影響攔河引水樞紐工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題及其對(duì)策

王 琦

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

我國水資源豐富，水電能源排名世界前列，截止到2016年我國全國用水量達(dá)到了5800多億m3，但我國人均水資源占有量僅占世界平均水平的25%[1- 2]，攔河引水樞紐工程的建設(shè)，可有效存蓄水源，提高居民水資源利用率，提高城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[3]，而目前我國攔河樞紐工程建設(shè)規(guī)模與難度均排名世界前列，由于工程投資較高，施工難度較大，在投入使用前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、地勢(shì)及下墊面具體情況，制訂完善的、適用于該工程的運(yùn)行管理模式[4]，對(duì)攔河引水樞紐進(jìn)行科學(xué)管理，制定合理的應(yīng)急措施，以確保工程完整、安全地運(yùn)行，充分發(fā)揮工程效益，更好地服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。但如今國內(nèi)引水樞紐運(yùn)行過程中仍存在較多的問題，比如泥沙淤積問題、閘門放水問題等，嚴(yán)重影響了攔河樞紐工程的效益和使用壽命[5]。本研究作者根據(jù)自身多年從事水利工程的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工程中具體運(yùn)行情況，結(jié)合伊犁地區(qū)的實(shí)際環(huán)境，闡明了攔河樞紐工程運(yùn)行過程應(yīng)注重的幾個(gè)實(shí)際問題，提出具體的解決措施。

1 攔河引水樞紐運(yùn)行過程安全關(guān)鍵問題

圖1為攔河引水樞紐平面示意圖。攔河引水樞紐運(yùn)行過程中普遍存在較多的問題，比如泄洪閘泄水不均勻，從而造成河床兩岸沖刷嚴(yán)重、閘門啟閉運(yùn)行不合理，導(dǎo)致水流紊亂嚴(yán)重、閘門閘前水位過高，超出了閘門承受范圍，縮短了使用壽命等。

圖1 攔河引水樞紐工程平面示意圖

1.1 泥沙淤積問題

攔河引水樞紐工程在運(yùn)行管理工作中，樞紐根據(jù)汛期洪水進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，以保障汛期順利度過，但由于河流中泥沙含量較大，尤其汛期水量豐富，河流中的泥沙含量達(dá)到最高[6]，導(dǎo)致汛期過后監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)攔河閘閘前推移質(zhì)泥沙淤積嚴(yán)重，而且清除較困難，泥沙過度淤積嚴(yán)重影響了閘前水位計(jì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致得出的數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映閘前水位的深度，有可能影響水庫調(diào)度方案的制定及應(yīng)力分析計(jì)算，有可能造成嚴(yán)重的損失[7]；同時(shí)，閘前泥沙淤積嚴(yán)重將改變了河道來水的水流形態(tài)，無法正確制定閘門啟閉時(shí)間，導(dǎo)致閘門開啟時(shí)泄流水流不均勻，出現(xiàn)折沖水流，致使閘后自然河道兩岸護(hù)坡被沖刷嚴(yán)重。

本研究以實(shí)際工程中流量2500m3/h、1500m3/h和1000m3/h為3種工況，其水位分別為3.57m、2.25m和0.50m，計(jì)算了攔河引水樞紐閘前段泥沙淤積速率，以期可以估算不同工況下的閘前泥沙淤積速率，為泥沙淤積后的水位-流量曲線制定提供理論基礎(chǔ)，泥沙淤積速率采用下式計(jì)算[8]：

式中，Ur—回流強(qiáng)度，m/s；R—回流區(qū)水力半徑，m；J—回流區(qū)縱向水面比降；ω—泥沙沉速，cm/s。

表1為攔河引水樞紐工程泥沙淤積速率計(jì)算表，由表1可知，3種工況下，攔河引水樞紐工程閘前段淤積速率較大，隨著時(shí)間推移，閘前明渠段淤積泥沙將不斷累積，將影響樞紐工程正常運(yùn)行，必須做好優(yōu)化方案[9]。

表1 攔河引水樞紐工程泥沙淤積速率計(jì)算表

1.2 水工建筑物沉降觀測(cè)問題

沉降觀測(cè)工作是攔河引水樞紐工作的重中之重，若攔河樞紐出現(xiàn)不均勻沉降，可能導(dǎo)致閘室底板出現(xiàn)裂縫，當(dāng)不均勻沉降達(dá)到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)損壞，因此在攔河引水樞紐工程運(yùn)行中，必須準(zhǔn)確地觀測(cè)攔河引水樞紐水工建筑物的沉降量。通過觀測(cè)，可以監(jiān)測(cè)建筑物的沉降變位情況，不但為今后提供計(jì)算提供數(shù)據(jù)，提高準(zhǔn)確性，而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施，保證工程的安全運(yùn)行，通過定期進(jìn)行沉降觀測(cè)，可以為水工建筑物的安全鑒定工作提供數(shù)據(jù)。

1.3 樞紐閘后人工整治段自然河道兩岸護(hù)坡沖刷問題

由于2016年伊犁地區(qū)降水量較多，造成相比往年的河道來水量和洪水量大，8月份攔河引水樞紐最大來水量達(dá)到2000m3/s，導(dǎo)致閘后人工整治段自然河道兩岸護(hù)坡沖刷嚴(yán)重，同時(shí)危及護(hù)坡兩岸莊稼地及供水渠道的運(yùn)行安全，應(yīng)及時(shí)想好補(bǔ)救措施，避免出現(xiàn)不必要的損失。

2 相關(guān)問題解決方案

2.1 泥沙淤積問題解決方案

(1)當(dāng)汛期過后水位開始回落時(shí)，及時(shí)調(diào)整閘門開度，用孔流的方式開啟個(gè)別閘門，提高閘前水位，對(duì)淤積泥沙的位置進(jìn)行自然沖刷，在保持樞紐工程結(jié)構(gòu)不變，投資不增加的前提下，最大程度清除泥沙淤積情況，同時(shí)避免了人工清除，工作效率大幅度提高，最大程度降低了運(yùn)行成本。

(2)當(dāng)閘前發(fā)生泥沙淤積現(xiàn)象后，原有的水位-流量曲線已無法符合實(shí)際工作情況，必須重新率定攔河引水樞紐水位-流量關(guān)系曲線，時(shí)刻監(jiān)控閘前水位的變化，得出的水位-流量曲線也可為后續(xù)工作提供計(jì)算基礎(chǔ)。

2.2 水工建筑物沉降觀測(cè)問題解決方案

使用水準(zhǔn)儀將攔河引水樞紐工程觀測(cè)條件較好的水準(zhǔn)基點(diǎn)高程681.3400作為主基點(diǎn)和校核點(diǎn)，開始將高程引到攔河閘建筑物上預(yù)埋的六個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行往返復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果高差誤差均小于0.1mm，再錄入軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)看是否發(fā)生沉降。觀測(cè)沉降時(shí)，應(yīng)該注意的問題是：每次觀測(cè)時(shí)間都應(yīng)嚴(yán)格遵守固定的觀測(cè)時(shí)間，同時(shí)觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意天氣及溫度的變化，盡量保證一個(gè)周期內(nèi)觀測(cè)的外界環(huán)境條件一致；觀測(cè)人員、觀測(cè)路線、觀測(cè)點(diǎn)位要固定，降低誤差；將每次觀測(cè)的沉降結(jié)果及時(shí)報(bào)告相關(guān)部門，當(dāng)建筑物24h連續(xù)沉降量超過1mm時(shí)要及時(shí)通知相關(guān)部門采取補(bǔ)救措施。

運(yùn)用上述方法，進(jìn)行攔河樞紐工程實(shí)際沉降量觀測(cè)與計(jì)算。下表為實(shí)際運(yùn)行工作中觀測(cè)到的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程變化及沉降計(jì)算。取基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)高程為50m，由表2、表3可知，采用上文中所述的方法，測(cè)出的各觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程24h沉降值均在1mm以內(nèi)，表明上述方法是正確可行的。

表2 各觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程表 單位：m

表3 各觀測(cè)點(diǎn)沉降計(jì)算表 單位：mm/d

2.3 兩岸護(hù)坡沖刷問題解決方案

為解決閘后人工整治段自然河道兩岸護(hù)坡沖刷問題，同時(shí)保障施工難度最低、施工投資最小，目前主要采用2種手段來整治河道兩岸護(hù)坡。

(1)向兩岸護(hù)坡投注鉛絲籠，制成挑壩將水流形態(tài)改變，減少河水對(duì)兩岸護(hù)坡的沖力。

(2)用防洪編織袋裝土，制成擋水墻，防護(hù)兩岸護(hù)坡被進(jìn)一步?jīng)_刷。在進(jìn)行施工補(bǔ)救措施的同時(shí)，應(yīng)做好安全警示標(biāo)識(shí)工作：在兩岸護(hù)坡設(shè)立明顯的安全警示標(biāo)識(shí)標(biāo)牌，同時(shí)在兩岸護(hù)坡范圍邊界設(shè)立安全警示提示圍欄，防止居民進(jìn)入被沖刷的護(hù)坡內(nèi)，保障居民的人身安全。

3 攔河引水樞紐運(yùn)行相關(guān)建議

3.1 充分考慮實(shí)際問題

在設(shè)計(jì)施工過程中應(yīng)充分考慮可能存在的泥沙淤積問題與護(hù)坡沖刷問題，提高設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，減少出現(xiàn)問題后進(jìn)行補(bǔ)救的現(xiàn)象[10]。同時(shí)提高工程運(yùn)行管理水平，在日常工作中對(duì)樞紐工程進(jìn)行合理的維護(hù)，及時(shí)消除工程缺陷，做好記錄，總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，確保工程長期安全運(yùn)行。

3.2 加強(qiáng)樞紐信息化管理制度建設(shè)

正確快速的觀測(cè)并計(jì)算水工建筑物沉降，影響了樞紐工程安全運(yùn)行。因此，必須改進(jìn)傳統(tǒng)的量測(cè)技術(shù)，掌握科學(xué)合理快速的量測(cè)方法，提高測(cè)量精度與工作效率。同時(shí)，應(yīng)加快攔河引水樞紐工程信息化系統(tǒng)的建立，包括管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等，自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)并計(jì)算儲(chǔ)存，對(duì)樞紐工程進(jìn)行全方位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，早日實(shí)現(xiàn)攔河引水樞紐工程自動(dòng)化管理[11]。

4 結(jié)語

近年來，我國建立了許多攔河引水樞紐工程，投資較大，建設(shè)難度較高，也取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。攔河引水樞紐工程的安全運(yùn)行直接關(guān)系到居民的財(cái)產(chǎn)與人身安全。本文研究了在運(yùn)行過程中存在的泥沙淤積、沉降觀測(cè)和護(hù)坡沖刷問題，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況提出了相應(yīng)對(duì)策，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際樞紐工程運(yùn)行有重要意義。在實(shí)際工程中，應(yīng)重視設(shè)計(jì)施工的質(zhì)量，加強(qiáng)管理水平，并運(yùn)用如今先進(jìn)的科學(xué)管理措施，實(shí)現(xiàn)攔河引水樞紐工程全方法自動(dòng)化管理，確保工程安全長期運(yùn)行。同時(shí)，在今后的研究中，應(yīng)從攔河閘前泥沙淤積等值線分布圖方面出發(fā)，制定不同樞紐類型的泥沙淤積等值線分布圖，更好地指導(dǎo)樞紐工程運(yùn)行。

[1] 王媛, 連盛喜, 李科, 等. 中國水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)發(fā)展對(duì)策研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2008, 19(03): 10- 14.

[2] SL258 2000. 水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S].

[3] 高魁運(yùn). 攔河引水樞紐調(diào)度運(yùn)行管理問題研究[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2015(06): 45- 46.

[4] 崔忠波, 丁國瑩, 王海俊. 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》修編及應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017(04): 1- 4.

[5] 練繼建, 楊陽, 胡少偉. 特大水利水電樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行研究進(jìn)展與前沿[J]. 工程科學(xué)與技術(shù), 2017, 49(01): 27- 32.

[6] 謝富東. 新疆瑪納斯河懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)解析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(03): 46- 48+89.

[7] 劉青泉. 港渠口門回流的泥沙淤積特性[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 1995, 6(03): 231- 236.

[8] 張芳芳, 張耀哲, 粟曉玲. 灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(02): 111- 118.

[9] 胡興娥, 李云中, 李明超. 三峽水庫135m運(yùn)行階段永久船閘下引航道泥沙淤積分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2008, 19(01): 1- 7.

[10] 周應(yīng)祥. 新疆某河流攔河引水樞紐工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)[J]. 水利水電技術(shù), 2014(06): 91- 93.

[11] 盧曉燕, 周芬, 王靈敏, 等. 浙東引水工程試通水運(yùn)行實(shí)踐與探索[J]. 水資源保護(hù), 2014(02): 86- 91.