“⊥”型引水廊道新結構在底欄柵式渠首上的應用

摘要：底欄柵式渠首是新疆粗顆粒山溪性河流引水防沙樞紐的首選類型，但實踐運用表明，當引水量超過30 m3/s時，渠首沖沙有利、工程布置緊湊的優勢逐漸喪失，后期運行管理效益大打折扣。為此在保留原有布置優勢的情況下，以擴大底欄柵引水流量為目標，提出了“⊥”型廊道新結構及優化布置方案，新結構在原垂直水流方向“—”型廊道結構基礎上增設了順水流方向“|”型廊道（根據流量的大小可布置雙排甚至多排“|”型廊道），并結合底欄柵水流動力方程及取水流量計算方法得到了“⊥”型廊道取水流量的計算方法。隨后以新疆頭屯河渠首為例，在保持原平面布置不變的情況下引入“⊥”型廊道新結構，其引水量可達48.96 m3/s，提升了39.89%，工程造價降低了63.46%。“⊥”型廊道新結構及布置方案突破了傳統底欄柵式渠首設計引水流量相對較小的限制，拓寬了底欄柵式渠首的適用范圍，還提高了經濟效益，可為此類工程提供新的工程方案。

關 鍵 詞：底欄柵式渠首； “⊥”型引水廊道； 引水防沙； 水力計算； 結構優化； 頭屯河渠首

中圖法分類號： TV61

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.02.019

0 引 言

引水防沙是新疆引水樞紐的主要特征^［1］。新疆山溪性河流具有坡陡流急、流程短小、泥沙含量高，且河流洪枯比大、泥沙集中、引水比高的特點^［2-5］，因此在新疆多泥沙河流上，渠首的引水防沙成為主要難題。經過不斷的創新發展，底欄柵式渠首成為引水防沙的有效渠首形式之一。底欄柵式渠首最早起源于歐洲奧地利境內的阿爾卑斯山山麓地區，之后前蘇聯在高加索小型山溪性河流上推廣。1957年中國在新疆建設第一座底欄柵式渠首——新疆鄯善二堂溝渠首，之后經過不斷的創新與實踐，第三代底欄柵式渠首在新疆中小型急流推移質河道上大量應用，并進一步在陜西、四川、甘肅、福建等省相繼推廣^［6-7］。大量的工程實踐表明，底欄柵式渠首引水防沙效果顯著，但引水流量小（一般小于40 m3/s^［8］）是制約其推廣應用的瓶頸。基于此，國內大量學者針對底欄柵式渠首結構及布局展開了研究，如王夢云^［9］、熊夏瀾^［10］等通過對底欄柵渠首的布置及實際應用效果分析，得知底欄柵式渠首引水量偏小是由欄柵縫隙堵塞引起的；閆俊平等^［11］通過介紹底欄柵式引水渠首的設計方案，指出其工程應用中當引水量過大時需要采用節制閘來控制引水流量；郭士付^［12］、劉旭東^［13］等對底欄柵式渠首的結構及布置方式進行概括總結，得出了底欄柵式渠首適用范圍以及可以通過改變柵條來增大引水流量；梁曉華^［14］、張劍鋒^［15］等對新疆頭屯河雙排引水渠首進行研究，進一步驗證底欄柵式渠首引水流量很難突破40 m3/s。針對底欄柵式渠首引水量偏小這一限制，Carrillo根據理論分析指出，引水量的大小受到柵條長度、柵條縫隙、柵條形狀、柵條坡度、來流條件等多方面的影響，并利用數值模擬（CFD）得出了柵條流量系數，在相同的縫隙條件下，圓形鋼筋柵條流量系數大于“T”形柵條^［16-17］。Zamanieh利用FLOW-3D軟件對前人提出的圓形柵條流量系數進行驗證，并與實測流量系數進行對比，驗證了其正確性^［18］。Bina利用FLOW-3D對不同幾何參數和水力條件下不同類型的柵條進行了清水模擬，得出菱形柵條導流能力更高^［19］。Castillo等認為引水流量跟柵條坡度有關，并利用模型試驗得出了最優的柵條坡度接近30%^［20-21］。徐國賓^［22］、譚冬初^［23］等利用動量定理建立輸水廊道的增量微分方程并進一步計算出理論解，同時提出增設3排引水廊道來增大引水流量的設想；潘君燕^［24］將底欄柵與人工彎道渠首復合使用，解決了泥沙淤積問題并進一步提高了渠首的引水量。

雖然以上學者針對底欄柵式渠首做了大量研究，并結合理論提出了增大引水量的方法，但大多將關注點聚集在柵條結構及柵隙尺寸，對于廊道結構及其布置雖然提出了一些設想，但沒有形成成套且完備的方案。鑒于此，本文對傳統底欄柵式渠首的引水廊道進行結構優化，提出了“⊥”型引水廊道新結構，并結合前人經驗計算此廊道結構的取水流量，進一步提高大引水流量下底欄柵式渠首布置的緊湊性，并通過實例驗證此優化方案的可行性^［25-26］。

1 傳統底欄柵式渠首運行方式及存在的問題

1.1 底欄柵式渠首運行方式

典型底欄柵式渠首主要由擋沙導沙坎、泄洪沖沙閘、欄柵堰、引水廊道、溢流側堰，以及上下游導流建筑物等部分構成（圖1）。布置形式為正面引水、正面排沙，引水廊道和泄洪沖沙閘沿同一軸線布置，與水流方向垂直，欄柵堰既是引水建筑物，又是泄洪通道；溢流側堰、欄柵堰前的擋沙坎以及上游導流堤按照喇叭口布置，收縮至泄洪沖沙閘。底欄柵式渠首運行中存在引水、沖沙、泄洪3種工況。

（1） 引水工況。當河道來水量不超過Q設引（設計引水流量）時，關閉泄洪沖沙閘，渠首上游壅水直至設計引水水位，河道表層清水抬高流經溢流堰，并跌入引水廊道后輸送至下游的引水干渠。當河道來水量超過Q設引，但未達到欄柵堰參與泄洪的標準時，維持設計引水水位，調節泄洪沖沙閘，將大于Q設引的水量經泄洪沖沙閘下泄，此時泄洪沖沙閘為高水位閘孔出流，對閘前泥沙有一定的沖刷作用，但影響距離有限。當河道來水達到欄柵堰參與泄洪的標準時，渠首水位按泄洪水位控制，此水位一般高于欄柵堰頂的設計引水水位，由引水廊道末端節制閘控制流量不超過Q設引（或加大引水流量Q加引）。

（2） 沖沙工況。鑒于新疆地區渠首引水量較大、沖沙水量有限的現狀，大都采用間歇性沖沙。由于高水位閘孔出流沖沙效果有限，往往放棄引水需求，降低水位，泄洪沖沙閘的寬度一般設置較窄，利用上游喇叭口的布置束水沖沙，提高沖沙效率，并盡可能將沖沙的影響延伸到上游更遠處，實現所謂的“門前清”^［27］。

（3） 泄洪工況。小流量洪水時，可按引水工況或沖沙工況對應操作模式運行。當河道來水達到欄柵堰參與泄洪的標準時，泄洪沖沙閘高水位敞泄，兼將洪水泥沙及上游淤積泥沙沖泄至下游。由于泄洪沖沙閘泄洪寬度有限，但欄柵堰提供了較寬的泄洪通道，因此如洪水洪量較大，還可以通過設置溢流側堰來增加泄流量。

1.2 大引水流量下底欄柵式渠首布置面臨的問題

1.2.1 高效沖沙布局優勢減弱

小引水流量下，由于欄柵堰寬度較小，欄柵堰前部擋沙坎與左側導流堤形成一個收縮角較小的逐漸收縮的喇叭口（圖2（a））。在沖沙工況下，不但能形成較為理想的束水沖沙，并且可在泄洪沖沙閘前形成溯源沖刷^［28］，利用洪水將閘前更遠處的泥沙也沖泄到閘后下游，沖沙效率較高。大引水流量下，欄柵堰寬度加大，擋沙坎向上游擴散角度過大，上游洪水攜帶泥沙直沖擋沙坎后再偏轉角度流過泄洪沖沙閘（圖2（b）），原正面沖沙路徑延長并且有轉向，沖沙效率大為降低。此外，如果繼續追求束水攻沙，使其在大流量條件下仍能與左側導流堤形成較為理想的對稱收縮態勢，那么擋沙坎將增加較多工程量。

1.2.2 工程量增大

對于底欄柵式渠首，引水廊道出口處底部高程對工程量影響較大。當欄柵堰寬度增大后，引水廊道長度增加，會在設計縱坡（保證落入引水廊道的泥沙不產生淤積^［29］）下使引水廊道出口處底部高程進一步降低（圖3），一方面增加了引水廊道的開挖量；另一方面引水廊道下游銜接的引水干渠需要很長的距離才能爬升至地面高程，增加了銜接段及引水干渠的工程量。

針對引水流量大、欄柵堰寬度過大的情況，水利工作者提出了雙排廊道的布置方案，并應用到實際工程中，取得了較好的效果。雖然雙排廊道布置方案較單排廊道增加了引水流量，但若要保持結構緊湊、沖沙有利的總體平面布置，引水流量依然限制在35 m3/s，且一直未有突破，底欄柵式渠首推廣應用范圍受到了一定局限。

后期有學者借鑒雙排廊道的布置思想，提出了3排或更多排廊道布置方案，但在應用中遇到兩方面的困難：① 水力計算時可變因素較約束方程數量多，引水量計算方法一直未能解決；② 各排廊道進水量差異顯著（圖4），造成各排進水閘閘門控制困難，3排廊道水流匯入干渠銜接段時，發生折沖水流，水流紊亂。

2 “⊥”型廊道

2.1 “⊥”型廊道結構及優化布置方案

為突破小引水流量的限制，拓展底欄柵式渠首的應用范圍，提出了“⊥”型引水廊道新結構，如圖5所示。原來與水流垂直的“—”字型引水廊道（以下簡稱“—”型引水廊道）長度保持不變，這樣總體平面布置結構緊湊、沖沙效率高的優勢依然保留。通過增設順水流方向的“|”字型引水廊道（以下簡稱“|”型引水廊道）來增大引水流量。如圖5（b）所示，引水工況時，水流跌入“|”型引水廊道，并匯至“—”型引水廊道。“—”型引水廊道一方面承擔了引水功能，另一方面承擔了將匯入水量輸送到進水閘，繼而進入引水干渠的功能。

由于欄柵堰有一定寬度，因此可設置1～3排“|”型引水廊道（圖6），較原傳統布設方式可大幅提高引水流量，同時保持垂直水流方向的引水廊道僅設置一道，與雙排廊道相比，進水閘的控制相對簡單，出閘水流均勻度顯著改善。

如果將引水流量功能主要分配給“|”型引水廊道，這樣“—”型引水廊道的長度也可以進一步減少，使得擋沙坎與引水廊道的交角更大，在平面上泄洪沖沙閘上游的喇叭口收縮角度更小，向上游溯源沖沙的能力進一步加強，束水攻沙的效果更為顯著。另一方面，由于“—”型引水廊道的長度減少，泄洪工況時從欄柵堰通過的洪水（清水）量占比減少，調整出更多的洪水水量參與沖沙。可見，采用“⊥”型廊道，讓渠首各建筑物的布置有了更為寬裕的調整空間，同時沖沙效率可進一步提升。

2.2 “⊥”型廊道引水量的計算方法

（1） 廊道進口處水深計算（設計引水位）。“⊥”型引水廊道水力計算（圖7）本質上和傳統底欄柵引水廊道相同，故本文采用文獻［23］中方法對“⊥”型廊道的設計引水位進行計算。其中，E為斷面比能，Q1為河道來水流量，Q為通過斷面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ的流量，V為進入水流廊道的速度，β為柵條與入流速度夾角，θ為柵頂與水平面的夾角，λ為相應斷面對應的臨界水深，L為順流向廊道長度，b為垂直向廊道長度。

（2） 臨界水深h1計算。臨界水深h1可借鑒單排底欄柵引水廊道水力計算經驗，先由以下公式計算單寬流量：

q=2.66（μpb）^3/2 （模型公式）

（1）

q=2.85（μpb）^3/2 （原型觀測公式）

（2）

式中：μ為流量系數；p為底欄柵間隙系數。

求出單寬流量后，再利用下式計算其水深：

h1=0.8×0.47×q^2/32

（3）

求出臨界水深后，利用傳統底欄柵的水流動力方程進一步求出x-h的對應關系值，并繪制出柵頂水面線，進而得出設計引水位。

（3） 取水流量計算。

綜合比選方捷耶夫計算方法、莫斯特柯夫計算方法^［30-31］，及水工設計手冊所提出的計算方法后認為，由于上述廊道水面線計算假設斷面比能E不變，比較接近莫斯特柯夫的假定，且符合水工設計手冊中計算取水流量的基本假設，故本文推薦使用莫斯特柯夫計算方法算出單寬流量，進而確定其取水流量。該方法假設水流總能量沿水平欄柵長度不變，水流內部壓力因水面曲率大，不按靜水壓力分布。

V=φ2gH0

（4）

q=μpl2gH0

（5）

式中：φ為流速流量系數，H0為水流斷面的斷面比能，流量系數μ的選取可結合實際工程的地形及柵條形狀，使用文獻［4］中所推薦的流量系數表（表1）。

3 工程實例

為具體分析采用“⊥”型引水廊道后底欄柵式渠首引水流量增幅程度和工程量的減少幅度，選擇第三代底欄柵式渠首的經典工程——頭屯河渠首為案例進行對比分析。以頭屯河渠首現有的引水流量和結構布局作為參考基準，對底欄柵式渠首引水廊道的布局及結構進行優化，確定兩種優化方案：① 優化方案1：保持樞紐總體平面布置不變，僅在擋沙坎位置布設“⊥”型引水廊道，并保持原設計引水水頭不變，討論引水流量的增大情況；② 優化方案2：采用“⊥”型引水廊道后，保持原引水流量不變，討論欄柵堰工程量的減少情況。另為了直觀展示這些改進措施在減少工程量和控制投資上的成效，本文采用了投入與效益比的指標R/Q^［32］來進行評估分析（R為造價，萬元；Q為引水流量，m3/s），R/Q值越低，工程效益越高。

3.1 頭屯河渠首概況

頭屯河底欄柵式渠首建成于1964年，渠首樞紐由欄柵堰、引水廊道、泄洪沖沙閘、擋沙坎、溢流側堰、進水閘、引水干渠等建筑物組成（圖1）。引水廊道長20 m，采用雙排引水廊道，每排寬2 m，設計引水流量為30 m3/s，加大設計流量35 m3/s^［16］。渠首泄洪沖沙閘閘底高程為832.50 m，凈寬6.0 m，弧形鋼閘門。欄柵廊道右側設有長度為61 m的溢流側堰，側堰下游接底寬為10 m的側槽式溢洪道。

3.2 同堰上水頭引水流量的對比

優化方案1中垂直水流方向廊道長度保持不變（20 m），即渠首的樞紐整體布置保持不變，原欄柵堰堰頂水頭（即原設計引水位）保持不變，僅將“=”雙排廊道布置改為“⊥”型引水廊道布置，“|”型引水廊道長度為20 m。優化方案1結構形式和工程量與原方案對比見表2。渠首的最大引水流量增大了39.89%，廊道開挖量略有增加，廊道混凝土澆筑量大幅降低（52.36％），R/Q值由0.52降低到0.19，經濟效益顯著改善。

優化方案1在保持渠首整體布置、閘前運行水位以及泄洪方案不變的前提下，原有的緊湊布置、有利的沖沙態勢沒有改變，但大幅增加了引水流量，若在欄柵堰上布置多排“|”型引水廊道，引水流量可成倍增加。可見“⊥”型引水廊道新結構可突破傳統底欄柵式渠首引水流量小的瓶頸，拓寬其推廣應用范圍。

3.3 同引水流量廊道工程量的對比

優化方案2與原方案保持了相同的最大引水能力（35 m3/s），將頭屯河雙排引水廊道優化成“⊥”型引水廊道（圖5（a））。優化方案2保留了原方案中2 m的底部廊道結構尺寸，即“—”型廊道內部水流狀態基本一致。在保持相同引水流量的前提下，優化方案2與原方案在結構和工程量上的對比情況如表3所列。由表3可知，兩種方案的最大引水流量均為35 m3/s時，通過引入“⊥”型引水廊道新結構，其結構尺寸和布局發生顯著變化，廊道長度由原來的2×20 m（40 m）縮短至27 m，長度減少32.50%。優化后的引水廊道進水閘為1孔，控制水流較為方便，同時下泄水流均勻度較兩孔情況有極大改善。工程量方面，廊道開挖量減少33.33%，R/Q值由0.52降低到0.16，降低了64.29%，工程效益顯著提高。由于垂直水流方向的引水廊道長度由原來的20 m縮減到10 m，這一優化方案顯著提升了渠首樞紐的緊湊布局，并為泄洪沖沙和調整工程造價創造了有利條件。

4 結 論

本文通過對傳統底欄柵式渠首的結構及布置進行優化，得出以下結論：

（1） 通過對頭屯河渠首的實例對比分析，發現在傳統的底欄柵式渠首中引入“⊥”型引水廊道新結構，可以突破原渠首引水流量較小的瓶頸；同時在大引水流量下引入“⊥”型廊道新結構，既保持了底欄柵式渠首布置緊湊、沖沙有利的特點，又進一步降低了渠首的工程量。

（2） 引入“⊥”型引水廊道新結構可大幅提高經濟效益，同時由于“⊥”型引水廊道僅布置在欄柵堰前部的擋沙坎處，故在協調泄洪、排沙及引水各工況時，渠首在平面布置方案上就有了更為廣闊的調整空間。因此引入“⊥”型引水廊道新結構不僅拓寬了傳統底欄柵式渠首的應用范圍，提高了競爭優勢，同時還為同類型渠首提供了新的工程方案。

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（編輯：胡旭東）

Application of new structure of ⊥ type water diversion gallery in bottom-grating canal head

ZHANG Liwen^1，2，LI Xiaoqing^1，2，WANG Haojie^1，2

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University；Urumqi 830052，China； 2.Key Laboratory of Water Conservancy Safety and Prevention and Control of Water Disasters in Xinjiang，Xinjiang Agricultural University；Urumqi 830052，China）

Abstract： The bottom-grating canal head is the most suitable type for water diversion and sand prevention engineering in rivers of Xinjiang autonomous region，where coarse grain sandy and mountainous streams are widely distributed.However，practical application has demonstrated that when the water diversion volume exceeds 30 m³/s，the advantages of sediment flushing and compact engineering layout in this type canal head begins to diminish.Consequently，the operational management efficiency in later stages is significantly discounted.Therefore，under the condition of retaining the advantages of the original layout，a new structure and optimal layout scheme of ⊥ type gallery structure is proposed to expand the diversion flow of the bottom-grating.On the basis of the original ― type gallery structure perpendicular to the flow direction，a | type gallery along the flow direction was added （according to the size of the flow，two or more rows of | type galleries can be arranged）.Combined with the flow dynamic equation of the bottom-grating and the traditional water intake flow calculation method，the calculation method of water intake flow for ⊥ type gallery was obtained.Taking the canal head project of the Toutun River in Xinjiang autonomous region as an example，without altering the original layout，the introduction of a ⊥ gallery structure increases the water diversion capacity to 48.96 m³/s，with a 39.89% increase，while the project cost reduced 63.46%.The proposed ⊥ type gallery new structure and layout scheme break through the limitation of relatively small diversion flow in the traditional design of the bottom-grating canal head，broaden the application scope，improve the economic benefit，and provide a new engineering scheme for such projects.

Key words： bottom-grating canal head； ⊥ type water diversion gallery； water diversion and sand prevention； hydraulic calculation； structural optimization； canal head project of the Toutun River