山區河流低閘孔口寬度選擇因素分析

摘 要：在灌溉、發電工程中，攔河閘首部樞紐主要任務就是引水防沙，保證必要的調節、沉砂庫容。合理確定樞紐閘孔總寬度，使樞紐足夠泄流能力，是樞紐功能實現的重要保證。本文就閘孔寬度選擇相關的因素進行探討，為設計人員提供必要的幫助。

關鍵詞：山區河流；低閘；孔口寬度

1 序言

為了興建灌溉、發電等工程，往往需要在天然河道上筑壩建閘，以抬高水位，集中引水或泄洪排沙。

山區河流有如下特征：河流為窄深型河槽，河流剖面陡峭，水面綜合比降比較大；河流匯流時間短，洪水猛漲陡落；河流洪枯流量一般比較懸殊；河流來砂量主要集中在汛期幾次洪峰，砂峰和洪峰基本同時出現。

攔河閘基本上可以不改變或者少改變河床的原來流態和沖淤特性，在洪水期可有效控制河道主槽，保持一個長期穩定的閘前調節庫容和沉砂庫容。由于攔河閘有以上優點，在山區河流低水頭擋水建筑物中運用甚廣。攔河閘首部樞紐主要任務就是引水防沙，保證必要的調節、沉砂庫容。因而，合理確定樞紐閘孔總寬度，保證樞紐足夠泄流能力，在布置中具有重要地位，是樞紐功能實現的重要保證。本文就閘孔寬度選擇相關的因素進行探討，為設計人員提供必要的幫助。

2 孔口寬度選擇的相關因素分析

2.1 一般布置原則

山區河流攔河閘首部樞紐一般由泄洪閘和沖砂閘、取水口及相應的防、沖沙設施組成。泄洪閘一般布置于主河道，沖沙閘采用窄深式沖砂槽形式，取水口緊鄰沖沙閘，并布置相應的攔截沙設施。

河床是排洪輸沙的重要通道，設計時應對泄洪排沙建筑物及其運用作出合理的規劃和安排。首部樞紐在渲泄河道汛期常遇流量時，應不產生卡水現象，以保持河道主槽固有的排洪輸砂能力，因而應采取“寬閘低壩”布置原則。單孔寬度決定是要考慮下游沖刷、沖砂、漂浮物、過閘構件、運行等要求。

2.2 閘孔寬度應滿足泄洪要求

滿足下泄設計標準的洪水是首要任務，其洪水位的高低決定了閘頂高程及上游淹沒范圍。因此閘孔寬度選擇時，需根據上、下游梯級的銜接、上游庫區淹沒的允許條件等進行分析選擇。

對于較多的山區河流水閘而言，由于需滿足日調節庫容或者引水防沙的需要，正常蓄水位常常高于校核洪水位，這種情況下，校核洪水位的高低對布置并不起決定性作用。

2.3 下泄單寬流量限制

2.4 泥沙調度影響

一般閘壩具有日調節庫容，保持調節庫容是首部樞紐的重要任務，同時也是以庫代池沉砂作用的保證，閘門孔口寬度對于泥沙運行調度有重要影響。

為了保持水庫調節庫容，一般閘壩采用的運行方式有如下幾種：

（1）設置排沙水位降水排沙，在汛期或汛期某個時段，將水庫運行水位控制于低于正常蓄水位的汛限水位運行，該水位是水庫排沙期間允許蓄水的最高水位。

（2）設置調沙庫容不連續排沙，當河道泥沙非常集中，排砂時間可以縮短。根據河流水沙關系選擇分級流量。水庫入庫流量小于分級流量，水庫在高水位運行，泥沙沉積于庫中，當大于分級流量，水庫水位降低于排沙水位運行，沖刷前期淤積的泥沙，騰空庫容。

（3）敞泄沖沙，選擇洪水入庫之際停止發電，敞開全部泄水建筑物，壩前水位降低到最低高程沖砂。敞泄沖砂的泥沙沖刷量同沖砂時間、沖沙流量、水庫水位下降幅度有關。

從以上可以看出，泥沙調度主要依靠降低水庫運行水位達到目的，因此要求樞紐的泄流能力應同排沙水位要求的泄流能力相應。

當水庫確定汛期控制運行水位后，若閘孔泄流能力不足，在洪水下泄過程中，必然導致庫水位過快、過早上升，庫內流速降低，控制水位則沒發揮應有作用；同時為保證取水口門前清，也需增加沖沙次數，降低經濟效益。因此保證同控制水位相適應的過流能力非常重要。根據前人的研究成果，一般認為在控制水位下，應能夠宣泄5～15年一遇的入庫洪峰流量，才可使控制水位成立。

水庫敞泄沖沙一般是在淤沙洲頭逼近取水口或者需要避峰排沙情況下進行，往往這時以中小洪水為主。敞泄沖沙最重要的一個因素就是水位下降程度，實際上也就是足夠的閘孔泄流能力。根據經驗，此時泄流規模應達到30～50倍汛期平均流量才可保證敞泄沖沙的效果，當然，此時也應保證水流在堰流狀態。

2.5 沖沙閘寬度設計分析

從保持水閘進水口門前清而言，較為密切的是沖沙閘的設計。實際運行中，沖沙閘僅是在泄洪閘關閉的中水時（有富裕流量）起排沙作用，或是在泥沙逼近取水口排沙，起到門前清的作用。

沖沙閘設計時，山區河流沖沙槽內流速應大于最大粒徑的推移質啟動流速。為運行方便和節省水量，沖沙槽的寬度以小為宜。對于河床比降大和推移質粒徑大的山區河流，當閘前雍水較深時，沖沙槽內流速可到4-5m/s，已足以啟動泥沙，這種情況下應用窄深式沖沙槽，沖沙閘的最小寬度可為最大粒徑的2.5-3倍，根據設計經驗一般不應小于2.5m。

但也有一些工程，當上游泥沙不嚴重，沖沙閘單獨開啟時間很少，或者水量比較富裕，為簡化工程運行和施工，沖沙閘和泄洪閘孔口寬度設為一樣寬，可根據工程實際確定。

2.6 工程造價、運行因素

山區低閘往往規模較小，閘門孔口尺寸及啟閉能力不是決定孔口的制約因素。總閘孔寬度決定后，應根據工程運行的需要及實際壩址的情況進行多種孔口方案的布置，最后根據造價及運行等因素綜合考慮，選擇最優的方案。

3 結束語

通過以上分析，低閘孔口的確定主要需考慮下泄洪水流量、下游沖刷、水庫泥沙調度等主要因素。實際工作中，設計人員一般先根據洪水成果及附近流域類似工程經驗，初步確定閘孔尺寸及布置，進行泄流能力及下游沖刷分析計算，泥沙專業進行相應計算后，如果滿足泥沙調度等各方面的要求，則該方案基本可行。如果要追求更為經濟的布置，則需提供多種可能的方案布置，并進行造價、運行等多方面的綜合比較確定。

考慮到泥沙計算及其他邊界條件的不確定性，為了保證樞紐長期正常運行，在對整體工程造價影響不大的情況下，應盡量擴大閘孔的泄流能力。

本文所述，均是針對山區河流低閘而言，在平原地區或者大規模的閘壩工程，需要考慮的因素則更多也更加復雜，但這幾點依然是需要考慮的主要因素。

參考文獻

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