引水枢纽工程文献综述
新疆农业大学
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指导教师: 新疆渠首工程概述 李学俊 水利与土木工程学院 水利水电工程 水工082班 083832210 高强 职称: 讲师
2012 年03月01日
新疆农业大学教务处制
新疆渠首工程概述
李学俊
摘要:为了满足城市供水、农田灌溉及水力发电等,常常需要从水库、湖泊及河流中进行取水,特别是从河流中取水,这就需要建立引水枢纽,即渠首工程。新疆河流的特征为渠首工程的发展提供了先天条件,新疆渠首工程的经验值得我们学习。新疆河流绝大部分是多沙河流,泥沙处理是渠首工程设计中的关键问题。渠首的形式有很多,在已建的400多座引水渠首中,弯道式渠首的应用较为广泛。本文献对各种渠首做一概述,着重对弯道式渠首的设计特点、优化布置及弯道式渠首的技术发展、泥沙处理、防冰冻措施等问题进行了探讨,对上游、下游整治工程,弯道整治段,河道稳定宽度的设计及灌溉与发电结合问题的解决提出了有效方案。
关键词:弯道式 拦河闸坝式 引水枢纽 防沙技术 渠首工程
前言:水是生命的源泉,天然的谁打都汇集在大江、大河及湖泊中,为了解决一系列的用水,我们就得把水引到千家万户,田间户头,而渠首工程是解决将天然河流中的水引到指定地点引水枢纽工程。
正文:渠首工程是将天然河流中的水引向输水干渠的龙头,是一个综合的水利工程。从天然河道中取水,通常有机械提水(泵站提水工程)和自流引水(引水枢纽工程)两种方式。引水枢纽根据有无拦河坝或拦河闸分为无坝引水枢纽和有坝引水枢纽。无坝式引水枢纽又可分为一首制和多首制无坝引水,有坝引水枢纽根据引水方式及其建筑物的形式可分为:弯道式、沉沙槽式、冲沙廊道式、底栏栅式、拦河闸坝式、分层式等。
一、无坝式引水渠首的特点
无坝渠首对天然河道的影响小,与其他经济部门,如航运、发电及渔业等事业的矛盾少,还有工程简单、投资小、施工易较、工期短及收效快,因此无坝渠首在我国引用较广,尤其在大江大河的下游,大都采用无坝渠首。无坝渠首受所在河段水文泥沙特性、河床稳定性以及引水量多少等因素的影响很大,进水闸的结构布置必须适应河水涨落变化影响和采取必要的防沙措施。无坝式引水渠首设计简单,施工方便,适用于水量充沛,径流稳定的河道上。
二、有坝式引水渠首的特点
有坝式引水渠首,对河道水流的控制程度较高,引水保证率较高。弯道式引水渠首和利用河道的天然河湾在凹岸引水的无坝引水式渠首是利用水流在弯曲河段处的横向环流引水的;分层式引水渠首是利用不同粒径泥沙在水流立面上的不同分布以防推移质泥沙入渠的;底栏栅式渠首,是利用设在引水廊道顶部或侧边的栅条阻止大于栅条间隙的泥沙进入廊道的;拦河闸式引水渠首则多在粗颗粒推移质泥沙较少的河流上使用,在使用中又利用了不同粒径泥沙在水流立面上的不同分布特性,采取进水闸底高程高于泄洪闸闸底高程的措施,引取表层含推移质泥沙较少的水流。
1、拦河闸坝式引水渠首
拦河闸坝式引水渠首,可根据河道来水、来沙规律,主动灵活的控制枢纽运行。利用拦河闸的部分或全部开启,壅水沉沙,引用表层水,或泄洪排沙。拦河
闸坝式枢纽能有效控制河道主槽,冲沙时可降低水位,汛期可敞开闸门排沙,可以保证稳定的闸前调解水位或调沙库容。
拦河闸式引水枢纽在工程建成后的运行管理阶段,通过对拦河闸孔的启闭运用,尤其是通过对边端数孔泄洪冲沙闸的启闭运用,对改善整个枢纽的引水防沙条件有着显著作用,特别是在洪水期,通过闸门的全启或半启,可对淤积在上游河槽中的泥沙进行溯源冲刷或局部沿程冲刷。另外合理启闭各孔冲沙闸门,可在闸前形成局部环流及旋滚,创造有利的引水排沙条件。
2、弯道式引水渠首
弯道式引水渠首是在50年代后期,引进原苏联费尔干式引水渠首的基础上,通过对根据苏联专家直接指导所修建的费尔干式渠首在运行中所暴露的问题,结合新疆河道水文特性以及引水比高的特点,在不断总结正反经验和深入的研究后,逐步形成的有新疆特色的引水渠首。
弯道式渠首位置一般多选在出山口处或其附近。因为这里相对来说,推移质泥沙的沙源较下游为少,同时河流在出山口处,一般处于河流冲积扇的顶部,河床多属下切河段,坡陡流急,有利于排沙。
2.1.多级排沙综合处理
低水头引水渠首工程,泥沙处理措施主要是防沙和排沙沙。泥沙处理由泄洪闸、冲沙闸共同承担,利用泄洪充分排沙。此外,当引水比较高时,还采用排沙漏斗、冲砂廊道等二次泥沙处理设施,以及对泥沙多级处理的措施。
2.2.优化枢纽布置及上游泄洪闸的平面位置
在阿克苏河西大桥电站渠首模型试验中,将上游泄洪闸的平面布置加以优化,排沙效果显著改善,且提高了推移质泥沙的出库率,由此可见平面布置的重要性。在进行引水枢纽总体布置时,慎重考虑泄洪闸的合适位置及其平面布置,如上游河道宽浅游荡,应根据具体的工程情况及边界条件,并通过水工模型试验择优确定。
2.3.关于上游整治段的设计问题
过去上游整治段设计过于简单,其首端常以喇叭口形整治段与上游河道连接,无法充分发挥上游泄洪闸的泄洪排沙功能。在新疆盖孜河吾依他克水电站引水渠首模型试验中,将传统的喇叭口形整治段改成弯道,并同上游河道的主河槽相接,成为“S”形弯道,泄洪闸设在“S”形弯道末端,在弯道水流作用下,泄洪闸的排沙能力大大增强,效果十分显著。分析主要原因有以下几点:
(1)喇叭口形整治段,由于整治段上游较宽,水流不稳定,泥沙淤积位置常有改变,在运行管理时,难以判断泥沙淤积情况,以采取相应的闸门运行方式;而“s”形双弯道整治段在各级流量下,第一个弯道凸岸下游的淤积边滩保持稳定,只是其宽度和长度随着流量的变化而改变,即水面宽度随流量自动调整,保证了河流主槽及排沙效果的稳定性。
(2)曲线形整治段不易造成整治段中的淤积。因为弯道产生环流,其输沙率比同样断面的直线整治段大,泥沙在弯道中需要的纵向起动流速较直线整治段小,泥沙不易在泄洪闸前淤塞,进水闸前较易形成“清水”带,因此曲线形整治段优于传统的喇叭口形整治段。
(3)泄洪闸的总宽与上游整治段衔接较协调。吾依他克渠首采取多级泄洪排沙措施设计,泄洪闸共需5孔,将其中3孔泄洪闸上移,并根据上游河势布置
了“s”形整治段,通过多次优化其平面布置,使泄洪时主流和底沙轨迹重合,且处于3孔闸的中孔处,产生较大的单宽输沙率和单宽泄量。在进行模型试验造床试验放水时,上游水位与水面纵坡与建闸前基本相同,造床试验很快达到泥沙平衡。这种布置形式,不仅防止了推移质进入进水闸,而且能得到较高的泥沙出库率,因而有效地延长了引水枢纽调节库容的使用年限。通过水工模型3个水文年的系列输沙试验,推移质泥沙出库率较高,最终库容满足蓄冰要求。
(4)泄洪闸、冲沙闸底板高程的选定。首先应分析该渠首所在河段是下切河段,还是上升河段。属后者,应比天然河底适当抬高。新疆大多为天然河流,多处于平衡或动平衡状态,这意味着河槽的几何形态在现阶段来水来沙条件下,会保持相对稳定。泄洪闸的闸底高程应在宣泄原河道设计洪水时,不至于过分卡水,以保持河道主槽固有的泄洪输沙能力。
冲沙闸的底板一般低于进水闸1~1.5m,其底板高程在下切河段可取原河床平均高程。对中小型多泥沙河流,在引水较大的情况下或枢纽处于冲淤平衡的稳定河段甚至淤积河段,应考虑到在大量引水后,下游河床的水沙平衡、淤积抬高因素,故冲沙闸底板高程要适当抬高,以加强下泄水流的挟沙能力,使泥沙输送到下游较远的距离。但冲沙闸底板抬高过多,又会减少上游弯道整治段,纵坡又可能会在弯道内淤积,对下游而言,会增加消能防冲设施的费用。因此,冲沙闸底板高程应结合引水比、枢纽位置、冲淤平衡条件、河段纵坡稳定性及发展趋势、推移质粒径、下游消能防冲等因素综合考虑。
2.4弯道式渠首设计中应注意的问题
2.4.1.上游整治工程及导流堤超高与布置
上游整治段导流堤的长度、角度,应依天然河床宽度及稳定程度而定。由于新疆不少山溪性河流,洪水由暴雨加融雪组成,暴涨暴落,历时较短,大河洪峰到来前,对引水道的冲刷能力较弱,有的工程来不及将淤沙冲走,洪峰陡涨就可能造成漫堤。因此,在这些渠首的设计上要预计渠首泄洪通道在洪水前的淤积情况,适当加大超高。
导流堤与河岸的连接是一个薄弱环节,必要时可在上游河段或导游堤上加挑流丁坝,以确保主流归槽和导流堤安全,导流堤的角度、长度要因河势而布置,导流堤与水流的夹角不宜过大,导流堤与上游河道要平顺相接。
2.2.2.弯道整治段设计
主要应考虑弯道设计流量、长度、稳定宽度、曲率半径、纵坡、流速及与进水闸、冲沙闸的平面衔接等因素,原则上是在每年洪水期都能形成稳定强烈的横向环流。弯道设计流量较理想的情况是2倍的进水闸设计流量。如果洪水季节,河道正常流量较大时,可通过泄洪闸泄洪排沙;若7~8月份洪水季节出现流量较少,而进水闸设计流量又不能减少的情况时,可按每年洪水季节都能发生一定时间(大于10天)的流量作为弯道设计流量,弯道纵坡、流速、底宽之间需统一考虑,要使弯道设计流速达到泥沙起动流速。
2.4.3.下游整治工程
一般根据引水枢纽布置,将下游整治段布置成直线形,也可布置成曲线形。下游整治段长度,应不少于2倍下游直线稳定河槽宽度,也可适当延长一些,采用4~5倍下游整治宽度。如下游河床属于纵坡很陡的下切河段,水流挟沙能力较强且下游河岸很稳定,则整治长度可短一些。若渠首引水比很大,且河床纵坡不大,冲沙泄水闸下游河道有淤积的可能时,下游整治段长则可长一些,使推移
质泥沙排到下游较远处。当枢纽天然河床比较平缓,引水比高,冲沙水较小时,下游冲沙流速较低,容易淤积。为解决这一问题,可在下游整治段内增设隔水墙束水攻沙,使下泄流量较小时也可将泥沙输送至下游较远处。
2.4.4.关于河道稳定宽度
河道稳定宽度计算一般采用阿尔图宁公式,但这一公式没有反映含沙量变化,有它的局限性。应对具体河流实地调查,结合洪水期的流量流速、相应的河床变形及河床质的粒径组成情况进行分析研究确定。阿尔图宁公式反映的河相关系,适用纵坡较缓的河流,在坡度较陡的山区河段适应性较差。因此,应根据不同地区河流流量及过程、河床形态、河床质粒径组成等因素综合考虑确定。
2.4.5.关于灌溉与发电结合的问题
新疆多数河流具有建设径流式水电站的条件和需要。因此,渠首工程不仅要满足灌溉需要,同时也应满足发电的要求。电站除应对泥沙的处理要求较高外,还要处理好冬季的冰害。对冰害的处理,最经济合理的方案是利用引水枢纽建成有一定库容的蓄冰库。由于冬季河道来水较少,从经济上考虑,蓄冰比排冰合算。为了延长蓄冰库的使用年限,要求设计上必须使渠首枢纽具有较高的泥沙出库率。
2.4.6.渠首设计对下游河道演变及生态的考虑
新疆的引水枢纽引水比高,排沙水较少,泥沙含量大,河道宽浅散乱,使引水枢纽及下游引水工程使用寿命及引水防沙效果受到影响,有的甚至报废。因此,为了保持天然河道的输沙能力,在工程规划上应采用多级引水方式,减少引水比,以保持天然河道特性。尽可能减少工程对天然河床的影响,不要过度改变河道的水沙条件。在引水防沙的同时,重视河道演变。
3.底栏栅式引水渠首
底栏栅式引水渠首是靠栏栅将粒径大于栅条间隙的粗颗粒推移质泥沙阻隔在栏珊之上,让水流冲走,通过栏栅水结构取水的一种河流引水形式。由于结构简单、工作造价低、施工及运用方便、引水防沙可靠,因此在山溪性多沙河流上得到广泛应用。经过已有渠首运行的经验,发现各渠首均程度不同地存在着一些问题,一是渠首上下游泥沙淤积严重,二是引水廊道进沙过多,三是消能防冲处理不当,四是引水流量达不到设计要求。经分析发现,主要原因是,渠首位置选择不当。为了节约投资,渠首建在山口一下靠近灌区的冲积扇中部河段,此处河道宽阔,水流分散,携沙能力下降,河床呈淤高趋势。其次是,因受工程投资限制,工程布置过于简单,同时多数渠首的总体布置不合理。底栏栅引水渠首的枢纽总体布置,应在深入了解和研究渠首所在河流的水文、泥沙特点的基础上,充分利用弯道环流原理和泥沙运动分布规律,与其他引水渠首相结合。
底栏栅式引水渠首适用于坡陡流急,汛期河水携带大量粗颗粒推移质泥沙的山溪性中小河流。底栏栅式引水渠首通常由上、下游导流整治段、底栏栅堰、进水廊道、廊道节制闸、泄洪冲沙闸、挡沙导沙坎、溢流堰、冬季引水闸、泥沙二级处理建筑物等组成。
4.分层式引水渠首
分层式引水渠首上、下游整治河道采用直线形式,正面冲沙、正面引水至两侧。底层含泥沙量大的水流经冲沙闸或底孔泄至下游河道,表层含泥沙量少的水流则被割取由悬板或经竖井廊道引入进水闸。现今已建的分层式引水渠首有两
种,一是悬板分层式,以为竖井(跌井)分层式。其主要原理都是利用河道水流所含泥沙在垂直断面上的分布规律,用工程措施把水流分成上、下两部风,上层含泥沙少的经由悬板或经竖井廊道被引入渠道。
结论:
1.引水渠首工程规划应以维持生态良性循环和渠首工程长期运行为原则。引水渠首设计布置应尽可能减少对天然河床的影响,在引水防沙设计的同时,要重视河床演变研究。尽量保持天然河道特性,限制引水比,并考虑对下游生态的影响,不应使河型、河流输沙能力发生较大变化。当引水比较高时,可采用排沙漏斗、冲砂廊道、沉沙池等多级泥沙处理的措施与办法。
2.泄洪闸与弯道整治段的夹角应与上游整治工程,两河汇合后整治控导工程的主流方向相适应。泄洪闸的底板高程要适应河床的变化,结合汛期河床冲刷高程确定,并通过模型试验加以验证和调整,以获得良好的引水防沙效果及较高的泥沙出库率,使枢纽长期正常运用。
3.拦河引水渠首上下游整治段的宽度应符合该河段的稳定宽度,枢纽总体布置应与此相协调。
4.具有发电要求的径流式水电站除满足对泥沙的处理要求外,还要解决好冬季的冰害。最经济合理的方案是利用引水枢纽建成有一定库容的蓄冰库。为了延长蓄冰库的使用年限,渠首应具有较高的泥沙出库率。
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