新疆三屯河?xùn)|干渠首改造方案分析

袁喜泉

（烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院（有限責(zé)任公司）,新疆 烏魯木齊 830049）

1 項(xiàng)目概況

三屯河?xùn)|干渠首位于新疆昌吉州三屯河水庫下游約13 km的河道上，建成于1963 年，原設(shè)計(jì)引水流量15 m3/s；泄洪閘原設(shè)計(jì)過閘流量60 m3/s，沖沙閘原設(shè)計(jì)過閘流量70.2 m3/s，屬Ⅲ等中型工程，現(xiàn)狀控制面積16 萬畝。因建造年代久遠(yuǎn),渠首不滿足現(xiàn)今防洪要求,各閘室漿砌石結(jié)構(gòu)存在缺損、凍脹破壞、老化現(xiàn)象，水閘混凝土破損嚴(yán)重,水閘下游沖刷嚴(yán)重,鋼閘門銹蝕，止水效果差，根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL 226 -98）2.0.4 條，達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，急需改造。

三屯河流域是典型的內(nèi)陸干旱和半干旱地區(qū)，由于主要補(bǔ)給方式為雨雪和冰川混合補(bǔ)給的河流，造成年徑流的年內(nèi)分配十分不均，年內(nèi)變化較大，6 月～8 月的徑流量占年徑流量的68.9%，最大四個(gè)月（5 月～8 月）的徑流量占年徑流量的77.8%。

據(jù)三屯河碾盤莊水文站實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì)，泥沙主要集中在汛期，夏季懸移質(zhì)輸沙量較徑流量更為集中，連續(xù)最大四個(gè)月（5 月～8 月）的懸移質(zhì)輸沙量占年懸移質(zhì)輸沙量的98%。

2 總體布置方案選擇

本工程所在河段河道順直，河床寬淺，縱坡約9.1‰左右。根據(jù)河道徑流和泥沙特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)河道條件，本次設(shè)計(jì)選取攔河全閘式引水渠首方案和攔河閘堰式引水渠首方案進(jìn)行比選。

2.1 方案一：攔河全閘式引水渠首

（1）閘孔總凈寬計(jì)算

上游泄洪沖沙閘閘孔總凈寬按設(shè)計(jì)工況最大過閘流量計(jì)算確定，為設(shè)計(jì)洪水工況時(shí)所承擔(dān)的泄流量，按校核工況進(jìn)行復(fù)核，根據(jù)水文成果設(shè)計(jì)洪水流量為534 m3/s，校核洪水流量為994 m3/s。

泄洪沖沙閘擬定為平底閘，正面泄流，為寬頂堰流，閘前水深根據(jù)設(shè)計(jì)洪水時(shí)閘址處天然河道水面線對(duì)應(yīng)水深，過閘水位差及閘孔數(shù)綜合擬定，行進(jìn)流速根據(jù)規(guī)范取距堰壁3倍～5 倍堰前水深的斷面處的河道平均流速。水力計(jì)算見表1。

表1 泄洪沖沙閘閘孔總凈寬計(jì)算表

進(jìn)水閘只承擔(dān)引水任務(wù)，在洪水期按不引水工況處理。閘孔凈寬按進(jìn)水閘引水流量進(jìn)行計(jì)算確定，凈寬為6 m。

（2）平面布置

攔河全閘式引水渠首由泄洪閘、沖沙閘、進(jìn)水閘、上下游導(dǎo)流堤等組成。總體布置如下：設(shè)計(jì)泄洪沖沙閘攔河布置，閘孔總凈寬89 m，大于計(jì)算值，閘孔數(shù)11 孔，其中沖沙閘3孔，單孔凈寬3 m，泄洪閘8 孔，單孔閘寬10 m；進(jìn)水閘總凈寬6 m，孔數(shù)2 孔，單孔凈寬3 m。進(jìn)水閘位于右岸，沖沙閘閘室右側(cè)緊鄰進(jìn)水閘布置，左側(cè)與泄洪閘相接，泄洪閘右側(cè)緊鄰沖沙閘，左側(cè)與左岸上游導(dǎo)流堤相接。進(jìn)水閘與泄洪沖沙閘軸線夾角為30 °，泄洪閘閘底高程高于沖沙閘閘底高程0.5 m，進(jìn)水閘閘底高程高于沖沙閘底板高程2.0 m，沖沙閘與泄洪閘之間在上游護(hù)坦設(shè)置潛沒式導(dǎo)沙坎，導(dǎo)沙坎頂高程高于泄洪閘閘底高程1.0 m。泄洪沖沙閘上、下游整治段長度150 m，兩側(cè)設(shè)導(dǎo)流堤，其中上游右側(cè)導(dǎo)流堤長55 m，與河道中軸線呈30°夾角與現(xiàn)狀右岸河坎連接；上游左側(cè)導(dǎo)流堤利用現(xiàn)狀導(dǎo)流堤，根據(jù)堤前水位高程對(duì)現(xiàn)狀導(dǎo)流堤進(jìn)行加高、加固，長度300 m；下游左側(cè)導(dǎo)流堤長10 m，下游右側(cè)導(dǎo)流堤120 m，下游導(dǎo)流堤出口處以半徑50 m圓弧45 °轉(zhuǎn)向，呈倒“八”字型向兩側(cè)延伸，由于現(xiàn)狀河寬較寬，無法與現(xiàn)狀河坎連接，因此下游導(dǎo)流堤末端做圓形裹頭，折向上游。進(jìn)水閘末端設(shè)消力池，消力池末端新建梯形引水渠與現(xiàn)狀彎道入口連接。布置圖見圖1。

2.2 方案二：攔河閘堰式引水渠首

（1）閘孔凈寬、孔數(shù)和溢流堰長度計(jì)算

泄洪閘閘孔單孔凈寬為10 m，沖沙閘閘孔單孔凈寬為3 m，根據(jù)洪水流量，對(duì)不同泄洪閘閘孔數(shù)和溢流堰長度組合進(jìn)行試算。按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265 -2016）4.2.7∶閘孔孔數(shù)少于8孔時(shí)，宜采用單數(shù)孔。沖沙閘按滿足常遇洪水流量70 m3/s過流能力計(jì)算，確定孔數(shù)為3 孔；溢流堰最大堰高按滿足進(jìn)水閘加大流量引水要求確定為3.0 m。對(duì)泄洪閘孔數(shù)和溢流堰長度按四種組合進(jìn)行試算：組合一、泄洪閘3 孔，溢流堰長度150 m；組合二、泄洪閘5 孔，溢流堰長度150 m；組合三、泄洪閘5 孔，溢流堰長度100 m；組合四、泄洪閘7 孔，溢流堰長度50 m。泄洪沖沙閘擬定為平底閘，正面泄流，按寬頂堰流公式計(jì)算過流能力；溢流堰為擬定側(cè)堰，側(cè)堰軸線與水流方向夾角為42.4 °，按側(cè)堰公式計(jì)算過流能力。各種組合下泄洪沖沙閘、溢流堰閘前水深和泄洪流量分配成果見表2 ～ 表3。

圖1 東干渠首改造工程方案一平面布置圖

表2 各種組合設(shè)計(jì)洪水水力學(xué)計(jì)算成果表

表3 各種組合校核洪水水力學(xué)計(jì)算成果

由表2 、表3 可知，當(dāng)泄洪閘為3 孔時(shí)，由于閘孔寬度過小，導(dǎo)致閘前水深大，單寬流量大，過閘水位差大，加劇閘后沖刷，易導(dǎo)致下游河床下切；當(dāng)泄洪閘為7 孔時(shí)，閘孔過流能力過大，導(dǎo)致校核洪水工況下溢流堰泄流量都很小，失去了設(shè)置溢流堰的意義；當(dāng)泄洪閘孔數(shù)為5 孔時(shí)，相同堰長情況下，可較3 孔時(shí)閘前水深降低0.63 m，且設(shè)計(jì)洪水工況下，溢流堰不過流，泄洪沖沙閘泄洪能力滿足設(shè)計(jì)洪水過流要求，校核洪水時(shí)，溢流堰承擔(dān)部分泄洪任務(wù)，可兼顧運(yùn)行調(diào)度與安全的需要，因此本次設(shè)計(jì)采用泄洪閘孔數(shù)為5 孔。

根據(jù)組合二、組合三計(jì)算成果可知，泄洪閘同為5 孔時(shí)，受進(jìn)水閘引水需要，溢流堰高度無法降低，溢流堰長度由100 m增加至150 m時(shí)，閘前水深僅降低降低了0.11 m，而溢流堰長度過長，增加工程投資，且不利于水力沖沙，將加劇堰前淤積。因此本次設(shè)計(jì)根據(jù)計(jì)算成果，綜合考慮，溢流堰長度定為100 m。

綜上所述，攔河閘堰式引水渠首確定為沖沙閘3 孔，單孔凈寬3 m；泄洪閘5 孔，單孔凈寬10 m；溢流堰長度100 m，最大堰高3.0 m。

（2）平面布置

攔河閘堰式引水渠首由泄洪閘、沖沙閘、溢流堰、進(jìn)水閘、上下游導(dǎo)流堤等組成。工程總體布置如下：設(shè)計(jì)泄洪沖沙閘攔河布置，進(jìn)水閘位于右岸，沖沙閘閘室右側(cè)緊鄰進(jìn)水閘布置，左側(cè)與泄洪閘相接，泄洪閘右側(cè)緊鄰沖沙閘，左側(cè)與溢流堰相接。根據(jù)閘址地形條件，溢流堰采用側(cè)向布置，軸線與泄洪沖沙閘軸線夾角42.4 °，與左岸現(xiàn)狀導(dǎo)流堤方向保持一致。在《低水頭引水防沙樞紐》中介紹：當(dāng)進(jìn)水閘引水要求需引取河道枯水期全部流量時(shí)，溢流堰的設(shè)設(shè)計(jì)堰頂高程等于進(jìn)水閘水位再加0.1 m～0.3 m的過閘水頭損失。根據(jù)進(jìn)水閘加大引水流量水位計(jì)算成果，本次設(shè)計(jì)水溢流堰堰頂高程比進(jìn)水閘加大引水流量水位高0.18 m，使其可兼?zhèn)湫∷畬?dǎo)流與大水泄洪的功能，溢流堰末端與左岸上游導(dǎo)流堤相接。其他工程布置和方案一相同，方案二見圖2。

圖2 東干渠首改造工程方案二總平面布置圖

表4 總體布置方案比選表

兩方案列表比較見表4。根據(jù)比較，攔河閘堰式方案工程布置緊湊，過水寬度較大，水流較分散，可減少閘后沖刷；運(yùn)行管理方便，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)有一定超泄能力；施工難度小，工程量較小，施工進(jìn)度較快，工程造價(jià)較低；雖堰前易產(chǎn)生淤積，但通過合理工程布置，合理運(yùn)行調(diào)度，可緩解這一矛盾。

經(jīng)綜合分析考慮，攔河閘堰式渠首方案總體上優(yōu)于攔河全閘式方案，因此本次設(shè)計(jì)將方案二：攔河閘堰式渠首方案作為推薦方案。

3 結(jié)語

通過實(shí)際運(yùn)行情況看，三屯河?xùn)|干渠首不但運(yùn)行較以前渠首簡便，而且防沖防淤效果較好，通過渠首的改造提高了下游工農(nóng)業(yè)供水的保證率，為造福昌吉州乃至整個(gè)新疆經(jīng)濟(jì)提供保證。工程分析結(jié)果也可為干旱和半干旱地區(qū)河流的渠首布置型式的設(shè)計(jì)選型提供參考和借鑒。