都江堰水利樞紐關(guān)鍵技術(shù)的分析與應(yīng)用

劉佳明 王新奎

摘要：都江堰是戰(zhàn)國時期李冰父子組織修建的渠首引水灌溉工程，兩千多年來一貫發(fā)揮著防洪灌溉的作用。都江堰樞紐工程主要由魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三部分構(gòu)成，其分水分沙效果確保了成都平原常年具備適宜的水源。其中的工程設(shè)施和治水理念在現(xiàn)代的水利工程中都有所體現(xiàn)。本文通過分析都江堰關(guān)鍵技術(shù)，認識其治水技術(shù)對現(xiàn)今水利工程的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：都江堰；飛沙堰；魚嘴工程；水利工程；渠首工程

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

都江堰坐落在成都平原西部的岷江上，是戰(zhàn)國時代蜀郡太守李冰父子主持修筑的大型渠首引水工程。經(jīng)兩千多年來的自然變遷和人工修整，一貫發(fā)揮著防洪灌溉的作用。內(nèi)外江分水魚嘴是人工對自然沙洲的分水堤前部進行改造，將岷江水分為內(nèi)外二江。寶瓶口同飛沙堰共同作用，具有控制水流大小、將固體顆粒排至外江的功用，是確保內(nèi)江供水安全的關(guān)鍵。內(nèi)江水經(jīng)過寶瓶口流進灌區(qū)內(nèi)的田地；洪水時期，內(nèi)江水位抬升至飛沙堰以上，則洪水主動流至外江，另加上寶瓶口對水流的約束作用，起到了防治洪水的作用。其中的治水理念和方法在現(xiàn)在的水利工程和水運工程中都有很多應(yīng)用。

一、魚嘴工程

文獻記載的“分四六”，現(xiàn)今都江堰春灌期內(nèi)江分流靠近75%， 而汛期只有37.5%。經(jīng)過兩千多年的自然演變和人為修筑，魚嘴分流的效果比歷史記載更好，對內(nèi)、外江的分水分沙起到了關(guān)鍵性的作用。魚嘴工程具有分流分沙、穩(wěn)定洲頭和調(diào)整不利流態(tài)等功能，已經(jīng)成為水利工程建設(shè)中采用的主要整治建筑物形式之一。現(xiàn)代水利和航運部門也多次采用魚嘴工程進行河道的整治。魚嘴工程可以按按修建位置和建筑物的形式劃分為洲頭魚嘴工程、魚骨壩和洲尾魚嘴工程三種。

1、洲頭魚嘴工程

洲頭魚嘴工程修建于洲頭，軸線與水流方向平行或呈微小夾角，一般由洲頭指向非引水支汊方向， 與整治線基本平行，調(diào)整兩汊的分水、分沙情況和固定灘頭，并且能有效改善流態(tài)。在枯水期可接引水流進入通航支汊， 穩(wěn)定流勢， 確保所需支汊水量充足。已建的洲頭魚嘴工程較多， 如陸西口水道洲頭分流壩、川江東溪口淺灘洲頭壩等。長江口深水航道治理工程中也建設(shè)了分流口，有效固定江亞南沙，確保了航道穩(wěn)定。

2、魚骨壩

魚骨壩是外形與魚骨相似的一種涉水建筑物，一般依江心洲頭修建，由順水流方向的順壩和與正交或斜交的刺壩組成。順壩與洲頭魚嘴工程功能相似，主要用于分流、分沙和調(diào)整水體流向；刺壩類似于丁壩，可用于調(diào)節(jié)環(huán)流的運動，削弱水流對壩體的沖刷，加強壩體的穩(wěn)定性，從而起到改善枯水期航道、穩(wěn)定河相和灘槽格局的作用?，F(xiàn)有的相關(guān)研究還不夠充分，缺乏具體的設(shè)計理論。目前建成的有：長江中游戴家洲河段航道整治一期工程和窯監(jiān)河段航道整治一期工程等。

3、洲尾魚嘴工程

洲尾魚嘴工程的作用主要是減小匯流角，使兩股汊流平順交匯，增大水流交匯區(qū)流速以 沖深航道；還起到了縮窄河流寬度、增加其流速，加大水體的沖刷能力；利用兩汊交流而消耗水能等作用。洲尾順壩工程往往沿洲尾淺脊的方向施工以減少工程量，同時沖刷淺區(qū)。川江航道整治工程中的王家灘、小南海灘等工程中運用了洲尾魚嘴并取得了很好的效果。

二、飛沙堰與寶瓶口

1、寶瓶口

寶瓶口具有調(diào)節(jié)水流大小的作用，是控制成都平原灌區(qū)流量的關(guān)鍵。內(nèi)江水經(jīng)寶瓶口流入，而在洪水時期，內(nèi)江的水位抬升高過飛沙堰，冗余的水就流至外江。寶瓶口對水流的限制，有效地達到了防治洪水的效果。內(nèi)江水在流入寶瓶口后，沿地勢走向不斷分出支渠，自流灌溉一千余萬畝的成都平原。

2、飛沙堰

飛沙堰起到溢洪排沙的作用，飛沙堰將超過成都平原灌區(qū)適應(yīng)能力的江水排放到外江；又能將水中包含的大量固體顆粒排放到外江，避免堵塞寶瓶口。水流在經(jīng)過彎道時會形成豎直方向的環(huán)流。內(nèi)部的環(huán)流運動與水流方向運動的疊加，使水流呈螺旋狀運動形態(tài)。利用水沙運動特性，把引水口設(shè)在凹岸，這樣在引水的同時可以盡量減少引沙，從而可以減少引水渠的泥沙淤積。相關(guān)理論已經(jīng)吸收進現(xiàn)代流體力學(xué)中，針對旋流沉砂池的應(yīng)用也有很多研究。

三、渠首工程

都江堰作為現(xiàn)存的歷史最為久遠的無壩渠首工程，歷經(jīng)兩千多年還發(fā)揮著灌溉的效用，成就了四川天府之國的美名。渠首引水工程是指為了從水源處引水，以滿足工農(nóng)業(yè)用水需求，而修建的建筑物的綜合體。渠首工程應(yīng)能保證滿足工農(nóng)業(yè)對水量和水位的綜合要求，從水源處向干渠供水。為使供水水量和供水水質(zhì)滿足各部門用水要求，可采用不同的工程設(shè)施對水流進行調(diào)節(jié)及引水。灌溉渠首工程一般分為：蓄水渠首工程；用引水渠首工程和提水渠首工程三大類。

1、蓄水渠首工程

蓄水渠首工程適用于河道長期徑流總量滿足灌溉要求，但其不能適應(yīng)各時期所需用水量的情況。此時，需攔河筑壩抬高水位，形成水庫以達到調(diào)蓄水量的目的；利用閘門或通過壩下管道、壩內(nèi)管道等方式向灌區(qū)引水。此類渠首工程常與水力發(fā)電、防洪等其他水利事業(yè)相結(jié)合，以達到對水資源綜合利用的目的。

2、引水渠首工程

當河道流量能夠滿足用水要求時，為引取水流，需在引水口附近修建引水樞紐。引水渠首工程一般可分為無壩引水及有壩引水兩類。無壩引水工程的主要建筑物是進水閘門，必要時布置導(dǎo)流壩，在河流的的天然水位或水位略微壅高的情況下引取河水。樞紐通常還應(yīng)設(shè)置上下游整治建筑物及防沙設(shè)施等。有壩引水樞紐由于受到壩體高度和上游庫容量大小的限制，一般只能小幅度壅高水位，幾乎無法起到調(diào)節(jié)流量的作用，通常適用于水源日常流量充沛，能夠滿足用水需求，但日常水位低于引水所需水位的情況。

3、提水渠首工程

提水灌溉是利用提水機具澆灌作物的灌溉方式。當水源水量充足，但水位較低不足以引水或者當?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件不適于修筑其他形式的水利工程設(shè)施時，可以修建泵站，用水泵將水抽到干渠再對需水部門進行供給。提水灌溉工程除需修建泵站外，一般不需修建其他水工建筑物，而且受外界環(huán)境條件的影響較小；可以有效縮短干渠長度、工期短、受益快。但提水設(shè)施在運行期間消耗較多的能源，所需的管理費用和運營費用比自流灌溉更高。

結(jié)論

都江堰作為我國古代最為輝煌的水利工程，歷經(jīng)兩千余年還發(fā)揮著防洪灌溉的作用。都江堰中的思維和技術(shù)中有很多已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)在的水利工程或者航道治理中。為了在相關(guān)工程設(shè)計中做到經(jīng)濟、可靠、環(huán)保， 許多問題有待進一步研究。我們應(yīng)當充分關(guān)注都江堰的水力原理和建設(shè)理念，為以后的工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

參考文獻

[1] 曹民雄，周彬瑞，蔡國正，等.魚嘴工程的研究及其在航道整治中的應(yīng)用[J]水運工程.2006（06）：50-56.

[2] 孫硯方，彭述明，王興奎，等.都江堰樞紐分流規(guī)律研究[J].水力發(fā)電學(xué)報.2006，25（3）：11-15.

[3] 殷紅，伍文俊，蔡大富，等. 典型分汊河段航道整治魚骨壩工程設(shè)計方法[J].水運工程.2012（10）：41-56.