万宝河水利枢纽工程截流工程设计

王洪丽

(哈尔滨市双城区水务局，黑龙江 哈尔滨 150100)

1 工程概况

1.1 气象条件

大坝区域年平均气温为3.4 ℃，一般从10月中旬进入冬季(气温在0 ℃以下)到翌年4月中旬截止，其中气温低于-20.0 ℃的时间约为两个月，最低气温约为-34.8 ℃，6—8月温度高，年内日最高温度大于30.0 ℃的时间约为半个月，最高温度为35.8 ℃。

其中7—8月降雨量约为252 mm，平均每2 d下一场雨,为全年降雨最多的月份，可以达到全年降雨量的45.6%，不宜进行黏性土施工，多年月平均降水量见表1。

表1 多年月平均降雨量表 mm

大坝区域土壤一般在11月中旬开始结冻，冻土最深可达到2.1 m，河流结冻时间约为四个半月，在4月10日左右冰层开始融化，之后还会有约半个月的时间水流中会掺杂冰块流动。

1.2 水文条件

对于汛期可能发生的洪水，一次洪水在上游一般会经历约9 d的时间，在下游经历洪水要比上游多3 d左右的时间，其中，洪水期淹没河道过水与过水滩地宽度之和可达到500 m。

万宝河水库处于所在河流中上游，在距离水库1000 m左右有已建水文站，所以不另设水文站，资料选择现有水文站的观测值。据桃山站1940—1982年中26 a(年份不连续)资料统计4—11月、5月20日—6月20日以及9月15—30日的平均流量、最大流量见表2，汛期4—6月的平均流量统计计算得各频率流量见表3，下游流量与水位关系见表4。

表2 多年流量统计计算表

表3 4—6月不同频率流量表

表4 下游流量与水位关系表

1.3 选定黏土料开采场地

选择位于大鞍部一带距坝址1500 m的黏土料场作为主料场，此料场分路东路西两个料区，经过碾压试验，储量对比，含水率比较后决定选择路西料区作为主料场。

1.4 碎石料(坝壳料)场

坝壳填料选择位于坝址下游北岸的北山料场，运输距离为2.0 km。地面高程170～279 m，储量丰富。岩性储量均满足施工要求。

1.5 砂石料场

附近岩石料质量差与混凝土浇筑所需要的砂砾料、护坡所需块石料质量要求不能匹配，所以另选择购买外地砂浆料，至于质量要求不高的回填砂砾料可以在当地购买。砂砾料选择在莲江口砂砾石场购买，料场到火车站铁路运输距离为184 km，火车站到工地汽车运输距离为13 km；块石选择在楚山石料场购买，铁路运输距离为152 km，汽车运距同上。

2 截流工程

2.1 确定截流时间和截流流量

首先要对截流的时间和截流的流量进行选择，其中对截流时间的选择要遵循对截流时间的要求[1]:(1)尽量选择在流量不是很大的时段截流。(2)对于具有特定作用的河道，施工前应该做全面考虑，在可控范围内减轻截流产生的影响。(3)因为本河流有冰冻期，为了避免工程复杂化，没有特殊情况，要避免截流和河流夹冰块流动时期冲突。

本河流从9月中旬进入枯水期，11月进入冰冻期，4月解冻，枯水期可持续到翌年6月，所以允许施工的枯水期只有冰冻前枯水期和翌年解冻后枯水期。本工程截流时段选在9月10—30日。截流设计流量选择按照频率法确定，截流时段已经选定，初步拟定采取10%频率的平均流量作为截流设计标准。

2.2 平堵法立堵法的比较选择

对于截流的方式一共有四种，本文选择两种截流的方式，对立堵法截流与平堵法截流进行比较分析，选择最适合的方法用于此截流工程。

立堵法截流优点在于比较经济，而且都是水上施工，施工难度相对较小，在岩基河床中使用较多。缺点是产生紊流冲刷河床的可能性高，出现的最大流速也较高。平堵法截流使用，物料粒径相对较小，流速相比立堵法也较缓，不过对于河流的特殊功能会产生不小的影响，且需要不便宜的浮桥，所以较为不经济[2-3]。处于对河床地质考虑此处选用立堵截流法。

2.3 截流水力计算

截流时的导流工作由溢洪道和输水洞联合完成。溢流堰顶高程和输水洞进水口的高程分别为168 m、166 m。溢流堰宽为36 m，输水洞的直径为4 m，龙口底高程和两岸滩地的高程约165 m。其中，水库库容泄流等在不同的预留龙口门宽度的关系见表5。

截流工程在枯水期动工，随着围堰进占，原河槽变窄，使上游水位雍高，上下游水位差越大，龙口流速越快。对三种预留龙口门的宽度分别计算如式(1)～式(5)所示。

(1)

(2)

Wc=Bh

(3)

V0=hp(Bp-Shp)

(4)

(5)

式中：Q为溢流堰过堰流量,m3/s；m0为流量系数，取0.502；h为堰高，m；Vc为束窄断面平均流速，m/s；B为预留龙口门宽度，m；Wc为束窄断面面积，m2；V0为天然河床断面平均流速，m/s；hp为束窄断面平均水深，取2.5 m；S为戗堤进占方向的边坡取1.1～1.5，本文取1.2；Z为上下游落差，m；Bp为束窄断面水面宽，取4 m；φ为流速系数取0.80～0.85，本文取0.80。

对抛石粒径计算，按伊兹巴什公式如式(6)～式(7)所示。

滑动稳定计算：

(6)

滚动稳定计算：

(7)

式中：V为龙口流速，根据表5对应龙口门宽度选择对应流速,m/s；yC为为块石滑动稳定系数,采用0.86；yB为为块石滚动稳定系数,采用1.20；α为堆石边坡形水平面所成的夹角，取36°；rm为块石料的单位体积重量，取6.4 t/m3；r为水的单位体积比重，t/m3。

主河槽开始束窄，上游水位雍高，龙口流速加大，合拢进入紧张阶段，这时要求的抛投强度很大，应两侧同时进行，直至龙口全部合拢。

2.4 龙口位置的选择

龙口设在明渠右侧、河床主流处。为防止截流过程覆盖层被冲刷，必要时需对龙口进行平抛护底，这样可以避免物料冲刷流失。

3 基坑排水

初期排水按照经验公式计算，如式(8)～式(9)所示。

(8)

V=wchp

(9)

式中：Q为初期排水量，m3/s；K为基坑体积系数，取2.5；V为基坑基坑积水体积，m3；T为初期排水时间，取5 d。对于50 m、100 m、150 m宽的龙口门，所需初期排水分别为18.2×104m3、26.1×104m3、48.7×104m3。

初期排水完成后基坑内并不是再无积水问题困扰，因为基坑内会不断有渗水进入，因此需要继续排出基坑内的渗水和后续降雨等产生的可能会影响施工的排水工作[4]。

4 结 论

通过对万宝河水利枢纽工程的施工条件进行分析，对该工程的截流方式进行了选择，对其进行水力计算，确定龙口设计位置，对不同龙口门所需的基坑排水进行计算。对研究区碎石料场情况进行分析，确定施工所用混凝土骨料的料场及用量，为后续溢洪道施工奠定了良好的基础。