新疆多泥沙河流水库工程 灌溉和生态用水泄放方式研究

苌登仑

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 问题的提出

新疆环塔里木盆地干旱的气候环境，山区植被稀少，岩体裸露，在水流侵蚀作用下，造成流域上表层风化的岩石和疏松土壤挟带入河流，形成河流泥沙。新疆河流大多径流季节分布较为集中，夏季暴雨洪水与融雪型洪水导致河流来水峰高量大，洪水裹挟大量推移质粗颗粒入库。砾石粒径变化大，泥沙矿物成分一般为中硬～硬。部分河流泥沙特性见表1。

新疆多泥沙河流中，无论是在建设期还是在运行期，泄洪底孔受到泥沙的磨蚀破坏首当其冲。如轮台县迪那河五一水库自2012年9月工程截流后，大多数时间河水以明流状态通过导流兼泄洪冲砂洞下泄至下游河道，水流流速较低。但水流裹挟砂石进入洞内，对洞衬混凝土造成严重的磨蚀破坏[1- 2]。2014年2月在对洞内检查时，发现洞内混凝土已经出现较严重磨蚀破坏，并出现钢筋外漏情况。2016年10月对洞内检查时，发现底板混凝土磨蚀情况更加严重，有压洞底拱、无压洞底板及边墙底部混凝土和上层钢筋都存在不同程度破坏。其中工作闸井底板2cm的衬护钢板局部磨穿，无压洞段底板上层钢筋外露面积达到45%，局部冲坑深度超过50cm[3]。

若长期采用导流兼泄洪冲砂洞小开度控泄放水，将大大增加对导流兼泄洪冲砂洞产生的破坏，主要是因为：①对混凝土及闸门埋件造成的磨蚀、气蚀破坏将更加严重；②液压启闭机由于不可避免的内泄露，不能实现精准控制下泄生态基流和灌溉用水流量；③可能会引起闸门震动破坏[4]。在多泥沙河流，导流兼泄洪冲砂洞长期泄放小流量，还会造成洞内淤堵，造成进口事故检修门无法闭门，甚至危及工程安全[5]。同时，由底孔泄放灌溉及生态用水带来检修频繁、难度大、投入高的问题。因此，在多泥沙河流的水库工程设计应尽量避免采用底孔泄放灌溉及生态用水。

2 无电站水库泄放方式研究

对于没有电站的水库工程，工程任务以防洪、灌溉为主，同时在不同时段应满足生态基流的要求。工程泄水建筑物包括溢流表孔和泄洪底孔，大型水库或坝高超过70m时，可能还设置泄洪中孔辅助泄洪[6]。泄洪时根据不同搭配，从理论上来说依靠泄水建筑物可以满足灌溉和生态放水的要求。但考虑到泄洪底孔小开度放水磨损严重，需要经常检修维护，难以满足下游的灌溉和生态用水需求。

乌恰县托帕水库是恰克玛克河上的控制性水库，主要任务是灌溉、防洪。水库正常蓄水位2394.5m，总库容6098.93万m3，为Ⅲ等中型工程。水库由拦河坝、溢洪洞、泄洪冲沙洞、灌溉放水洞等建筑物组成[7]。

表1 塔里木盆地部分河流泥沙特性表

水库运行方式为：为保证下游灌区防洪安全，在汛期4月初—9月底水库水位维持在汛期限制水位运行，预留防洪库容，承担下游防洪安全。其中7—8月份在死水位冲沙运行，以减少泥沙在库内的淤积量，其它月份水库按灌溉要求蓄、放水。

11月份至次年2月份不需要泄放灌溉用水，但根据工程经验，该时间段不能满足泄洪底孔过流面混凝土、钢筋、闸门及金属埋件的检修时间要求，而且修补材料一般采用的环氧树脂、丙乳等高分子材料[8]用量大、费用高，加上冬季施工费用也较高，导致修补投入高(超百万元)[9- 12]。频繁的检修维护更是大大增加了工程运行负担。

为了解决上述问题，本工程增设了一条灌溉放水洞和生态放水管。主要由引渠段、进口闸井段、有压洞段、工作闸井段、无压洞段、出口消能段、生态放水管等部分组成。事故闸井孔口尺寸为2.0m×2.0m，有压洞长323.4m，为D=2.0m圆形断面，工作闸井孔口尺寸为1.5m×1.5m，无压洞长35m，为2.0m×3.0m城门洞型断面。为保障生态基流的需要，在灌溉放水洞工作闸井前开孔，设置生态放水管，沿灌溉放水洞底板下行，出洞后经消能泄入灌溉放水洞出口段消力池，放水管长101m，管径DN600。根据下游灌溉需水量的要求，灌溉放水系统最大设计流量为16m3/s，满足最大灌溉用水需求；生态放水管最小下泄流量为0.52m3/s，满足少水期生态基流需求。

通过增设灌溉放水洞向下游提供灌溉和生态用水的泄放方式，减少了泄洪底孔的工作任务，提高了下游灌溉和生态放水的保证率，大大减轻了水库运行成本。

3 有电站水库泄放方式研究

3.1 电站尾水满足下游用水需求

若电站发电时段较长，发电时段引水流量不小于灌溉流量，该时段自动满足下游灌溉和生态用水需求。但由于在电站不发电时段下游用水量较小，如何保证机组长时间高效、稳定运行是设计中必须考虑的问题。

策勒县奴尔水利枢纽是奴尔河上的控制性工程，工程任务是灌溉、发电。水库正常蓄水位2497m，总库容0.69亿m3，电站总装机容量为6.2MW，为Ⅲ等中型工程。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成[13]。电站建成后联入南疆电网，承担系统基荷，发电调度运行要求电调服从水调，满足灌溉供水任务，按下游灌溉用水发电。设计中在机组台数及单机容量选择上充分考虑下游灌溉和生态用水需求，经比选最终选择“两大一小”型式，大机容量为2×2.85MW，小机容量为1×0.5MW。满足下游灌溉用水高峰流量为11.3m3/s，满足下游生态基流的最小流量为0.54m3/s。

通过调整机组选型，使灌溉和生态用水全部通过电站发电后排入下游河道的泄放方式，避免了由泄洪底孔泄放带来诸多问题，节省了工程投资、保证了工程安全、方便了运行管理，同时保证灌溉和生态用水全部用来发电，提高了水资源的利用效率，也使得工程效益最大化[14- 15]。

3.2 电站尾水不满足下游用水需求

在电站检修维护期，下游灌溉用水和生态用水无法通过电站尾水泄放，也不应长时间通过泄洪建筑物泄放，则应考虑其它的泄放方式。

于田县达克曲克水电站工程任务是发电和承担上游玉龙喀什水利枢纽调峰发电后的反调节，发电运行需要保证下游各业及生态的用水要求。主要包括大坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、水电站厂房及尾水渠等建筑物。总装机容量为75MW，水库总库容1130万m3，为Ⅲ等中型工程[16]。电站主要在电力系统基荷运行，枯水期1—5月分别安排检修维护，不能满足生态用水的需求。设计中在坝后设置了生态基流电站，在导流兼泄洪冲砂洞有压洞段开孔，通过管道引水进入生态电站发电，引水管道包括洞内压力钢管道段和洞外埋管段，管道总长107.618m，洞径2m。生态基流电站装机容量为5MW，引水流量为13.2m3/s。

本工程因电站检修生态用水不能由电站尾水泄放，通过设置生态电站，满足了下游用水需求，避免了泄洪底孔小开度泄水带来的危害，同时提高了水资源的利用效率和工程效益。而对于电站检修期内同时还有灌溉用水需求时，应考虑在增设灌溉放水洞和优化电站检修方式上选择。

4 电站二期建设泄放方式研究

对于一些发电不是主要工程任务的水库工程，建设单位考虑将电站作为二期建设内容，可能长期无法通过电站尾水泄放灌溉和生态用水。

轮台县五一水库工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顾发电等综合效益。水库工程由大坝、溢洪洞、导流兼泄洪冲砂洞、发电引水系统和供水管线等主要建筑物组成，水库正常蓄水位1370.0m，最大坝高102.5m，总库容0.995亿m3，为Ⅲ等中型工程[17]。本工程电站为二期建设项目，且建设时间不能确定。发电引水系统进口引渠、进口闸井、引水隧洞及出口段明管为一期建成。为避免导流兼泄洪冲砂洞小开度泄放灌溉及生态用水，在发电洞出口明管段开孔，设置灌溉放水管，经消能阀和导流兼泄洪冲砂洞出口消力池消能后放入下游河道，引水管总长50.75m，主管管径DN1800，设计流量为14.22m3/s[18]。

在发电洞出口明管段开孔设置灌溉放水管来泄放灌溉和生态用水的泄水方式，充分利用一期建设的发电洞和导流兼泄洪冲砂洞出口消力池进行引水和消能，保证了电站二期建成前下游的灌溉和生态用水需求，大大降低了泄洪底孔小开度泄水的几率和带来的危害。

5 结语

新疆多泥沙河流泄洪建筑物磨蚀破坏问题比较突出，为了避免底孔小开度放水给工程造成危害，本文提出了更加合理的灌溉和生态用水泄放方式，为水利工程设计提供了参考，主要包括：

(1)无电站水库工程通过增设灌溉放水洞，或增设灌溉放水洞+生态放水管泄放。

(2)有电站且尾水满足下游用水需求的水库工程，通过机组合理选型，使灌溉和生态用水全部从电站尾水泄放；有电站但尾水不满足下游用水需求的水库工程，通过设置生态电站或增设灌溉放水洞等方式泄放。

(3)电站二期建设的水库工程，通过在发电洞出口明管段开孔设置灌溉放水管来泄放。