3.1 工程等別及建筑物級別

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

3.2 設(shè)計標準

渠首工程設(shè)計標準為20a 一遇，校核標準為50a 一遇。

3.3 抗震標準

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2001 附錄A，灌區(qū)地震基本烈度小于6 度，設(shè)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(shù)；σ—淹沒系數(shù)；B0—總凈寬；H0—堰上水深。

4.2 渠首平槽流量與設(shè)計洪水

4.2.1 平槽流量

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

4.2.2 設(shè)計洪水

根據(jù)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(qū)引水流量

山口水庫灌溉期最大供水流量66.60m3/s。根據(jù)灌區(qū)水量平衡計算，灌溉期上游永豐、建設(shè)灌區(qū)用水10.24m3/s，衛(wèi)星灌區(qū)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(qū)用水28.16m3/s。

4.4 各工程高程關(guān)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(wèi)星灌區(qū)引水流量及水位的同時還要滿足下游灌區(qū)用水流量。衛(wèi)星干渠渠首水位239.90m，根據(jù)引渠設(shè)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(qū)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(dāng)河流含沙量較大，而河床本身也經(jīng)常處于淤積情況時，閘底板高程可適當(dāng)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(shè)沖沙閘，經(jīng)實測河床多年平均底高程為236.70m，衛(wèi)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(dān)，經(jīng)計算溢流壩過流量為33m3/s，沖沙泄洪閘過流量為230m3/s，經(jīng)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(xiàn)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(jù)訥謨爾河衛(wèi)星渠首斷面水力要素及各工程之間的水力關(guān)系，按照各工程的堰形、尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)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(guān)系根據(jù)水力計算結(jié)果形成關(guān)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(tǒng)計表

圖1 沖沙泄洪閘上游水位流量關(guān)系曲線

5 渠首工程設(shè)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(wěn)定。

5.1.2 沖沙泄洪閘位置選擇

由于衛(wèi)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(qū)規(guī)劃設(shè)計對擬定渠首沖沙泄洪閘位置均有不同方案，該設(shè)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(xiàn)場勘察實測渠首、引渠現(xiàn)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(wèi)星干渠進水閘；保證原主河道不改道；工程地質(zhì)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(jīng)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(jié)省投資，投資約為824 萬元[4]。

5.1.3 沖沙泄洪閘址地質(zhì)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(chǔ)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(nèi)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(fā)生凍脹破壞，設(shè)計時須采取防凍措施。⑤級不良礫強透水，防滲性差，滲透穩(wěn)定條件較差，在動水位作用下易發(fā)生管涌滲透變形破壞，設(shè)計時須采取適當(dāng)措施?；涌颖诜€(wěn)定性差，須做好基坑支護工作。地下水位較高，施工時應(yīng)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(cè)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(jù)河底高程確定進口段閘底板高程為237.00m。墩頂高程與兩側(cè)土壩現(xiàn)有頂高程相同，為242.78m。3）消力池段，經(jīng)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(jīng)計算溢流壩上游水位、流量見表1 及圖2。平槽水位、P=5%設(shè)計洪水和P=2%設(shè)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(guān)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(jù)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(yīng)滿足以下要求：1）閘孔泄水時，保證在任何情況下水躍均發(fā)生在消力池內(nèi)；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(qū)泄水；4）一般為非灌溉季節(jié)打開閘門泄水沖淤，如灌溉季節(jié)淤積較快，灌溉期也可以臨時停灌沖沙。

5.1.6 防滲排水設(shè)計

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）[5]防滲排水布設(shè)的有關(guān)規(guī)定，采用該規(guī)范中公式（4.3.2）進行沖沙閘抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)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(shù)。

采用以下2 種工況進行抗?jié)B穩(wěn)定驗算。1）正常情況下，上游設(shè)計水位，下游無水，排水設(shè)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(shè)備失效。經(jīng)計算，在2 種工況下，計算滲徑系數(shù)均大于允許滲徑系數(shù)，閘基滲透穩(wěn)定滿足安全要求。

5.1.7 穩(wěn)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(wěn)定計算由上游校核水位，下游無水情況控制。經(jīng)計算：閘室基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)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(xiàn)有工程，漿砌石堰體，堰長892m，堰頂原平均高程240.00m，設(shè)計堰頂高程240.21m，堰寬4m，設(shè)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(jīng)計算見表1，特征數(shù)據(jù)值：P=5%設(shè)計洪水和P=2%設(shè)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(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)錨固；堰體加長段長169m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬4.0m，板厚0.3m，齒深1.7m，板下設(shè)水撼砂厚1.7m。

5.2.3.2 上游鋪蓋

鋪蓋為干砌石結(jié)構(gòu)，厚0.3m，下設(shè)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(jié)構(gòu)，厚0.5m，下設(shè)碎石墊層0.15m，礫石墊層0.15m，無紡布一層，下游沖溝100m 內(nèi)填平至地面。

5.3 土壩加固

渠首右岸土壩為現(xiàn)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(shè)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(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）[6]中第7.3.1 條規(guī)定，堤防高程按設(shè)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(shè)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(nèi)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?；炷涟搴?0cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)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(shè)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(jié)合布置，渠道為復(fù)式斷面，設(shè)計渠底寬20m，戧臺頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內(nèi)邊坡戧臺以上1︰3，戧臺以下1︰4。土壩采用混凝土板護砌?；炷涟搴?0cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)草皮護坡。

5.4 渠首左岸防洪堤

渠首左岸防洪堤起于建設(shè)灌區(qū)防洪堤末端，終于衛(wèi)星灌區(qū)渠首進水閘，全長1214m，與渠首進水閘引渠左堤相結(jié)合布置。設(shè)計防洪標準P=5%，堤頂寬2.0m，堤頂高程同土壩設(shè)計壩頂高程為242.78m，戧臺頂高程241.00m，渠道外邊坡1︰3，內(nèi)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?；炷涟搴?0cm，板下鋪無紡布一層，砂墊層20cm，坡腳處設(shè)有石籠齒墻。土壩背水側(cè)設(shè)蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)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(xiàn)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(jié)合引渠布置渠道防護林。

5.6 渠首工程亮化設(shè)計

在3.5km 渠首工程沿線設(shè)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(jiān)管，又可以作為當(dāng)?shù)匾惶幘坝^。亮化工程設(shè)計布置路燈70 座。

5.7 灌區(qū)信息化智慧水管理體系建設(shè)

創(chuàng)建以深度學(xué)習(xí)算法為核心的渠首優(yōu)化配水調(diào)度模型，建成渠首閘門自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)渠首優(yōu)化配水調(diào)度輔助決策功能。搭建訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化云中心，初步建成訥謨爾河衛(wèi)星智慧灌區(qū)信息化軟件平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務(wù)管理標準化規(guī)范化信息化。

6 結(jié)語

衛(wèi)星灌區(qū)是在原衛(wèi)星運河工程的基礎(chǔ)上整合五大連池市和平灌區(qū)、克山縣北興灌區(qū)、訥河市九井灌區(qū)等改造建設(shè)的，并發(fā)展成為國家大型灌區(qū)。灌區(qū)渠首工程位置水文、地質(zhì)條件好，經(jīng)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(jīng)穩(wěn)定。沖沙泄洪閘的建設(shè)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(wěn)定。穩(wěn)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(wèi)星渠首工程達到永久渠首標準。