弯道横向环流对处理泥砂的功能技术探讨

庞德枚

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司新疆分公司，新疆阿克苏843000)

新疆乌什县秋格尔引水枢纽工程泥砂问题是多年运行管理存在的最大问题，特别是近年来，运行管理费用逐年增加，排砂效果差，泥沙进入引水系统，已影响了农业引水灌溉、工业梯级发电、周边生态环境等国民经济的发展。下面针对工程存在的泥砂问题，采用弯道横向环流对处理泥砂的功能进行技术探讨。

1 工程概况

秋格尔引水枢纽工程位于乌什县奥特贝希乡与牙曼苏乡之间的托什干河干流上，为拦河式引水枢纽。该枢纽在省道306线112 km分支的Z 621专线4 km处。距乌什县城15 km、阿克苏市130 km。主要功能为农业引水灌溉、工业梯级发电、城市防洪、交通，是一座具有综合效益的水利枢纽工程。其中农业引水灌溉面积2.01万hm2、工业梯级发电装机容量40 MW、城市防洪保护乌什县城约10万人生命及财产安全，是Z621专线的唯一交通要道。

该工程主要由拦河泄洪闸、引水道、第二泄洪冲砂闸、节制分水冲砂闸和上下游整治导流堤组成，其中拦河泄洪闸全长125 m，共14孔，单孔净宽8 m。引水道为无闸开敞式引水渠，位于拦河闸右侧，与拦河闸呈45°夹角，总长235 m;第二泄洪冲砂闸位于引水渠140 m处左岸，共设有4孔开敞式闸孔，单孔净宽4.0 m;节制分水冲砂闸位于引水渠的末端，设有电站引水闸1孔，秋格尔总干渠引水闸2孔，泄洪冲砂闸2孔，单孔净宽均为4.0 m;上游右岸导流堤与色来阿拉尔防洪堤连为一体的现浇混凝土板结构，上游左岸导流堤为长400 m的浆砌石护面结构。下游右岸导流堤长300 m，与下游的右岸防洪堤连为一体，浆砌石护面结构。下游左岸导流堤长150 m，浆砌石结构。

2 现有工程存在的问题及解决办法

秋格尔引水枢纽工程是乌什县托什干河上三大渠首之一，该枢纽始建于1967年11月，1971年5月竣工。1981年7月27日托什干河发生827 m3/s的常规洪水，造成20孔溢流堰中14孔被冲垮。1983年自治区作为水毁修复工程正式立项建设，当年3月开工，1984年12月底竣工，正式投入运行。拦河闸系统已运行27 a，引水系统已运行40 a。现有工程存在的问题是:

2.1 泄洪能力不足

依据现状水文分析成果，本工程设计洪水重现期采用30 a一遇，设计洪峰流量为 1 935 m3/s。校核洪水重现期100 a一遇，校核洪峰流量为2 700 m3/s。原工程设计洪水重现期采用30 a一遇，设计洪峰流量为1 140 m3/s，(P=1%)，校核洪峰流量为1 465 m3/s，(P=0.2%)，原设计拦河闸的泄洪能力严重不足。

2.2 排砂功能差

托什干河干流秋格尔引水枢纽断面处多年平均年含沙量为2.325 kg/m3，多年平均年悬移质输沙量为687.8×104t，推移质输沙量为 115.6×104t，多年平均年输沙模数为364.7 t/km2。拦河闸没有有效地排沙措施，引水道进口底板仅比拦河闸底进口高0.2 m，第二泄洪冲砂闸处于引水道弯道中上段，布置不合理，导致引水道水流不能形成弯道横向环流，冲砂闸排砂效果差，泥沙进入引水系统。

2.3 解决办法

在保持现有水位变化不大的情况下，通过增加泄洪闸孔水，来解决泄洪能力不足问题。对于泥砂处理问题，除抬高引水道进口底板高程外，拆除第二泄洪冲砂闸，充分利用水流弯道环流理论，合理布置弯道末端的引水系统及排砂系统，达到引清排砂的目的。

3 双方弯道横向环流及功能设施布置

3.1 弯道横向环流

秋格尔引水枢纽工程地处乌什县境内的托什干河干流上，河床含沙量大，河道纵坡较陡，流量变幅大，在引水道上设计人工弯道，利用弯道环流理论，使水流沿弯道作曲线运动时产生指向凹岸的离心力，由于水面流速大，离心力大;下层河底的流速小，离心力小。为了平衡这种离心力，水流通过调整，将形成凹岸水面高凸岸水面低的横比降。在弯道的横断面上，水流受离心力和水面横比降的综合作用，产生横向流动—横向环流。横向环流是引起泥沙横向运动的动力，它促使弯道凹岸冲刷而凸岸淤积。

3.2 功能设施布置

如何进行功能设施布置，充分利用利用横向环流理论是解决泥砂进入引水系统的关键，具体布置如下:

秋格尔灌溉、发电总的引水流量为91 m3/s，人工弯道设计流量取设计引水流量的2倍，Q=180 m3/s;引水道设计水面宽28.57 m，弯道中心线半径为设计弯道水面宽的3.5倍，即R=100 m;弯道长度为设计弯道水面宽的8倍，人工弯道式引水道总长228.56 m。弯道进口设1.5 m高的挡砂槛，设计渠底宽14 m，内边坡1∶1.75，渠底采用浆砌卵石材料砌筑，边坡为现浇混凝土板。

弯道末端凸岸设置4孔单宽为5 m的开敞式冲砂闸，凹岸布置1孔净宽5 m带胸墙开敞式灌溉进水闸和4孔单宽为5 m的开敞式电站进水闸，两进水闸底板相对冲砂闸均抬高0.5 m，闸前均设置1.20 m的挡砂坎。

4 结论

在多沙性河流上泥砂处理是水利工作者们多年来一直积极探讨的问题，就秋格尔引水枢纽工程多年运行管理存在的泥砂问题，通过抬高引水道进口底板高程、人工弯道横向环流、功能设施布置的综合措施，力求达到引清冲砂的良好效果，对农业引水灌溉、工业梯级发电、周边生态环境等国民经济的发展具有重大的现实意义。

［1］周著，侯杰，邱秀云，等.漏斗式全沙排沙技术研究与应用［J］.中国三峡建设，2008(5):55－56.

［2］张开泉，刘焕芳.渠道上的涡管排沙工程［J］.四川水利，2008 (2):19－22.

［3］王忠，谢富明，栾文，等.新疆金沟河渠首解决泥沙入渠的措施及效果［J］.中国农村水利水电，2006(10):7－8.