在渠首设计中透水溢流坝的应用

高盼盼

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

在渠首设计中透水溢流坝的应用

高盼盼

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

青年渠渠首通过透水溢流坝的设计，使进(退)水闸前形成浅水水面，为项目区开发旅游项目创造了条件。渠首设计考虑了与新青年渠渠道的衔接，与新建防渗墙的衔接，尽量减少了对大西沟管线的冲刷。通过在泄洪冲沙闸前设计引洪渠保证了渠首的冲沙效果。阐述了渠首的运行原理，同时，基于格宾中回填料的孔隙率，对透水溢流坝的渗水量及溢流坝(堰)段的坝宽设计提出了简要的计算方法。

透水溢流坝；浅水水面；透水流量

1 概 述

原乌鲁木齐河青年渠渠首位于乌鲁木齐河上游大西沟处，是我国第一座费尔干式渠首，2008年12月鉴定为四类闸，应拆除重建。结合项目区特点，新建渠首位于原渠首上游170 m处，由透水溢流坝、泄洪冲沙闸、引洪渠、退水闸、进水闸和上下游导流堤等建筑物组成。泄洪冲沙闸布置于河道右岸，透水溢流堰布置于泄洪冲沙闸左侧上游，为侧堰，与闸轴线平行；退水闸(兼冲沙闸)、进水闸布置在河道左岸，呈“一”字型布置，位于原渠首弯道进口处[1]。

2 设计基本情况

2.1 项目区概况

青年渠渠首处河谷呈“U”型，河谷宽400 m，其中现代河床宽约200 m左右，海拔1600 m左右，两岸发育有8级堆积阶地，高出现代河床约300 m左右，冲沟发育。基础地层岩性为卵石混合土，下部为第三系砾岩。本区地震动峰值加速度为0.20 g，即地震基本烈度为Ⅷ度。

项目区多年平均气温1.7 ℃，多年平均降水量471.8 mm，多年平均蒸发量1090.56 mm。最大冻土深度129 cm，平均风速2.2 m/s，最大风速17 m/s。

青年渠渠首工程场址处75%年径流量为2.106×108m3，悬移质多年平均输沙量为6.99×104t，推移质多年平均输沙量为0.21×104t。

2.2 工程建设标准

青年渠渠首的工程任务是保证青年渠干渠灌区的灌溉用水及乌拉泊水库的供水。乌鲁木齐市工农业的发展及城市居民用水主要通过乌拉泊水库和红雁池水库调节得以保证，而两座水库的水源主要通过青年渠渠首引用乌鲁木齐河河水。

青年渠渠首控制面积8000 hm2，设计引水流量25 m3/s，加大引水流量30 m3/s，因此确定工程等级为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。根据《防洪标准》，乌鲁木齐市为特别重要城市，级别为Ⅰ等，因此，工程设计洪水标准取30 a一遇，相应洪峰流量(P=3.3%)216 m3/s；校核洪水标准取100 a一遇，相应洪峰流量(P=1%)277 m3/s。

3 青年渠渠首设计

3.1 设计理念

青年渠渠首距乌鲁木齐市60 km，所处河谷河水清澈，两侧山体植被茂密，夏日凉爽，景色优美，是城市人们节假日休闲、避暑的好去处，后期渠首处将开发景区。本次设计从景观方面考虑，将在进(退)水闸前形成宽阔的浅水水面，为后期开发旅游业创造条件[2]。结构布局由左岸新青年渠渠道、透水溢流坝、退水闸上游导流堤、退水闸及进水闸布置形成环形区域，在进(退)水闸前200 m范围内按1/80纵坡整治河床，待渠首建成运行，此区域将形成1.5～0 m深的环形水域。

3.2 设计要点

还是那结实的桥，还是那蜿蜒的溪，一切都是那么熟悉。宿晚喜极而泣，不想却惊到了四处戏耍的稚儿。小娃娃眼泪汪汪，“哇”一声哭出来，又吵到乡亲邻里。一老妪架着拐杖，颤颤巍巍走到宿晚身边，面露喜色道：“这，这不是宿家的小子吗？哎呦，可算回来了……”

3.2.1 与新青年渠渠道的衔接

新青年渠工程[3]位于乌鲁木齐河上游石门子渠首与青年渠首之间，是连结两座渠首的纽带，总长9.4 km，在渠道桩号0+250 m处布置了一座园中环沉砂池，大大降低了渠水的含沙量。渠道末端设计流量12.2 m3/s，加大流量17.2 m3/s。

因此，青年渠渠首设计时，考虑在河道来水小于常遇洪水(5 a一遇)的情况下，使河道浑水经透水溢流坝过滤成清水投至渠首进水闸前水域，与新青年渠渠水汇合，再经渠首进水闸引水至下游灌区。渠首进水闸左岸上游导流堤设计应与渠道左边坡顺接，闸前为防止冲刷铺设了厚50 mm的干砌石。

3.2.2 与高喷防渗墙的衔接

为了提高青年渠渠首的引水率，在2015年青年渠渠首弯道进口至河道右岸河谷处，即新建渠首闸址处，新建了一道混凝土防渗墙直至基岩处，有效拦截河道地下水，使地下水在渠首前大量的溢出。因此，青年渠渠首各建筑物的布置需与地下防渗墙做好衔接，保证防渗墙的截渗效果。建筑物底部采用350 mm混凝土盖帽包裹防渗墙衔接。同时，为保证渠首前地下水能够正常溢出，渠首前底板均采用干砌石护底。根据地下水溢出情况，左岸导流堤采用干砌石护坡，右岸导流堤采用混凝土板护坡，护坡上设置PVC排水管。

3.2.3 减少对大西沟管线的冲刷

在透水溢流坝左侧有一条大西沟引水管线穿过，透水溢流坝的设计可使河道来水小于常遇洪水(5 a一遇)的情况下，免受洪水冲刷，在河道来水大于113 m3/s时，透水溢流坝的溢流坝段开始过洪，在溢流坝段的管道布置范围内铺设了厚500 mm的干砌石进行防护。

3.2.4 保证泄洪冲沙闸的冲沙效果

3.2.5 建筑物组成

新建青年渠渠首工程由引洪渠、泄洪冲沙闸、透水溢流堰、退水闸、进水闸和上下游导流堤等建筑物组成。

泄洪冲沙闸、退水闸及进水闸的设计均依据《水闸设计规范》[4]，按常规水闸设计。泄洪冲沙闸共1孔，单孔净宽10 m；退水闸共2孔，单孔净宽8 m；进水闸共1孔，单孔净宽8 m。透水溢流坝总长402.96 m，由透水坝段和溢流坝段组成。

3.3 运行原理

(1)泄洪冲砂闸与透水溢流坝及河道右岸防洪堤相结合，当河道来水小于等于113 m3/s时，控制泄洪冲沙闸闸门开度，经透水溢流坝坝体渗水至进水闸侧，河道河水经透水溢流坝渗入，可对水中的推移质泥沙进行过滤，保证了环形水域水的清澈；对于透水溢流坝前淤积的泥沙，由泄洪冲沙闸及时冲淤，保证了透水溢流坝的透水效果。

(2)在河道来水大于113 m3/s时，透水溢流坝的溢流坝段将作为侧堰过水，洪水将由透水溢流坝坝体渗水及溢流坝段侧堰过水至进水闸侧，进水闸侧环形水域水质将含有泥沙，控制退水闸闸门开度，使进水闸满足引水要求。进水闸前设有挡沙坎，使进水闸底板比退水闸底板高1.0 m，有效减少进水闸引水的含沙量。冲沙闸前淤积泥沙由冲沙闸及时冲淤。

4 透水溢流坝设计

透水溢流坝由两部分组成：上游段(桩号格宾溢流坝0+000～格宾溢流坝0+302.96)为透水坝，呈阶梯状，平均高于河床3.0 m；下游段(桩号格宾溢流坝0+302.96～格宾溢流坝0+402.96)为溢流坝，呈梯形形状，长为100 m，堰高1.65～3.07 m。透水溢流坝由格宾石笼组成，规格为1.0 m×1.5 m×0.5 m(长×宽×高)，格宾中回填级配料。透水溢液坝剖面图见图1～2。

图1 透水坝段剖面图(单位：mm)

图2 溢流坝段剖面图(单位：mm)

4.1 侧堰宽计算

在河道来水为设计洪水，洪峰流量216 m3/s时，泄洪冲沙闸闸前水位为1610.57 m，根据《水力计算手册》[5]，按抛物线回水公式计算回水曲线水平长度L，计算公式见式(1)。

(1)

式中：ha为泄洪冲沙闸闸前水深与引洪渠按明渠均匀流计算的闸前水深之差，1.21 m；Jp为引洪渠按明渠均匀流计算的平均水面坡，0.017；则L为142 m。

透水溢流堰堰型采用折线形低实用堰，溢流坝段过水计算(侧堰)公式见式(2)。

(2)

式中：Q为流量，m3/s；c为上游堰坡影响系数，1.0；m为流量系数，0.385；ε为侧收缩系数，1.0；σs为淹没系数，1.0；B为溢流堰总净宽，100 m；H0为计入行进流速水头的堰上总水头，m。

根据不同堰顶高程，计算满足堰顶泄流的堰宽，经试算，确定堰宽100 m，堰顶高程始端为1610.32 m，末端为1610.07 m。

4.2 透水流量及堰顶流量计算

格宾坝内填筑直径2～8 cm的砾石，根据地质试验，孔隙率为0.2，则其透水率按20%计算，溢流坝段坝顶溢流按折线型宽顶堰(侧堰)计算，计算公式同式(2)，计算结果见表1。

表1 透水溢流坝水位流量关系表

青年渠渠首进水闸设计流量为25 m3/s，经过计算，①在河道洪水流量为113 m3/s时，透水溢流坝只透水不溢流，透水流量为24 m3/s，基本满足进水闸设计引水要求，其余洪水由泄洪冲沙闸泄洪；②在河道来水为设计洪水时(P=3.33%)，透水溢流坝透水流量为43.2 m3/s，坝顶过水流量为60.53 m3/s，合计过洪流量103.73 m3/s；③在河道来水为校核洪水时(P=1%)，透水溢流坝透水流量为55.4m3/s，坝顶过水流量为102.07 m3/s，合计过洪流量157.47 m3/s。

5 结 论

青年渠渠首设计在考虑渠首引水任务的同时，还充分考虑了项目区特点， 使渠首工程的建设既满足下游灌区的用水要求，又能够为项目区开发旅游业创造水域条件。

目前，青年渠渠首施工工作已进行60%，建议工程建成运行后，根据水情测报数据，进一步建立可靠的河道来水量与透水溢流坝渗水量的数学模型，以便其他工程参考借鉴。

[1] 水利部新疆水利水电勘测设计研究院．新疆乌鲁木齐河灌区续建配套与节水改造项目(六期)青年渠渠首改建工程[R]．乌鲁木齐：水利部新疆水利水电勘测设计研究院，2016．

[2] 李永红, 刘志然. 河岸景观设计理念探索——深圳市盐田河河道景观设计[J]. 中国农村水利水电, 2007(6):104-105.

[3] 水利部新疆水利水电勘测设计研究院．新疆乌鲁木齐河灌区续建配套与节水改造项目(四期、五期)新青年渠工程[R]．乌鲁木齐：水利部新疆水利水电勘测设计研究院，2013-2015.

[4] 李炜．水力计算手册[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2006．

[5] 中华人民共和国水利部．水闸设计规范：SL 265-2001[S]．北京：中国水利水电出版社，2001．

The application of permeable overflow dam in the design of canal head

GAO Panpan

(XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerMinistryofWaterResource,Urumqi830000,China)

The Youth canal head used the type of permeable overflow dam,the shallow free surface will be formed before the intake gate and the escape gate in the sluice,permeable overflow dam has created conditions for the future development of tourism projects.The Youth canal head design considered the connection of the new youth canal and the connection with the new cutoff wall,the daxigou pipeline erosion was reduced.The scouring effect was ensured through the design of flood diversion canal before the flood sluice gate.The operating principle of canal head hluice was elaborated.Meanwhile, based on the porosity in the backfill Gabion, the brief calculation method of water seepag and the dam width design of permeable overflow dam was put forward.

permeable overflow dam; shallow free surface; seepage of permeable dam

高盼盼(1985-)，女，山西临汾人，工程师，主要从事水利工程设计工作。E-mail:530665840@qq.com。

TV67

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2096-0506(2017)03-0036-04