紅山嘴引水樞紐在引水沖砂過(guò)程中對(duì)推移質(zhì)的控制

郝 瑞

(新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，新疆石河子832000)

1 自然概況

新疆瑪納斯河發(fā)源于天山山脈中段的依連哈比爾尕山北坡，位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)核心地帶，東鄰塔西河，西鄰金溝河，南靠依連哈比爾尕山與和靜縣相隔，北接古爾班通古特沙漠與和布克賽爾縣、福?？h相望，地理位置為E84°47'～85°31'，N43°40'～45°30'。干流全長(zhǎng)427 km，呈南北走向，據(jù)1986～2009年資料統(tǒng)計(jì)其多年平均年徑流量14.1億m3，系山溪性?xún)?nèi)陸河流，流程短，水量小?，敽訌搅髂陜?nèi)分配，主要集中于6～9月，水量占全年徑流量的76.64%(紅山嘴斷面)，其中7月和8月水量占年徑流量的54.01%。水量來(lái)源主要為季節(jié)性融雪、降雨及泉水，無(wú)大的支流匯入，人為影響因素較少。

天山山勢(shì)峻拔，前山帶表面主要為砂礫石，加上河道縱坡大，水流集中，沖刷力強(qiáng)，河谷下切深達(dá)100～200 m。大量泥砂隨水流帶至下游，懸移質(zhì)輸砂量年均275萬(wàn)t，最大輸砂量491萬(wàn)t，最大含砂量166 kg/m3，推移質(zhì)年輸砂量約為40萬(wàn)t，80%集中在7、8兩月，推移質(zhì)泥砂占年總砂量的12%～15%，粒徑多為5～300 mm，最大粒徑為500～600 mm，多年平均粒徑為31 mm。

2 工程運(yùn)用概況

紅山嘴樞紐工程是以灌溉為主結(jié)合發(fā)電的人工彎道式永久性引水建筑物，由進(jìn)水閘、泄洪閘、溢流側(cè)堰、上下河道整治段4部分組成。樞紐由4孔進(jìn)水閘，7孔泄洪閘，溢流側(cè)堰和上游河道整治段組成。進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量105 m3/s，加大流量140 m3/s;泄洪閘設(shè)計(jì)流量410 m3/s，加大流量545 m3/s;溢流側(cè)堰位于人工整治段上游岸，長(zhǎng)250 m，校核洪水時(shí)溢流側(cè)堰溢流量410 m3/s。樞紐處設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)情況下泄流能力為650 m3/s，校核標(biāo)準(zhǔn)情況下泄流能力為1 060 m3/s。進(jìn)水閘后接1 km長(zhǎng)總干渠至曲線沉砂池，紅山嘴子水利樞紐布置見(jiàn)圖1。

瑪納斯河紅山嘴樞紐建于1959年，采用正面引取表面清水，側(cè)面底流排砂的蘇聯(lián)費(fèi)爾干式渠首，同時(shí)修建曲線沉砂池配合渠首工作，對(duì)防止泥砂入渠產(chǎn)生了良好的效果。但其設(shè)計(jì)理論與新疆具體情況有較大差異，因此，在工程實(shí)際運(yùn)行中，沖淤與引水的矛盾仍然是突出問(wèn)題。瑪納斯河引水樞紐設(shè)計(jì)理論中稱(chēng):“當(dāng)引水率不超過(guò)0.7～0.75時(shí)，推移質(zhì)泥砂入渠量不大于2%”，它是針對(duì)連續(xù)沖砂的情況下，但在實(shí)際中瑪納斯河渠首的引水比很高，非汛期引水率達(dá)到100%，年引水量一般均為大河總水量的70% ～80%，不得不采用間歇集中沖砂的措施，即使在洪水期，也只能短時(shí)間的邊引水邊沖砂，大部分基流時(shí)間引水率則為100%。因而總干渠推移質(zhì)進(jìn)砂量大大超過(guò)2%，瑪納斯河總干渠推移質(zhì)進(jìn)砂量占大河總量的30% ～58%，詳見(jiàn)表1。

圖1 瑪納斯河紅山嘴引水樞紐布置示意圖

表1 紅山嘴斷面來(lái)水、引水與泥砂情況一覽表

3 引水沖砂過(guò)程中存在的問(wèn)題及對(duì)策

3.1 沒(méi)有設(shè)立上游泄洪閘

在上游整治段設(shè)溢流堰和泄洪閘，泄洪能力得到提高，但反而增加了淤積。

樞紐于1960年開(kāi)始運(yùn)行，僅3 a的時(shí)間就完成了上游淤積，下游沖刷的過(guò)程，開(kāi)始了上游淤積變緩，下游淤積加劇的過(guò)程。下游的淤積使排砂不利，又促進(jìn)了上游的淤積，致使工程不能正常運(yùn)行，效益降低。因此，為提高渠首的泄洪能力，在上游整治段設(shè)置了溢流堰，但溢流堰流去表層水，留下底砂，致使淤積加重，過(guò)洪能力反而降低，為減輕渠首抗洪壓力，1970年，在溢流側(cè)堰末端新建了3孔泄洪閘，設(shè)計(jì)流量為180 m3/s。通過(guò)這一改建，為工程的繼續(xù)運(yùn)行起了一定作用，大大提高了泄洪能力，但泥砂淤積的問(wèn)題仍未得到有效解決。

3.2 閘前整治段過(guò)寬

人為地縮窄上游彎道，充分利用橫向環(huán)流引水排砂。

彎道式引水樞紐是利用水流在彎道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于離心力的作用產(chǎn)生橫向環(huán)流的原理，表層水流向彎道凹岸的進(jìn)水閘，而底層水?dāng)y帶著泥砂由凸岸沖砂閘排走，在平面布置上呈正面引水，側(cè)面排砂的形式。為了在閘前彎道段很好地形成橫向環(huán)流，選用合理的彎道寬度和半徑是十分重要的。彎道過(guò)寬造成主流在彎道內(nèi)左右擺動(dòng)，泥砂堆積在閘前，形不成環(huán)流?，敽忧自趶澋蓝瓮拱?據(jù)閘約100～200 m)做了多條斜丁壩。壩頂比原竣工河床高1.5 m，彎道寬度由原來(lái)40 m縮窄到26～27 m，形成復(fù)式斷面，效果較好。在河道大水時(shí)漫頂而過(guò)，在一般流量時(shí)，也能保證水流沿凹岸運(yùn)動(dòng)，為閘前產(chǎn)生橫向環(huán)流創(chuàng)造了有利條件，但彎道半徑過(guò)大的問(wèn)題仍沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性解決。

3.3 下游整治段過(guò)寬過(guò)短的問(wèn)題

由于下游灌區(qū)需水量要求不斷提高，閘前的引水比提高，沖砂水用水量投入越來(lái)越少。汛期沖砂水較多，但由于下游整治段過(guò)寬、過(guò)短，無(wú)法發(fā)揮沖砂水的有效作用。

我們采用了束窄和延伸下游整治段的方法，改善了下游河道推移質(zhì)泥砂淤積情況。

針對(duì)此問(wèn)題，瑪河渠首于1963年延長(zhǎng)原導(dǎo)游堤60 m，淤積仍未解決。1966年在1、2孔閘后，建導(dǎo)流堤169 m，設(shè)計(jì)流量120 m3/s，大大改善了經(jīng)常運(yùn)用的1、2孔閘后的淤積情況。為把泥砂輸送更遠(yuǎn)，同時(shí)改善沉砂池排砂明渠出口的淤積問(wèn)題，于1970年又將這一導(dǎo)流堤延長(zhǎng)至529 m，并將原6、7兩孔沖砂閘封閉，作邊堤210 m，完工后運(yùn)用情況良好，每次集中沖砂時(shí)間＜4 h，較往年的4～6 h效果還好，閘前擋砂坎每次沖砂后可露30 cm，而曲線沉砂池排砂明渠出口處的下游河床在原來(lái)幾乎淤平的情況下降低1 m，保證了沉砂池正常運(yùn)用。2000年以來(lái)又分別對(duì)閘后導(dǎo)流堤進(jìn)行了延長(zhǎng)，并逐年對(duì)下游河道進(jìn)行了機(jī)械清淤，大大改善了閘后河道推移質(zhì)泥砂的淤積推進(jìn)情況。

縮窄下游整治段并延長(zhǎng)導(dǎo)流堤，對(duì)提高排砂效果、延長(zhǎng)工程壽命起到很大作用。但導(dǎo)流堤的延長(zhǎng)并非無(wú)止境，而是在一定長(zhǎng)度后，上述作用就消失了。

4 推移質(zhì)泥砂的控制程序

瑪河渠首推移質(zhì)泥砂測(cè)驗(yàn)已開(kāi)展多年，在閘前、閘后、總干渠及排砂明渠上分別設(shè)立了推移質(zhì)泥砂測(cè)驗(yàn)斷面，在行洪期上游閘門(mén)的調(diào)控下，對(duì)不同情況下河道及干渠進(jìn)砂、出砂量進(jìn)行對(duì)比，不斷地摸索瑪河推移質(zhì)泥砂運(yùn)行的規(guī)律。長(zhǎng)期以來(lái)，筆者根據(jù)自已的工作體會(huì)，結(jié)合老一代瑪河人對(duì)推移質(zhì)泥砂測(cè)驗(yàn)和控制的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下控制程序，供大家參考。

瑪河紅山嘴引水樞紐推移質(zhì)泥砂控制程序:

4.1 擬定干渠分砂計(jì)劃

根據(jù)引水干渠輸砂或沉砂池的排砂能力，或根據(jù)引水干渠、沉砂池實(shí)測(cè)泥砂沖淤變化資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定引水干渠進(jìn)水閘允許進(jìn)砂量，計(jì)算干渠安全輸砂率Qb安全，統(tǒng)計(jì)分析紅山嘴引水樞紐1962～1966年，5 a洪水期7～8月干渠引水，沉砂池排砂的資料，5 a中7～8月沉砂池排砂明渠平均排砂5萬(wàn) ～6萬(wàn) m3，按1.6 t/m3，折合8.96萬(wàn) t，平均輸砂率為16.72 kg/s。2000和2001年7～8月總干渠平均輸砂量8.38萬(wàn)t，平均輸砂率15.6 kg/s，根據(jù)歷史實(shí)際的輸砂率，引水干渠的安全輸砂率可定為≤16 kg/s，即輸砂量864 m3/a，7～8兩月總量為5.36萬(wàn)m3。

4.2 測(cè)定當(dāng)日彎道瞬時(shí)來(lái)水流量

確定干渠引水指標(biāo)(Q干引)及干渠水位。

4.3 計(jì)算當(dāng)日瞬時(shí)引水率

當(dāng)日瞬時(shí)引水率計(jì)算公式為:

4.4 計(jì)算當(dāng)日瞬時(shí)分砂比

當(dāng)日瞬時(shí)分砂比公式為:

4.5 計(jì)算彎道當(dāng)日瞬時(shí)安全輸砂率

當(dāng)日瞬時(shí)安全輸砂率計(jì)算公式為:

4.6 計(jì)算彎道當(dāng)日瞬時(shí)安全水面比降

當(dāng)日瞬時(shí)安全水面比降計(jì)算公式為:

4.7 計(jì)算附合安全水面比降值的彎道上水尺水位差

4.8 計(jì)算水位差

調(diào)整控制閘門(mén)，觀測(cè)干渠引水流量，同時(shí)觀測(cè)彎道上下比降水尺，至水位差達(dá)到計(jì)算值。

4.9 復(fù)核泥砂控制效果

測(cè)定彎道，引水干渠的流量、輸砂率，校核泥砂控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

新疆瑪納斯河系山溪性多砂河流，洪枯流量變化極大，前山植被較少，在洪水期河水會(huì)以急流狀態(tài)挾帶大量泥砂下泄，對(duì)于渠首的工程使用壽命及引配水都會(huì)有十分嚴(yán)重的影響，只有科學(xué)地分析歷史資料，綜合考慮各方面的因素，堅(jiān)持不懈地對(duì)推移質(zhì)泥砂進(jìn)行研究分析，掌握其運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行有效的引水排砂，合理利用，才能變害為利，造福人民。

［1］嚴(yán)曉達(dá)，劉旭東，李貴啟，等.低水頭引水防砂樞紐［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［2］劉允敬.新疆瑪納斯河紅山咀樞紐取水防砂運(yùn)行實(shí)踐［J］.泥砂研究，1983(2).

［3］李山，衛(wèi)樹(shù)藩，嚴(yán)孝達(dá)等.新疆彎道式渠首引水防砂技術(shù)研究［J］. 中國(guó)水利，2003(4b).