平原河道灌溉渠首工程壩閘寬比合理性分析

王秀芬

（黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

我國三北地區(qū)占國土面積42．4%，分布的灌溉渠首工程約三萬多座。以商品糧輸出大省黑龍江省為例，該省地域廣闊，農(nóng)用地面積占全省土地面積的83．5%［1］，灌溉渠首工程分布面廣，數(shù)量大，是農(nóng)田水利灌溉的基礎性工程。這類工程大多分布在平原河道上，所在河流多為窄河槽、寬漫灘形式，工程特點是壩矮、水頭低，洪水時主槽和灘地共同泄洪，其結(jié)構(gòu)型式、設計方法有別于完全攔河閘壩工程，具有自身獨有的特點。

攔河渠首工程中水閘的過水寬度是影響工程泄洪、排砂、排冰、河道穩(wěn)定等功能的最主要因素，在閘壩結(jié)合的渠首工程設計工作中，選擇合理的壩閘寬比是優(yōu)化設計，實現(xiàn)工省效宏的關鍵。由于有關專業(yè)書中對此類問題少有論述和研究，目前尚未有統(tǒng)一合理的壩閘寬比選擇方法，設計者選擇壩閘寬比時常會感到無所適從，明晰平原河道灌溉渠首壩閘寬比選擇理論和方法是迫切需要進行深入研究的課題。

1 典型渠首工程確定和特性分析

1．1 典型渠首工程確定

為了使研究結(jié)果具有廣泛的適用性，在對黑龍江省平原河道上大量的渠首工程進行調(diào)查的基礎上，分析選擇出六個典型渠首攔河工程作為研究對象。這些渠首工程的攔河壩壩高在1．25～2．70m之間，調(diào)查的渠首工程中有76%攔河壩壩高在此范圍之內(nèi)。這六座渠首工程分別在呼蘭河、螞蟻河、穆棱河三個流域，所在河段具有不同的灘槽比、寬深比、壩高和控制流域面積。工程地質(zhì)和水文資料齊全，方便進行研究分析。各項工程特性數(shù)據(jù)見表1。

表1中A為壩閘寬比，即壩的過水寬度BB與閘的過水寬度BZ的比值，表達式為

1．2 河槽寬深比

河槽寬深比為河槽平均寬度B與河槽平均深度H的比值，反映了渠首所在河槽斷面形態(tài)的最基本特征。假設河槽為矩形斷面，河深按河槽實際過水斷面面積除以平均河寬確定，得出所選典型攔河工程河槽寬深比從16到57依次不等，見圖1所示。

1．3 河槽及灘地過流特性

平原河流一般具有主槽窄，灘地平坦寬闊的特點。渠首工程多建在這種窄河槽上，水頭低且不完全攔河。六座典型渠首工程河槽和灘地的過流特性如圖2、圖3。

表1 典型工程基本特性表

圖1 河槽寬深比

圖2 河槽流量與水深關系曲線

圖3 灘地流量與水深關系曲線

從過流特性關系曲線分析平原河道非完全攔河渠首工程所在河流可以分為三類：第一類可稱其為“寬漫灘”河道，灘地水深增加時，河道泄量增加很快（如東海）；第二類可稱其為“窄漫灘”河道，當灘地水深增加時，灘地泄量增加緩慢（如雞冠山）；不屬于一、二類的河道較多，故可稱其為“中漫灘”河道。

1．4 壩閘寬比與阻水面積比

將攔河工程擋水面積（壩擋水面積＋閘中墩擋水面積＋閘邊墩擋水面積）與原河道平灘水位以下河槽過水面積的比值，定義為阻水面積比，用“η”表示。阻水面積比η在渠首設計中是一個重要的參數(shù)，采用不同的阻水面積比，可以在攔河工程上游產(chǎn)生不同的壅水高度和不同的上下游水位差［2－5］。研究結(jié)果表明，在天然河道上修建攔河渠首工程，可以通過選擇不同的壩閘寬比來取得不同的阻水面積比。

根據(jù)阻水面積比的定義，平槽流量時阻水面積比η有下式：

還可表示為

式中：η為阻水面積比；H為平均河深，m；B為平均河寬，m；n為閘孔數(shù)；BD為閘中墩厚度，m；Bq為閘邊墩厚度，m；BB為垂直水流向壩寬（或壩長），m；hB為壩高，m。

六座渠首攔河工程壩閘寬比A不同時的阻水面積比η列入表2。

為便于分析，繪出阻水面積比η隨壩閘寬比A變化曲線，見圖4。

表2 壩閘寬比與阻水面積比關系表

圖4 A與η關系曲線

表2數(shù)據(jù)、圖4曲線表明：①渠首攔河工程的阻水面積比η隨著壩閘寬比A的加大而加大。各典型工程全閘方案的阻水面積占平灘水位以下面積的8．37%～17．28%，當壩閘寬比由1到5變化時對應阻水面積比相應跟隨變化為35．41%～81．77%，而在全壩方案時，阻水面積η為61．82%～96．15%，數(shù)值變化十分明顯。②渠首攔河工程的阻水面積比η隨著hB／H值的減小而減小。北關渠首壩高與河深的比值為62%，東三渠首對應值為96%，在壩閘結(jié)合方案壩閘寬比1～5變化時，北關渠首阻水面積比為35．41%～52．64%，而東三工程為54．70%～81．77%，前組數(shù)據(jù)明顯小于后組數(shù)據(jù)。③壩高與河深比值越小，壩閘寬比增加引起阻水面積增加速率越緩慢。分析上述兩組數(shù)據(jù)可以看出，前組數(shù)據(jù)差值范圍17．23%，后組數(shù)據(jù)差值范圍27．07%。前組數(shù)據(jù)對應曲線表現(xiàn)相對平緩。

攔河工程采用閘壩結(jié)合方案時，由于閘的中墩和邊墩所遮擋的過流斷面占河槽過水斷面的比例很小，因此在定性分析時，式（3）前兩項可以忽略不計，即阻水面積比η是壩高與河深比值和壩長與河寬比值的乘積。

由式（5）可以看出：①阻水面積比η必小于1。因為過流時壩高hB是小于河深H 的，則式（5）乘積表達式因子均小于1。②在壩高與河深比值一定的情況下，阻水面積比η與壩閘寬比A存在著函數(shù)關系。③從式（5）后因子還可以看出，當壩閘寬比A數(shù)值較大時，壩閘寬比A的變化對阻水面積比η影響很小。④從式（5）前因子還可以看出，阻水面積比η與壩高hB成正比關系，與河深H成反比關系。

2 成果與分析

2．1 壩閘寬比與上下游水位差的關系

上下游水位差直接影響著渠首工程的上游淹沒、切灘改道、過閘壩單寬流量和工程造價。下面分析同一工程選擇不同壩閘寬比將對上下游水位差產(chǎn)生的影響。

為使對比數(shù)據(jù)特征明顯，選擇灘槽流量比較小的王楊渠首和灘槽流量比較大的東海渠首進行分析。在高水位時，平原河道上大多數(shù)渠首工程的灘地參加泄洪，因此在研究渠首工程上下游水位差的變化規(guī)律時，首先需要分析壩、閘、灘行洪能力以及灘槽流量之間的關系。選擇不同壩閘寬比可以得出這兩個渠首工程對應的校核水位（P＝2%）和平槽水位時的灘地流量、河槽流量，灘槽分流比以及上下游水位差關系數(shù)據(jù)，詳見表3。

表3 河槽、灘地分流成果表

表3中“Q槽”為河槽過流量，是指壩的過流量和閘的過流量總和。數(shù)據(jù)表明，灘地流量與總流量比較大的東海渠首壩閘寬比A如果從5降低為1，在P＝2%時灘地泄量從82%變?yōu)?0%，灘地泄量只減少2%，上下游水位差減小0．07m。對應在平槽流量時，灘地泄量從57%變?yōu)?5%，灘地泄量減小12%，上下游水位差減小0．09m；灘地流量與總流量比較小的王楊渠首，當壩閘寬比A從5降低為1，在P＝2%時灘地泄量從46%變?yōu)?0%，灘地泄量只減少6%，上下游水位差減小0．18m。對應平槽流量時，灘地泄量從31%變?yōu)?4%，灘地泄量減小17%，上下游水位差減小0．46m。數(shù)據(jù)表明，減小壩閘寬比A可以減小上下游水位差，但是在平原河道上灘地流量與總流量比大的情況，減小壩閘寬比對減小上下游水位差的作用不大。

表4列出了六座典型渠首工程在P＝2%和平槽流量情況下，不同的壩閘寬比A對應的上下游水位差△Z變化范圍。

表4 壩閘寬比與上下游水位差關系表 m

由表4可知，壩閘寬比A加大后，上下游水位差△Z向增大方向變化，變化的程度受渠首工程所在河道灘槽流量比的影響，灘槽流量比大時，擋水建筑物的阻水作用（△Z）變化量小，降低壩閘寬比A對降低△Z的作用變小。在平槽流量時，擋水建筑物的阻水作用普遍增大，隨著A的減小，能顯著地降低△Z，但在灘槽比很大時，這種影響減小。

2．2 壩閘寬比對過閘流速的影響

六個典型工程在不同的壩閘寬比情況過閘平均流速值見表5。

表5 壩閘寬比與過閘平均流速關系表

由表5可以看出，過閘平均流速隨著壩閘寬比的加大而加大，選擇較大的壩閘寬比對沖砂有利，但加大了下游消能防沖負擔，需要工程設計時根據(jù)河道泥砂情況及下游河道防沖要求綜合考慮。在洪水（P＝2%）情況下，壩閘寬比由0（對應全閘方案）變?yōu)?時，過閘流速數(shù)值加大緩慢；而在平槽情況，壩閘寬比由0變?yōu)?時，各典型工程過閘流速增加25%～70%，可見平槽流量時，不同壩閘寬比對應的過閘流速變化較大。

2．3 壩閘寬比對攔河閘消能效果的影響

一般來講，影響消力池水力條件的因素主要有上下游水位差、過閘單寬流量、下游尾水深度、閘門開啟程度，以及開啟速率等。為了便于分析規(guī)律，選取灘槽流量比較大的東海渠首和較小的王楊渠首作為研究對象，也就是選取了平槽情況時上下游水位差較小和較大的兩個渠首工程進行壩閘寬比對攔河閘消能效果影響的典型工程。

壩閘寬比從1到5變化時，兩個典型工程消能防沖所需要的消力池和海漫最小長度也隨之變化，表6列出了相關數(shù)據(jù)。

比較這些數(shù)據(jù)可以看出，當選擇不同的壩閘寬比時，兩個工程的消力池長度均變化不大；而兩個工程的海漫長度隨著壩閘寬比的增加而較明顯增加，而且上下游水位差較大的王楊渠首增加速率大于東海渠首，見圖5。

表6 壩閘寬比與攔河閘消能防沖效果關系表 m

圖5 A與海漫長度關系圖

2．4 壩閘寬比對工程造價的影響

根據(jù)壩、閘分別占居的河道寬度，渠首攔河工程可以分成全壩、閘壩結(jié)合和全閘攔河工程方案。全壩方案工程造價最低，河道流量控制能力最差；全閘方案工程造價最高，河道流量控制能力最強。為便于工程設計者能夠方便地選擇出既滿足工程水力控制要求，又使工程造價符合投資控制要求，本節(jié)討論壩、閘分別占居河道不同寬度對工程造價的影響。

研究方法采用抽樣調(diào)查已建成和設計完成的部分渠首工程，統(tǒng)計分析出各工程壩單寬平均造價、閘單寬平均造價和兩者數(shù)值關系。為剔除物價上漲因素的影響，統(tǒng)計分析樣本采用物價相對平穩(wěn)的1998—2003年6a間設計和建設的鐵力市王揚、北關渠首，尚志市東二干、東三干渠首，方正縣永建渠首，木蘭縣尖山子渠首，綏棱縣上集渠首等10座平原河道上的渠首工程。

設工程造價綜合增長系數(shù)為a，得出了10座工程的壩、閘單位長度造價繪成圖6。

經(jīng)統(tǒng)計分析，得到10座工程的攔河壩、閘單位長度平均造價分別約為4a萬元／m、12a萬元／m，壩、閘平均造價比約為1：3，當壩閘寬比為3時，壩與閘造價接近相等。

設IBa為壩單寬造價，擋水建筑物為壩閘結(jié)合方案時總造價IBz為：

圖6 壩、閘單寬造價比較圖

擋水建筑物由壩閘結(jié)合方案轉(zhuǎn)換為全壩方案時總造價IQB為：

壩閘結(jié)合方案造價與全壩方案造價的比值RI可表示為：

將式（1）、（6）、（7）代入式（8）得：

由式（9）可以定性地分析出壩閘寬比A對工程造價的影響：①壩閘結(jié)合方案造價與全壩方案造價的比值RI一定大于1，其含義是壩閘結(jié)合方案造價一定高于全壩方案。②全閘方案時，即當壩閘寬比A為0時，工程造價是全壩方案的3倍。③壩閘寬比越大，式（9）愈趨近于1，工程含義是工程造價越接近于全壩方案。壩、閘相對造價比值與壩閘寬比關系曲線見圖7。

3 結(jié) 論

（1）對于平原河道非完全攔河渠首工程，所在河道可以分為“寬漫灘、窄漫灘、中漫灘”三類。

圖7 壩閘寬比與相對造價比關系圖

（2）對于一個確定的攔河工程，平槽情況下阻水面積比η與壩閘寬比A存在著函數(shù)關系。一般來講，全閘方案的阻水面積占平灘水位以下面積的10%左右，全壩方案時對應數(shù)據(jù)為80%左右，數(shù)值相差懸殊。

（3）洪水期，對于灘地泄量占總泄量70%～80%以上的河道，壩閘寬比的變化，對上游水位壅高作用不大，在灘地泄量與總泄量比值較小和平槽水位情況下，壩閘寬比的變化，對上下游水位差影響較大。

（4）本文提出的不同壩閘寬比攔河工程壩、閘單寬造價估算公式，可為渠首工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性論證提供了簡便的計算方法。

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