阿合布隆渠首引水防沙系统的设计

简介： 阿合布隆渠首是渭干河最大源流——木扎提河上游第一座拦河式引水渠首，设计引水流量40m3/s，设计泄洪流量665m3/s，控制灌溉面积35.7万亩。是一座费尔干式和弯道冲沙槽式相结合的渠首，该种布置形式在新疆尚属首次。该渠首工程已于1999年3月投入生产，运行状况达到设计标准，社会经济效益均十分明显。经过运行证明，该工程的设计是成功的，可为后续类似工程借鉴。
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　　 一、概况

　　 阿合布隆渠首位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区拜城县境内木扎提河的出山口处，1995年由世行贷款投资兴建。

　　 该渠首是木扎提河灌区开发治理的龙头工程，主要解决阿克苏地区温宿县、拜城县分布在木扎提河南北两岸共计35.7万亩的灌溉引水问题。

　　 该工程具备泄洪、排沙、引水功能，主要由泄洪闸、冲砂闸、曲线冲砂槽、进水闸及上游曲线整治段和下游整治段构成。

　　 该渠首工程主要利用上游曲线弯道和曲线型冲砂槽的横向环流作用引清排沙。1995年11月，该工程的初步设计成果在新疆水利水电科学研究院水工模型试验中得到验证，1996年5月开工，1998年9月通水，1999年3月正式运行。

　　 二、引水渠首河段水文泥沙特性

　　 木扎提河发源于新疆天山南坡，渠首附近设有水文站（即破城子站）一座。该水文站以上河流全长198.8km，集水面积2845km²，其中冰川面积1219.6km²，径流主要来源于冰川积雪消融水为主，降雨、地下水补给次之。每年7～8月常发生融冰雪和暴雨叠加形成的混合型洪水，陡涨陡落，峰高量大，破坏性较大。

　　 据破城子水文站实测资料，多年平均径流量14.6亿m³，历年最大径流量17.94亿m³，历年最小径流量11.48亿m³，径流年际变化平稳，年内分配极不平衡，6～8月三个月径流量占全年径流量的70%，见表1。

　　 洪水集中、河床坡陡、流急、推移质泥沙粒径粗、量大是木扎提河的特点。据破城子水文站实测，平均含沙量2.86kg/m³，实测最大含沙量38.1kg/m³，见表3。年均输沙量402万t，最大年输沙量529万t，最小年输沙量250万t。漂石粒径一般在400mm左右，河床卵石以100～200mm为主，漂石、卵石含量大于80%。经地勘分析，该河段河床D₅₀=9.2mm。

　　表1 木扎提河破城子水文站多年平均月流量表

　　表2 木扎提河洪水频率成果表

　　表3 木扎提河破城子水文站月含沙量表

　　 三、工程布置和引水防沙系统设计

　　 一）、设计总体布置原则

　　 1、保证灌区的正常用水，在枯水期木扎提河流量小于40 m³/s，将被全部引入总干渠。

　　 2、泄洪建筑物能通畅排泄洪水、泥沙、漂浮物。

　　 3、木扎提河为高沙河流，渠首的布置和设计应充分考虑防止泥沙入渠，并采取措施将进入渠道的少量推移质排出渠外。

　　二）、工程布置

　　渠首闸址选在木扎提河出山口上距破城子水文站5km处，该处有一天然河弯，河道主流稳定于右岸（凹岸），弯道水流明显，具备布置人工弯道的条件。该工程为右岸单侧引水。

　　渠首工程由以下建筑物组成，见图一。

　　1、泄洪闸：共3孔，单孔净宽8m，设计泄洪流量Q_P=2%=585m³/s，校核洪水Q_P=0.2%=758m³/s,由弧形钢闸门控制。

　　2、排沙闸：与泄洪闸呈一字型布置，共2孔，单孔净宽5.5m，设计泄流流量Q_P=2%=196m³/s, Q_P=0.2%=287m³/s，由平板钢闸门控制。

　　3、进水闸：与冲沙闸呈45°角布置。进水闸共3孔，单孔净宽5m，设计引水流量Q_设计=40m³/s，Q_加大=45m³/s，由平面板钢门控制。进水闸设有一道长30m的悬板式“┓”型挡沙坎。

　　4、上游整治段（即人工弯道）:整治段呈曲线型布置，曲率半径200m，整治段长224.5m，底宽39m。设计洪水Q_P=2%=665m³/s，校核洪水Q_P=0.2%=958m³/s,设计造床流量Q_P=80%=662m³/s。

　　5、冲沙槽:位于上游整治段内与冲沙闸相连，共分两道，单道净宽5.5m，总长60m，槽内设有一道长30m的束水墙。

　　6、下游整治段:呈直线布置，底宽39m，全长115m。为防止河床下切过甚而影响建筑物安全，在下游整治段底部内呈有三道防冲深隔墙。

　　 三）、引水防沙系统工程的设计

　　 （一）引清排沙机理

　　 利用上游引水弯道中水流运动离心力作用产生的横向环流的原理，将弯道内水流底层大量的推移质挑向左岸（凸岸），通过泄洪闸将推移质排至下游。同时，因环流作用使含少量推移质的水流挑向右岸（凹岸），由设在凹岸末端的弯道式冲沙槽进行第二次处理。进入冲沙槽的水流进行第二次横向环流作用，尽可能使推移质偏离进水闸的引水口。进入冲沙槽的推移质由冲沙闸排至下游，基本达到引清排沙的目的。

　　 （二）基础参数的确定

　　 1、造床流量

　　 根据新疆一些成功渠首的经验，在多泥沙河流中选用平滩水位对应的流量作为造床流量，即平均每年发生多次的流量作为造床流量，宜选洪水频率为P=80%～100%。本工程选P=80%，对应流量Q=262m³/s，见表2。

　　 2、推悬比

　　 通过新疆水科所对新疆山区河流推移质输沙率的研究经验，推移质输沙率约占悬移质输沙率的10～15%，本工程取15%。

　　 3、推移质平均粒径

　　 根据新疆较多渠首模型试验，在造床流床流量时，河床的泥沙全部处于运动状态，推移质平均粒径近似地取为渠首段河床质的平均粒径，本工程经河床质颗分曲线查得D₅₀=0.092m。

　　 4、推移质输沙率

　　 据破城子水文站实测推移质平均输沙率130.2kg/s。

　　 （三）引水冲砂系统的设计

　　 1、引水弯道设计

　　 引水弯道设计的主要内容为：引水弯道尺寸的确定（包括：水面宽Bo、水流稳定纵坡J、水深h和平均断面流速V及整治段底宽B），引水弯道半径R、长度L、设计纵坡i。

　　1）、引水弯道基本尺寸确定

　　计算公式如下：

　　 Bo=0.51×A^1.03×Q^0.71×D_CP^0.086/（n^0.41×g_S^0.11）

　　 J =29.18×n^2.05·g_{S·/（A^0.13×Q×DCP^0.43）}

　　 h =0.54×n^0.23·Q^0.48·D_CP^0.078/（A^0.58×g_S^0.10）

　　 V =3.6×n^0.18·g_S^0.21·/（A^0.45×Q^0.18×D_CP^0.16）

　　 B =Bo - 2mh

　　 式中：

　　 A：河床稳定系数，取值范围0.9～1.1，本工程选用0.98；

　　 Q：造床流量，本工程选P=80%，洪水频率对应流量为262m³/s；

　　 n：河床自然糙率，本工程选用0.045；

　　 g_S：年平均输沙率，本工程选用130.2kg/s；

　　 D_CP：河床质中值粒径，本工程为0.092m。

　　 将A、Q、n、g_S、D_CP代入以上五式，得：

　　 B=39m、Bo=44.3m、J=1/112、h=1.98、V=3.10m/s

　　 2）、引水弯道半径

　　 为了保证弯道具有良好横向环流及水流稳定条件，本工程经模型试验验证，R=4.5Bo≈200m。

　　 3）、引水弯道长度

　　 为了保证渠首的引水弯道具有设计水流结构，上游引水弯道应有足够的长度，L=（5～6）Bo。本工程取L=5×Bo=5×44.3=221.5m。

　　 4）、引水弯道设计纵坡

　　 本工程所在河段河床平均纵坡为1/120，计算的稳定纵坡大于河床平均纵坡，故本工程选用计算的稳定纵坡1/112作为本工程引水弯道的设计纵坡。

　　2、冲砂槽设计

　　为进一步减少水流中人工弯道凹岸的泥沙量，在进水闸前设置曲线冲砂槽和挡沙坎。

　　1）、冲砂槽设计流量的确定

　　根据国内已建的运行效果较好的冲砂槽工程的成功经验，本工程冲砂闸设计流量选用进水闸引水流量的2倍，即Q_槽=2×Q_引=2×45=90m³/s

　　2）、冲砂槽宽度

　　为利于小流量时间歇性冲砂，冲砂槽分两道，每道净宽5.5m。

　　3）、冲砂槽长度及高度的确定

　　冲砂槽总长度取进水闸闸前侧堰长度的2倍，即2×30m=60m，高度取整治段内造床流量（Q=262m³/s）时对应的水头高度，即2.5m。槽内设有一道短束水墙，长度为30m，高度1.0m。

　　4）、冲砂槽设计纵坡

　　本工程冲砂槽设计纵坡略大于引水弯道的设计纵坡，为1/110。

　　5）、冲砂槽设计流速

　　根据模型试验的结论和拟定的工程运行管理方式，在河道来水大于45m³/s，部分开启或全部开启冲砂闸，冲砂槽开始工作。本工程冲砂槽设计流速为4.3m³/s。

　　6）、冲砂槽弯道半径

　　本工程弯道半径为214.6m。

　　7）、挡砂坎

　　挡砂坎亦为进水闸前的一道侧堰，呈弧线布置，转弯半径220.7m，挡砂坎高1.5m，坎前设“┓”型悬板，悬板宽1.0m。

　　四、引水防沙效果

　　 经过两年运行，上游人工引水弯道环流作用明显，冲砂槽冲砂效果较好，泥沙经过人工弯道和冲砂槽的两次处理后，进入总干渠的泥沙颗粒普遍在20mm以下，再通过设在渠道上的涡管排沙设施进行第三次处理，基本解决了引水总干渠的泥沙磨蚀问题。

　　参考文献

　　1、陈树林 山区河流卵石河床引水渠首上下游整治段的设计《新疆水利》编辑部1989（6）

　　2、新疆引水渠首 新疆人民出版社1993年（12）

　　3、引水渠首 水利电力出版社1985（2）