懸板分層式引水樞紐進(jìn)水閘水力計(jì)算

趙曉軍 關(guān)明

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830002）

新疆屬干旱地區(qū)，疆內(nèi)河流大部分為山溪性河流，河道泥沙多，且以推移質(zhì)為主，其粒徑粗、量大，給引水樞紐造成淤積等危害。而前蘇聯(lián)提出的“懸板分層式”引水樞紐，采用“正面分層引水、正面排沙”的布置形式【1】，比較符合泥沙輸運(yùn)規(guī)律，較好地解決了引水和防沙的矛盾。目前在新疆的桑株河引水樞紐、玉龍喀什河引水樞紐、喀拉喀什河引水樞紐等多個(gè)引水樞紐上得以應(yīng)用【2】。但是，由于懸板的水力計(jì)算值與實(shí)際值相差很大，懸板的引水流量及布置形式等經(jīng)常需要模型試驗(yàn)來(lái)確定，從而影響了該工程的進(jìn)一步推廣應(yīng)用?，F(xiàn)以克里雅河昆侖引水樞紐懸板分層式引水計(jì)算為例，為此類(lèi)引水樞紐的水力計(jì)算提供參考借鑒。

圖1 昆侖引水樞紐平面布置圖

圖2 進(jìn)水閘縱剖面圖

圖3 沖沙閘縱剖面圖

1 樞紐概況

和田地區(qū)克里雅河昆侖引水樞紐是克里雅河的第一級(jí)樞紐。始建于1962年，經(jīng)過(guò)二十多年的運(yùn)行，由于泥沙的淤積，基本無(wú)法利用。因此自1987年和田地區(qū)水利局、于田縣水電局開(kāi)始做重建昆侖引水樞紐的前期工作，于1994年建成使用?？刂浦谔锟h的80.9%的灌溉面積。

昆侖樞紐原設(shè)計(jì)控制灌溉面積32 180 hm2，工程規(guī)模為Ⅲ等中型，引水流量60 m3/s；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)洪水流量819 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，校核洪水流量1 090 m3/s。現(xiàn)狀引水樞紐由沖沙閘、泄洪閘、進(jìn)水閘、上游導(dǎo)流堤及下游導(dǎo)流堤等5部分組成。

其中進(jìn)水閘共1孔，閘室結(jié)構(gòu)為胸墻式，閘底板與閘墩為分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室凈寬8.0 m，孔口高度為3.0 m。沖沙閘和進(jìn)水閘前設(shè)有平面呈梯形的引水懸板，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.3 m。

引水樞紐、進(jìn)水閘、沖沙閘的平面布置及剖面圖見(jiàn)圖1、2、3。

2 昆侖引水樞紐進(jìn)水閘正常引水位計(jì)算

由于進(jìn)水閘前懸板懸空，與皮卡洛夫堰型（皮氏堰）不盡相同，根據(jù)水流情況，認(rèn)為懸板式過(guò)水與側(cè)槽式溢洪道類(lèi)似，其具體計(jì)算方法如下：

圖4 懸板大樣圖（單位：cm）

圖5 皮氏堰大樣圖

（1）進(jìn)水閘最大引水流量Q=60 m3/s。懸板平面尺寸及剖面圖見(jiàn)圖 4、5。

（2）計(jì)算【3】

式中Q——設(shè)計(jì)引水流量，m3/s；

b——過(guò)流斷面寬度，m；

q——單寬流量，m2/s；

式中m——流量系數(shù)，取0.385；

H0——堰頂水頭，m；

式中φ——流速系數(shù)，φ=0.95～1.0，此處取0.98；

C——由圖得知取0.35 m；

hc——收縮斷面水深，m；

式中hk——臨界水深，m；

α——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，取α=1.10；

（3）條件判定

C值應(yīng)滿(mǎn)足：0.2 hc≤C≤0.8 hc，0.2 hc=0.09 m≤C=0.35≤0.8 hc=0.37 m，滿(mǎn)足條件；

根據(jù)不淹沒(méi)條件△/H0≤0.8，即△≤0.8H0，則△≤0.8H=0.8×1.11 m=0.89 m；

懸板上水深h應(yīng)滿(mǎn)足：h≤△+C=0.89 m+0.35 m=1.24 m。

（4）試算懸板上水深h

根據(jù)槽內(nèi)最大限制水深（h＜△+C）和最大控制流速（和田地區(qū)采用5.5 m/s）按相關(guān)公式【4】進(jìn)行槽內(nèi)水面線(xiàn)試算，達(dá)到ha相近時(shí)為止（ha為上下兩斷面水面降落值），然后計(jì)算各斷面的流量之和，判斷是否能通過(guò)設(shè)計(jì)流量。

斷面號(hào) 2 3 4 5 斷面號(hào) 2 3 4 5 d(m)5.60 11.20 16.80 22.40 d(m) 5.60 11.20 16.80 22.40 l(m)12.00 6.00 6.00 6.00 l(m) 12.00 6.00 6.00 6.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 b(m)8.15 10.31 12.46 14.62 b(m) 8.15 10.31 12.46 14.62 v(m/s)5.50 5.50 5.50 5.50 v(m/s)2.53 3.49 4.45 5.50 h(m)0.54 0.63 0.70 0.75 h'(m) 1.17 1.00 0.87 0.75 χ(m)9.22 11.58 13.86 16.11 χ(m) 10.48 12.31 14.19 16.11 A(m2)4.36 6.55 8.73 10.91 A(m2) 9.50 10.32 10.79 10.91 R(m)0.47 0.57 0.63 0.68 R(m) 0.91 0.84 0.76 0.68 n 0.02 0.02 0.02 0.02 n 0.02 0.02 0.02 0.02 C 44.14 45.46 46.29 46.85 C 49.19 48.55 47.77 46.85 C2R921.96 1168.411349.141486.32 C2R 2192.771976.351734.721486.32 i% 3.28 2.59 2.24 2.04 i% 0.29 0.62 1.14 2.04 iop 2.94 2.42 2.14 iop 0.45 0.88 1.59 ha（cm） 16.44 13.53 11.98 ha（cm） 2.54 4.92 8.89∑ha（cm） 41.94 ∑ha（cm） 16.35

上述試算中：

di——起點(diǎn)到各個(gè)橫斷面間的距離，m；li——所在斷面過(guò)水邊長(zhǎng)度，m；

Qi——所在斷面過(guò)流流量

bi——斷面寬度，m；

νi——最大控制流速，m/s，和田地區(qū)一般采用5.5 m/s，初次試算時(shí)假定為最大控制流速，從第二次試算開(kāi)始νi=

iop——相鄰兩斷面的平均水力坡度；

hai——相鄰兩斷面水面降落值，cm，ha i=d2iopi，此處d2=5.6 m，即相鄰兩端面間的距離；

不斷地試算，直至最后兩次試算的結(jié)果相近即可，即h=h’。此次計(jì)算，第五次與第六次試算結(jié)果相近，即為所求水深，h=0.938m。

（5）閘前水位的確定

（6）昆侖引水樞紐其他水力計(jì)算

按照常規(guī)的水力計(jì)算方法計(jì)算即可。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于低水頭且河道泥沙量大的引水樞紐，采用懸板分層式引水可有效地解決引水和防沙的矛盾。據(jù)悉，懸板的設(shè)置改變了水流流態(tài)及水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即變明流為有壓流(板下區(qū))，使板下區(qū)縱向流速較不設(shè)置板時(shí)增大了22%【5】，從而提高泥沙的輸移能力。本文僅對(duì)懸板分層引水的部分水力計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述及實(shí)例應(yīng)用說(shuō)明，以便其他同類(lèi)工程應(yīng)用參考。

［1］張建民，楊永全，等.懸板在低水頭引水防沙工程中的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2001(4):1.

［2］張建民,侯杰,周著.懸板分層式引水渠首懸板區(qū)水力特性研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(3):1.

［3］李煒.水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006；75.

［4］麥家煊.水工建筑物［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005；276.

［5］侯杰，邱秀云，周著.懸板區(qū)流場(chǎng)特性及其對(duì)輸沙的影響［J］.泥沙研究，1999(3):3.