新疆弯道式渠首引水防沙技术研究

新疆弯道式渠首引水防沙技术研究
新疆弯道式渠首引水防沙技术研究
李山卫树藩严孝达郭平
摘要新疆河流绝大部分是多沙河流，泥沙处理是渠首工程设计中的关键问题。

已建的４００多座引水渠首中，弯道式渠首的应用较为广泛。

针对不同时期弯道式渠首的优缺点及存在问题进行了总结，着重对第三代弯道式渠首的设计特点、优化布置及弯道式渠首的技术发展、泥沙处理、防冰冻措施等问题进行了探讨，对上游、下游整治工程，弯道整治段，河道稳定宽度的设计及灌溉与发电结合问题的解决提出了有效方案。

关键词弯道式引水渠首防沙技术
泥沙处理问题是多沙河流渠首工程设计中的关键问题。

新疆弯道式渠首运用广泛，利用弯道水流特性处理泥沙效果较好。

其发展过程，大致可划分为三个时期。

50～70年代修建的第一代渠首，因不能满足引水防沙的需要，多数已废弃或改建。

80年代后修建的第二代、第三代渠首工程，设计上不断改进，趋于完善，仍存在着一些问题和
认识上的差异。

一、第一代弯道式渠首
20世纪50年代后期，在乌鲁木齐河、八音沟河、玛纳斯河等修建了第一批弯道式（亦称为费尔干式）渠首。

但在运行后头几年，渠首上游就产生严重淤积，达不到原
来设想的引水防沙要求。

1．上游整治段过宽
上游弯道整治宽度的计算，采用阿尔图宁公式：
式中Ａ为稳定河宽系数；采用洪水频率5％～10％的
洪峰流量作为上游弯道设计流量。

引进的费尔干式渠首没
有布置专门的泄洪水道，而将上游弯道兼作兴利水道与泄
洪水道，仅当汛期上游来水超过5％频率设计流量时，才
由上游侧堰溢洪。

而新疆河流洪枯比大，洪峰持续时间很
短，接近或超过5％频率来水流量的概率较小，因此，在
渠首正常运行的绝大部分时间里，弯道流量较小，弯道断
面显得过于宽浅，流速较低，闸前不能形成冲沙所需要的
横向环流，结果造成弯道及闸前的严重淤积。

2．泄洪建筑物布置不合理
为解决超过5％～10％频率洪峰流量的稀遇洪水，在
上游设置溢流堰，结果却是清水溢出，正常运用情况下将
推移质泥沙淤积在渠首弯道中，增加了泥沙处理的难度。

3．平面防沙措施单一
平面防沙设施开始时只有一级，即泄洪闸，不能较好
地解决中小流量排沙问题。

之后由于进入干渠的推移质多，淤积及磨损严重，才又引进了曲线形沉沙池作为干渠上的
二级排沙设施。

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2# 大 中 小 发表于 2006-1-18 20:20 只看该作
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二、第二代弯道式渠首
1．引水弯道设计宽度较第一代显
著缩窄 计算弯道宽度参考阿尔图宁
帖子 3861 精华 17 威望 750 土木币 3143 在线时间 39 小时 注册时间 2004-3-27 ∙ 发短消息 ∙ 加为好友 公式，上游弯道造床流量采用汛期正常出现的流量，即频率为99％的洪峰流量。

将泄洪水道与兴利水道分开，在弯道首端喇叭口的外侧另设宣泄比较稀遇洪水的上游泄洪闸。

弯道宽度的显著缩窄，保证了在弯道内形成横向环流，以促进排沙，防止闸前淤积。

为了使汛期多数时间内弯道环流作用明显，还采用每年大于流量的历时能达到30ｄ的情况作为校核，或是选用进水闸设计流量的2倍作为弯道的设计流量进行校核。

2．增设上游泄洪闸 为了使引水弯道按其需要流量设计，多余的洪水，从引水弯道首端喇叭口外凸岸一侧设置上游泄洪闸宣泄，在布置上其闸的轴线与上游河道轴线交角为30°～40°，闸底高程比原河床稍高或齐平，比弯道进口略低。

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3# 大 中 小 发表于 2006-1-18 20:21 只看该作者 三、第三代弯道式渠首 1．多级排沙综合处理 低水头引水渠首工程，泥沙处理措施主要是排沙和防沙。

泥沙处理由泄洪闸、冲沙闸共同承担，利用泄洪充分排沙。

此外，当引水比较高时，还采用排沙漏斗、冲砂廊道等二次泥沙处理设施，以及对泥沙多级处理的措施。

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2．优化枢纽布置及上游泄洪闸的平面位置
在阿克苏河西大桥电站渠首模型试验中，将上游泄洪闸的平面布置加以优化，排沙效果显著改善，且提高了推移质泥沙的出库率，由此可见平面布置的重要性。

在进行引水枢纽总体布置时，慎重考虑泄洪闸的合适位置及其平面布置，如上游河道宽浅游荡，应根据具体的工程情况及边界条件，并通过水工模型试验择优确定。

3．关于上游整治段的设计问题
过去上游整治段设计过于简单，其首端常以喇叭口形整治段与上游河道连接，无法充分发挥上游泄洪闸的泄洪排沙功能。

在新疆盖孜河吾依他克水电站引水渠首模型试验中，将传统的喇叭口形整治段改成弯道，并同上游河道的主河槽相接，成为“Ｓ”形弯道，泄洪闸设在“Ｓ”形弯道末端，在弯道水流作用下，泄洪闸的排沙能力大大增强，效果十分显著。

分析原因有以下几点：
（1）喇叭口形整治段，由于整治段上游较宽，水流不稳定，泥沙淤积位置常有改变，在运行管理时，难以判断泥沙淤积情况，以采取相应的闸门运行方式；而“Ｓ”形双弯道整治段在各级流量下，第一个弯道凸岸下游的淤积边滩保持稳定，只是其宽度和长度随着流量的变化而改变，即水面宽度随流量自动调整，保证了河流主槽及排
沙效果的稳定性。

（2）曲线形整治段不易造成整治段中的淤积。

因为弯道产生环流，其输沙率比同样断面的直线整治段大，泥沙在弯道中需要的纵向起动流速较直线整治段小，泥沙不易在泄洪闸前淤塞，进水闸前较易形成“清水”带，因此曲线形整治段优于传统的喇叭口形整治段。

（3）泄洪闸的总宽与上游整治段衔接较协调。

吾依他克渠首采取多级泄洪排沙措施设计，泄洪闸共需5孔，将其中3孔泄洪闸上移，并根据上游河势布置了“Ｓ”形整治段，通过多次优化其平面布置，使泄洪时主流和底沙轨迹重合，且处于3孔闸的中孔处，产生较大的单宽输沙率和单宽泄量。

在进行模型试验造床试验放水时，上游水位与水面纵坡与建闸前基本相同，造床试验很快达到泥沙平衡。

这种布
置形式，不仅防止了推移质进入进水闸，更重要的是能得到较高的泥沙出库率，因而有效地延长了引水枢纽调节库容的使用年限。

通过水工模型3个水文年的系列输沙试验，推移质泥沙出库率较高，最终库容满足蓄冰要求。

（4）泄洪闸、冲沙闸底板高程的选定。

首先应分析该渠首所在河段是下切河段，还是上升河段。

属后者，应比天然河底适当抬高。

新疆大多为天然河流，多处于平衡或动平衡状态，这意味着河槽的几何形态在现阶段来水来沙条件下，会保持相对稳定。

泄洪闸的闸底高程应在宣泄原河道设计洪水时，不至于过分卡水，以保持河道主槽固有的泄洪输沙能力。

冲沙闸的底板一般低于进水闸1～1.5ｍ，其底板高程在下切河段可取原河床平均高程。

对中小型多泥沙河流，在引水较大的情况下或枢纽处于冲淤平衡的稳定河段甚至淤积河段，应考虑到在大量引水后，下游河床的水沙平衡、淤积抬高因素，故冲沙闸底板高程要适当抬高，以加强下泄水流的挟沙能力，使泥沙输送到下游较远的距离。

但冲沙闸底板抬高过多，又会减少上游弯道整治段，纵坡又可能会在弯道内淤积，对下游而言，会增加消能防冲设施的费用。

因此，冲沙闸底板高程应结合引水比、枢纽位置、冲淤平衡条件、河段纵坡稳定性及发展趋势、推移质粒径、下游消能防冲等因素综合考虑。

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17 4# 大 中 小 发表于 2006-1-18 20:21 只看该作者 四、弯道式渠首设计中应注意的问题 1．上游整治工程及导流堤超高与布置 上游整治段导流堤的长度、角度，应依天然河床宽度及稳定程度而定。

由于新疆不少山溪性河流，洪水由暴雨加融雪组成，暴涨暴落，历时较短，大河洪峰到来前，对引水道的冲刷能力较弱，有的工程来不及将淤沙冲走，洪峰陡涨就可能造成漫堤。

因此，在这些渠首的设计上要预计渠首泄洪通道在洪水前的淤积情况，适当加大超高。

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导流堤与河岸的连接是一个薄弱环节，必要时可在上游河段（连接处的上游）或导游堤上加挑流丁坝，以确保主流归槽和导流堤安全，导流堤的角度、长度要因河势而布置，导流堤与水流的夹角不宜过大，
导流堤与上游河道要平顺相接。

2．弯道整治段设计
主要应考虑弯道设计流量、长度、稳定宽度、曲率半径、纵坡、流速及与进水闸、冲沙闸的平面衔接等因素，原则上是在每年洪水期
都能形成稳定强烈的横向环流。

弯道设计流量较理想的情况是2倍的进水闸设计流量。

如果洪水季节，河道正常流量较大时，可通过泄洪闸泄洪排沙；若7～8月份洪水季节出现流量较少，而进水闸设计流量又不能减少的情况时，可按每年洪水季节都能发生一定时间（大于10ｄ）的流量作为弯道设计流量，弯道纵坡、流速、底宽之间需统一考虑，要使弯道设计流速
达到泥沙起动流速。

3．下游整治工程
一般根据引水枢纽布置，将下游整治段布置成直线形，也可布置成曲线形。

下游整治段长度，应不少于2倍下游直线稳定河槽宽度，也可适当延长一些，采用4～5倍下游整治宽度。

如下游河床属于纵坡很陡的下切河段，水流挟沙能力较强且下游河岸很稳定，则整治长度可短一些。

若渠首引水比很大，且河床纵坡不大，冲沙泄水闸下游河道有淤积的可能时，下游整治段长则可长一些，使推移质泥沙排到下游较远处。

当枢纽天然河床比较平缓，引水比高，冲沙水较小时，下游冲沙流速较低，容易淤积。

为解决这一问题，可在下游整治段内增设隔水墙束水攻沙，使下泄流量较小时也可将泥沙输送至下游较远
处。

4．关于河道稳定宽度
河道稳定宽度计算一般采用阿尔图宁公式，但这一公式没有反映
含沙量变化，有它的局限性。

应对具体河流实地调查，结合洪水期的流量流速、相应的河床变形及河床质的粒径组成情况进行分析研究确定。

阿尔图宁公式反映的河相关系，适用纵坡较缓的河流，在坡度较陡的山区河段适应性较差。

因此，应根据不同地区河流流量及过程、河床形态、河床质粒径组成等因素综合考虑确定。

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5# 大 中 小 发表于 2006-1-18 20:22 只看该作者 5．关于灌溉与发电结合的问题 新疆多数河流具有建设径流式水电站的条件和需要。

因此，渠首工程不仅要满足灌溉需要，同时也应满足发电的要求。

电站除应对泥沙的处理要求较高外，还要处理好冬季的冰害。

对冰害的处理，最经济合理的方案是利用引水枢纽建成有一定库容的蓄冰库。

由于冬季河道来水较少，从经济上考虑，蓄冰比排冰合算。

为了延长蓄冰库的使用年限，要求设计上必须使渠首枢纽具有较高的泥沙出库率。

6．渠首设计对下游河道演变及生态的考虑 新疆的引水枢纽引水比高，排沙水较少，泥沙含量大，河道宽浅散乱，使引水枢纽及下游引水工程使用寿命及引水防沙效果受到影响，有的甚至报废。

因此，为了保持天然河道的输沙能力，在工程规划上应采用多级引水方式，减少引水比，以保持天然河道特性。

尽可能减少工程对天然河床的影响，不要过度改变河道的水沙条件。

在引水防沙的同时，重视河道演变。

五、结 语 1．引水渠首工程规划应以维持生态良性循环和渠首工程长期运行为原则 引水渠首设计布置应尽可能减少对天然河床的影响，在引水防沙设计的同时，要重视河床演变研究。

尽量保持天然河道特性，限制引
水比，并考虑对下游生态的影响，不应使河型、河流输沙能力发生较大变化。

当引水比较高时，可采用排沙漏斗、冲砂廊道、沉沙池等多
级泥沙处理的措施与办法。

2．泄洪闸与弯道整治段的夹角应与上游整治工程，两河汇合后整治
控导工程的主流方向相适应
泄洪闸的底板高程要适应河床的变化，结合汛期河床冲刷高程确定，并通过模型试验加以验证和调整，以获得良好的引水防沙效果及较高的泥沙出库率，使枢纽长期正常运用。

3．拦河引水渠首上下游整治段的宽度应符合该河段的稳定宽度，枢
纽总体布置应与此相协调
在有合适地形条件的情况下，上游整治段平面布置尽可能为曲线形，使整治段内产生环流、增强输沙能力，并同上游河道的主河槽相
接，形成“Ｓ”形弯道。

4．具有发电要求的径流式水电站除满足对泥沙的处理要求外，还要
解决好冬季的冰害
最经济合理的方案是利用引水枢纽建成有一定库容的蓄冰库。

为了延长蓄冰库的使用年限，渠首应具有较高的泥沙出库率。

参考文献：
1.侯杰，周著等．《河床演变与泥沙防治》（第九届全国泥沙信息网
学术研讨会论文集）．乌鲁木齐：新疆人民出版社．2001．
2.严晓达等．低水头引水防沙枢纽．北京：水利电力出版社．1990．
3.梁志勇等．引水防沙与河床演变．建筑材料出版社．1999．
4.宋祖诏．渠首工程．北京：水利电力出版社．1983．
5.李锡龄等．新疆引水渠首．乌鲁木齐：新疆人民出版社．1993．。