西河斜坝引水枢纽布置探讨

江祥继,江 力

(1.都江堰外江管理处,四川崇州,611230;2.崇州市水务局,四川崇州,611230)

1 西河引水枢纽概述

西河灌区系都江堰外江灌区的一部分。西河为岷江的一级支流,河道全长109km,集雨面积355km2,灌溉面积2.27万hm2。上游称文井江,发源于四川省崇州市苟万山,其源头为火烧营东北麓与分云岭东坡之黑凼。流经崇州市、大邑县、新津县,于新津县城武阳镇外汇入岷江。年最枯流量3m3/s～5m3/s,春灌期间的流量约12m3/s,常年洪水流量约1100m3/s,最大洪水流量可达3500m3/s。西河河床由松散砂砾石组成,极不稳定,河道最宽处达1km～2km,最窄处不到200m,深泓水位变幅大而且频繁。上世纪70年代以来经过逐步治理,河床断面基本规范,宽200m～400m,深5m～6m。西河由于洪枯流量变幅大,灌溉期间主要靠都江堰输水补充。为此,西河上的各支渠引水枢纽工程,必须考虑洪水不淤积,深泓水位置要引导至取水堰口,才有可靠的引水流量。多年以来陆续兴建和改建了乌木堰、三合堰、千功堰、石头堰、羊头堰、泗江堰等引水枢纽工程。其中,千功堰最为理想;羊头堰经过改造、完善,形成了以水坝为凸岸,进水口为凹岸的引水枢纽;三合堰进水口采用弧型坝,人为造成在凹岸引水(图1)。其余枢纽引水工程一般都能满足灌溉用水,保证防洪安全。各引水枢纽总体布置主要参数见表1。西河经治理,河床基本定型,但随着近年来大量采集砂石,河床变化较大,尚需进一步改进和完善上述引水枢纽。坝虽长但坝高只有2m～3m,用就地取材的浆砌卵石筑坝还是较经济的。

图1 三合堰枢纽工程示意

2 引水枢纽堰口位置选择

引水枢纽堰口的位置,要选择在河道凹岸偏下处。这样水流由于离心力的作用,使凹岸水面升高,形成横向坡降,使河道流速是表层大、底层小,离心力沿水深而逐渐减小。由于水面差产生的侧压力沿水深为一常数,而方向与离心力则相反,两种力的合力方向,就是水体在断面的运动方向。因此,弯道河段的表层水由凸岸流向凹岸,底层水由凹岸流向凸岸,从而形成横向环流。表层水含沙量小,在离心力的作用下,凹岸达到最大流速,形成水深流急的主河槽;而底层水含沙量大,由于离心力和河床摩擦阻力的作用,使水流向凸岸时流速逐渐减至最小,淤积凸岸,所以堰口位置要建在凹岸。实际最大水深位于凹岸弯道顶点偏下处。如千功堰口在凹岸弯道偏下,水深流急可以加大进水量,又能有效的防止砂砾进入渠道和在堰口淤积,是最理想的位置。

3 栏河坝

西河各引水枢纽的拦河坝均为全段翻水的滚水坝,都是斜坝或某一段略带弧形的坝。拦河坝的功能是挡水、抬高水位、导流冲沙。它的位置、形状、比降等,均与冲沙闸、拦沙埂的布置有很大关系。河道中含沙量少的可采用横坝拦水。但西河洪水期含砂石较重,每涨洪水,砂石呈推移质运动,横坝易淤积,故采用斜坝(当地老百姓称为剪刀坝)或弧形坝。这样的坝,不仅能拦水,而且能导流,把表层水导进渠道,把含沙量重的水导向冲沙闸。这就要求在枢纽布置上,要形成以坝为凸岸、以堰口拦沙埂为凹岸的正面进水、侧面冲沙的横向环流。坝端沿冲沙闸方向从闸墩算起呈10°～20°角度,逐渐扩大角度向上延伸至对岸边的弧形坝。如千功堰拦河坝,是从冲沙闸边墩尖起与冲沙流向成16°角向上延伸(顺正冲沙流向),扩大到23°角延伸至250m处,再以40°夹角仍以微弧形延伸至430m处,最后以50°角直线延伸至岸边。坝长600m(河道宽335m),坝是两头直,中间为弧形的半边喇叭形状,把水引导至堰口前,表层水翻过拦沙埂进入渠道,底层含沙量重的水导至冲沙闸,从而做到渠道不进沙,闸前不淤沙。为了更有效地的冲沙和进水,拦水坝的纵比降应大于上、下游河段的比降,使水的流速不至在坝前降低而产生淤积。特别是凸岸取水更应加大比降,利用洪水在翻坝前后的起涨和降落水位时的横向环流作用冲沙。为了多过洪水,也可以在中泓线以上坝的比降小些,中泓线至冲沙闸坝的比降大些。

表1 西河各引水枢纽总体布置主要参数

4 冲沙闸

冲沙闸墩要顺上游水流方向,下游与岸边呈0°至10°夹角为好,呈0°角时闸岸边墩平移下游河底边外1m～3m为宜;接坝边墩后要延伸潜水吊埂,以免顺坝后来水影响闸后流向,利于泄洪冲沙,免冲堤岸。闸底的高程应比进水闸底低0.4m～0.6m为宜,上游河底比降的要求应低些,但应尽量考虑平坝顶水位为自由流才利于冲沙。如条件限制,可在设计消力池和护堤高程上考虑,等冲沙几年后达到也行。坝与闸墩的衔接,不得挡闸水势影响冲沙效果。闸孔要宽些为好,闸底总宽度要能形成坝前冲沙水道为准,应根据堰口的位置、水势情况而定,凹岸顺水势易冲沙可窄些,凸岸可宽些。

5 拦沙埂

拦沙埂是设在进水闸前连接上游岸与鱼嘴冲沙闸墩的潜水埂,有直线和弧线型两种,为凸向进水口的最好为弧线型,使水流形成以坝为凸岸、以埂为凹岸的横向环流,起到进水好、即拦沙又导沙的作用。拦沙埂高度一般高于进水闸底0.5m～0.7m,若进水渠内还进有石子,可以适当加高,但要保证在平坝顶水位时埂顶过水能满足渠道最大进水量要求。埂顶纵比降应稍大于相对应的坝顶比降,也可以做成吊埂式,尾端顺冲沙闸鱼嘴边方向,吊过鱼嘴尖。

总之,进水闸、拦河坝、冲沙闸、拦沙埂的位置、方向、比降要相互配合,顺水势形成正面进水、侧面冲沙的横向环流作用。这样,才能有效地把砂石冲到下游去,把足够的水引进渠道。 ■