第４８卷增刊（１） 人 民 长 江 Ｖｏ１．４８，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ（Ｉ） ２ ０ １ ７年６月 Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｊｕｎｅ， ２０１７ 文章编号：１００１—４１７９（２０１７）ｓ１—０１６７一ｏ３ 傍山渠道增设泄洪设施的方案设计 周俊松，石自堂 （武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２） 摘要：盘山而建的渠道在遭遇特大暴雨时，洪水直接冲入渠道，如果不采取必要的泄洪措施，将危及渠系及下 游建筑物的安全。以王英水库灌区的刘丰山泄洪设施为例，提出了解决此类渠道泄洪问题的合理方案，并介 绍了常用泄洪设施的类型、泄洪位置的拟定、泄洪闸方案与溢流堰方案的比较选择以及溢流堰设计中的若干 要点。研究成果对于盘山渠道泄洪设施配套方案的选择具有一定的参考价值。 关键词：渠道泄洪；泄洪闸；溢流堰；傍山渠道；王英水库 中图法分类号：ＴＶ６５１ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｅｎｋｉ．１００１—４１７９．２０１７．Ｓ１．０４４ １工程概况 ２盘山渠道泄洪设施配套 王英水库灌区地处长江中游南岸鄂东南幕阜山向 阳武总干渠盘山而建，横越许多冲沟、溪流，割断 富水、梁子湖、金水流域过渡地带。灌区范围包括阳新 了坡地径流的天然路径，在渠道上侧形成许多坡面汇 县、咸安区、江夏区、大冶市和鄂州市的１８个乡镇，总 流排水区域，由于受到这些山洪、溪流等“外水”的入 国土面积１ １８６．８８ ｋｍ ，人口４７．４万人。灌区沿线山 侵，再加上原来的灌区防洪体系标准不是很高，容易饱 区、丘陵和平原湖区分别占ｌ０％，２０％和７０％。地形 和，因此灌区的续建配套非常重要。 形态多样，最高点是咸宁市吴龙山，最低点是阳新县八 王英灌区总干渠设计流量为３７．９５ ｍ ／ｓ，渠道级 湘湖。灌区现有耕地面积３．７２万ｈｍ ，有效灌溉面积 别为３级。总干渠桩号Ｋ８＋８００下游是刘丰山渡槽， ２．４９万ｈｍ ，耕地灌溉率６６．９％。灌区气候温和，雨 上游Ｋ１＋５００处是黄伯敬泄洪闸，该闸设计流量５０ 量丰沛，适宜各种农作物生长，是鄂东南的粮棉油主要 ｍ ／ｓ；下游Ｋ２２＋０００有牛鼻坛泄洪闸，设计流量２５ 生产基地。 ｎｌ ／ｓ，两处泄洪闸设计标准均为２０ ａ一遇，在一般情 灌区渠系工程包括总干、干、支、斗、农五级渠道。 况下，可以解决渠道泄洪问题，基本能够满足要求。但 骨干渠道由总干渠、（一、二、三）干渠、三溪渠、蔡贤渠 由于总干渠盘山而建，集雨面积大，管理困难 ，在Ｋ１ 以及所属支渠组成。其中总干渠为傍山渠道，傍山渠 ＋５００与Ｋ２２＋０００之间并无其他泄洪设施，在遭遇特 道通常是沿山麓冲（洪）积扇边缘与等高线成较小角 大暴雨时，短时间内汇流量大，直接冲入渠道，不仅导 度布置的，切断或改变了坡面径流的去路，渠道与山洪 致渠道流量大幅增加，而且洪水携沙入渠，造成渠道淤 沟相交，暴雨期渠道易受到山洪威胁。另外，傍山渠道 积，水位抬高。渡槽设计纵坡为１／１ ０００，远大于渠道 一般与城乡建筑物的高程差较大，一旦发生决口，将会 的１／８ ０００，设计断面尺寸也比渠道小，渡槽槽身顶部 造成严重损失¨ 。 最低处高程为５８．９０ ｍ，较渠道顶部高程低。 收稿日期：２０１６—１ｌ一２９ 作者简介：周俊松，男，硕士研究生，主要从事水工建筑物设计研究。Ｅ—ｍａｉｌ：２２７４１９１３８５＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 通讯作者：石自堂，男，教授，主要从事水工建筑物设计与管理理论应用研究。Ｅ—ｍａｉｌ：９４５２１７１１＠ｑｑ．ｅｏｍ １６８ 人 民 长 江 当渠道水位到达槽身顶部５８．９０ ｍ时，按明渠均 匀流公式计算 Ｑ：ＡＣ ：ＡＲ２／３ ，正 丰山渡槽处地基土以第四系冲洪积层为主，上部为可 一硬塑状粉质黏土，厚度在４．５ ｍ左右，下部为卵砾石 （１） 层。下伏为志留系页岩，黄绿色，薄层状，表层强风化， 岩体较为破碎，厚约２～５ ｍ，地基承载力为１ ０００ ｋＰａ。 此处修建泄洪设施，可考虑采用天然基础，并以上部为 可～硬塑状粉质黏土作为基础持力层。为了保证刘丰 式中，Ａ为过流断面面积，ｍ ；Ｒ为水力半径，ｍ；ｎ为渠 道糙率，取０．０１５；ｉ为渠道纵坡，取１／８ ０００。 如图１所示，渠道底部高程为５４．８６ ｍ，底宽为 ３．０ ｍ，边坡为１：２．１６，当水位为５８．９０ ｍ时，水深为 山渡槽安全运行，使山洪暴发时的洪水不超过渡槽的 运行能力，因此，泄洪设施应设置在渡槽的上游；其次， 泄洪设施排泄洪水需要一定的时问，同时为了保证渡 ４．０４ ｍ。经计算，当渡槽槽身漫溢时，渠道的流量为 ５８．４６ ｍ。／ｓ 图１溢流堰局部详图 （单位：ｃｍ） 当灌区遭遇２０ ａ一遇降雨时（２１３．２ ｍｉｌ１），排涝 面积为３５．６７ ｋｍ ，由平均排除法确定设计流量。平 均排除法设计排水流量计算公式为 ｎｎ一一１０００∑Ｆｉ‘＿一 Ｃ Ｐ … ，，’、 一 ３６００ｔＴ 、 式中，Ｆ为流域面积，ｋｍ ；Ｐ为设计面雨量，ｍｍ；Ｃ 为 径流系数，取０．７５；Ｔ为排涝天数，取Ｔ＝３ ｄ；ｔ为河流 出口排涝小时数，ｔ＝２４ ｈ。 经计算，ｐ＝２２ ｍ ／ｓ。在遭遇２０ ａ一遇的洪水 时，渠道的流量达到５９．９５ ｍ。／ｓ，此时洪水已经漫过槽 身。如果不增设必要的泄洪措施，泄洪不及时，会造成 洪水漫溢，超过渡槽的承载能力，进而影响渠道及渠道 建筑物的安全运行。为了解决暴雨时的渠道泄洪以及 保证刘丰山渡槽的安全，必须进行泄洪设施的改造，以 保证刘丰山渡槽的安全运行，同时为灌区的防洪减轻 部分压力。 ３刘丰山泄洪设施设计 ３．１渠道泄洪位置 渠道泄洪位置的好坏关系到建后渠系及其他建筑 物能否安全运行，泄洪是否会对下游造成危害等一系 列问题，拟建泄水设施要考虑重要渠系建筑物、泄洪点 附近是否有承泄区以及地质条件等。由于刘丰山渡槽 易受山洪影响，而且渡槽下方有一条李荣河，可以容纳 一定的下泄量，是较理想的承泄区。根据工程勘测，刘 槽的结构安全，不能把泄洪设施直接设置在与渡槽相 接的位置，必须有一定的距离；最后，由于区域内的山 洪来得急且流量大，距离太远会使得最后ｔ［入渡槽的 山洪增加。因此，最终确定泄洪设施建于渡槽上游３０ １１１处，位于小山包和渡槽入口之间的平整地段。 ３．２ 泄洪流量 下游李荣河宽１．５～２．５ Ｉ１１，平均深约１．５ ｍ，过水 流量不超过１０ ｍ ／ｓ。很显然，如果按泄洪流量２５ ｍ ／ｓ设计，势必造成外来大水强势入侵现象，引起当 地政府和群众不满，因此，需调整设计下泄流量，使之 与当地河道的过水流量基本一致。根据工程现状实 际，此次实施方案中设计流量定为１０ ｍ ／ｓ。在一般情 况下该处泄洪实施不参加泄洪，只在渠道水位超过加 大流量设计水位时才泄洪，以保证灌溉用水。 ３．３泄洪建筑物类型比选 在考虑泄洪建筑物的设计类型时，选择的结构既 要安全适用，又要做到经济合理，还尽量遵循就地取材 的原则，以利于降低工程造价 。 结合实际工程地质条件，阳武干渠新建的泄洪建 筑物可采用泄洪闸、溢流堰两种方案。 泄洪闸闸址宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚 实和地下水位较低处，同时要考虑建成后工程管理、防 汛抢险的条件。当水闸建成挡水时，承受的水压力会 致使水闸向外侧滑动，因而设计的闸室自身必须要有 足够的重力。另外，在渠道内外水位差的作用下，水从 渠道向岸坡外渗透，这种渗透水流会在闸室底部产生 渗透压力，影响闸室的稳定。在渗流的作用下，地基上 的细颗粒土壤也容易被带走，严重时会造成地基淘空， 直接影响闸室的安全。因此，在设计水闸时，要求有合 理的防渗布置，有效减小水闸的渗透压力，同时要使岸 坡土体不被破坏 。 当水闸打开泄流时，可能会冲刷外侧岸坡，因此， 设计水闸时必须采取有效的消能防冲措施。当闸室为 软土地基时，为防止地基较大沉降和不均匀沉降，必须 使水闸结构形式和构造等均能适应地基土壤的性质， 增刊（Ｉ） 周俊松，等：傍山渠道增设泄洪设施的方案设计 １６９ 必要时还要对软土地基进行处理。 溢流堰一般采用混凝土或浆砌石修建，上、下游端 设齿槽，以加强与地基的连接。为了减少地基渗流量 并降低地板下的扬压力，保证地基渗流稳定和堰体抗 滑稳定，应铺设排水设施。 在满足设计要求的前提下，合理的泄水建筑物应 该满足工程量小、施工简便、工作强度低和运行管理方 便的原则，这样有利于减轻灌区农民的负担和节省大 量的工程费用。泄洪闸和溢流堰作为泄洪设施均有各 自的特点，而渠道节水改造与续建配套建设中，一般修 建泄洪闸作为渠道泄洪设施，很少用到溢流堰。但考 虑到溢流堰以下几个方面的优点：①在结构型式上， 溢流堰较泄洪闸更为简单，设计和施工更加方便；② 当水位上升到渠道加大设计水位时，溢流堰可以直接 泄洪，不需要人为控制。而如果修建泄洪闸，特别是下 大雨泄洪时，管理人员需要爬上半山腰开启闸门泄洪， 导致管理不便，给管理人员造成极大的困难；③当洪 水来临时，溢流堰可以及时泄洪，为其他泄洪设施的开 启提供缓冲时间；④泄洪闸底板一般与渠底齐平或略 高于渠底，而溢流堰堰顶与渠道的加大水位齐平，开挖 回填量少，工程量较泄洪闸小，结构型式也较简单，工 程造价方面，泄洪闸方案的设计概算为１０７．０万元，而 溢流堰方案为６４．６万元，明显比前者小，所以修建溢 流堰更为经济合理。 综合以上几点，为了工程经济、管理方便等，阳武 干渠续建的泄洪设施宜选择溢流堰。 ３．４溢流堰设计要点 ３．４．１ 工程布置 刘丰山溢流堰由控制实用溢流堰、侧槽、泄槽段、 消能设施和下游连接段组成。考虑到不占用农田，泄 槽和消能设施段沿上山路面布置。控制实用溢流堰堰 顶高程与渠道加大水位齐平，以保证渠道能够正常灌 溉。由于泄槽段与溢流堰不在同一轴线上，在溢流堰 与泄槽段之间修建侧槽，作为溢流堰与泄槽的连接段。 泄槽段沿人行路面下挖，由于泄槽不深，在泄槽内修建 人行踏步，不仅消能效果好，而且方便管理，可以作为 上渠道路，一举多得。由于溢流堰与下游承泄区李荣 河之间隔着马路，故将消能设施段做成箱涵结构自下 方穿过马路，上面可供车辆通行。 ３．４．２溢流堰过流能力计算 根据地形资料，溢流堰建于渡槽前３０ ｍ处，为适 应下游李荣河的承泄能力，初步拟定溢流堰过水长度 为１４ ｍ（顺渠道水流），断面为曲线型实用堰。 采用实用堰流量公式计算 Ｑ＝Ｏｒ ｏｒ ｍＢ√２ｇ・ｉｔｏ２ （３） 式中，ｍ为流量系数，取０．４６；ｏ－ 为淹没系数，自由出 流，取１．０；ｏｒ。为侧收缩系数；Ｂ为堰孔总净宽，取ｌ４ ｍ； 为计入行进流速水头的堰上水深，ｍ。 当堰顶水头为设计水头０．５ ｍ时，按上述公式计 算得９＝１０．０８ ｍ ／ｓ。 堰顶水头为０．５ ｍ时，与刘丰山渡槽槽身顶部 （最低处）齐平，即保证渡槽在不溢流的情况下，溢流 堰能自动下泄１０ ｍ’／ｓ，达到该处泄洪建筑物的预定目 标。 ４结语 盘山而建的渠道 在遭遇特大暴雨时，短时间内汇 流量大，直接冲入渠道，如果不增设必要的泄洪措施， 一旦水位过高，不仅危及渠系及下游建筑物的安全，而 且会影响老百姓的正常生活，引起当地人民群众的不 满。对于类似的傍山渠道，为了解决特大暴雨造成的 泄洪问题，可以选择在重要渠系建筑物附近新建泄洪 设施。与常用的泄洪闸相比，溢流堰具有结构型式简 单、工程量小、管理方便、为其它泄洪设施的开启提供 缓冲时间等一系列优点，所以该工程最终选择溢流堰 方案。修建的溢流堰在渠道水位超过加大流量设计水 位时自动泄洪，保证灌溉正常用水，同时保障了渠系建 筑物的安全运行。。 参考文献： ［１］ 郝晓明．傍山渠道的工程坊洪措施一以宁夏西干渠为例［Ｊ］．农业 科学研究，２００７，２８（４）：５７—６０． ［２］ 谢祖长．山丘区渠道洪害成因及其防治对策［Ｊ］．湖南水利，１９９５ （５）：４２—４４． ［３］ 邬家恺．论群昌水库灌区泄洪建筑物的类型选择［Ｊ］．吉林水利， １９９７（１２）：３５—３８． ［４］ 陈德亮，夏富洲，陈尧隆．水工建筑物（第５版）［Ｍ］．北京：中国水 利水电出版社。２００８． （编辑：胡旭东）