彎道橫向環(huán)流對處理泥砂的功能技術(shù)探討

龐德枚

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司新疆分公司，新疆阿克蘇843000)

新疆烏什縣秋格爾引水樞紐工程泥砂問題是多年運(yùn)行管理存在的最大問題，特別是近年來，運(yùn)行管理費(fèi)用逐年增加，排砂效果差，泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng)，已影響了農(nóng)業(yè)引水灌溉、工業(yè)梯級發(fā)電、周邊生態(tài)環(huán)境等國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。下面針對工程存在的泥砂問題，采用彎道橫向環(huán)流對處理泥砂的功能進(jìn)行技術(shù)探討。

1 工程概況

秋格爾引水樞紐工程位于烏什縣奧特貝希鄉(xiāng)與牙曼蘇鄉(xiāng)之間的托什干河干流上，為攔河式引水樞紐。該樞紐在省道306線112 km分支的Z 621專線4 km處。距烏什縣城15 km、阿克蘇市130 km。主要功能為農(nóng)業(yè)引水灌溉、工業(yè)梯級發(fā)電、城市防洪、交通，是一座具有綜合效益的水利樞紐工程。其中農(nóng)業(yè)引水灌溉面積2.01萬hm2、工業(yè)梯級發(fā)電裝機(jī)容量40 MW、城市防洪保護(hù)烏什縣城約10萬人生命及財產(chǎn)安全，是Z621專線的唯一交通要道。

該工程主要由攔河泄洪閘、引水道、第二泄洪沖砂閘、節(jié)制分水沖砂閘和上下游整治導(dǎo)流堤組成，其中攔河泄洪閘全長125 m，共14孔，單孔凈寬8 m。引水道為無閘開敞式引水渠，位于攔河閘右側(cè)，與攔河閘呈45°夾角，總長235 m;第二泄洪沖砂閘位于引水渠140 m處左岸，共設(shè)有4孔開敞式閘孔，單孔凈寬4.0 m;節(jié)制分水沖砂閘位于引水渠的末端，設(shè)有電站引水閘1孔，秋格爾總干渠引水閘2孔，泄洪沖砂閘2孔，單孔凈寬均為4.0 m;上游右岸導(dǎo)流堤與色來阿拉爾防洪堤連為一體的現(xiàn)澆混凝土板結(jié)構(gòu)，上游左岸導(dǎo)流堤為長400 m的漿砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)。下游右岸導(dǎo)流堤長300 m，與下游的右岸防洪堤連為一體，漿砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)。下游左岸導(dǎo)流堤長150 m，漿砌石結(jié)構(gòu)。

2 現(xiàn)有工程存在的問題及解決辦法

秋格爾引水樞紐工程是烏什縣托什干河上三大渠首之一，該樞紐始建于1967年11月，1971年5月竣工。1981年7月27日托什干河發(fā)生827 m3/s的常規(guī)洪水，造成20孔溢流堰中14孔被沖垮。1983年自治區(qū)作為水毀修復(fù)工程正式立項建設(shè)，當(dāng)年3月開工，1984年12月底竣工，正式投入運(yùn)行。攔河閘系統(tǒng)已運(yùn)行27 a，引水系統(tǒng)已運(yùn)行40 a?，F(xiàn)有工程存在的問題是:

2.1 泄洪能力不足

依據(jù)現(xiàn)狀水文分析成果，本工程設(shè)計洪水重現(xiàn)期采用30 a一遇，設(shè)計洪峰流量為 1 935 m3/s。校核洪水重現(xiàn)期100 a一遇，校核洪峰流量為2 700 m3/s。原工程設(shè)計洪水重現(xiàn)期采用30 a一遇，設(shè)計洪峰流量為1 140 m3/s，(P=1%)，校核洪峰流量為1 465 m3/s，(P=0.2%)，原設(shè)計攔河閘的泄洪能力嚴(yán)重不足。

2.2 排砂功能差

托什干河干流秋格爾引水樞紐斷面處多年平均年含沙量為2.325 kg/m3，多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為687.8×104t，推移質(zhì)輸沙量為 115.6×104t，多年平均年輸沙模數(shù)為364.7 t/km2。攔河閘沒有有效地排沙措施，引水道進(jìn)口底板僅比攔河閘底進(jìn)口高0.2 m，第二泄洪沖砂閘處于引水道彎道中上段，布置不合理，導(dǎo)致引水道水流不能形成彎道橫向環(huán)流，沖砂閘排砂效果差，泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng)。

2.3 解決辦法

在保持現(xiàn)有水位變化不大的情況下，通過增加泄洪閘孔水，來解決泄洪能力不足問題。對于泥砂處理問題，除抬高引水道進(jìn)口底板高程外，拆除第二泄洪沖砂閘，充分利用水流彎道環(huán)流理論，合理布置彎道末端的引水系統(tǒng)及排砂系統(tǒng)，達(dá)到引清排砂的目的。

3 雙方彎道橫向環(huán)流及功能設(shè)施布置

3.1 彎道橫向環(huán)流

秋格爾引水樞紐工程地處烏什縣境內(nèi)的托什干河干流上，河床含沙量大，河道縱坡較陡，流量變幅大，在引水道上設(shè)計人工彎道，利用彎道環(huán)流理論，使水流沿彎道作曲線運(yùn)動時產(chǎn)生指向凹岸的離心力，由于水面流速大，離心力大;下層河底的流速小，離心力小。為了平衡這種離心力，水流通過調(diào)整，將形成凹岸水面高凸岸水面低的橫比降。在彎道的橫斷面上，水流受離心力和水面橫比降的綜合作用，產(chǎn)生橫向流動—橫向環(huán)流。橫向環(huán)流是引起泥沙橫向運(yùn)動的動力，它促使彎道凹岸沖刷而凸岸淤積。

3.2 功能設(shè)施布置

如何進(jìn)行功能設(shè)施布置，充分利用利用橫向環(huán)流理論是解決泥砂進(jìn)入引水系統(tǒng)的關(guān)鍵，具體布置如下:

秋格爾灌溉、發(fā)電總的引水流量為91 m3/s，人工彎道設(shè)計流量取設(shè)計引水流量的2倍，Q=180 m3/s;引水道設(shè)計水面寬28.57 m，彎道中心線半徑為設(shè)計彎道水面寬的3.5倍，即R=100 m;彎道長度為設(shè)計彎道水面寬的8倍，人工彎道式引水道總長228.56 m。彎道進(jìn)口設(shè)1.5 m高的擋砂檻，設(shè)計渠底寬14 m，內(nèi)邊坡1∶1.75，渠底采用漿砌卵石材料砌筑，邊坡為現(xiàn)澆混凝土板。

彎道末端凸岸設(shè)置4孔單寬為5 m的開敞式?jīng)_砂閘，凹岸布置1孔凈寬5 m帶胸墻開敞式灌溉進(jìn)水閘和4孔單寬為5 m的開敞式電站進(jìn)水閘，兩進(jìn)水閘底板相對沖砂閘均抬高0.5 m，閘前均設(shè)置1.20 m的擋砂坎。

4 結(jié)論

在多沙性河流上泥砂處理是水利工作者們多年來一直積極探討的問題，就秋格爾引水樞紐工程多年運(yùn)行管理存在的泥砂問題，通過抬高引水道進(jìn)口底板高程、人工彎道橫向環(huán)流、功能設(shè)施布置的綜合措施，力求達(dá)到引清沖砂的良好效果，對農(nóng)業(yè)引水灌溉、工業(yè)梯級發(fā)電、周邊生態(tài)環(huán)境等國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。

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