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)過運(yùn)行證明，該工程的設(shè)計(jì)是成功的，可為后續(xù)類似工程借鑒。
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)35.7萬畝的灌溉引水問題。

　　 該工程具備泄洪、排沙、引水功能，主要由泄洪閘、沖砂閘、曲線沖砂槽、進(jìn)水閘及上游曲線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彎道和曲線型沖砂槽的橫向環(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，見表3。年均輸沙量402萬t，最大年輸沙量529萬t，最小年輸沙量250萬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，見圖一。

　　1、泄洪閘：共3孔，單孔凈寬8m，設(shè)計(jì)泄洪流量Q_P=2%=585m³/s，校核洪水Q_P=0.2%=758m³/s,由弧形鋼閘門控制。

　　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Q_P=2%=196m³/s, Q_P=0.2%=287m³/s，由平板鋼閘門控制。

　　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）:整治段呈曲線型布置，曲率半徑200m，整治段長(zhǎng)224.5m，底寬39m。設(shè)計(jì)洪水Q_P=2%=665m³/s，校核洪水Q_P=0.2%=958m³/s,設(shè)計(jì)造床流量Q_P=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:呈直線布置，底寬39m，全長(zhǎng)115m。為防止河床下切過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，見表2。

　　 2、推懸比

　　 通過新疆水科所對(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×A^1.03×Q^0.71×D_CP^0.086/（n^0.41×g_S^0.11）

　　 J =29.18×n^2.05·g_S·/（A^0.13×Q×D_CP^0.43）

　　 h =0.54×n^0.23·Q^0.48·D_CP^0.078/（A^0.58×g_S^0.10）

　　 V =3.6×n^0.18·g_S^0.21·/（A^0.45×Q^0.18×D_CP^0.16）

　　 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；

　　 g_S：年平均輸沙率，本工程選用130.2kg/s；

　　 D_CP：河床質(zhì)中值粒徑，本工程為0.092m。

　　 將A、Q、n、g_S、D_CP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，在河道來水大于45m³/s，部分開啟或全部開啟沖砂閘，沖砂槽開始工作。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題。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、陳樹林 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）