新疆三屯河东干渠首改造方案分析

袁喜泉

（乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司）,新疆 乌鲁木齐 830049）

1 项目概况

三屯河东干渠首位于新疆昌吉州三屯河水库下游约13 km的河道上，建成于1963 年，原设计引水流量15 m3/s；泄洪闸原设计过闸流量60 m3/s，冲沙闸原设计过闸流量70.2 m3/s，属Ⅲ等中型工程，现状控制面积16 万亩。因建造年代久远,渠首不满足现今防洪要求,各闸室浆砌石结构存在缺损、冻胀破坏、老化现象，水闸混凝土破损严重,水闸下游冲刷严重,钢闸门锈蚀，止水效果差，根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL 226 -98）2.0.4 条，达到报废标准，急需改造。

三屯河流域是典型的内陆干旱和半干旱地区，由于主要补给方式为雨雪和冰川混合补给的河流，造成年径流的年内分配十分不均，年内变化较大，6 月～8 月的径流量占年径流量的68.9%，最大四个月（5 月～8 月）的径流量占年径流量的77.8%。

据三屯河碾盘庄水文站实测泥沙资料统计，泥沙主要集中在汛期，夏季悬移质输沙量较径流量更为集中，连续最大四个月（5 月～8 月）的悬移质输沙量占年悬移质输沙量的98%。

2 总体布置方案选择

本工程所在河段河道顺直，河床宽浅，纵坡约9.1‰左右。根据河道径流和泥沙特点及现场河道条件，本次设计选取拦河全闸式引水渠首方案和拦河闸堰式引水渠首方案进行比选。

2.1 方案一：拦河全闸式引水渠首

（1）闸孔总净宽计算

上游泄洪冲沙闸闸孔总净宽按设计工况最大过闸流量计算确定，为设计洪水工况时所承担的泄流量，按校核工况进行复核，根据水文成果设计洪水流量为534 m3/s，校核洪水流量为994 m3/s。

泄洪冲沙闸拟定为平底闸，正面泄流，为宽顶堰流，闸前水深根据设计洪水时闸址处天然河道水面线对应水深，过闸水位差及闸孔数综合拟定，行进流速根据规范取距堰壁3倍～5 倍堰前水深的断面处的河道平均流速。水力计算见表1。

表1 泄洪冲沙闸闸孔总净宽计算表

进水闸只承担引水任务，在洪水期按不引水工况处理。闸孔净宽按进水闸引水流量进行计算确定，净宽为6 m。

（2）平面布置

拦河全闸式引水渠首由泄洪闸、冲沙闸、进水闸、上下游导流堤等组成。总体布置如下：设计泄洪冲沙闸拦河布置，闸孔总净宽89 m，大于计算值，闸孔数11 孔，其中冲沙闸3孔，单孔净宽3 m，泄洪闸8 孔，单孔闸宽10 m；进水闸总净宽6 m，孔数2 孔，单孔净宽3 m。进水闸位于右岸，冲沙闸闸室右侧紧邻进水闸布置，左侧与泄洪闸相接，泄洪闸右侧紧邻冲沙闸，左侧与左岸上游导流堤相接。进水闸与泄洪冲沙闸轴线夹角为30 °，泄洪闸闸底高程高于冲沙闸闸底高程0.5 m，进水闸闸底高程高于冲沙闸底板高程2.0 m，冲沙闸与泄洪闸之间在上游护坦设置潜没式导沙坎，导沙坎顶高程高于泄洪闸闸底高程1.0 m。泄洪冲沙闸上、下游整治段长度150 m，两侧设导流堤，其中上游右侧导流堤长55 m，与河道中轴线呈30°夹角与现状右岸河坎连接；上游左侧导流堤利用现状导流堤，根据堤前水位高程对现状导流堤进行加高、加固，长度300 m；下游左侧导流堤长10 m，下游右侧导流堤120 m，下游导流堤出口处以半径50 m圆弧45 °转向，呈倒“八”字型向两侧延伸，由于现状河宽较宽，无法与现状河坎连接，因此下游导流堤末端做圆形裹头，折向上游。进水闸末端设消力池，消力池末端新建梯形引水渠与现状弯道入口连接。布置图见图1。

2.2 方案二：拦河闸堰式引水渠首

（1）闸孔净宽、孔数和溢流堰长度计算

泄洪闸闸孔单孔净宽为10 m，冲沙闸闸孔单孔净宽为3 m，根据洪水流量，对不同泄洪闸闸孔数和溢流堰长度组合进行试算。按《水闸设计规范》（SL 265 -2016）4.2.7∶闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔。冲沙闸按满足常遇洪水流量70 m3/s过流能力计算，确定孔数为3 孔；溢流堰最大堰高按满足进水闸加大流量引水要求确定为3.0 m。对泄洪闸孔数和溢流堰长度按四种组合进行试算：组合一、泄洪闸3 孔，溢流堰长度150 m；组合二、泄洪闸5 孔，溢流堰长度150 m；组合三、泄洪闸5 孔，溢流堰长度100 m；组合四、泄洪闸7 孔，溢流堰长度50 m。泄洪冲沙闸拟定为平底闸，正面泄流，按宽顶堰流公式计算过流能力；溢流堰为拟定侧堰，侧堰轴线与水流方向夹角为42.4 °，按侧堰公式计算过流能力。各种组合下泄洪冲沙闸、溢流堰闸前水深和泄洪流量分配成果见表2 ～ 表3。

图1 东干渠首改造工程方案一平面布置图

表2 各种组合设计洪水水力学计算成果表

表3 各种组合校核洪水水力学计算成果

由表2 、表3 可知，当泄洪闸为3 孔时，由于闸孔宽度过小，导致闸前水深大，单宽流量大，过闸水位差大，加剧闸后冲刷，易导致下游河床下切；当泄洪闸为7 孔时，闸孔过流能力过大，导致校核洪水工况下溢流堰泄流量都很小，失去了设置溢流堰的意义；当泄洪闸孔数为5 孔时，相同堰长情况下，可较3 孔时闸前水深降低0.63 m，且设计洪水工况下，溢流堰不过流，泄洪冲沙闸泄洪能力满足设计洪水过流要求，校核洪水时，溢流堰承担部分泄洪任务，可兼顾运行调度与安全的需要，因此本次设计采用泄洪闸孔数为5 孔。

根据组合二、组合三计算成果可知，泄洪闸同为5 孔时，受进水闸引水需要，溢流堰高度无法降低，溢流堰长度由100 m增加至150 m时，闸前水深仅降低降低了0.11 m，而溢流堰长度过长，增加工程投资，且不利于水力冲沙，将加剧堰前淤积。因此本次设计根据计算成果，综合考虑，溢流堰长度定为100 m。

综上所述，拦河闸堰式引水渠首确定为冲沙闸3 孔，单孔净宽3 m；泄洪闸5 孔，单孔净宽10 m；溢流堰长度100 m，最大堰高3.0 m。

（2）平面布置

拦河闸堰式引水渠首由泄洪闸、冲沙闸、溢流堰、进水闸、上下游导流堤等组成。工程总体布置如下：设计泄洪冲沙闸拦河布置，进水闸位于右岸，冲沙闸闸室右侧紧邻进水闸布置，左侧与泄洪闸相接，泄洪闸右侧紧邻冲沙闸，左侧与溢流堰相接。根据闸址地形条件，溢流堰采用侧向布置，轴线与泄洪冲沙闸轴线夹角42.4 °，与左岸现状导流堤方向保持一致。在《低水头引水防沙枢纽》中介绍：当进水闸引水要求需引取河道枯水期全部流量时，溢流堰的设设计堰顶高程等于进水闸水位再加0.1 m～0.3 m的过闸水头损失。根据进水闸加大引水流量水位计算成果，本次设计水溢流堰堰顶高程比进水闸加大引水流量水位高0.18 m，使其可兼备小水导流与大水泄洪的功能，溢流堰末端与左岸上游导流堤相接。其他工程布置和方案一相同，方案二见图2。

图2 东干渠首改造工程方案二总平面布置图

表4 总体布置方案比选表

两方案列表比较见表4。根据比较，拦河闸堰式方案工程布置紧凑，过水宽度较大，水流较分散，可减少闸后冲刷；运行管理方便，发生超标准洪水时有一定超泄能力；施工难度小，工程量较小，施工进度较快，工程造价较低；虽堰前易产生淤积，但通过合理工程布置，合理运行调度，可缓解这一矛盾。

经综合分析考虑，拦河闸堰式渠首方案总体上优于拦河全闸式方案，因此本次设计将方案二：拦河闸堰式渠首方案作为推荐方案。

3 结语

通过实际运行情况看，三屯河东干渠首不但运行较以前渠首简便，而且防冲防淤效果较好，通过渠首的改造提高了下游工农业供水的保证率，为造福昌吉州乃至整个新疆经济提供保证。工程分析结果也可为干旱和半干旱地区河流的渠首布置型式的设计选型提供参考和借鉴。