武 清
(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局,新疆 烏魯木齊 830000)
新疆內(nèi)陸河及中小河流多為山溪性河流,以冰雪消融和雨水混合補(bǔ)給為主,洪水多以夏季暴雨和春季融雪形成。徑流的年內(nèi)變化與氣溫及降水的季節(jié)變化關(guān)系十分密切,年內(nèi)分配極不均勻。根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)汛期主要集中在6—8月,期間徑流量約占年徑流量的60%~70%。以呼圖壁河為例,僅6—8月徑流就占全年徑流量的68.9%,6—9月四個月徑流量占全年的78.7%。根據(jù)青年渠首站28年日平均流量分布天數(shù)統(tǒng)計(jì)成果,全年大于30m3/s流量的天數(shù)為64d,而大于50m3/s流量的天數(shù)僅為3d。
由于山區(qū)局地暴雨強(qiáng)度大,歷時短,洪水匯流速度快,常具有峰高而量不大、洪峰歷時短而變化迅猛的特點(diǎn)。中下游河段普遍植被覆蓋度差,巖石風(fēng)化破碎,河床沿河谷階地在沖積扇下切形成沙礫石岸坡,加上洪水集中及河道坡陡流急,泥沙含量的年內(nèi)豐枯變化十分明顯,汛期多,枯期少。據(jù)多年實(shí)測統(tǒng)計(jì),呼圖壁河青年渠首站泥沙主要集中在5—9月,約占全年的98.4%;瑪納斯河紅山咀站推移質(zhì)泥沙7—8月約占全年的80%,推移質(zhì)最大粒徑可達(dá)500~600mm,具有粒粗量大的特點(diǎn),給引水工程管理和運(yùn)行帶來很大的危害。
新疆灌區(qū)引水工程多布置在出山口以后的淺山丘陵地區(qū),多屬宜沖蝕河段,河流擺動大而造成河床寬淺。
由于洪水陡漲陡落和歷時短,在退洪階段水流挾沙能力急劇下降,洪水過后使推移質(zhì)在河道及閘前大量沉積,更容易造成主流的游蕩和擺動,使主槽極易發(fā)生變化。
寬淺河道上滿足造床流量的時機(jī)較少,隨著常年淤積以及粗化的發(fā)展,有可能出現(xiàn)難于沖動的“死灘”現(xiàn)象。
由于引水量的不斷加大,沖沙水量的減少,中下游河段一般呈現(xiàn)逐年淤積的形態(tài)。比較有代表性的奎屯河,近10年河道最大淤積厚度達(dá)4~6m,部分河段河床已高于引水渠頂,使得渠道經(jīng)常被淹埋,引水渠首也不得不上移進(jìn)行改建。
50—60年代建設(shè)的此類渠首主要由上游人工彎道、泄洪排沙閘、沖沙閘、進(jìn)水閘和沖沙閘下游排沙道組成,當(dāng)河道洪峰流量較大時,還在彎道凸岸進(jìn)口段岸邊設(shè)置了溢流堰等。
70年代后期修建或改造的部分人工彎道渠首,在彎道凸岸進(jìn)口上游增加了泄洪沖沙閘及溢洪堰等設(shè)施,對汛期洪水和泥沙進(jìn)行有效分流,同時也調(diào)整和縮窄了彎道進(jìn)口段的寬度。針對河道來沙量、引水比高的工程,如金溝河引水渠首,后期改建時在下游引水干渠上還設(shè)置有曲線沉沙池或其它型式的二次泥沙處理設(shè)施,呼圖壁河青年渠首在下游還修建了沖沙水二次回收取水設(shè)施。
第一代彎道式引水渠首是當(dāng)時照搬原蘇聯(lián)的費(fèi)爾干式引水樞紐的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的,由于對其適用性認(rèn)識不夠,未能很好地結(jié)合河流水文泥沙特性進(jìn)行深入研究,采用洪水頻率3%~10%的洪峰流量作為人工彎道設(shè)計(jì)流量,將人工彎道也作為泄洪排沙的主要通道,致使上游整治段和彎道斷面寬度明顯偏大。而根據(jù)對中小河流徑流過程的調(diào)查和分析,實(shí)際能夠發(fā)生此彎道設(shè)計(jì)洪水的機(jī)會很少,在渠首運(yùn)行的絕大部分時間里,彎道流量均小于設(shè)計(jì)流量,從而造成大多數(shù)時間的中、小流量橫向環(huán)流作用不明顯,甚至形成不了橫向環(huán)流,也就失去了引水彎道正面引水、側(cè)面排沙的作用。
人工彎道的設(shè)計(jì)理念是設(shè)計(jì)流量情況下利用環(huán)流實(shí)現(xiàn)連續(xù)排沙和不間斷引水,要求有合理的引水比,并且需要連續(xù)沖沙。但當(dāng)河道來水小于設(shè)計(jì)引水流量時,則將面臨著環(huán)流作用下降或無水沖沙的問題。一旦發(fā)生淤積,將導(dǎo)致彎道水力學(xué)條件發(fā)生變化,從而會加劇彎道的淤積,若長時間運(yùn)行則彎道很容易失去排沙能力,這也就是人工彎道在引水比高的河道上容易淤積的主要原因。在此條件下管理單位被迫利用灌溉間隙集中流量采用間歇沖沙的運(yùn)行方式,此時的人工彎道環(huán)流作用已不明顯,類似曲線沖沙槽的運(yùn)行條件,彎道內(nèi)需要維持必要的輸沙流速,才能達(dá)到?jīng)_沙排沙的效果。近年來,隨著水資源的充分利用,使引水比不斷提高,加上冰川融雪水補(bǔ)給的減少,使得洪枯比進(jìn)一步加大,渠首引水防沙問題更加突出。
原金溝河渠首建于1959年,屬于我國第一代彎道式引水樞紐。建后初期渠首運(yùn)行效果尚可,但由于渠首上游段彎道較寬,橫向環(huán)流無法形成,泥沙淤積日益嚴(yán)重,主流在彎道內(nèi)蛇形擺動,加上引水比很高,使推移質(zhì)進(jìn)入彎道的數(shù)量占河流來沙總量的48.5%,無法實(shí)現(xiàn)人工彎道所要求的連續(xù)沖沙。金溝河渠首設(shè)計(jì)引水流量為20~45m3/s,而常遇洪水為56m3/s。工程實(shí)際運(yùn)行6月下旬以前渠首上游來水流量一般小于25m3/s,此時來水全部引入灌區(qū),排沙閘無法開啟排沙運(yùn)行。進(jìn)入洪水期為滿足灌溉要求,引水比高達(dá)90%,只能采用間歇排沙方式,而在20~30m3/s沖沙流量下,間歇沖沙有效影響距離只能達(dá)到50m,遠(yuǎn)達(dá)不到引水彎道的設(shè)計(jì)排沙要求。后期雖在渠首下游引水渠道上修建了曲線沉沙池、渦管排沙和螺旋流排沙三級泥沙處理措施,但也相應(yīng)提高了渠首的引水比,反而加重了彎道上下游的淤積。
近年來,隨著灌區(qū)工農(nóng)業(yè)用水量日益增加,河道天然來水過程時空分布與用水過程矛盾也越顯突出,部分引水渠首還要承擔(dān)下游調(diào)蓄工程引洪蓄庫以及引水發(fā)電的要求,導(dǎo)致渠首引水比居高不下,使得渠首沖沙水量,從而加劇了引水渠首的排沙運(yùn)行條件進(jìn)一步惡化。呼圖壁河灌區(qū)面積105萬畝,除了汛期河道發(fā)生大于設(shè)計(jì)引水流量45m3/s的洪水時段外,平時河道水量全部引入渠道。根據(jù)實(shí)測資料,呼圖壁河青年渠首多年平均實(shí)際引水比為76%,瑪納斯河渠首為78%,金溝河引水渠首為72%,個別渠首汛期引水比可高達(dá)90%。
從新疆已建成的人工彎道式引水渠首工程運(yùn)行情況分析以及總結(jié)經(jīng)驗(yàn)得出,對于多泥沙推移質(zhì)含量大的山溪性中小河流,彎道式引水渠首引水比宜控制在60%~65%以內(nèi),高于此引水比則人工彎道將不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)沖沙,若結(jié)合間歇沖沙來運(yùn)用,則汛期引水比不宜超過80%。適宜的引水比還需通過模型試驗(yàn)來分析和驗(yàn)證。
為了避免由于過分引水而造成的渠首上下游的淤積,應(yīng)盡可能的把人工彎道式引水渠首修建在山溪性河流沖積扇上游的出山口處附近,此處河床一般處于下切或穩(wěn)定河段,位于徑流散失區(qū)以上,水流比較集中,縱坡亦較大,修建這種型式的渠首工程易于獲得成功。
人工彎道不宜布置在河道寬淺的游蕩性河道上,且宜盡量與天然河灣結(jié)合布置,使河勢易于控制,也利于人工彎道的平面布置要求,同時也可降低工程造價(jià),改善運(yùn)用效果。
(1)樞紐總體布置及上下游整治段宜結(jié)合自然河勢并利用天然河灣進(jìn)行布置,人工彎道或主要泄洪通道應(yīng)有利于上下游河床沖淤平衡及主槽的穩(wěn)定,各建筑物的布設(shè)要結(jié)合河道主流流向,不宜硬性改變河道流向及天然縱坡。
(2)上、下游整治段布置應(yīng)有利于泥沙運(yùn)移,并起一定的導(dǎo)沙作用。結(jié)合水工模型試驗(yàn)對擬定的布置方案進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整是必要的,并應(yīng)考慮大小不同量級洪水和引水流量的運(yùn)行工況。喀什河及卡群引水樞紐的布置,是利用彎道水流特性,結(jié)合河勢條件,成功解決人工彎道式樞紐布置的典型實(shí)例。
5.4.1 彎道設(shè)計(jì)規(guī)模
根據(jù)已經(jīng)取得的研究成果,彎道設(shè)計(jì)流量較理想的情況是2~2.2倍的進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量。若該流量小于進(jìn)水閘與沖沙閘設(shè)計(jì)流量之和時,說明進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量偏大,不適應(yīng)防沙排沙運(yùn)行,應(yīng)減少進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量,以保證在每年有較多的天數(shù)進(jìn)行排沙。對于引水比高而進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量又不能減少的引水渠首,可按每年洪水季節(jié)都能發(fā)生一定時間(大于3天)的流量作為彎道設(shè)計(jì)流量,同時彎道縱坡、流速、底寬之間要統(tǒng)一考慮,要使彎道設(shè)計(jì)流速達(dá)到泥沙的起動流速,以滿足間歇沖沙的排沙要求。
結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對于徑流量較大的內(nèi)陸河,人工彎道設(shè)計(jì)流量按上述兩種經(jīng)驗(yàn)取值均是合理可行的,但對于徑流量小、推移質(zhì)含量大、引水比很高的中小河流來說,建議彎道設(shè)計(jì)流量按每年一遇常遇洪水或大于3天的洪水流量來設(shè)計(jì),進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量不宜超過建閘斷面常遇洪水的70%,以保證沖沙閘和人工彎道每年有10~20d的歷時進(jìn)行排沙運(yùn)行。
對于彎道進(jìn)口上游設(shè)有沖沙泄洪閘、引水比高、采用間歇排沙運(yùn)行的人工彎道,在改建時彎道斷面和設(shè)計(jì)流量還可減小,以滿足沖沙槽的排沙要求。其次,為了增加人工彎道的沖沙歷時,對于引水比很高的河流,在工程規(guī)劃上建議研究和比較多級引水方式,以降低引水比,盡可能減少由于過度引水而改變河道的水沙條件和輸沙能力。
5.4.2 彎道體型設(shè)計(jì)
彎道平面布置也是產(chǎn)生橫向環(huán)流和決定環(huán)流強(qiáng)度的重要條件,為了適應(yīng)河道的水沙特性,以不過大改變原河道的平面形態(tài)為宜。引水彎道半徑應(yīng)等于彎道平均斷面寬度的4~8倍;彎道長度應(yīng)為彎道半徑的1~1.4倍。
人工彎道縱斷面設(shè)計(jì)視彎道輸沙和沖沙閘及排沙道的排沙要求而定,以不過大改變原河道的水流條件為宜,并盡量保持與原有河道縱坡一致。對于采用間歇沖沙方式運(yùn)行的彎道縱坡,還需滿足沖沙槽的泥沙的起動流速對縱比降要求,建議大于1/120。
彎道橫比降與縱比降之比宜大于1,彎道橫斷面宜按凹岸陡、凸岸緩的梯形斷面設(shè)計(jì),以利于環(huán)流形成及泥沙的底部運(yùn)動。
對于多泥沙及推移質(zhì)含量大的中小河流,在彎道橫斷面設(shè)計(jì)時應(yīng)預(yù)留一定的淤積高度,也可做成復(fù)式斷面,底部小斷面可為后期間歇沖沙創(chuàng)造條件。此條件下運(yùn)行彎道斷面不宜按寬淺式斷面設(shè)計(jì),寬深比不宜超過2.5。
5.5.1 彎道進(jìn)口沖沙泄洪閘及擋沙坎
(1)早期的彎道式引水渠首,為了抵御較大洪水,在人工彎道入口段設(shè)置有溢洪堰,實(shí)際上起到了蓄渾排清的作用,“清水”在上游被溢走,留下的推移質(zhì)將全部進(jìn)入人工彎道,勢必增加彎道的排沙負(fù)擔(dān)。因此,對于峰枯比懸殊、泥沙含量大的河流,在樞紐布置上首先要考慮在彎道進(jìn)口以外對洪水和泥沙進(jìn)行有效控制和分流,增加滿足造床流量寬度的沖沙及泄洪閘,彎道進(jìn)口則布置較高的弧形擋沙坎,對汛期洪水和泥沙實(shí)施有效分流,可有效減輕和改善人工彎道的泄洪排沙壓力,同時對保證彎道運(yùn)行安全和延長工程的使用壽命具有重要作用。
(2)對于洪峰流量特別大的寬淺河流,可在沖沙閘外側(cè)設(shè)置溢流堰或自潰堰與河道主流斜交向上游兼做導(dǎo)流堤布置。
(3)沖沙泄洪閘底板高程宜與河床斷面枯水期平均底高程保持一致,并與主槽的底高程相適應(yīng),不宜硬性改變河道的天然縱坡。
(4)對于引水比大而沖沙水少的中小河流,上游沖沙閘宜作為主要的泄洪排沙通道,孔口尺寸不宜過小,可按常遇洪水或造床流量來設(shè)計(jì),以便多利用洪水對上游河道淤沙進(jìn)行集中清理,以維持渠首上下游河道的自然沖淤平衡。平面布置上沖沙及泄洪閘中心線與彎道中心線夾角宜成40°~45°。對于多泥沙河流,人工彎道進(jìn)口擋沙坎高度宜比沖沙閘底板高1.0~1.5m,視泥沙含量和粒徑粗細(xì)來定。為避免抬高進(jìn)口增加彎道縱坡,擋沙坎斷面可采用倒“L”形懸臂實(shí)用堰的型式。
5.5.2 彎道末端進(jìn)水閘及排沙閘
(1)人工彎道末端的凹岸和凸岸分別布置有進(jìn)水閘和排沙閘,其交角宜在30°~40°之間。
(2)在確定排沙閘和進(jìn)水閘底板高程時,應(yīng)先分析樞紐段河床沖淤變形的特點(diǎn)。若河床縱坡大且為下切變形,排沙閘底板高程可取與河道枯水平均河床高程同高;對處于沖淤平衡的河道,排沙閘底高程應(yīng)高于枯水平均河床高程0.5m;若處于淤積河段,為防止排沙閘閘底在運(yùn)用過程中被淤埋,其閘底板宜比原河床適當(dāng)抬高約0.5~3.0m,應(yīng)以彎道輸沙和閘下排沙要求來確定,也可沿彎道橫向比降采用底部錯動式階梯狀布置,以適應(yīng)彎道環(huán)流的排沙要求。排沙閘高程確定后,進(jìn)水閘底高程一般要高出排沙閘底1.0~1.5m。
(3)在進(jìn)水閘前宜設(shè)置攔沙坎或懸板,可兼作導(dǎo)沙墻,對于防止泥沙進(jìn)入引水渠道作用是有效的。其頂高程可與進(jìn)水閘底板同高,組成閘前沖沙和沉沙槽,以達(dá)到小流量時壅水沉沙,大流量時可集中沖沙的目的。
5.5.3沖沙泄洪閘及排沙閘消能防沖
(1)彎道式渠首由于引水分流,運(yùn)行后期下游通常會發(fā)生淤積。在經(jīng)常要排除沙卵石推移質(zhì)的情況下,進(jìn)口沖沙閘及末端排沙閘下游不宜修建消力池或消力墩等消能設(shè)施,在保證滲徑的條件下,宜采用短護(hù)坦加深隔墻的防沖方案,以保證護(hù)坦后水流具有一定的輸沙流速,利于下游排沙道的輸沙運(yùn)行,防沖隔墻埋深應(yīng)至沖刷深度以下0.5~1.0m,下游可設(shè)置裙板或水平鋪筑一定范圍適應(yīng)變形的卵石拋石坑及鋼筋石籠護(hù)底,以防止閘后淘刷。近年來采用鋼筋混凝土軟排護(hù)底的工程也較多,取得了較好的防沖效果,值得借鑒。沖沙閘下游設(shè)置導(dǎo)沙墻以利于束水沖沙,防止下游河道淤積。
(2)沖沙閘及排沙閘閘墩下部和護(hù)坦,宜采用抗沖磨混凝土或耐磨石料等緊密砌護(hù)。排沙閘下游翼墻和導(dǎo)流堤的基礎(chǔ),亦需座在沖刷深度以下。下游排沙道出口宜與主流銜接,以利用大洪水將堆積泥沙沖向下游。在下游河道修筑縮窄的整治河道和布置潛沒式導(dǎo)沙墻或?qū)Я鞯蹋瑢κド?、提高渠首的排沙效果和延長工程壽命,都有很大的作用。
針對第一代人工彎道斷面設(shè)計(jì)過大的問題,在一些渠首的后期改造中也采取了不同的方案,如通過凸岸一側(cè)縮窄底寬、凸岸壓丁壩、設(shè)置縱向?qū)Я鞯桃约疤钪糠值讓捀脑鞛閺?fù)式斷面等方案。
(1)瑪納斯河人工彎道式引水渠首
瑪納斯河人工彎道式引水渠首,在彎道內(nèi)的凸岸修建一排臨時性丁壩,將彎道寬度縮窄三分之一,保證了在彎道內(nèi)形成橫向環(huán)流,改善了渠首的引水防沙的效果。金溝河引水樞紐在改建工程模型試驗(yàn)階段,提出了在引水彎道中部設(shè)置縱向?qū)Я鞯獭⑸嫌芜B接溢流側(cè)堰的工程措施。由于側(cè)堰的阻水擋沙作用,使泥沙大部分進(jìn)入彎道左槽內(nèi),少量進(jìn)入彎道右槽,大流量時帶走槽內(nèi)淤沙,小流量時有利于邊引水邊沖沙或采取間歇沖沙方式。
(2)三屯河西干渠首
三屯河屬多泥沙、洪枯比大、引水比高的河道。西干渠首改造時,采取彎道進(jìn)口、彎道末端設(shè)置沖沙閘+擋沙坎的兩級防沙排沙布置。在原人工彎道上游泄洪閘的基礎(chǔ)上增加了2孔沖沙閘,并在彎道進(jìn)口設(shè)置了1.5m高的曲線形擋沙坎形成臨時蓄沙庫,通過上游沖沙閘利用常遇洪水可沖走近70%的泥沙,保證進(jìn)口“門前清”,可進(jìn)一步降低泥沙引入彎道。三屯河渠首改造前、后平面布置如圖1—2所示。
原彎道設(shè)計(jì)流量214m3/s,底寬35m,而進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量為34m3/s。按文中所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),渠首斷面每年大于3天的洪水流量50m3/s,按引水流量的2~2.2倍為68~74.8m3/s,考慮彎道進(jìn)口已攔擋了大量推移質(zhì)泥沙,也沒有相應(yīng)的泄洪要求,因此在改造時彎道設(shè)計(jì)流量確定為50m3/s,設(shè)計(jì)底寬12m。設(shè)計(jì)采用在彎道內(nèi)加中隔墻縮窄底寬的方案,形成一大一小兩個彎道,凸岸側(cè)小彎道作為沖沙彎道來運(yùn)行,原凹岸大彎道進(jìn)口封閉作為沉沙池來運(yùn)用,中隔墻在彎道下游設(shè)計(jì)成溢流堰型式,引取表層清水進(jìn)入沉沙池,取得了沖沙閘沖沙、彎道排沙和引清入渠的多級泥沙處理方案。當(dāng)來大洪水或常遇洪水時,開啟上游沖沙閘沖沙;汛期出現(xiàn)彎道設(shè)計(jì)流量時,可開啟下游排沙閘沖沙。若在進(jìn)水閘上游中隔墻上設(shè)置沖沙閘,還可對沉沙池內(nèi)泥沙進(jìn)行水力沖沙,運(yùn)行效果會更好。同時根據(jù)實(shí)際來水,選擇不同的沖沙閘門和開啟孔數(shù),可靈活采取多種沖沙方式。改造后通過一年的實(shí)際運(yùn)行,入渠泥沙減少了近90%,引水比提高到了68%,達(dá)到了預(yù)期的效果。
圖1 三屯河渠首改造前平面布置圖
(1)山溪性多泥沙河道上修建引水工程,其引水防沙效果至關(guān)重要,必須認(rèn)真分析和研究河流的洪水、泥沙特性以及引水工程的建設(shè)條件,綜合考慮渠首的引水防沙布置方案。
(2)人工彎道式引水渠首是一個系統(tǒng)工程,樞紐布置宜結(jié)合自然河勢并利用天然河灣進(jìn)行合理規(guī)劃,順應(yīng)河勢及維持河床沖淤平衡,設(shè)計(jì)和運(yùn)用合理才能發(fā)揮其應(yīng)有的引水防沙效果。對于中小河流也可結(jié)合水工模型試驗(yàn)對擬定的布置方案進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。
(3)合理確定彎道的設(shè)計(jì)規(guī)模是彎道式渠首引水防沙成敗的關(guān)鍵,在引水比高的河道上尤其要重視,樞紐各建筑物的綜合考慮、引水與排沙的相互協(xié)調(diào),以及保證合理的沖沙水量和排沙歷時等是工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問題。
(4)運(yùn)行管理和防沙調(diào)度是保證工程正常運(yùn)行及效益發(fā)揮的重要因素,可根據(jù)河道洪水泥沙特點(diǎn)及來水流量等,合理選擇集中沖沙、連續(xù)沖沙或間隙排沙等多種排沙方式,對減輕樞紐上下游河道的淤積及延長工程的使用壽命都是有益的。
圖2 三屯河渠首改造后平面布置圖
(5)認(rèn)真研究河流的水沙特性,結(jié)合工程的實(shí)際運(yùn)行情況分析,選擇合適的引水比,采用多級泥沙處理方案,對現(xiàn)有引水防沙效果差的彎道式渠首采取相應(yīng)的改進(jìn)措施,恢復(fù)其應(yīng)有的引水功能是必要的,技術(shù)上也是可行的。