新疆瑪納斯河彎道式引水渠首引水防沙技術(shù)研究

逄煥春

（新疆瑪納斯河流域管理處 新疆石河子 832000）

1 流域概況

新疆瑪納斯河發(fā)源于天山北坡的依連哈比爾尕山，流域內(nèi)地勢(shì)由東南向西北傾斜，干流全長(zhǎng)324km，年徑流總量13.1億m3，流域面積1.98萬(wàn)km2，山區(qū)集水面積5156km2，平均海拔高程3000m，河長(zhǎng) 190km，平原區(qū) 1.465萬(wàn) km2，是準(zhǔn)格爾盆地南緣最大的一條河流。灌區(qū)包括兵團(tuán)農(nóng)八師 15個(gè)團(tuán)場(chǎng)、農(nóng)六師新湖總場(chǎng)、塔城地區(qū)沙灣縣五個(gè)鄉(xiāng)、昌吉州瑪納斯縣9個(gè)鄉(xiāng)、克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)、石河子市及瑪納斯縣城和瑪納斯縣火力發(fā)電廠、紅山嘴水力發(fā)電廠，總?cè)丝?65.4萬(wàn)人，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值200億余元，現(xiàn)已成為國(guó)家、自治區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)絨棉生產(chǎn)基地，是自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地方。

2 瑪納斯河泥沙特征

（1）泥沙的年季變化很大。降水是產(chǎn)沙多少的主導(dǎo)因素，相應(yīng)氣溫作用不大。如果一年中降雨次數(shù)多、強(qiáng)度大，年輸沙量就大，反之則少。以瑪納斯河上游水文站肯斯瓦特站懸移質(zhì)測(cè)驗(yàn)為例，實(shí)測(cè)最大年輸沙量為1747.5萬(wàn)t（1999年），最小年輸沙量為49.7萬(wàn)t（1992年），二者相差35倍之多，分別為均值的5.9倍和0.17倍。

（2）泥沙的年內(nèi)分配集中。6～8月輸沙量占到全年輸沙量的94.1%，7～8月占80%以上。在這三個(gè)月中，特別是7月和8月，氣溫較高，流域覆蓋層干燥松散，加之暴雨強(qiáng)度較大，河道水量大，易于泥沙的產(chǎn)生和輸送。冬季各月因水量小而且主要是冰川融水和地下水補(bǔ)給，水體含沙量基本為零。

（3）含沙量集中，與降雨有關(guān)。全年的輸沙量，主要集中在數(shù)日內(nèi)，如1969年7月30日瑪納斯河渠首日均懸移質(zhì)輸沙率為 11200kg/s，日輸沙量96.8萬(wàn)t，占到全年輸沙量的21.1%。肯斯瓦特站1987年7月14～15日兩天的輸沙量達(dá)到186.2萬(wàn)t，占當(dāng)年輸沙量總量的30.4%。

根據(jù)觀測(cè)資料分析瑪納斯河渠首多年平均懸移質(zhì)輸沙量為270萬(wàn)t，輸沙率為85.6kg/s ，同期含沙量為 2.25kg/m3，侵蝕模數(shù) 524t/km2。表1為多年平均懸移質(zhì)泥沙統(tǒng)計(jì)表。

3 引水防沙技術(shù)

（1）渠首工程布置。渠首工程建于1959年，工程由上游整治段、溢流側(cè)堰、泄洪閘、進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、下游整治段6部分組成。上游整治段全長(zhǎng)800m（不包括2002年向上游延伸段），其中喇叭口段長(zhǎng) 200m，溢流側(cè)堰直線段長(zhǎng)250m，閘前人工彎道長(zhǎng)350m，設(shè)計(jì)縱坡1/231。泄洪閘以上河寬 65m，人工彎道底寬 40m，在左岸設(shè)有三道順壩，束窄彎道使水流形成環(huán)流，有利于引水排沙。溢流側(cè)堰為漿砌卵石折線壩。進(jìn)水閘為4孔，每孔凈寬5.5m，設(shè)計(jì)引水流量105m3/s，加大流量 140 m3/s，閘底板高程611.50m，閘前設(shè)有與閘底同高的曲線懸臂擋沙坎，坎頂設(shè)有1.2m高的鐵制攔石柵。泄洪沖沙閘為7孔，每孔凈寬7m，閘底板高程為610.50m，閘后采用10m長(zhǎng)的短護(hù)坦。下游河道整治段長(zhǎng)1000m，并在1、2孔與3、4、5孔之間，3、4、5孔與 6、7孔之間修筑了導(dǎo)流墻，束水沖沙。泄洪閘建于溢流側(cè)堰的末端，為 3孔，每孔凈寬5m。工程建成至今，通過(guò)不斷的改造，上游整治段河床沖淤已經(jīng)平衡，下游整治段河床內(nèi)淤積很少，達(dá)到了引水排沙的目的。目前運(yùn)行效果較好。

表1 多年平均懸移質(zhì)泥沙統(tǒng)計(jì)表

（2）利用橫向環(huán)流排沙。人工彎道的目的就是在于產(chǎn)生橫向環(huán)流，使水流在彎道內(nèi)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生離心力。由于上層水流速大、動(dòng)能大、離心力就大，因此水的主流靠近凹岸，而最后進(jìn)入進(jìn)水閘。底層水夾帶了泥沙流速小、動(dòng)能小、離心力就小，又由于凹岸處上層水位抬高，產(chǎn)生了位能，又經(jīng)過(guò)螺旋流運(yùn)動(dòng)，迫使底層水向凸岸流動(dòng)，使底層的泥沙由粗到細(xì)向凸岸流動(dòng)，最后從排沙閘排除。

（3）利用泄洪閘泄洪排沙。瑪納斯河渠首初建時(shí)沒(méi)有在上游建泄洪閘，致使上游淤積，河床逐年抬高，過(guò)水?dāng)嗝娌粩鄿p小。1970年，瑪納斯河渠首在人工彎道的上游凸岸防洪堤上修建了3孔泄洪閘，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，不斷的總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)大河來(lái)水超過(guò)420 m3/s時(shí)，打開(kāi)上游泄洪閘泄洪排沙，在一定程度上起到了泄洪和排沙的作用。但是由于泄洪閘設(shè)計(jì)的位置不當(dāng)和泄水角度太小效果仍然不是很顯著。

（4）利用進(jìn)水閘前擋沙坎擋石排沙。為了更好的加強(qiáng)橫向環(huán)流作用，瑪納斯河渠首在進(jìn)水閘前修建了曲線形擋沙坎，阻擋砂石進(jìn)入進(jìn)水閘內(nèi)，并可以提高橫向環(huán)流效果，通過(guò)沖沙閘把泥沙充分排掉。擋沙坎的高度主要根據(jù)水文、引水比、河流挾帶的泥沙等情況來(lái)確定。過(guò)去認(rèn)為，可與沖沙閘閘底相平，或至多高出1～1.5m，現(xiàn)在根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)不應(yīng)該相平，最好高出1～2.5m。擋沙坎一般采用“1”字型或“7”字型，如果來(lái)水泥沙含量比較大而引水比又很大時(shí)，擋沙坎可再挑出至少1m寬的鋼筋混凝土水平擋沙板，最好一直延伸并逐漸加寬到能包住沖沙閘的第一孔。水平擋沙板的迎水邊緣應(yīng)做成流線型，可以達(dá)到更好的排沙效果。

（5）利用導(dǎo)流墻，束水沖沙。瑪納斯河渠首運(yùn)行初期排沙效果較好，上游發(fā)生淤積，下游發(fā)生沖刷。但后來(lái)則上、下游都發(fā)生了淤積，并且上游引水彎道淤積已經(jīng)推移到彎道上游喇叭口處，引水彎道淤積厚度達(dá) 1.5m以上，最高達(dá)到 3m，沖沙閘后淤積 2.5m，下游河床淤積 1m以上。因此沖沙閘的過(guò)水能力和排沙能力大大降低，原設(shè)計(jì)流量 420m3/s,淤積后只能過(guò) 180～200m3/s，嚴(yán)重危及到瑪納斯河渠首工程的安全。1963年渠首延長(zhǎng)原退水河道導(dǎo)流墻 60m，但淤積問(wèn)題仍未能解決。最后采用束水沖沙的辦法，在沖沙閘2孔和3孔之間修建了169m的中心導(dǎo)流墻，大大改善了 1、2孔閘后的淤積情況。為了把沙排的更遠(yuǎn)，又將中心導(dǎo)流墻延長(zhǎng)到529m，同時(shí)封閉沖沙閘6、7孔，并做210m防洪邊堤，這樣改建運(yùn)行效果良好，每次集中沖沙都沒(méi)有超過(guò)4個(gè)小時(shí)。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行和總結(jié)，延長(zhǎng)中心導(dǎo)流墻，對(duì)瑪納斯河渠首的排沙效果和工程壽命起了很大的作用。但導(dǎo)流墻的延長(zhǎng)并不是沒(méi)有止境的，延長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后，作用就會(huì)減弱或消失。

4 結(jié)語(yǔ)

工程建成至今，通過(guò)不斷的改造，達(dá)到了引水排沙的目的。但由于瑪納斯河渠首建于 20世紀(jì)50年代，工程老化，被鑒定為3類水工建筑物，即將被改建。改建后的瑪納斯河渠首的引水排沙技術(shù)有待近一步的研究和探討。