新疆伊犁喀什河引水渠首工程弯道部分的设计研究

何若飞

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐　830000)



新疆伊犁喀什河引水渠首工程弯道部分的设计研究

何若飞

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐830000)

新疆河流一般较多为山溪性多泥沙内陆河，河道短且水量较小，推移质泥沙含量高。本文以伊犁喀什河引水渠首工程为例，结合弯道水力学及各参数方法，简单介绍引水渠首弯道部分的运行特点。可以看出这种利用弯道水流产生横向环流从而起到排沙目的的布置形式在实际过程中运行良好，引水防沙效果较好，是创新的第三代弯道式渠首。

弯道； 渠首； 优化设计

830000,China)

1　伊犁喀什河渠首经验总结

新疆河流多为山溪性多泥沙内陆河，河道流程短，水量小，推移质泥沙含量高，解决好引水排沙问题，是引水工程关键。1956年苏联专家将弯道式引水渠首引入新疆，这种布置形式主要是利用弯道水流产生横向环流的原理进行正面引水和侧面排沙。先后在乌鲁木齐河、八音沟河、玛纳斯河、三屯河等处修建了弯道式引水渠首，而这些渠首普遍存在引水和泥沙淤积间的矛盾。通过不断总结运行经验，1967年建成伊犁喀什河引水渠首，运行41年，实测进水闸不进推移质，引水防沙效果良好，是创新的第三代弯道渠首。

目前，该渠首引水弯道由于年久失修存在的主要问题是:两岸护坡存在裂缝现象，凹岸护坡冲刷严重，局部浆砌石剥落，在冲沙闸上游凸岸存在淤积现象。

此次设计仍采用原设计，天然稳定的良好河弯，其曲率半径、河床坡度、流速等条件无疑最适合该河流的自然特性。由于洪水洪峰流量较原设计大，须对该弯道的基本要素值进行复核设计。

2　弯道位置的确定

该渠首选择在喀什河出山口约2km的褓姆塔石天然河弯处，该处河流分成左右两支，中间滩地首端有天然基岩矗立，即褓姆塔石。渠首利用该处天然河弯的有利地形将右支改建利用作引水道，并修建拦污桥、引水弯道、西岸进水闸、冲沙闸，同时利用左支作泄洪道，修建泄洪闸、东岸进水闸。渠首上游虽有反向河弯，但上游河弯末端左岸有基岩岸坡并延伸至河槽，可将主流由凸岸挑至河心，且下接一直线过渡段，可使主流逐渐转向凸岸，同时，在引水弯道首端左侧有约35m长的岩墙，其突出部分又再一次将水流适当挑向该引水弯道凹岸，更进一步加强了环流。由此可证明弯道位置的确定是成功的。

3　引水弯道水力计算

3.1弯道过水能力及渠顶高程

引水弯道为原河道分水后的右支经整治而成。右支引水弯道与左支泄洪道的自然分水比大致为4∶6。由1982年洪水实测资料可知，分水比接近4∶6。此次设计洪水洪峰流量为1294m3/s，校核洪水洪峰流量为1440m3/s，比原设计有所增大。按照设计分水比弯道设计洪水流量为492m3/s，校核流量为547m3/s。按闸孔的下泄洪峰流量推求上游水深得出，冲沙闸前设计洪水位为807.65m，校核洪水位为807.98m。

该工程建成后，于1982年6—7月进行了技术总结，由当时实测断面水深、流速、流量，用曼宁公式反算出糙率n=0.033，起始水深取闸前水深为控制水深。引水弯道近似按渠道渐变流计算，其水面曲线如表1所列。

表1　设计、校核洪水弯道水面曲线计算

渠堤超高计算时水深取冲沙闸闸前最大水深，设计洪水时为5.15m，校核洪水时为5.48m。

岸顶超高按《灌溉与排水设计工程规范》(GB 50288—99)，1～3级渠道的土石坝设计要求确定。

设计波浪爬高值应根据工程等级查表换算得出，1～3级建筑物采用累积频率为1%的爬高值，累积频率系数为2.42。

该工程为Ⅱ等大(2)型工程，安全加高设计洪水位时为1.0m，校核洪水位时为0.5m。

渠顶高程计算结果如表2所列。

表2　渠顶高程计算成果

注工况一：设计洪水位加波浪计算高度与相应安全超高值的渠顶超高；

工况二：校核洪水位加波浪计算高度与相应安全超高值的渠顶超高。

渠道弯曲段的曲率半径小于5倍水面宽或平均流速大于2m/s时，应增大凹岸超高，其增加值可用《水力计算手册》中弯道横向水位差公式计算。

计算弯道横向水位差时，分别验算弯道中点处和弯道末端处凹岸超高，如表3所列。

表3　弯道渠顶高程计算成果

从以上计算可知，引水弯道渠顶高程由弯道通过设计洪水流量控制，最大为809.390m。因此，弯道始端由810.200m加高至811.000m，弯道中点渠堤加高至809.500m，弯道末端渠堤加高至809.500m。

3.2弯道设计流速

关于引水弯道底设计流量，新疆水利工作者做过很多研究和调查，新疆一些河流7—8月河流径流量占年径流量的50%～60%，推移质输沙量占年输沙量的80%，为使弯道保证在7—8月充分发挥环流作用，弯道设计流量应选用7—8月能经常出现的流量。并且，在满足进水闸引入流量的同时，还必须有足够的冲沙流量将水流挟带的泥沙送往下游远处。该工程引水弯道按300m3/s设计，进行弯道断面的复核。

为了使汛期弯道不产生淤积，弯道设计流速必须大于同期最大推移质粒径的起动流速。根据沙莫夫公式计算泥沙起动流速时，选用上游河床可带入弯道的最大泥沙粒径25cm(偏于保守)，得出最大粒径泥沙起动流速为2.28m/s，即弯道设计流速要大于最大粒径泥沙起动流速2.28m/s。

该工程建成后，于1982年6—7月进行了技术总结，6月30日至7月1日实测弯道水面线如表4所列。

表4　喀什河引水枢纽工程引水弯道水面曲线

由表4可知，弯道通过设计流量时平均流速为3.18m3/s，大于泥沙启动流速2.28m/s。

3.3弯道底宽

根据弯道设计流量、纵坡，首先用阿尔图宁公式计算直线整治段河道水面宽度By。弯道弯曲段的水面宽Bk较直线段水面宽By小，其关系式为Bk=(0.75～0.5)By，得出弯道宽度验算结果如表5所列。

表5　弯道底宽计算

根据弯道设计流量计算结果，该工程弯道设计宽度比阿尔图宁公式推荐宽度大。该工程弯道由原天然弯道整治而成，考虑到此次设计洪峰流量较原设计增大了10.8%，弯道需承担洪水期的泄洪，弯道底宽为30m不变。

3.4弯道半径

根据新疆已建弯道式引水枢纽的经验，弯道半径采用下列两种公式进行对比计算，结果见表6。

(1)

(2)

表6　弯道半径计算过程　单位：m

根据式(1)，计算出弯道中心线半径为150～180m；根据式(2)计算出弯道中心线半径为169.44～254.16m。考虑到该天然弯道与工程现状充分结合以达到节省工程量的目的，根据以上两式的计算结果，确定弯道中心线半径为163.35m较合适，且满足以上经验公式。

3.5弯道中心线长

根据新疆已建弯道式引水枢纽的经验，弯道中心线长度按以下两式计算：

(3)

(4)

弯道中心线长度计算过程如表7所列。

表7　弯道中心线长度计算　单位：m

根据式(3)及式(4)分别计算，式(3)结果为：180～240m；式(4)结果为：196.02～228.69m；结合弯道现状，弯道中心线长取为230m合适。

3.6弯道环强

一个设计良好的弯道，应当在设计条件下形成稳定而强烈的环流，但环流的强度还没有一个通用的标准来衡量。西北水利科学研究所刘旭东同志定义了环流强度系数，但美中不足的是环流系数的最佳数值范围为0.3～1210，相差4000倍，还是无法确定弯道环流强度系数所应达到的数量级。为了避免以上缺点，石河子农学院张开泉同志提出了环流强度计算公式：

式中h——平均水深，m；

n——弯道糙率；

r——弯道半径，m。

利用该公式对渠首弯道环强进行计算，取h=2.05m，n=0.033,r=163.35m，由此得出：C=1.494。弯道环强大于1，表明在设计条件下在弯道内可形成稳定的环流。

针对该公式，对其他某些引水弯道的环强进行计算比较，得出青年渠渠首、三屯河渠首、玛纳斯渠首、金钩河渠首、八音沟河渠首的弯道环强均小于1，运行淤积严重；而古尔图新渠首、喀什河渠首、叶儿羌河渠首的弯道环强均大于1，运行尚好。由此可见，弯道环强大于1时就可在设计条件下的弯道内形成稳定的环流，因此可认为该弯道设计成功。对引水弯道目前存在的问题，施工时应对其两岸护坡进行更换和修补，并进行清淤处理，保证弯道的过水能力。

4　建　议

经过多年运行，建筑物接近折旧年限，该渠首改扩建时可以考虑增设冲沙廊道，以便进一步提高渠首阻止推移质泥沙入渠的功能。冲沙廊道可以拦截和排走在进水闸挡沙坎前沿移动的推移质泥沙，其所消耗的冲沙水量比冲沙闸所消耗的水量要小，所以如果冲沙廊道工作情况良好，枯水期引水比可提高到0.95～0.97。

[1]李炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]张开泉.弯道引水枢纽弯道计算中的几个问题[D].新疆：石河子农学院，1982.

[3]熊夏澜.弯底栏栅式引水渠首应用效果分析[J].水利建设与管理,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