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阿合布隆渠首引水防沙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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簡(jiǎn)介: 阿合布隆渠首是渭干河最大源流——木扎提河上游第一座攔河式引水渠首,設(shè)計(jì)引水流量40m3/s,設(shè)計(jì)泄洪流量665m3/s,控制灌溉面積35.7萬(wàn)畝。是一座費(fèi)爾干式和彎道沖沙槽式相結(jié)合的渠首,該種布置形式在新疆尚屬首次。該渠首工程已于1999年3月投入生產(chǎn),運(yùn)行狀況達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益均十分明顯。經(jīng)過(guò)運(yùn)行證明,該工程的設(shè)計(jì)是成功的,可為后續(xù)類(lèi)似工程借鑒。
關(guān)鍵字:引水渠首 防沙系統(tǒng) 設(shè)計(jì)
一、概況
阿合布隆渠首位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)木扎提河的出山口處,1995年由世行貸款投資興建。
該渠首是木扎提河灌區(qū)開(kāi)發(fā)治理的龍頭工程,主要解決阿克蘇地區(qū)溫宿縣、拜城縣分布在木扎提河南北兩岸共計(jì)35.7萬(wàn)畝的灌溉引水問(wèn)題。
該工程具備泄洪、排沙、引水功能,主要由泄洪閘、沖砂閘、曲線(xiàn)沖砂槽、進(jìn)水閘及上游曲線(xiàn)整治段和下游整治段構(gòu)成。
該渠首工程主要利用上游曲線(xiàn)彎道和曲線(xiàn)型沖砂槽的橫向環(huán)流作用引清排沙。1995年11月,該工程的初步設(shè)計(jì)成果在新疆水利水電科學(xué)研究院水工模型試驗(yàn)中得到驗(yàn)證,1996年5月開(kāi)工,1998年9月通水,1999年3月正式運(yùn)行。
二、引水渠首河段水文泥沙特性
木扎提河發(fā)源于新疆天山南坡,渠首附近設(shè)有水文站(即破城子站)一座。該水文站以上河流全長(zhǎng)198.8km,集水面積2845km2,其中冰川面積1219.6km2,徑流主要來(lái)源于冰川積雪消融水為主,降雨、地下水補(bǔ)給次之。每年7~8月常發(fā)生融冰雪和暴雨疊加形成的混合型洪水,陡漲陡落,峰高量大,破壞性較大。
據(jù)破城子水文站實(shí)測(cè)資料,多年平均徑流量14.6億m3,歷年最大徑流量17.94億m3,歷年最小徑流量11.48億m3,徑流年際變化平穩(wěn),年內(nèi)分配極不平衡,6~8月三個(gè)月徑流量占全年徑流量的70%,見(jiàn)表1。
洪水集中、河床坡陡、流急、推移質(zhì)泥沙粒徑粗、量大是木扎提河的特點(diǎn)。據(jù)破城子水文站實(shí)測(cè),平均含沙量2.86kg/m3,實(shí)測(cè)最大含沙量38.1kg/m3,見(jiàn)表3。年均輸沙量402萬(wàn)t,最大年輸沙量529萬(wàn)t,最小年輸沙量250萬(wàn)t。漂石粒徑一般在400mm左右,河床卵石以100~200mm為主,漂石、卵石含量大于80%。經(jīng)地勘分析,該河段河床D50=9.2mm。
表1 木扎提河破城子水文站多年平均月流量表
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
合計(jì)
徑流(億m3)
0.21
0.17
0.18
0.27
0.95
2.33
4.12
3.77
1.56
0.53
0.29
0.23
14.6
表2 木扎提河洪水頻率成果表
P(%)
0.2
1
2
5
10
20
50
70
80
90
95
99
Qp(m3/s)
958
752
665
552
469
390
296
269
262
254
252
252
備 注
校核
設(shè)計(jì)
造床
表3 木扎提河破城子水文站月含沙量表
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均含沙量
含沙量(kg/m3)
0.027
0.017
0.033
0.038
1.29
2.84
4.24
3.68
0.72
0.15
0.027
0.015
2.86
三、工程布置和引水防沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一)、設(shè)計(jì)總體布置原則
1、保證灌區(qū)的正常用水,在枯水期木扎提河流量小于40 m3/s,將被全部引入總干渠。
2、泄洪建筑物能通暢排泄洪水、泥沙、漂浮物。
3、木扎提河為高沙河流,渠首的布置和設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮防止泥沙入渠,并采取措施將進(jìn)入渠道的少量推移質(zhì)排出渠外。
二)、工程布置
渠首閘址選在木扎提河出山口上距破城子水文站5km處,該處有一天然河彎,河道主流穩(wěn)定于右岸(凹岸),彎道水流明顯,具備布置人工彎道的條件。該工程為右岸單側(cè)引水。
渠首工程由以下建筑物組成,見(jiàn)圖一。
1、泄洪閘:共3孔,單孔凈寬8m,設(shè)計(jì)泄洪流量QP=2%=585m3/s,校核洪水QP=0.2%=758m3/s,由弧形鋼控制。
2、排沙閘:與泄洪閘呈一字型布置,共2孔,單孔凈寬5.5m,設(shè)計(jì)泄流流量QP=2%=196m3/s, QP=0.2%=287m3/s,由平板鋼控制。
3、進(jìn)水閘:與沖沙閘呈45°角布置。進(jìn)水閘共3孔,單孔凈寬5m,設(shè)計(jì)引水流量Q設(shè)計(jì)=40m3/s,Q加大=45m3/s,由平面板鋼門(mén)控制。進(jìn)水閘設(shè)有一道長(zhǎng)30m的懸板式“┓”型擋沙坎。
4、上游整治段(即人工彎道):整治段呈曲線(xiàn)型布置,曲率半徑200m,整治段長(zhǎng)224.5m,底寬39m。設(shè)計(jì)洪水QP=2%=665m3/s,校核洪水QP=0.2%=958m3/s,設(shè)計(jì)造床流量QP=80%=662m3/s。
5、沖沙槽:位于上游整治段內(nèi)與沖沙閘相連,共分兩道,單道凈寬5.5m,總長(zhǎng)60m,槽內(nèi)設(shè)有一道長(zhǎng)30m的束水墻。
6、下游整治段:呈直線(xiàn)布置,底寬39m,全長(zhǎng)115m。為防止河床下切過(guò)甚而影響建筑物安全,在下游整治段底部?jī)?nèi)呈有三道防沖深隔墻。
三)、引水防沙系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)
(一)引清排沙機(jī)理
利用上游引水彎道中水流運(yùn)動(dòng)離心力作用產(chǎn)生的橫向環(huán)流的原理,將彎道內(nèi)水流底層大量的推移質(zhì)挑向左岸(凸岸),通過(guò)泄洪閘將推移質(zhì)排至下游。同時(shí),因環(huán)流作用使含少量推移質(zhì)的水流挑向右岸(凹岸),由設(shè)在凹岸末端的彎道式?jīng)_沙槽進(jìn)行第二次處理。進(jìn)入沖沙槽的水流進(jìn)行第二次橫向環(huán)流作用,盡可能使推移質(zhì)偏離進(jìn)水閘的引水口。進(jìn)入沖沙槽的推移質(zhì)由沖沙閘排至下游,基本達(dá)到引清排沙的目的。
(二)基礎(chǔ)參數(shù)的確定
1、造床流量
根據(jù)新疆一些成功渠首的經(jīng)驗(yàn),在多泥沙河流中選用平灘水位對(duì)應(yīng)的流量作為造床流量,即平均每年發(fā)生多次的流量作為造床流量,宜選洪水頻率為P=80%~100%。本工程選P=80%,對(duì)應(yīng)流量Q=262m3/s,見(jiàn)表2。
2、推懸比
通過(guò)新疆水科所對(duì)新疆山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙率的研究經(jīng)驗(yàn),推移質(zhì)輸沙率約占懸移質(zhì)輸沙率的10~15%,本工程取15%。
3、推移質(zhì)平均粒徑
根據(jù)新疆較多渠首模型試驗(yàn),在造床流床流量時(shí),河床的泥沙全部處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),推移質(zhì)平均粒徑近似地取為渠首段河床質(zhì)的平均粒徑,本工程經(jīng)河床質(zhì)顆分曲線(xiàn)查得D50=0.092m。
4、推移質(zhì)輸沙率
據(jù)破城子水文站實(shí)測(cè)推移質(zhì)平均輸沙率130.2kg/s。
(三)引水沖砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1、引水彎道設(shè)計(jì)
引水彎道設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為:引水彎道尺寸的確定(包括:水面寬Bo、水流穩(wěn)定縱坡J、水深h和平均斷面流速V及整治段底寬B),引水彎道半徑R、長(zhǎng)度L、設(shè)計(jì)縱坡i。
1)、引水彎道基本尺寸確定
計(jì)算公式如下:
Bo=0.51×A1.03×Q0.71×DCP0.086/(n0.41×gS0.11)
J =29.18×n2.05·gS·/(A0.13×Q×DCP0.43)
h =0.54×n0.23·Q0.48·DCP0.078/(A0.58×gS0.10)
V =3.6×n0.18·gS0.21·/(A0.45×Q0.18×DCP0.16)
B =Bo - 2mh
式中:
A:河床穩(wěn)定系數(shù),取值范圍0.9~1.1,本工程選用0.98;
Q:造床流量,本工程選P=80%,洪水頻率對(duì)應(yīng)流量為262m3/s;
n:河床自然糙率,本工程選用0.045;
gS:年平均輸沙率,本工程選用130.2kg/s;
DCP:河床質(zhì)中值粒徑,本工程為0.092m。
將A、Q、n、gS、DCP代入以上五式,得:
B=39m、Bo=44.3m、J=1/112、h=1.98、V=3.10m/s
2)、引水彎道半徑
為了保證彎道具有良好橫向環(huán)流及水流穩(wěn)定條件,本工程經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,R=4.5Bo≈200m。
3)、引水彎道長(zhǎng)度
為了保證渠首的引水彎道具有設(shè)計(jì)水流結(jié)構(gòu),上游引水彎道應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度,L=(5~6)Bo。本工程取L=5×Bo=5×44.3=221.5m。
4)、引水彎道設(shè)計(jì)縱坡
本工程所在河段河床平均縱坡為1/120,計(jì)算的穩(wěn)定縱坡大于河床平均縱坡,故本工程選用計(jì)算的穩(wěn)定縱坡1/112作為本工程引水彎道的設(shè)計(jì)縱坡。
2、沖砂槽設(shè)計(jì)
為進(jìn)一步減少水流中人工彎道凹岸的泥沙量,在進(jìn)水閘前設(shè)置曲線(xiàn)沖砂槽和擋沙坎。
1)、沖砂槽設(shè)計(jì)流量的確定
根據(jù)國(guó)內(nèi)已建的運(yùn)行效果較好的沖砂槽工程的成功經(jīng)驗(yàn),本工程沖砂閘設(shè)計(jì)流量選用進(jìn)水閘引水流量的2倍,即Q槽=2×Q引=2×45=90m3/s
2)、沖砂槽寬度
為利于小流量時(shí)間歇性沖砂,沖砂槽分兩道,每道凈寬5.5m。
3)、沖砂槽長(zhǎng)度及高度的確定
沖砂槽總長(zhǎng)度取進(jìn)水閘閘前側(cè)堰長(zhǎng)度的2倍,即2×30m=60m,高度取整治段內(nèi)造床流量(Q=262m3/s)時(shí)對(duì)應(yīng)的水頭高度,即2.5m。槽內(nèi)設(shè)有一道短束水墻,長(zhǎng)度為30m,高度1.0m。
4)、沖砂槽設(shè)計(jì)縱坡
本工程沖砂槽設(shè)計(jì)縱坡略大于引水彎道的設(shè)計(jì)縱坡,為1/110。
5)、沖砂槽設(shè)計(jì)流速
根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)論和擬定的工程運(yùn)行管理方式,在河道來(lái)水大于45m3/s,部分開(kāi)啟或全部開(kāi)啟沖砂閘,沖砂槽開(kāi)始工作。本工程沖砂槽設(shè)計(jì)流速為4.3m3/s。
6)、沖砂槽彎道半徑
本工程彎道半徑為214.6m。
7)、擋砂坎
擋砂坎亦為進(jìn)水閘前的一道側(cè)堰,呈弧線(xiàn)布置,轉(zhuǎn)彎半徑220.7m,擋砂坎高1.5m,坎前設(shè)“┓”型懸板,懸板寬1.0m。
四、引水防沙效果
經(jīng)過(guò)兩年運(yùn)行,上游人工引水彎道環(huán)流作用明顯,沖砂槽沖砂效果較好,泥沙經(jīng)過(guò)人工彎道和沖砂槽的兩次處理后,進(jìn)入總干渠的泥沙顆粒普遍在20mm以下,再通過(guò)設(shè)在渠道上的渦管排沙設(shè)施進(jìn)行第三次處理,基本解決了引水總干渠的泥沙磨蝕問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
1、陳樹(shù)林 山區(qū)河流卵石河床引水渠首上下游整治段的設(shè)計(jì)《新疆水利》編輯部1989(6)
2、新疆引水渠首 新疆人民出版社1993年(12)
3、引水渠首 水利電力出版社1985(2)
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