新疆伊犁喀什河引水渠首工程彎道部分的設(shè)計(jì)研究

何若飛

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊　830000)

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新疆伊犁喀什河引水渠首工程彎道部分的設(shè)計(jì)研究

何若飛

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊830000)

新疆河流一般較多為山溪性多泥沙內(nèi)陸河，河道短且水量較小，推移質(zhì)泥沙含量高。本文以伊犁喀什河引水渠首工程為例，結(jié)合彎道水力學(xué)及各參數(shù)方法，簡(jiǎn)單介紹引水渠首彎道部分的運(yùn)行特點(diǎn)。可以看出這種利用彎道水流產(chǎn)生橫向環(huán)流從而起到排沙目的的布置形式在實(shí)際過程中運(yùn)行良好，引水防沙效果較好，是創(chuàng)新的第三代彎道式渠首。

彎道； 渠首； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

830000,China)

1　伊犁喀什河渠首經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

新疆河流多為山溪性多泥沙內(nèi)陸河，河道流程短，水量小，推移質(zhì)泥沙含量高，解決好引水排沙問題，是引水工程關(guān)鍵。1956年蘇聯(lián)專家將彎道式引水渠首引入新疆，這種布置形式主要是利用彎道水流產(chǎn)生橫向環(huán)流的原理進(jìn)行正面引水和側(cè)面排沙。先后在烏魯木齊河、八音溝河、瑪納斯河、三屯河等處修建了彎道式引水渠首，而這些渠首普遍存在引水和泥沙淤積間的矛盾。通過不斷總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，1967年建成伊犁喀什河引水渠首，運(yùn)行41年，實(shí)測(cè)進(jìn)水閘不進(jìn)推移質(zhì)，引水防沙效果良好，是創(chuàng)新的第三代彎道渠首。

目前，該渠首引水彎道由于年久失修存在的主要問題是:兩岸護(hù)坡存在裂縫現(xiàn)象，凹岸護(hù)坡沖刷嚴(yán)重，局部漿砌石剝落，在沖沙閘上游凸岸存在淤積現(xiàn)象。

此次設(shè)計(jì)仍采用原設(shè)計(jì)，天然穩(wěn)定的良好河彎，其曲率半徑、河床坡度、流速等條件無疑最適合該河流的自然特性。由于洪水洪峰流量較原設(shè)計(jì)大，須對(duì)該彎道的基本要素值進(jìn)行復(fù)核設(shè)計(jì)。

2　彎道位置的確定

該渠首選擇在喀什河出山口約2km的褓姆塔石天然河彎處，該處河流分成左右兩支，中間灘地首端有天然基巖矗立，即褓姆塔石。渠首利用該處天然河彎的有利地形將右支改建利用作引水道，并修建攔污橋、引水彎道、西岸進(jìn)水閘、沖沙閘，同時(shí)利用左支作泄洪道，修建泄洪閘、東岸進(jìn)水閘。渠首上游雖有反向河彎，但上游河彎末端左岸有基巖岸坡并延伸至河槽，可將主流由凸岸挑至河心，且下接一直線過渡段，可使主流逐漸轉(zhuǎn)向凸岸，同時(shí)，在引水彎道首端左側(cè)有約35m長(zhǎng)的巖墻，其突出部分又再一次將水流適當(dāng)挑向該引水彎道凹岸，更進(jìn)一步加強(qiáng)了環(huán)流。由此可證明彎道位置的確定是成功的。

3　引水彎道水力計(jì)算

3.1彎道過水能力及渠頂高程

引水彎道為原河道分水后的右支經(jīng)整治而成。右支引水彎道與左支泄洪道的自然分水比大致為4∶6。由1982年洪水實(shí)測(cè)資料可知，分水比接近4∶6。此次設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為1294m3/s，校核洪水洪峰流量為1440m3/s，比原設(shè)計(jì)有所增大。按照設(shè)計(jì)分水比彎道設(shè)計(jì)洪水流量為492m3/s，校核流量為547m3/s。按閘孔的下泄洪峰流量推求上游水深得出，沖沙閘前設(shè)計(jì)洪水位為807.65m，校核洪水位為807.98m。

該工程建成后，于1982年6—7月進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，由當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)斷面水深、流速、流量，用曼寧公式反算出糙率n=0.033，起始水深取閘前水深為控制水深。引水彎道近似按渠道漸變流計(jì)算，其水面曲線如表1所列。

表1　設(shè)計(jì)、校核洪水彎道水面曲線計(jì)算

渠堤超高計(jì)算時(shí)水深取沖沙閘閘前最大水深，設(shè)計(jì)洪水時(shí)為5.15m，校核洪水時(shí)為5.48m。

岸頂超高按《灌溉與排水設(shè)計(jì)工程規(guī)范》(GB 50288—99)，1～3級(jí)渠道的土石壩設(shè)計(jì)要求確定。

設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)查表換算得出，1～3級(jí)建筑物采用累積頻率為1%的爬高值，累積頻率系數(shù)為2.42。

該工程為Ⅱ等大(2)型工程，安全加高設(shè)計(jì)洪水位時(shí)為1.0m，校核洪水位時(shí)為0.5m。

渠頂高程計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2　渠頂高程計(jì)算成果

注工況一：設(shè)計(jì)洪水位加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值的渠頂超高；

工況二：校核洪水位加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值的渠頂超高。

渠道彎曲段的曲率半徑小于5倍水面寬或平均流速大于2m/s時(shí)，應(yīng)增大凹岸超高，其增加值可用《水力計(jì)算手冊(cè)》中彎道橫向水位差公式計(jì)算。

計(jì)算彎道橫向水位差時(shí)，分別驗(yàn)算彎道中點(diǎn)處和彎道末端處凹岸超高，如表3所列。

表3　彎道渠頂高程計(jì)算成果

從以上計(jì)算可知，引水彎道渠頂高程由彎道通過設(shè)計(jì)洪水流量控制，最大為809.390m。因此，彎道始端由810.200m加高至811.000m，彎道中點(diǎn)渠堤加高至809.500m，彎道末端渠堤加高至809.500m。

3.2彎道設(shè)計(jì)流速

關(guān)于引水彎道底設(shè)計(jì)流量，新疆水利工作者做過很多研究和調(diào)查，新疆一些河流7—8月河流徑流量占年徑流量的50%～60%，推移質(zhì)輸沙量占年輸沙量的80%，為使彎道保證在7—8月充分發(fā)揮環(huán)流作用，彎道設(shè)計(jì)流量應(yīng)選用7—8月能經(jīng)常出現(xiàn)的流量。并且，在滿足進(jìn)水閘引入流量的同時(shí)，還必須有足夠的沖沙流量將水流挾帶的泥沙送往下游遠(yuǎn)處。該工程引水彎道按300m3/s設(shè)計(jì)，進(jìn)行彎道斷面的復(fù)核。

為了使汛期彎道不產(chǎn)生淤積，彎道設(shè)計(jì)流速必須大于同期最大推移質(zhì)粒徑的起動(dòng)流速。根據(jù)沙莫夫公式計(jì)算泥沙起動(dòng)流速時(shí)，選用上游河床可帶入彎道的最大泥沙粒徑25cm(偏于保守)，得出最大粒徑泥沙起動(dòng)流速為2.28m/s，即彎道設(shè)計(jì)流速要大于最大粒徑泥沙起動(dòng)流速2.28m/s。

該工程建成后，于1982年6—7月進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，6月30日至7月1日實(shí)測(cè)彎道水面線如表4所列。

表4　喀什河引水樞紐工程引水彎道水面曲線

由表4可知，彎道通過設(shè)計(jì)流量時(shí)平均流速為3.18m3/s，大于泥沙啟動(dòng)流速2.28m/s。

3.3彎道底寬

根據(jù)彎道設(shè)計(jì)流量、縱坡，首先用阿爾圖寧公式計(jì)算直線整治段河道水面寬度By。彎道彎曲段的水面寬Bk較直線段水面寬By小，其關(guān)系式為Bk=(0.75～0.5)By，得出彎道寬度驗(yàn)算結(jié)果如表5所列。

表5　彎道底寬計(jì)算

根據(jù)彎道設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果，該工程彎道設(shè)計(jì)寬度比阿爾圖寧公式推薦寬度大。該工程彎道由原天然彎道整治而成，考慮到此次設(shè)計(jì)洪峰流量較原設(shè)計(jì)增大了10.8%，彎道需承擔(dān)洪水期的泄洪，彎道底寬為30m不變。

3.4彎道半徑

根據(jù)新疆已建彎道式引水樞紐的經(jīng)驗(yàn)，彎道半徑采用下列兩種公式進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，結(jié)果見表6。

(1)

(2)

表6　彎道半徑計(jì)算過程　單位：m

根據(jù)式(1)，計(jì)算出彎道中心線半徑為150～180m；根據(jù)式(2)計(jì)算出彎道中心線半徑為169.44～254.16m?？紤]到該天然彎道與工程現(xiàn)狀充分結(jié)合以達(dá)到節(jié)省工程量的目的，根據(jù)以上兩式的計(jì)算結(jié)果，確定彎道中心線半徑為163.35m較合適，且滿足以上經(jīng)驗(yàn)公式。

3.5彎道中心線長(zhǎng)

根據(jù)新疆已建彎道式引水樞紐的經(jīng)驗(yàn)，彎道中心線長(zhǎng)度按以下兩式計(jì)算：

(3)

(4)

彎道中心線長(zhǎng)度計(jì)算過程如表7所列。

表7　彎道中心線長(zhǎng)度計(jì)算　單位：m

根據(jù)式(3)及式(4)分別計(jì)算，式(3)結(jié)果為：180～240m；式(4)結(jié)果為：196.02～228.69m；結(jié)合彎道現(xiàn)狀，彎道中心線長(zhǎng)取為230m合適。

3.6彎道環(huán)強(qiáng)

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的彎道，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)條件下形成穩(wěn)定而強(qiáng)烈的環(huán)流，但環(huán)流的強(qiáng)度還沒有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。西北水利科學(xué)研究所劉旭東同志定義了環(huán)流強(qiáng)度系數(shù)，但美中不足的是環(huán)流系數(shù)的最佳數(shù)值范圍為0.3～1210，相差4000倍，還是無法確定彎道環(huán)流強(qiáng)度系數(shù)所應(yīng)達(dá)到的數(shù)量級(jí)。為了避免以上缺點(diǎn)，石河子農(nóng)學(xué)院張開泉同志提出了環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中h——平均水深，m；

n——彎道糙率；

r——彎道半徑，m。

利用該公式對(duì)渠首彎道環(huán)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，取h=2.05m，n=0.033,r=163.35m，由此得出：C=1.494。彎道環(huán)強(qiáng)大于1，表明在設(shè)計(jì)條件下在彎道內(nèi)可形成穩(wěn)定的環(huán)流。

針對(duì)該公式，對(duì)其他某些引水彎道的環(huán)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算比較，得出青年渠渠首、三屯河渠首、瑪納斯渠首、金鉤河渠首、八音溝河渠首的彎道環(huán)強(qiáng)均小于1，運(yùn)行淤積嚴(yán)重；而古爾圖新渠首、喀什河渠首、葉兒羌河渠首的彎道環(huán)強(qiáng)均大于1，運(yùn)行尚好。由此可見，彎道環(huán)強(qiáng)大于1時(shí)就可在設(shè)計(jì)條件下的彎道內(nèi)形成穩(wěn)定的環(huán)流，因此可認(rèn)為該彎道設(shè)計(jì)成功。對(duì)引水彎道目前存在的問題，施工時(shí)應(yīng)對(duì)其兩岸護(hù)坡進(jìn)行更換和修補(bǔ)，并進(jìn)行清淤處理，保證彎道的過水能力。

4　建　議

經(jīng)過多年運(yùn)行，建筑物接近折舊年限，該渠首改擴(kuò)建時(shí)可以考慮增設(shè)沖沙廊道，以便進(jìn)一步提高渠首阻止推移質(zhì)泥沙入渠的功能。沖沙廊道可以攔截和排走在進(jìn)水閘擋沙坎前沿移動(dòng)的推移質(zhì)泥沙，其所消耗的沖沙水量比沖沙閘所消耗的水量要小，所以如果沖沙廊道工作情況良好，枯水期引水比可提高到0.95～0.97。

[1]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]張開泉.彎道引水樞紐彎道計(jì)算中的幾個(gè)問題[D].新疆：石河子農(nóng)學(xué)院，1982.

[3]熊夏瀾.彎底欄柵式引水渠首應(yīng)用效果分析[J].水利建設(shè)與管理,2014(11).

Design research of water diversion canal head project corner part in Xinjiang Ili Kashi River

HE Ruofei

(XinjiangUygurAutonomousRegionWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Urumqi

Rivers in Xinjiang mostly belong to mountainous sediment inland rivers, which are characterized by short river course, smaller water volume and high content of bed-load sediment. In the paper, water diversion canal head project of Xinjiang Ili Kashi River is adopted as an example, and corner hydraulics and various parameters methods are combined for the simple introduction of the operation features of water diversion canal head project corner part. It is obvious that such layout pattern of utilizing corner water flow to produce circular flow for the purpose of sand discharge is well operated in practical process. It has better water diversion and sand prevention effect. Such layout pattern is regarded as innovative third generation corner canal head.

corner; canal head; optimization design

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.011

TV67

A

1005-4774(2016)01-0034-04