彎道橫向環流對處理泥砂的功能技術探討

龐德枚

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司新疆分公司，新疆阿克蘇843000)

新疆烏什縣秋格爾引水樞紐工程泥砂問題是多年運行管理存在的最大問題，特別是近年來，運行管理費用逐年增加，排砂效果差，泥沙進入引水系統，已影響了農業引水灌溉、工業梯級發電、周邊生態環境等國民經濟的發展。下面針對工程存在的泥砂問題，采用彎道橫向環流對處理泥砂的功能進行技術探討。

1 工程概況

秋格爾引水樞紐工程位于烏什縣奧特貝希鄉與牙曼蘇鄉之間的托什干河干流上，為攔河式引水樞紐。該樞紐在省道306線112 km分支的Z 621專線4 km處。距烏什縣城15 km、阿克蘇市130 km。主要功能為農業引水灌溉、工業梯級發電、城市防洪、交通，是一座具有綜合效益的水利樞紐工程。其中農業引水灌溉面積2.01萬hm2、工業梯級發電裝機容量40 MW、城市防洪保護烏什縣城約10萬人生命及財產安全，是Z621專線的唯一交通要道。

該工程主要由攔河泄洪閘、引水道、第二泄洪沖砂閘、節制分水沖砂閘和上下游整治導流堤組成，其中攔河泄洪閘全長125 m，共14孔，單孔凈寬8 m。引水道為無閘開敞式引水渠，位于攔河閘右側，與攔河閘呈45°夾角，總長235 m;第二泄洪沖砂閘位于引水渠140 m處左岸，共設有4孔開敞式閘孔，單孔凈寬4.0 m;節制分水沖砂閘位于引水渠的末端，設有電站引水閘1孔，秋格爾總干渠引水閘2孔，泄洪沖砂閘2孔，單孔凈寬均為4.0 m;上游右岸導流堤與色來阿拉爾防洪堤連為一體的現澆混凝土板結構，上游左岸導流堤為長400 m的漿砌石護面結構。下游右岸導流堤長300 m，與下游的右岸防洪堤連為一體，漿砌石護面結構。下游左岸導流堤長150 m，漿砌石結構。

2 現有工程存在的問題及解決辦法

秋格爾引水樞紐工程是烏什縣托什干河上三大渠首之一，該樞紐始建于1967年11月，1971年5月竣工。1981年7月27日托什干河發生827 m3/s的常規洪水，造成20孔溢流堰中14孔被沖垮。1983年自治區作為水毀修復工程正式立項建設，當年3月開工，1984年12月底竣工，正式投入運行。攔河閘系統已運行27 a，引水系統已運行40 a。現有工程存在的問題是:

2.1 泄洪能力不足

依據現狀水文分析成果，本工程設計洪水重現期采用30 a一遇，設計洪峰流量為 1 935 m3/s。校核洪水重現期100 a一遇，校核洪峰流量為2 700 m3/s。原工程設計洪水重現期采用30 a一遇，設計洪峰流量為1 140 m3/s，(P=1%)，校核洪峰流量為1 465 m3/s，(P=0.2%)，原設計攔河閘的泄洪能力嚴重不足。

2.2 排砂功能差

托什干河干流秋格爾引水樞紐斷面處多年平均年含沙量為2.325 kg/m3，多年平均年懸移質輸沙量為687.8×104t，推移質輸沙量為 115.6×104t，多年平均年輸沙模數為364.7 t/km2。攔河閘沒有有效地排沙措施，引水道進口底板僅比攔河閘底進口高0.2 m，第二泄洪沖砂閘處于引水道彎道中上段，布置不合理，導致引水道水流不能形成彎道橫向環流，沖砂閘排砂效果差，泥沙進入引水系統。

2.3 解決辦法

在保持現有水位變化不大的情況下，通過增加泄洪閘孔水，來解決泄洪能力不足問題。對于泥砂處理問題，除抬高引水道進口底板高程外，拆除第二泄洪沖砂閘，充分利用水流彎道環流理論，合理布置彎道末端的引水系統及排砂系統，達到引清排砂的目的。

3 雙方彎道橫向環流及功能設施布置

3.1 彎道橫向環流

秋格爾引水樞紐工程地處烏什縣境內的托什干河干流上，河床含沙量大，河道縱坡較陡，流量變幅大，在引水道上設計人工彎道，利用彎道環流理論，使水流沿彎道作曲線運動時產生指向凹岸的離心力，由于水面流速大，離心力大;下層河底的流速小，離心力小。為了平衡這種離心力，水流通過調整，將形成凹岸水面高凸岸水面低的橫比降。在彎道的橫斷面上，水流受離心力和水面橫比降的綜合作用，產生橫向流動—橫向環流。橫向環流是引起泥沙橫向運動的動力，它促使彎道凹岸沖刷而凸岸淤積。

3.2 功能設施布置

如何進行功能設施布置，充分利用利用橫向環流理論是解決泥砂進入引水系統的關鍵，具體布置如下:

秋格爾灌溉、發電總的引水流量為91 m3/s，人工彎道設計流量取設計引水流量的2倍，Q=180 m3/s;引水道設計水面寬28.57 m，彎道中心線半徑為設計彎道水面寬的3.5倍，即R=100 m;彎道長度為設計彎道水面寬的8倍，人工彎道式引水道總長228.56 m。彎道進口設1.5 m高的擋砂檻，設計渠底寬14 m，內邊坡1∶1.75，渠底采用漿砌卵石材料砌筑，邊坡為現澆混凝土板。

彎道末端凸岸設置4孔單寬為5 m的開敞式沖砂閘，凹岸布置1孔凈寬5 m帶胸墻開敞式灌溉進水閘和4孔單寬為5 m的開敞式電站進水閘，兩進水閘底板相對沖砂閘均抬高0.5 m，閘前均設置1.20 m的擋砂坎。

4 結論

在多沙性河流上泥砂處理是水利工作者們多年來一直積極探討的問題，就秋格爾引水樞紐工程多年運行管理存在的泥砂問題，通過抬高引水道進口底板高程、人工彎道橫向環流、功能設施布置的綜合措施，力求達到引清沖砂的良好效果，對農業引水灌溉、工業梯級發電、周邊生態環境等國民經濟的發展具有重大的現實意義。

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