高引水比多沙河流彎道式渠首的改進措施研究及實踐

武 清

(新疆水利水電規(guī)劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 新疆山溪性河流的洪水、泥沙特征

1.1 洪枯比高和推移質泥沙含量大

新疆內陸河及中小河流多為山溪性河流，以冰雪消融和雨水混合補給為主，洪水多以夏季暴雨和春季融雪形成。徑流的年內變化與氣溫及降水的季節(jié)變化關系十分密切，年內分配極不均勻。根據實測資料統(tǒng)計汛期主要集中在6—8月，期間徑流量約占年徑流量的60%～70%。以呼圖壁河為例，僅6—8月徑流就占全年徑流量的68.9%，6—9月四個月徑流量占全年的78.7%。根據青年渠首站28年日平均流量分布天數統(tǒng)計成果，全年大于30m3/s流量的天數為64d，而大于50m3/s流量的天數僅為3d。

由于山區(qū)局地暴雨強度大，歷時短，洪水匯流速度快，常具有峰高而量不大、洪峰歷時短而變化迅猛的特點。中下游河段普遍植被覆蓋度差，巖石風化破碎，河床沿河谷階地在沖積扇下切形成沙礫石岸坡，加上洪水集中及河道坡陡流急，泥沙含量的年內豐枯變化十分明顯，汛期多，枯期少。據多年實測統(tǒng)計，呼圖壁河青年渠首站泥沙主要集中在5—9月，約占全年的98.4%；瑪納斯河紅山咀站推移質泥沙7—8月約占全年的80%，推移質最大粒徑可達500～600mm，具有粒粗量大的特點，給引水工程管理和運行帶來很大的危害。

2 河道沖淤變化特性

2.1 河道寬淺和主槽易于擺動

新疆灌區(qū)引水工程多布置在出山口以后的淺山丘陵地區(qū)，多屬宜沖蝕河段，河流擺動大而造成河床寬淺。

由于洪水陡漲陡落和歷時短，在退洪階段水流挾沙能力急劇下降，洪水過后使推移質在河道及閘前大量沉積，更容易造成主流的游蕩和擺動，使主槽極易發(fā)生變化。

2.2 河床沖淤變化

寬淺河道上滿足造床流量的時機較少，隨著常年淤積以及粗化的發(fā)展，有可能出現難于沖動的“死灘”現象。

由于引水量的不斷加大，沖沙水量的減少，中下游河段一般呈現逐年淤積的形態(tài)。比較有代表性的奎屯河，近10年河道最大淤積厚度達4～6m，部分河段河床已高于引水渠頂，使得渠道經常被淹埋，引水渠首也不得不上移進行改建。

3 彎道式引水渠首的布置與發(fā)展

50—60年代建設的此類渠首主要由上游人工彎道、泄洪排沙閘、沖沙閘、進水閘和沖沙閘下游排沙道組成，當河道洪峰流量較大時，還在彎道凸岸進口段岸邊設置了溢流堰等。

70年代后期修建或改造的部分人工彎道渠首，在彎道凸岸進口上游增加了泄洪沖沙閘及溢洪堰等設施，對汛期洪水和泥沙進行有效分流，同時也調整和縮窄了彎道進口段的寬度。針對河道來沙量、引水比高的工程，如金溝河引水渠首，后期改建時在下游引水干渠上還設置有曲線沉沙池或其它型式的二次泥沙處理設施，呼圖壁河青年渠首在下游還修建了沖沙水二次回收取水設施。

4 彎道式引水渠首存在的主要問題

4.1 人工彎道過寬，設計流量偏大

第一代彎道式引水渠首是當時照搬原蘇聯(lián)的費爾干式引水樞紐的原則進行設計的，由于對其適用性認識不夠，未能很好地結合河流水文泥沙特性進行深入研究，采用洪水頻率3%～10%的洪峰流量作為人工彎道設計流量，將人工彎道也作為泄洪排沙的主要通道，致使上游整治段和彎道斷面寬度明顯偏大。而根據對中小河流徑流過程的調查和分析，實際能夠發(fā)生此彎道設計洪水的機會很少，在渠首運行的絕大部分時間里，彎道流量均小于設計流量，從而造成大多數時間的中、小流量橫向環(huán)流作用不明顯，甚至形成不了橫向環(huán)流,也就失去了引水彎道正面引水、側面排沙的作用。

4.2 彎道環(huán)流較弱，沖沙流速低

人工彎道的設計理念是設計流量情況下利用環(huán)流實現連續(xù)排沙和不間斷引水，要求有合理的引水比，并且需要連續(xù)沖沙。但當河道來水小于設計引水流量時，則將面臨著環(huán)流作用下降或無水沖沙的問題。一旦發(fā)生淤積，將導致彎道水力學條件發(fā)生變化，從而會加劇彎道的淤積，若長時間運行則彎道很容易失去排沙能力，這也就是人工彎道在引水比高的河道上容易淤積的主要原因。在此條件下管理單位被迫利用灌溉間隙集中流量采用間歇沖沙的運行方式，此時的人工彎道環(huán)流作用已不明顯，類似曲線沖沙槽的運行條件，彎道內需要維持必要的輸沙流速，才能達到沖沙排沙的效果。近年來，隨著水資源的充分利用，使引水比不斷提高，加上冰川融雪水補給的減少，使得洪枯比進一步加大，渠首引水防沙問題更加突出。

原金溝河渠首建于1959年，屬于我國第一代彎道式引水樞紐。建后初期渠首運行效果尚可,但由于渠首上游段彎道較寬，橫向環(huán)流無法形成,泥沙淤積日益嚴重，主流在彎道內蛇形擺動,加上引水比很高,使推移質進入彎道的數量占河流來沙總量的48.5%，無法實現人工彎道所要求的連續(xù)沖沙。金溝河渠首設計引水流量為20～45m3/s，而常遇洪水為56m3/s。工程實際運行6月下旬以前渠首上游來水流量一般小于25m3/s，此時來水全部引入灌區(qū)，排沙閘無法開啟排沙運行。進入洪水期為滿足灌溉要求，引水比高達90%，只能采用間歇排沙方式，而在20～30m3/s沖沙流量下，間歇沖沙有效影響距離只能達到50m，遠達不到引水彎道的設計排沙要求。后期雖在渠首下游引水渠道上修建了曲線沉沙池、渦管排沙和螺旋流排沙三級泥沙處理措施，但也相應提高了渠首的引水比，反而加重了彎道上下游的淤積。

4.3 引水比不斷提高，沖沙水量減少

近年來，隨著灌區(qū)工農業(yè)用水量日益增加，河道天然來水過程時空分布與用水過程矛盾也越顯突出，部分引水渠首還要承擔下游調蓄工程引洪蓄庫以及引水發(fā)電的要求，導致渠首引水比居高不下，使得渠首沖沙水量，從而加劇了引水渠首的排沙運行條件進一步惡化。呼圖壁河灌區(qū)面積105萬畝，除了汛期河道發(fā)生大于設計引水流量45m3/s的洪水時段外，平時河道水量全部引入渠道。根據實測資料，呼圖壁河青年渠首多年平均實際引水比為76%，瑪納斯河渠首為78%，金溝河引水渠首為72%，個別渠首汛期引水比可高達90%。

5 彎道式引水渠首關鍵技術及改進措施研究

5.1 渠首引水比的適用范圍

從新疆已建成的人工彎道式引水渠首工程運行情況分析以及總結經驗得出，對于多泥沙推移質含量大的山溪性中小河流，彎道式引水渠首引水比宜控制在60%～65%以內，高于此引水比則人工彎道將不能實現連續(xù)沖沙，若結合間歇沖沙來運用，則汛期引水比不宜超過80%。適宜的引水比還需通過模型試驗來分析和驗證。

5.2 渠首位置的選擇

為了避免由于過分引水而造成的渠首上下游的淤積，應盡可能的把人工彎道式引水渠首修建在山溪性河流沖積扇上游的出山口處附近，此處河床一般處于下切或穩(wěn)定河段，位于徑流散失區(qū)以上，水流比較集中，縱坡亦較大，修建這種型式的渠首工程易于獲得成功。

人工彎道不宜布置在河道寬淺的游蕩性河道上，且宜盡量與天然河灣結合布置，使河勢易于控制，也利于人工彎道的平面布置要求，同時也可降低工程造價，改善運用效果。

5.3 樞紐布置需要注意的問題

(1)樞紐總體布置及上下游整治段宜結合自然河勢并利用天然河灣進行布置，人工彎道或主要泄洪通道應有利于上下游河床沖淤平衡及主槽的穩(wěn)定，各建筑物的布設要結合河道主流流向，不宜硬性改變河道流向及天然縱坡。

(2)上、下游整治段布置應有利于泥沙運移，并起一定的導沙作用。結合水工模型試驗對擬定的布置方案進行驗證和調整是必要的，并應考慮大小不同量級洪水和引水流量的運行工況。喀什河及卡群引水樞紐的布置，是利用彎道水流特性，結合河勢條件，成功解決人工彎道式樞紐布置的典型實例。

5.4 彎道體型及設計規(guī)模

5.4.1 彎道設計規(guī)模

根據已經取得的研究成果，彎道設計流量較理想的情況是2～2.2倍的進水閘設計流量。若該流量小于進水閘與沖沙閘設計流量之和時，說明進水閘設計流量偏大，不適應防沙排沙運行，應減少進水閘設計流量，以保證在每年有較多的天數進行排沙。對于引水比高而進水閘設計流量又不能減少的引水渠首，可按每年洪水季節(jié)都能發(fā)生一定時間(大于3天)的流量作為彎道設計流量，同時彎道縱坡、流速、底寬之間要統(tǒng)一考慮，要使彎道設計流速達到泥沙的起動流速，以滿足間歇沖沙的排沙要求。

結合工程實際運行經驗，對于徑流量較大的內陸河，人工彎道設計流量按上述兩種經驗取值均是合理可行的，但對于徑流量小、推移質含量大、引水比很高的中小河流來說，建議彎道設計流量按每年一遇常遇洪水或大于3天的洪水流量來設計，進水閘設計流量不宜超過建閘斷面常遇洪水的70%，以保證沖沙閘和人工彎道每年有10～20d的歷時進行排沙運行。

對于彎道進口上游設有沖沙泄洪閘、引水比高、采用間歇排沙運行的人工彎道，在改建時彎道斷面和設計流量還可減小，以滿足沖沙槽的排沙要求。其次，為了增加人工彎道的沖沙歷時，對于引水比很高的河流，在工程規(guī)劃上建議研究和比較多級引水方式，以降低引水比，盡可能減少由于過度引水而改變河道的水沙條件和輸沙能力。

5.4.2 彎道體型設計

彎道平面布置也是產生橫向環(huán)流和決定環(huán)流強度的重要條件，為了適應河道的水沙特性，以不過大改變原河道的平面形態(tài)為宜。引水彎道半徑應等于彎道平均斷面寬度的4～8倍；彎道長度應為彎道半徑的1～1.4倍。

人工彎道縱斷面設計視彎道輸沙和沖沙閘及排沙道的排沙要求而定，以不過大改變原河道的水流條件為宜，并盡量保持與原有河道縱坡一致。對于采用間歇沖沙方式運行的彎道縱坡，還需滿足沖沙槽的泥沙的起動流速對縱比降要求，建議大于1/120。

彎道橫比降與縱比降之比宜大于1，彎道橫斷面宜按凹岸陡、凸岸緩的梯形斷面設計，以利于環(huán)流形成及泥沙的底部運動。

對于多泥沙及推移質含量大的中小河流，在彎道橫斷面設計時應預留一定的淤積高度，也可做成復式斷面，底部小斷面可為后期間歇沖沙創(chuàng)造條件。此條件下運行彎道斷面不宜按寬淺式斷面設計，寬深比不宜超過2.5。

5.5 建筑物設計及改進措施

5.5.1 彎道進口沖沙泄洪閘及擋沙坎

(1)早期的彎道式引水渠首，為了抵御較大洪水，在人工彎道入口段設置有溢洪堰，實際上起到了蓄渾排清的作用，“清水”在上游被溢走，留下的推移質將全部進入人工彎道，勢必增加彎道的排沙負擔。因此，對于峰枯比懸殊、泥沙含量大的河流，在樞紐布置上首先要考慮在彎道進口以外對洪水和泥沙進行有效控制和分流，增加滿足造床流量寬度的沖沙及泄洪閘，彎道進口則布置較高的弧形擋沙坎，對汛期洪水和泥沙實施有效分流，可有效減輕和改善人工彎道的泄洪排沙壓力，同時對保證彎道運行安全和延長工程的使用壽命具有重要作用。

(2)對于洪峰流量特別大的寬淺河流，可在沖沙閘外側設置溢流堰或自潰堰與河道主流斜交向上游兼做導流堤布置。

(3)沖沙泄洪閘底板高程宜與河床斷面枯水期平均底高程保持一致，并與主槽的底高程相適應，不宜硬性改變河道的天然縱坡。

(4)對于引水比大而沖沙水少的中小河流，上游沖沙閘宜作為主要的泄洪排沙通道，孔口尺寸不宜過小，可按常遇洪水或造床流量來設計，以便多利用洪水對上游河道淤沙進行集中清理，以維持渠首上下游河道的自然沖淤平衡。平面布置上沖沙及泄洪閘中心線與彎道中心線夾角宜成40°～45°。對于多泥沙河流，人工彎道進口擋沙坎高度宜比沖沙閘底板高1.0～1.5m，視泥沙含量和粒徑粗細來定。為避免抬高進口增加彎道縱坡，擋沙坎斷面可采用倒“L”形懸臂實用堰的型式。

5.5.2 彎道末端進水閘及排沙閘

(1)人工彎道末端的凹岸和凸岸分別布置有進水閘和排沙閘，其交角宜在30°～40°之間。

(2)在確定排沙閘和進水閘底板高程時，應先分析樞紐段河床沖淤變形的特點。若河床縱坡大且為下切變形，排沙閘底板高程可取與河道枯水平均河床高程同高；對處于沖淤平衡的河道，排沙閘底高程應高于枯水平均河床高程0.5m；若處于淤積河段，為防止排沙閘閘底在運用過程中被淤埋，其閘底板宜比原河床適當抬高約0.5～3.0m，應以彎道輸沙和閘下排沙要求來確定，也可沿彎道橫向比降采用底部錯動式階梯狀布置，以適應彎道環(huán)流的排沙要求。排沙閘高程確定后，進水閘底高程一般要高出排沙閘底1.0～1.5m。

(3)在進水閘前宜設置攔沙坎或懸板，可兼作導沙墻，對于防止泥沙進入引水渠道作用是有效的。其頂高程可與進水閘底板同高，組成閘前沖沙和沉沙槽，以達到小流量時壅水沉沙，大流量時可集中沖沙的目的。

5.5.3沖沙泄洪閘及排沙閘消能防沖

(1)彎道式渠首由于引水分流，運行后期下游通常會發(fā)生淤積。在經常要排除沙卵石推移質的情況下，進口沖沙閘及末端排沙閘下游不宜修建消力池或消力墩等消能設施，在保證滲徑的條件下，宜采用短護坦加深隔墻的防沖方案，以保證護坦后水流具有一定的輸沙流速，利于下游排沙道的輸沙運行，防沖隔墻埋深應至沖刷深度以下0.5～1.0m，下游可設置裙板或水平鋪筑一定范圍適應變形的卵石拋石坑及鋼筋石籠護底，以防止閘后淘刷。近年來采用鋼筋混凝土軟排護底的工程也較多，取得了較好的防沖效果，值得借鑒。沖沙閘下游設置導沙墻以利于束水沖沙，防止下游河道淤積。

(2)沖沙閘及排沙閘閘墩下部和護坦，宜采用抗沖磨混凝土或耐磨石料等緊密砌護。排沙閘下游翼墻和導流堤的基礎，亦需座在沖刷深度以下。下游排沙道出口宜與主流銜接，以利用大洪水將堆積泥沙沖向下游。在下游河道修筑縮窄的整治河道和布置潛沒式導沙墻或導流堤，對束水攻沙、提高渠首的排沙效果和延長工程壽命，都有很大的作用。

6 改建方案及應用實踐

針對第一代人工彎道斷面設計過大的問題，在一些渠首的后期改造中也采取了不同的方案，如通過凸岸一側縮窄底寬、凸岸壓丁壩、設置縱向導流堤以及填筑部分底寬改造為復式斷面等方案。

(1)瑪納斯河人工彎道式引水渠首

瑪納斯河人工彎道式引水渠首，在彎道內的凸岸修建一排臨時性丁壩，將彎道寬度縮窄三分之一，保證了在彎道內形成橫向環(huán)流，改善了渠首的引水防沙的效果。金溝河引水樞紐在改建工程模型試驗階段，提出了在引水彎道中部設置縱向導流堤、上游連接溢流側堰的工程措施。由于側堰的阻水擋沙作用，使泥沙大部分進入彎道左槽內，少量進入彎道右槽，大流量時帶走槽內淤沙，小流量時有利于邊引水邊沖沙或采取間歇沖沙方式。

(2)三屯河西干渠首

三屯河屬多泥沙、洪枯比大、引水比高的河道。西干渠首改造時，采取彎道進口、彎道末端設置沖沙閘+擋沙坎的兩級防沙排沙布置。在原人工彎道上游泄洪閘的基礎上增加了2孔沖沙閘，并在彎道進口設置了1.5m高的曲線形擋沙坎形成臨時蓄沙庫，通過上游沖沙閘利用常遇洪水可沖走近70%的泥沙，保證進口“門前清”，可進一步降低泥沙引入彎道。三屯河渠首改造前、后平面布置如圖1—2所示。

原彎道設計流量214m3/s，底寬35m，而進水閘設計引水流量為34m3/s。按文中所總結的經驗，渠首斷面每年大于3天的洪水流量50m3/s，按引水流量的2～2.2倍為68～74.8m3/s，考慮彎道進口已攔擋了大量推移質泥沙，也沒有相應的泄洪要求，因此在改造時彎道設計流量確定為50m3/s，設計底寬12m。設計采用在彎道內加中隔墻縮窄底寬的方案，形成一大一小兩個彎道，凸岸側小彎道作為沖沙彎道來運行，原凹岸大彎道進口封閉作為沉沙池來運用，中隔墻在彎道下游設計成溢流堰型式，引取表層清水進入沉沙池，取得了沖沙閘沖沙、彎道排沙和引清入渠的多級泥沙處理方案。當來大洪水或常遇洪水時，開啟上游沖沙閘沖沙；汛期出現彎道設計流量時，可開啟下游排沙閘沖沙。若在進水閘上游中隔墻上設置沖沙閘，還可對沉沙池內泥沙進行水力沖沙，運行效果會更好。同時根據實際來水，選擇不同的沖沙閘門和開啟孔數，可靈活采取多種沖沙方式。改造后通過一年的實際運行，入渠泥沙減少了近90%，引水比提高到了68%，達到了預期的效果。

圖1 三屯河渠首改造前平面布置圖

7 結語

(1)山溪性多泥沙河道上修建引水工程，其引水防沙效果至關重要，必須認真分析和研究河流的洪水、泥沙特性以及引水工程的建設條件，綜合考慮渠首的引水防沙布置方案。

(2)人工彎道式引水渠首是一個系統(tǒng)工程，樞紐布置宜結合自然河勢并利用天然河灣進行合理規(guī)劃，順應河勢及維持河床沖淤平衡，設計和運用合理才能發(fā)揮其應有的引水防沙效果。對于中小河流也可結合水工模型試驗對擬定的布置方案進行驗證和調整。

(3)合理確定彎道的設計規(guī)模是彎道式渠首引水防沙成敗的關鍵，在引水比高的河道上尤其要重視，樞紐各建筑物的綜合考慮、引水與排沙的相互協(xié)調，以及保證合理的沖沙水量和排沙歷時等是工程設計中需要重點關注的關鍵技術問題。

(4)運行管理和防沙調度是保證工程正常運行及效益發(fā)揮的重要因素，可根據河道洪水泥沙特點及來水流量等，合理選擇集中沖沙、連續(xù)沖沙或間隙排沙等多種排沙方式，對減輕樞紐上下游河道的淤積及延長工程的使用壽命都是有益的。

圖2 三屯河渠首改造后平面布置圖

(5)認真研究河流的水沙特性，結合工程的實際運行情況分析，選擇合適的引水比，采用多級泥沙處理方案，對現有引水防沙效果差的彎道式渠首采取相應的改進措施，恢復其應有的引水功能是必要的，技術上也是可行的。