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(guó)時(shí)期李冰父子組織修建的渠首引水灌溉工程，兩千多年來(lái)一貫發(fā)揮著防洪灌溉的作用。都江堰樞紐工程主要由魚(yú)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(guò)分析都江堰關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)識(shí)其治水技術(shù)對(duì)現(xiàn)今水利工程的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：都江堰；飛沙堰；魚(yú)嘴工程；水利工程；渠首工程

中圖分類(lèi)號(hào)：TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)時(shí)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(lái)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(yú)嘴是人工對(duì)自然沙洲的分水堤前部進(jìn)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(guò)寶瓶口流進(jìn)灌區(qū)內(nèi)的田地；洪水時(shí)期，內(nèi)江水位抬升至飛沙堰以上，則洪水主動(dòng)流至外江，另加上寶瓶口對(duì)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(yùn)工程中都有很多應(yīng)用。

一、魚(yú)嘴工程

文獻(xiàn)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(guò)兩千多年的自然演變和人為修筑，魚(yú)嘴分流的效果比歷史記載更好，對(duì)內(nèi)、外江的分水分沙起到了關(guān)鍵性的作用。魚(yú)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?，F(xiàn)代水利和航運(yùn)部門(mén)也多次采用魚(yú)嘴工程進(jìn)行河道的整治。魚(yú)嘴工程可以按按修建位置和建筑物的形式劃分為洲頭魚(yú)嘴工程、魚(yú)骨壩和洲尾魚(yú)嘴工程三種。

1、洲頭魚(yú)嘴工程

洲頭魚(yú)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(jìn)入通航支汊， 穩(wěn)定流勢(shì)， 確保所需支汊水量充足。已建的洲頭魚(yú)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(zhǎng)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(yú)骨壩

魚(yú)骨壩是外形與魚(yú)骨相似的一種涉水建筑物，一般依江心洲頭修建，由順?biāo)鞣较虻捻槈魏团c正交或斜交的刺壩組成。順壩與洲頭魚(yú)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(lèi)似于丁壩，可用于調(diào)節(jié)環(huán)流的運(yùn)動(dòng)，削弱水流對(duì)壩體的沖刷，加強(qiáng)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(jì)理論。目前建成的有：長(zhǎng)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(yú)嘴工程

洲尾魚(yú)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(shí)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(yùn)用了洲尾魚(yú)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(shí)期，內(nèi)江的水位抬升高過(guò)飛沙堰，冗余的水就流至外江。寶瓶口對(duì)水流的限制，有效地達(dá)到了防治洪水的效果。內(nèi)江水在流入寶瓶口后，沿地勢(shì)走向不斷分出支渠，自流灌溉一千余萬(wàn)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(guò)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(guò)彎道時(shí)會(huì)形成豎直方向的環(huán)流。內(nèi)部的環(huán)流運(yùn)動(dòng)與水流方向運(yùn)動(dòng)的疊加，使水流呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)形態(tài)。利用水沙運(yùn)動(dòng)特性，把引水口設(shè)在凹岸，這樣在引水的同時(shí)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(jìn)現(xiàn)代流體力學(xué)中，針對(duì)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(yuǎn)的無(wú)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(guó)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(duì)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(mén)用水要求，可采用不同的工程設(shè)施對(duì)水流進(jìn)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(lèi)。

1、蓄水渠首工程

蓄水渠首工程適用于河道長(zhǎng)期徑流總量滿足灌溉要求，但其不能適應(yīng)各時(shí)期所需用水量的情況。此時(shí)，需攔河筑壩抬高水位，形成水庫(kù)以達(dá)到調(diào)蓄水量的目的；利用閘門(mén)或通過(guò)壩下管道、壩內(nèi)管道等方式向灌區(qū)引水。此類(lèi)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(dá)到對(duì)水資源綜合利用的目的。

2、引水渠首工程

當(dāng)河道流量能夠滿足用水要求時(shí)，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(wú)壩引水及有壩引水兩類(lèi)。無(wú)壩引水工程的主要建筑物是進(jìn)水閘門(mén)，必要時(shí)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(kù)容量大小的限制，一般只能小幅度壅高水位，幾乎無(wú)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(jī)具澆灌作物的灌溉方式。當(dāng)水源水量充足，但水位較低不足以引水或者當(dāng)?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(shí)，可以修建泵站，用水泵將水抽到干渠再對(duì)需水部門(mén)進(jìn)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(zhǎng)度、工期短、受益快。但提水設(shè)施在運(yùn)行期間消耗較多的能源，所需的管理費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比自流灌溉更高。

結(jié)論

都江堰作為我國(guó)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(jì)中做到經(jīng)濟(jì)、可靠、環(huán)保， 許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。我們應(yīng)當(dāng)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)。

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