新疆伊犁喀什河引水渠首工程彎道部分的設計研究

何若飛

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院， 新疆 烏魯木齊　830000)

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新疆伊犁喀什河引水渠首工程彎道部分的設計研究

何若飛

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院， 新疆 烏魯木齊830000)

新疆河流一般較多為山溪性多泥沙內陸河，河道短且水量較小，推移質泥沙含量高。本文以伊犁喀什河引水渠首工程為例，結合彎道水力學及各參數方法，簡單介紹引水渠首彎道部分的運行特點。可以看出這種利用彎道水流產生橫向環流從而起到排沙目的的布置形式在實際過程中運行良好，引水防沙效果較好，是創新的第三代彎道式渠首。

彎道； 渠首； 優化設計

830000,China)

1　伊犁喀什河渠首經驗總結

新疆河流多為山溪性多泥沙內陸河，河道流程短，水量小，推移質泥沙含量高，解決好引水排沙問題，是引水工程關鍵。1956年蘇聯專家將彎道式引水渠首引入新疆，這種布置形式主要是利用彎道水流產生橫向環流的原理進行正面引水和側面排沙。先后在烏魯木齊河、八音溝河、瑪納斯河、三屯河等處修建了彎道式引水渠首，而這些渠首普遍存在引水和泥沙淤積間的矛盾。通過不斷總結運行經驗，1967年建成伊犁喀什河引水渠首，運行41年，實測進水閘不進推移質，引水防沙效果良好，是創新的第三代彎道渠首。

目前，該渠首引水彎道由于年久失修存在的主要問題是:兩岸護坡存在裂縫現象，凹岸護坡沖刷嚴重，局部漿砌石剝落，在沖沙閘上游凸岸存在淤積現象。

此次設計仍采用原設計，天然穩定的良好河彎，其曲率半徑、河床坡度、流速等條件無疑最適合該河流的自然特性。由于洪水洪峰流量較原設計大，須對該彎道的基本要素值進行復核設計。

2　彎道位置的確定

該渠首選擇在喀什河出山口約2km的褓姆塔石天然河彎處，該處河流分成左右兩支，中間灘地首端有天然基巖矗立，即褓姆塔石。渠首利用該處天然河彎的有利地形將右支改建利用作引水道，并修建攔污橋、引水彎道、西岸進水閘、沖沙閘，同時利用左支作泄洪道，修建泄洪閘、東岸進水閘。渠首上游雖有反向河彎，但上游河彎末端左岸有基巖岸坡并延伸至河槽，可將主流由凸岸挑至河心，且下接一直線過渡段，可使主流逐漸轉向凸岸，同時，在引水彎道首端左側有約35m長的巖墻，其突出部分又再一次將水流適當挑向該引水彎道凹岸，更進一步加強了環流。由此可證明彎道位置的確定是成功的。

3　引水彎道水力計算

3.1彎道過水能力及渠頂高程

引水彎道為原河道分水后的右支經整治而成。右支引水彎道與左支泄洪道的自然分水比大致為4∶6。由1982年洪水實測資料可知，分水比接近4∶6。此次設計洪水洪峰流量為1294m3/s，校核洪水洪峰流量為1440m3/s，比原設計有所增大。按照設計分水比彎道設計洪水流量為492m3/s，校核流量為547m3/s。按閘孔的下泄洪峰流量推求上游水深得出，沖沙閘前設計洪水位為807.65m，校核洪水位為807.98m。

該工程建成后，于1982年6—7月進行了技術總結，由當時實測斷面水深、流速、流量，用曼寧公式反算出糙率n=0.033，起始水深取閘前水深為控制水深。引水彎道近似按渠道漸變流計算，其水面曲線如表1所列。

表1　設計、校核洪水彎道水面曲線計算

渠堤超高計算時水深取沖沙閘閘前最大水深，設計洪水時為5.15m，校核洪水時為5.48m。

岸頂超高按《灌溉與排水設計工程規范》(GB 50288—99)，1～3級渠道的土石壩設計要求確定。

設計波浪爬高值應根據工程等級查表換算得出，1～3級建筑物采用累積頻率為1%的爬高值，累積頻率系數為2.42。

該工程為Ⅱ等大(2)型工程，安全加高設計洪水位時為1.0m，校核洪水位時為0.5m。

渠頂高程計算結果如表2所列。

表2　渠頂高程計算成果

注工況一：設計洪水位加波浪計算高度與相應安全超高值的渠頂超高；

工況二：校核洪水位加波浪計算高度與相應安全超高值的渠頂超高。

渠道彎曲段的曲率半徑小于5倍水面寬或平均流速大于2m/s時，應增大凹岸超高，其增加值可用《水力計算手冊》中彎道橫向水位差公式計算。

計算彎道橫向水位差時，分別驗算彎道中點處和彎道末端處凹岸超高，如表3所列。

表3　彎道渠頂高程計算成果

從以上計算可知，引水彎道渠頂高程由彎道通過設計洪水流量控制，最大為809.390m。因此，彎道始端由810.200m加高至811.000m，彎道中點渠堤加高至809.500m，彎道末端渠堤加高至809.500m。

3.2彎道設計流速

關于引水彎道底設計流量，新疆水利工作者做過很多研究和調查，新疆一些河流7—8月河流徑流量占年徑流量的50%～60%，推移質輸沙量占年輸沙量的80%，為使彎道保證在7—8月充分發揮環流作用，彎道設計流量應選用7—8月能經常出現的流量。并且，在滿足進水閘引入流量的同時，還必須有足夠的沖沙流量將水流挾帶的泥沙送往下游遠處。該工程引水彎道按300m3/s設計，進行彎道斷面的復核。

為了使汛期彎道不產生淤積，彎道設計流速必須大于同期最大推移質粒徑的起動流速。根據沙莫夫公式計算泥沙起動流速時，選用上游河床可帶入彎道的最大泥沙粒徑25cm(偏于保守)，得出最大粒徑泥沙起動流速為2.28m/s，即彎道設計流速要大于最大粒徑泥沙起動流速2.28m/s。

該工程建成后，于1982年6—7月進行了技術總結，6月30日至7月1日實測彎道水面線如表4所列。

表4　喀什河引水樞紐工程引水彎道水面曲線

由表4可知，彎道通過設計流量時平均流速為3.18m3/s，大于泥沙啟動流速2.28m/s。

3.3彎道底寬

根據彎道設計流量、縱坡，首先用阿爾圖寧公式計算直線整治段河道水面寬度By。彎道彎曲段的水面寬Bk較直線段水面寬By小，其關系式為Bk=(0.75～0.5)By，得出彎道寬度驗算結果如表5所列。

表5　彎道底寬計算

根據彎道設計流量計算結果，該工程彎道設計寬度比阿爾圖寧公式推薦寬度大。該工程彎道由原天然彎道整治而成，考慮到此次設計洪峰流量較原設計增大了10.8%，彎道需承擔洪水期的泄洪，彎道底寬為30m不變。

3.4彎道半徑

根據新疆已建彎道式引水樞紐的經驗，彎道半徑采用下列兩種公式進行對比計算，結果見表6。

(1)

(2)

表6　彎道半徑計算過程　單位：m

根據式(1)，計算出彎道中心線半徑為150～180m；根據式(2)計算出彎道中心線半徑為169.44～254.16m。考慮到該天然彎道與工程現狀充分結合以達到節省工程量的目的，根據以上兩式的計算結果，確定彎道中心線半徑為163.35m較合適，且滿足以上經驗公式。

3.5彎道中心線長

根據新疆已建彎道式引水樞紐的經驗，彎道中心線長度按以下兩式計算：

(3)

(4)

彎道中心線長度計算過程如表7所列。

表7　彎道中心線長度計算　單位：m

根據式(3)及式(4)分別計算，式(3)結果為：180～240m；式(4)結果為：196.02～228.69m；結合彎道現狀，彎道中心線長取為230m合適。

3.6彎道環強

一個設計良好的彎道，應當在設計條件下形成穩定而強烈的環流，但環流的強度還沒有一個通用的標準來衡量。西北水利科學研究所劉旭東同志定義了環流強度系數，但美中不足的是環流系數的最佳數值范圍為0.3～1210，相差4000倍，還是無法確定彎道環流強度系數所應達到的數量級。為了避免以上缺點，石河子農學院張開泉同志提出了環流強度計算公式：

式中h——平均水深，m；

n——彎道糙率；

r——彎道半徑，m。

利用該公式對渠首彎道環強進行計算，取h=2.05m，n=0.033,r=163.35m，由此得出：C=1.494。彎道環強大于1，表明在設計條件下在彎道內可形成穩定的環流。

針對該公式，對其他某些引水彎道的環強進行計算比較，得出青年渠渠首、三屯河渠首、瑪納斯渠首、金鉤河渠首、八音溝河渠首的彎道環強均小于1，運行淤積嚴重；而古爾圖新渠首、喀什河渠首、葉兒羌河渠首的彎道環強均大于1，運行尚好。由此可見，彎道環強大于1時就可在設計條件下的彎道內形成穩定的環流，因此可認為該彎道設計成功。對引水彎道目前存在的問題，施工時應對其兩岸護坡進行更換和修補，并進行清淤處理，保證彎道的過水能力。

4　建　議

經過多年運行，建筑物接近折舊年限，該渠首改擴建時可以考慮增設沖沙廊道，以便進一步提高渠首阻止推移質泥沙入渠的功能。沖沙廊道可以攔截和排走在進水閘擋沙坎前沿移動的推移質泥沙，其所消耗的沖沙水量比沖沙閘所消耗的水量要小，所以如果沖沙廊道工作情況良好，枯水期引水比可提高到0.95～0.97。

[1]李煒.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]張開泉.彎道引水樞紐彎道計算中的幾個問題[D].新疆：石河子農學院，1982.

[3]熊夏瀾.彎底欄柵式引水渠首應用效果分析[J].水利建設與管理,2014(11).

Design research of water diversion canal head project corner part in Xinjiang Ili Kashi River

HE Ruofei

(XinjiangUygurAutonomousRegionWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Urumqi

Rivers in Xinjiang mostly belong to mountainous sediment inland rivers, which are characterized by short river course, smaller water volume and high content of bed-load sediment. In the paper, water diversion canal head project of Xinjiang Ili Kashi River is adopted as an example, and corner hydraulics and various parameters methods are combined for the simple introduction of the operation features of water diversion canal head project corner part. It is obvious that such layout pattern of utilizing corner water flow to produce circular flow for the purpose of sand discharge is well operated in practical process. It has better water diversion and sand prevention effect. Such layout pattern is regarded as innovative third generation corner canal head.

corner; canal head; optimization design

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.011

TV67

A

1005-4774(2016)01-0034-04