曲條面引水渠首在阿韋灘渠首改造工程中的應用

李虹瑾,陳 暉,陳順禮

(1.新疆水利水電規劃設計管理局,新疆烏魯木齊830000;2.新疆水利廳造價管理總站,新疆烏魯木齊830000;3.新疆水利水電勘測設計研究院,新疆烏魯木齊830000)

1 問題的提出

新疆地區河流多系山溪性多沙內陸河,河道流程短,水量小,河床多為沙礫石階地,厚度可深達數十米。汛期洶涌的洪水挾帶大量泥沙而下,因此,如何解決河道引水排沙,是新疆引水工程的一個關鍵問題[1]。

目前,引水渠首的種類較多,主要分為無壩引水渠首、低壩引水渠首、彎道式引水渠首、攔河閘式引水渠首、底欄柵式引水渠首和其他型式引水樞紐(分層式引水樞紐、河床沉沙沖沙槽式引水樞紐、復合型引水防沙樞紐)等幾大類。

位于新疆呼圖壁縣石梯子鄉的阿葦灘渠首為攔河渠首,重點解決河道右岸石梯子鄉阿葦灘灌區的農業用水問題,控制面積為2 533 hm2。出于引水和防沙排沙的考慮,1994年修建有一孔尺寸為1.5 m×1.6 m的引水閘和一座長40 m的底欄柵工程,由于底欄柵式引水渠首自身的缺點,欄柵空隙易被推移質或漂浮物堵塞,經常需要清理,管理不便。隨著工程運行時間的推移,大量粒徑小于柵隙的泥沙進入引水廊道造成廊道內泥沙淤積嚴重,無法發揮其應有的作用,渠首引水流量只有1.7 m3/s,無法達到設計引水流量2.2 m3/s,因此渠首泥沙問題亟待解決[2]。針對存在的問題,在阿韋灘原有底欄柵式引水渠首改造過程中,提出一種新型的引水渠首——曲條面引水渠首,大大解決了原有引水渠首存在的泥沙問題,發揮了引水渠首引水防沙的功能。

2 曲條面引水渠首簡介

新疆呼圖壁河灌區阿葦灘渠首的改造主要是針對渠首引水廊道內泥沙淤積問題提出的,改建和擴建工程應遵循合理、經濟、實用的原則。

曲條面引水渠首,是一種新型的引水渠首,采用曲面引水、條形沖沙槽沖沙、溢流槽雙向溢流面進水。

該渠首應用了曲面引水的原理,在原引水廊道前修建曲線型擋沙坎,使整個水流沿曲線型擋沙坎呈弧線前進,將河道推移質帶到原沖沙閘前,沖入下游河道,則可引取表層較清水流進入條形沖沙槽,使進渠泥沙大大減少。

在溢流槽的設計中,充分利用原有廊道,在廊道前采用條形沖沙槽和溢流槽相間布置,條形沖沙槽末端設沖沙閘,閘后設置渡槽。水流進入條形沖沙槽后,由閘門控制下形成雍水,使水流流速降低,致使泥沙在重力作用下形成沉積。當沖沙渠內水位超過渠堤時,水流自然溢入相鄰的矩形溢流槽內,然后進入引水廊道,引入干渠。當沖沙渠內泥沙淤積到一定厚度之后,開啟末端沖沙閘,水流挾帶泥沙經渡槽流入下游,由于沖沙渠末端高程較泄洪沖沙閘底板高程高出1.25 m,沖沙渠出水口與泄洪沖沙閘之間形成自然陡坡,沖沙時,挾沙水流可沿陡坡流入泄洪沖沙閘后主河道。

曲條面引水渠首由漿砌石護底整治段、進口擋沙坎、條形沖沙槽、溢流槽、沖沙閘、引水廊道、原泄洪沖沙閘和左岸溢流堰組成。本次改建工程需在原有底欄柵渠首基礎上新建建筑物有進口擋沙坎、條形沖沙槽、溢流槽、沖沙閘;改建建筑物有引水廊道、原泄洪沖沙閘。主要建筑物平面布置見圖1。

曲條面引水渠首各組成部分的作用及功能如下:

2.1 漿砌石護底整治段和進口擋沙坎

為了使取水口上游河段具有穩定的河床寬度,降低河床糙率,利于沖沙,且保證溢流槽流量,需要對上游河床、河灘及河岸采取綜合整治措施。本次設計中,在沖沙閘上游70 m內及取水口前端河底,采用30 cm厚C20F200W4細石混凝土砌石護底,在擋沙坎前端右岸修建護堤。

利用彎道凸岸沉沙、凹岸引水的原理,在條形沖沙槽進水口前修建曲線形擋沙坎,采用曲面引水實現第一級水沙分離,使凹岸表層較清的水流進入條形沖沙槽。為保證曲線型擋沙坎具有良好的橫向環流及水流穩定條件,漿砌石護底整治段后的曲線型擋沙坎總長50 m。

2.2 沖沙槽和溢流槽

凹岸表層較清的水流進入條形沖沙槽后,由于條形沖沙槽末端的沖沙閘門關閉,形成壅水,水流流速降低,致使泥沙在重力作用下下沉,形成淤積。表層清水自然溢入相鄰的溢流槽內,然后進入引水廊道引入干渠,實現第二級水沙分離。

根據第二級水沙分離的原理,采用沖沙槽、溢流槽垂直于廊道相間布置的方式,經計算長引水廊道上可布置7條條形沖沙槽,6條溢流槽。

7條條形沖沙槽的起始端為曲線型擋沙坎,末端為沖沙閘,長度不等,均為梯形斷面。6條溢流槽的末端和條形沖沙槽一致,起始端為末端向前12 m的位置,矩形斷面。

2.3 沖沙閘和渡槽

7條條形沖沙槽末端各設1孔沖沙閘,用于第二級水沙分離。當條形沖沙槽內泥沙淤積到一定厚度時,開啟閘門,水流攜帶泥沙經渡槽流入河道下游。閘墩上放置手電兩動啟閉機。

在7條條形沖沙槽末端的沖沙閘后接渡槽,為矩形無橫桿渡槽。

2.4 引水廊道

經過第一級、第二級水沙分離的清水最終匯集到引水廊道,然后引入阿韋灘干渠。原有廊道經改建,把廊道上的柵條去除,在原來的基礎上增加0.2 m即可實現引水流量3.0 m3/s至阿韋灘干渠。

2.5 原泄洪沖沙閘

原渠首沖沙閘目前運行良好,仍可正常使用,所以無需改造。

2.6 左岸溢流堰

水流進入沖沙渠后,由閘門控制形成雍水,造成引水面抬高,并且高出原溢流堰堰頂高程,這樣水流將無法進入溢流槽內,故必須對原溢流堰進行加高。溢流堰原頂部高程為849.7 m,通過計算復核,此次改造將對其加高1.25m,堰頂高程則變為850.95 m。

3 曲條面引水渠首水力計算

原有渠首經改建后,須重新計算引水流量,計算過程如下:

3.1 溢流堰

經判斷,滿足0.67＜δ/H＜2.5范圍(δ為堰的厚度;H為堰上水頭),則為實用堰,按實用堰流量公式進行計算:

側收縮系數:

3.2 原泄洪沖沙閘

經判斷,滿足2.5＜δ/H＜10范圍,則為寬頂堰,考慮到沖沙時,若閘門全開則單寬流量大,為減小閘后沖刷坑深度,本次設計將閘門開度控制到2 m;根據判別式e/H≤0.75(e為閘孔開度,H為閘前水頭),判斷其為閘孔出流,則按閘孔出流(弧形閘門)流量公式進行計算:

3.3 條形沖沙槽

在設計洪水和校核洪水流量時,均淹沒。經判斷,滿足2.5＜δ/H＜10范圍,則為寬頂堰;因閘門最大開度為1.4 m,根據判別式e/H≤0.75(e為閘孔開度,H為閘前水頭),判斷其為閘孔出流,按閘孔出流(平板閘門)流量公式進行計算:

3.4 溢流槽

在設計洪水和校核洪水流量時,均淹沒。經判斷,滿足2.5＜δ/H＜10范圍,則為寬頂堰,按寬項堰流量公式進行計算:

流量公式:

側收縮系數:

層次分析法基本思想是對所研究問題建立層次分析模型，通過對建立的各級層次進行兩兩比較從而構造出比較判斷矩陣，最終將定性問題轉化為定量分析的方法。

流量系數(直坎):

以上計算公式中:Q為泄洪流量(m3/s);H、H0為堰前水頭(m);B、b為閘孔、堰凈寬(m);e為閘孔開啟度(m);g為重力加速度(9.8m/s2);R為弧形閘門半徑(m);hμ為弧形閘門轉運軸距閘床高度(m);n為閘孔數;m為流量系數;μ0為流量系數;σ為淹沒系數;ε為側收縮系數。

各建筑物過流能力計算結果見表1。

經計算,改建后渠首各建筑物總的泄洪流量均能滿足設計和校核要求。

表1 渠首各建筑物泄洪組合表

4 曲條面引水渠首沖沙效果

工程建成后,通過第一級、第二級的水沙分離,最終驗證了新型渠首——曲條面引水渠首“引水排沙、水沙分離”的效果,兩級分沙見圖2。

圖2 兩級水沙分離圖

4.1 第一級水沙分離——曲線形導沙坎

曲條面引水渠首利用彎道凸岸沉沙、凹岸引水的原理,在條形沖沙槽進水口前修建曲線形擋沙坎,使河道的水流沿曲線形擋沙坎呈弧線前進,將河道泥沙帶到河道的原泄洪沖沙閘前,沖入下游河道,實現第一級水沙分離,使凹岸表層較清的水流進入條形沖沙槽。運行效果見圖3。

圖3 第一級水沙分離

4.2 第二級水沙分離——條形沖沙槽和溢流槽

由于條形沖沙槽末端的沖沙閘門關閉,形成壅水,水流流速降低,致使泥沙在重力作用下下沉,形成淤積。表層清水自然溢入相鄰的溢流槽內,然后進入引水廊道引入干渠,實現第二步水沙分離,見圖4。當條形沖沙槽內泥沙淤積到一定厚度時,開啟閘門,水流攜帶泥沙經渡槽至導流渠流入河道下游。

圖4 第二級水沙分離

第二級水沙分離后,清水由引水廊道引入下游阿韋灘干渠,泥沙在沖沙閘前淤積。經觀測,常規流量下,閘前泥沙淤積3 d的量,沖沙時間平均在12 min左右。閘門打開,泥沙沖洗過程見圖6。

閘門打開的時候,泥沙經沖沙閘下泄,沖沙后的水攜沙經沖沙泄槽帶向下游,沖沙過程見圖7。

圖5 水流匯入引水廊道

圖6 開閘沖沙過程圖

圖7 泄槽和引水廊道水流對比圖

圖7為汛期河道泄洪時引水廊道溢出來的水流和泄洪沖沙閘門打開時泄槽后水流的對比照片。從照片中可以看出:經過兩級水沙分離,引水廊道中溢出的水明顯清于從泄槽出來的渾水,所以充分體現兩級水沙分離的良好效果。

5 曲條面引水渠首運行管理

本渠首是在原底欄柵渠首基礎上改建的新型渠首。原底欄柵渠首不能攔阻粒徑小于柵條間隙的泥沙進入引水廊道。而且雜物、大石頭會卡在柵條上,使過柵水流流量降低。雖然欄柵設計的能過小石頭,但卡在上面的石頭,特別是河道泄洪時很多無法預測的大石頭砸在欄柵上,容易造成柵條破裂。而且底欄柵柵條固定在嵌槽內,清淤及檢修不方便。每次人工清理石頭等雜物,上游等都要停水清沙,不但極大不便,而且無法滿足下游灌溉需要。

本曲條面引水渠首采用7條條形沖沙槽與6條溢流槽相間布置,7條條形沖沙槽后布置7孔泄洪沖沙閘。在常規工況下,7條條形沖沙槽中,有2孔泄洪沖沙閘門打開,即2條條形沖沙槽用于平時沖沙,5條條形沖沙槽引水。經計算,如按上述工況運行,沖沙間隔時間為3 d,即閘門關閉3 d閘前淤積的泥沙平均需要12 min即可全沖干凈。工程建成后,經實際觀測,沖沙間隔、時間和計算結果基本一致。

本曲條面引水渠首相對傳統渠首最大的特點是兩級水沙分離、運行管理方便。相對傳統底欄柵無法預測的大石頭砸在欄柵上,容易造成柵條破裂,而新型曲條面引水渠首在第一級分沙時就將河道泥沙等推移質帶到河道的原泄洪沖沙閘前,沖入下游河道,將大石頭等排除在外。第二級分沙除了上述常規工況下引水沖沙,還可根據實際情況進行相應的調節,將泄洪沖沙閘前泥沙全部帶到下游,避免了傳統底欄柵為了清沙上游等都要停水帶來的不必要的麻煩。

6 結 語

曲條面引水渠首是在阿韋灘原底欄柵式引水渠首改造過程中提出的一種新型引水渠首。該實用新型渠首利用彎道凸岸沉沙、凹岸引水的原理,通過兩級水沙分離“引水排沙、水沙分離”,再取上層清水,實現了阿葦灘渠首改造的成功。

該新型渠首在運行期間沖沙效果明顯,通過兩級的水沙分離過程,實現了方便順暢地引水、排沙,水沙分離效果,明顯改善了阿韋灘渠首工程運行中存在的問題,為今后該新型渠首推廣應用奠定基礎。該新型渠首通過運行管理發現一些問題,因此在運行管理中如何進行科學調度需要不斷深入研究。建議隨著運行時發現的問題逐漸改良該渠首,相信通過進一步完善和發展后,該渠首應該是一種很有發展前景的新型引水排沙渠首。

[1]張立德.新疆引水渠首[M].新疆:新疆人民出版社,1994:31-38.

[2]高亞平,何曉寧,等.新疆呼圖壁河灌區續建配套與節水改造工程2005年實施方案[R].新疆:新疆興利水利水電勘查設計所,2007:32-33.