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册亨县无坝渠首改建应重视的几个问题
摘要阐述了册亨县灌溉工程无坝取水概况以及有坝取水对河道产生的影响,分析了无坝取水改建为有坝取水应考虑的几个问题,以为无坝渠道改建提供。
关键词无坝渠首;无坝取水;有坝取水;改建;贵州册亨
1概述
册亨县早期修建的灌溉工程,其取水口多为无坝渠首,即在河岸适当位置开挖取水口,而不拦河筑坝(建闸)雍高水位。一般在取水口设有进水闸以控制入渠流量。无坝取水由于工程简单、投资省钱,收效快而得到广泛采用。但是这种取水工程受河道中水流要素变化的影响较大,在水量及水位有充分保证的河道上才可采用。否则,取水保证率较低。另外,这种取水口附近河段的河床演变对这种取水口的正常运用影响极大。由于这些特点,在规划设计无坝取水口时,要符合下列要求:①河道主流经常靠近取水口;②在灌溉期内,取水口前须维持必要的水位,以保证引进设计流量;③防止推移泥沙进入渠道。对含沙量较大的河流,还应尽可能控制进入河道的悬移质含沙量[1]。
根据经验无坝取水口的位置,最好选择在弯道凹岸顶点的下游、离弯道起点距离为河宽的4~5倍的地方。实现正面取水或者在河床全有岩石出露的地方取水。但是,随着河床的不断降低,有些无坝取水口也取不到水,不能满足用水要求,其中相当一部分无坝取水口已改建或待改建为有坝取水口。以往在一些改建工程中常以工程量大小以及施工难易作为方案优选的目标。在选择河段及坝轴线时,考虑重点集中在坝区地质条件、建筑物布置条件和施工条件较好的位置,而对河势则不够重视,甚至不予考虑[2]。由于对有坝渠首抬高上游水位,改变原有的河道的水流输沙条件,引起河道变化认识不充分,致使工程运行若干年后,进水口的主流道堵塞、淤死。此外,枢纽布置不合理、设计及运用不当等都可能带来一些难以处理或补救的问题。为了满足工程要求,对不同的河段可以作出不同的河势规划;合理进行建筑物布置,并辅以必要的河床整治;在管理运用中,全面考虑,合理调水调沙,可以取得良好的改建效果。
2有坝取水对河道的影响
当设计引水量加大后,河流中的水位不能满足无坝自流引水要求;可灌溉临界期引水比较大,引水质量难以保证,以及在无坝引水口设置之后引水口附近及上下游一定距离内的河道发生变化影响引水时,需将无坝渠首改建为有坝渠首,即修建拦河雍水坝(闸)等控制建筑雍高水位,以保证引水需要。有坝渠首一般由进水闸、冲沙闸、雍水坝或拦河闸等组成,为了降低枢纽造价,拦河建筑工物常采用雍水坝。雍水坝抬高了上游水位,相应增大了过水断面。由于雍水区内流速减小,河道泥沙大部分淤积在雍水区上游部位,随着淤积地形加高,过水断面减小,流速增大,上游不沙淤积不断向过水断面大的方向延伸,直到雍水区内淤积体与坝顶齐平,才改变原河床的输沙状态。建造雍水坝后,将产生以下影响[3]。
2.1弯道环流作用减弱
取水口的位置多选择在弯道凹岸点下游,该处环流量强,不但水流比较集中,水深较大,且环流作用下,含沙量较低的表层水流流向凹岸,含沙量较高的底流则流向凸岸。取水口选在凹岸不但可以保证引水流量,而且还可以减少入渠泥沙。建坝后,由于雍水影响,坝上游的河宽通常总是要增加的。根据水力学理论,弯道环流的强度与水流的纵向流速的平方成正比,纵向流速越大,弯道环流的强度也就越大。由于坝的雍水作用,上游水流流速减小,因而减小了环流强度,对引水防沙不利。故对有坝渠首而言,只利用弯道环流取水防沙是不够的。
2.2主流线偏离引水口
无坝取水的一个基本要求是保证引水流量。取水口附近河段的演变对取水口的正常应用影响极大,它关系到河道主流是否能够经常靠近取水口,无坝取水一般引水流量较小,在引水的同时引走一部分泥沙,所以对原河道的影响不大。取水口位置选择应该结合弯道的地形,并经河道演变资料分析,确定出洪、中、枯不同情况下的主流顶中范围,然后根据引水要求确定取水口的具体地点。在这种情况下,可以保证主流靠引水口。天然河道主流中,枯水期基本上沿主槽运动,而建立坝后完全改变了上游的水流特性,破坏了天然河道水流条件与河床输沙的相对平衡状态,使水沙条件和河床形态重新调整。修建有坝取水枢纽后,河的宽度增大,边界条件发生新的变化,出现了回流区及小流速区,在这些区内泥沙大量落淤,形成边滩,如果不采取措施,边滩逐渐、状大,最后会堵塞、淤积主河道,致使主流偏离引水口[4]。
3无坝取水改建为有坝取水应考虑的问题
无坝取水改建为有坝枢纽后,坝区泥沙淤积往往造成许多严重后果。因此,在规划设计和管理运用中,应重点理好泥沙问题,此外,为保证工程正常运用,对其他几个问题也应予以重视。
坝区的河势稳定是取水工程成败的关键。坝区河势应比较稳定,主流位置在各级流量及中淤过程中,不应该有大的变化。这种稳定状态或者是建坝后发展的必然结果,或者是采取河床整治措施之后的人为产物。只要条件许可,应尽可能使坝区河势接近原自然河势。河道过宽则主流不稳定,对取水不利,枯水期流量愈小愈严重,将无坝渠首改为有坝渠首,坝上游的河宽必然要增加,为了避免河身过宽带来的水流不集中的危害,在河段的平面控制及枢纽布置上,应使河流有可能在适宜地点淤出较大的边滩或心滩,迫使水流在枯水期集中在利于取水的一侧。
3.2枢纽布置原则
设在弯道上的有坝取水枢纽,尽管雍水坝抬高了水位,相应减小了弯道的环流作用,但并没有完全破坏弯道环流的水流结构,这种水流结构和与之相应的泥沙运动决定了在弯段的外侧(凹岸)会出现深槽,而在其内侧(凸岸)则出现边滩和心滩。弯曲水流的这种水流泥沙运动特点是选择河段及枢纽布置时须考虑的重要因素。当坝上游整个河段具有弯曲外形时,取水建筑物布置在弯道的凹岸一侧。紧靠取水建筑物外,设置有足够泄量且底板较低的冲沙闸,有利于吸引主流靠近取水建筑物,避免主流道及闸前堵塞。
3.3进水闸孔口设计
进水闸孔口设计条件是在正常挡水位情况下能引进灌区规划设计流量。有坝枢纽的雍水作用,对主流方向产生一定的影响,因此在进水闸孔口尺寸设计时须考虑这种因素的影响,否则达不到设计流量要求。在设计时,应对工程措施调整方向,使水流正面入闸,以保证入流及建筑物安全。对不能完全保证正面入流的进水闸,在确定孔口尺寸时,应留出较大的富裕度,并设置防磨耐蚀的护面。
3.4消能设施设计
闸坝下游消能防冲不充分而导致建筑物损坏的实例屡见不鲜。主要由于枢纽运用初期,来水中的泥沙淤在雍水区,下泄清水的冲刷能力大于天然河道的抗冲能力,加剧了对下游河床的沿程冲刷,使下游水位低于建坝前同样流量下的水位。而消能设施的尺寸一般按建坝前天然河道水位流量关系设计,故在运用初期会出现消能设施尺寸偏小,消能作用不充分的现象,在设计中应予以重视,以保证闸、坝的安全。
3.5正确处理引水冲沙的关系
取水枢纽在灌溉临界期运行中,引水和冲沙常存在着矛盾。特别是干旱地区,用水紧张,总希望多引水而少弃水。但当地淤沙面上升到允许的高程时,必须及时放水冲沙,以免泥沙淤堵,造成不良影响。丰水期,洪水挟带大量的泥沙,对上游河道冲淤变化的作用最大,因此要保持坝上游一条相对稳定的主槽,不致被泥沙淤堵,冲沙闸需有足够的泄流能力及较低的底板高程作为保证。管理运用中,在保证引水流量的同时,应尽可能降低水位进行冲沙,控制泥沙不在主流道落淤,不应为减少引水含沙量而盲目抬高水位,雍水沉沙,将泥沙淤积在坝上游。枯水期,来水和用水存在矛盾,特别是干旱地区更为突出。不少灌区为了满足当时需要,只强调引水,忽视了冲沙、排沙。由于枯水期流量较小,在正常挡水位情况下,主流道的流速达到最小值,尽管枯水期含沙量及泥沙粒径都较小,但仍有相当一部分泥沙淤积在主河道内,这就造成有些有坝取水口在高含沙水流时能保持主流畅通,而在低含沙量水流情况下反而出现主流摆动。因此,处理好引水与冲沙的关系是不能忽视的问题。
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[1] 砟堂.无坝渠首改建中几个问题的探讨[J].农田水利与小水电,1993(3):29-33,35.
[2] 库永慧,马海燕,刘艳霞.肃北县拉排三通级水电站无坝渠首设计[J].甘肃农业,2005(3):94.
[3] 郭胜,马玲.有坝渠首工程的合理布置[J].水科科技与,2004.
[4] 曾赛星,钟世华.有坝渠首河滩地稳定性分析[J].农业系统与综合研究,1996,12(1):49-50.
[5] 郭月生,马玲.有坝渠道工程的合理布置[J].水利科技与经济,2004,10(1):25.
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