都江堰水利樞紐關鍵技術的分析與應用

劉佳明 王新奎

摘要：都江堰是戰國時期李冰父子組織修建的渠首引水灌溉工程，兩千多年來一貫發揮著防洪灌溉的作用。都江堰樞紐工程主要由魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三部分構成，其分水分沙效果確保了成都平原常年具備適宜的水源。其中的工程設施和治水理念在現代的水利工程中都有所體現。本文通過分析都江堰關鍵技術，認識其治水技術對現今水利工程的指導意義。

關鍵詞：都江堰；飛沙堰；魚嘴工程；水利工程；渠首工程

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

都江堰坐落在成都平原西部的岷江上，是戰國時代蜀郡太守李冰父子主持修筑的大型渠首引水工程。經兩千多年來的自然變遷和人工修整，一貫發揮著防洪灌溉的作用。內外江分水魚嘴是人工對自然沙洲的分水堤前部進行改造，將岷江水分為內外二江。寶瓶口同飛沙堰共同作用，具有控制水流大小、將固體顆粒排至外江的功用，是確保內江供水安全的關鍵。內江水經過寶瓶口流進灌區內的田地；洪水時期，內江水位抬升至飛沙堰以上，則洪水主動流至外江，另加上寶瓶口對水流的約束作用，起到了防治洪水的作用。其中的治水理念和方法在現在的水利工程和水運工程中都有很多應用。

一、魚嘴工程

文獻記載的“分四六”，現今都江堰春灌期內江分流靠近75%， 而汛期只有37.5%。經過兩千多年的自然演變和人為修筑，魚嘴分流的效果比歷史記載更好，對內、外江的分水分沙起到了關鍵性的作用。魚嘴工程具有分流分沙、穩定洲頭和調整不利流態等功能，已經成為水利工程建設中采用的主要整治建筑物形式之一。現代水利和航運部門也多次采用魚嘴工程進行河道的整治。魚嘴工程可以按按修建位置和建筑物的形式劃分為洲頭魚嘴工程、魚骨壩和洲尾魚嘴工程三種。

1、洲頭魚嘴工程

洲頭魚嘴工程修建于洲頭，軸線與水流方向平行或呈微小夾角，一般由洲頭指向非引水支汊方向， 與整治線基本平行，調整兩汊的分水、分沙情況和固定灘頭，并且能有效改善流態。在枯水期可接引水流進入通航支汊， 穩定流勢， 確保所需支汊水量充足。已建的洲頭魚嘴工程較多， 如陸西口水道洲頭分流壩、川江東溪口淺灘洲頭壩等。長江口深水航道治理工程中也建設了分流口，有效固定江亞南沙，確保了航道穩定。

2、魚骨壩

魚骨壩是外形與魚骨相似的一種涉水建筑物，一般依江心洲頭修建，由順水流方向的順壩和與正交或斜交的刺壩組成。順壩與洲頭魚嘴工程功能相似，主要用于分流、分沙和調整水體流向；刺壩類似于丁壩，可用于調節環流的運動，削弱水流對壩體的沖刷，加強壩體的穩定性，從而起到改善枯水期航道、穩定河相和灘槽格局的作用。現有的相關研究還不夠充分，缺乏具體的設計理論。目前建成的有：長江中游戴家洲河段航道整治一期工程和窯監河段航道整治一期工程等。

3、洲尾魚嘴工程

洲尾魚嘴工程的作用主要是減小匯流角，使兩股汊流平順交匯，增大水流交匯區流速以 沖深航道；還起到了縮窄河流寬度、增加其流速，加大水體的沖刷能力；利用兩汊交流而消耗水能等作用。洲尾順壩工程往往沿洲尾淺脊的方向施工以減少工程量，同時沖刷淺區。川江航道整治工程中的王家灘、小南海灘等工程中運用了洲尾魚嘴并取得了很好的效果。

二、飛沙堰與寶瓶口

1、寶瓶口

寶瓶口具有調節水流大小的作用，是控制成都平原灌區流量的關鍵。內江水經寶瓶口流入，而在洪水時期，內江的水位抬升高過飛沙堰，冗余的水就流至外江。寶瓶口對水流的限制，有效地達到了防治洪水的效果。內江水在流入寶瓶口后，沿地勢走向不斷分出支渠，自流灌溉一千余萬畝的成都平原。

2、飛沙堰

飛沙堰起到溢洪排沙的作用，飛沙堰將超過成都平原灌區適應能力的江水排放到外江；又能將水中包含的大量固體顆粒排放到外江，避免堵塞寶瓶口。水流在經過彎道時會形成豎直方向的環流。內部的環流運動與水流方向運動的疊加，使水流呈螺旋狀運動形態。利用水沙運動特性，把引水口設在凹岸，這樣在引水的同時可以盡量減少引沙，從而可以減少引水渠的泥沙淤積。相關理論已經吸收進現代流體力學中，針對旋流沉砂池的應用也有很多研究。

三、渠首工程

都江堰作為現存的歷史最為久遠的無壩渠首工程，歷經兩千多年還發揮著灌溉的效用，成就了四川天府之國的美名。渠首引水工程是指為了從水源處引水，以滿足工農業用水需求，而修建的建筑物的綜合體。渠首工程應能保證滿足工農業對水量和水位的綜合要求，從水源處向干渠供水。為使供水水量和供水水質滿足各部門用水要求，可采用不同的工程設施對水流進行調節及引水。灌溉渠首工程一般分為：蓄水渠首工程；用引水渠首工程和提水渠首工程三大類。

1、蓄水渠首工程

蓄水渠首工程適用于河道長期徑流總量滿足灌溉要求，但其不能適應各時期所需用水量的情況。此時，需攔河筑壩抬高水位，形成水庫以達到調蓄水量的目的；利用閘門或通過壩下管道、壩內管道等方式向灌區引水。此類渠首工程常與水力發電、防洪等其他水利事業相結合，以達到對水資源綜合利用的目的。

2、引水渠首工程

當河道流量能夠滿足用水要求時，為引取水流，需在引水口附近修建引水樞紐。引水渠首工程一般可分為無壩引水及有壩引水兩類。無壩引水工程的主要建筑物是進水閘門，必要時布置導流壩，在河流的的天然水位或水位略微壅高的情況下引取河水。樞紐通常還應設置上下游整治建筑物及防沙設施等。有壩引水樞紐由于受到壩體高度和上游庫容量大小的限制，一般只能小幅度壅高水位，幾乎無法起到調節流量的作用，通常適用于水源日常流量充沛，能夠滿足用水需求，但日常水位低于引水所需水位的情況。

3、提水渠首工程

提水灌溉是利用提水機具澆灌作物的灌溉方式。當水源水量充足，但水位較低不足以引水或者當地工程地質條件不適于修筑其他形式的水利工程設施時，可以修建泵站，用水泵將水抽到干渠再對需水部門進行供給。提水灌溉工程除需修建泵站外，一般不需修建其他水工建筑物，而且受外界環境條件的影響較小；可以有效縮短干渠長度、工期短、受益快。但提水設施在運行期間消耗較多的能源，所需的管理費用和運營費用比自流灌溉更高。

結論

都江堰作為我國古代最為輝煌的水利工程，歷經兩千余年還發揮著防洪灌溉的作用。都江堰中的思維和技術中有很多已經應用到現在的水利工程或者航道治理中。為了在相關工程設計中做到經濟、可靠、環保， 許多問題有待進一步研究。我們應當充分關注都江堰的水力原理和建設理念，為以后的工程建設提供理論指導。

參考文獻

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