红山嘴引水枢纽在引水冲砂过程中对推移质的控制

郝 瑞

(新疆水利厅玛纳斯河流域管理处，新疆石河子832000)

1 自然概况

新疆玛纳斯河发源于天山山脉中段的依连哈比尔尕山北坡，位于天山北坡经济开发区核心地带，东邻塔西河，西邻金沟河，南靠依连哈比尔尕山与和静县相隔，北接古尔班通古特沙漠与和布克赛尔县、福海县相望，地理位置为E84°47'～85°31'，N43°40'～45°30'。干流全长427 km，呈南北走向，据1986～2009年资料统计其多年平均年径流量14.1亿m3，系山溪性内陆河流，流程短，水量小。玛河径流年内分配，主要集中于6～9月，水量占全年径流量的76.64%(红山嘴断面)，其中7月和8月水量占年径流量的54.01%。水量来源主要为季节性融雪、降雨及泉水，无大的支流汇入，人为影响因素较少。

天山山势峻拔，前山带表面主要为砂砾石，加上河道纵坡大，水流集中，冲刷力强，河谷下切深达100～200 m。大量泥砂随水流带至下游，悬移质输砂量年均275万t，最大输砂量491万t，最大含砂量166 kg/m3，推移质年输砂量约为40万t，80%集中在7、8两月，推移质泥砂占年总砂量的12%～15%，粒径多为5～300 mm，最大粒径为500～600 mm，多年平均粒径为31 mm。

2 工程运用概况

红山嘴枢纽工程是以灌溉为主结合发电的人工弯道式永久性引水建筑物，由进水闸、泄洪闸、溢流侧堰、上下河道整治段4部分组成。枢纽由4孔进水闸，7孔泄洪闸，溢流侧堰和上游河道整治段组成。进水闸设计流量105 m3/s，加大流量140 m3/s;泄洪闸设计流量410 m3/s，加大流量545 m3/s;溢流侧堰位于人工整治段上游岸，长250 m，校核洪水时溢流侧堰溢流量410 m3/s。枢纽处设计标准情况下泄流能力为650 m3/s，校核标准情况下泄流能力为1 060 m3/s。进水闸后接1 km长总干渠至曲线沉砂池，红山嘴子水利枢纽布置见图1。

玛纳斯河红山嘴枢纽建于1959年，采用正面引取表面清水，侧面底流排砂的苏联费尔干式渠首，同时修建曲线沉砂池配合渠首工作，对防止泥砂入渠产生了良好的效果。但其设计理论与新疆具体情况有较大差异，因此，在工程实际运行中，冲淤与引水的矛盾仍然是突出问题。玛纳斯河引水枢纽设计理论中称:“当引水率不超过0.7～0.75时，推移质泥砂入渠量不大于2%”，它是针对连续冲砂的情况下，但在实际中玛纳斯河渠首的引水比很高，非汛期引水率达到100%，年引水量一般均为大河总水量的70% ～80%，不得不采用间歇集中冲砂的措施，即使在洪水期，也只能短时间的边引水边冲砂，大部分基流时间引水率则为100%。因而总干渠推移质进砂量大大超过2%，玛纳斯河总干渠推移质进砂量占大河总量的30% ～58%，详见表1。

图1 玛纳斯河红山嘴引水枢纽布置示意图

表1 红山嘴断面来水、引水与泥砂情况一览表

3 引水冲砂过程中存在的问题及对策

3.1 没有设立上游泄洪闸

在上游整治段设溢流堰和泄洪闸，泄洪能力得到提高，但反而增加了淤积。

枢纽于1960年开始运行，仅3 a的时间就完成了上游淤积，下游冲刷的过程，开始了上游淤积变缓，下游淤积加剧的过程。下游的淤积使排砂不利，又促进了上游的淤积，致使工程不能正常运行，效益降低。因此，为提高渠首的泄洪能力，在上游整治段设置了溢流堰，但溢流堰流去表层水，留下底砂，致使淤积加重，过洪能力反而降低，为减轻渠首抗洪压力，1970年，在溢流侧堰末端新建了3孔泄洪闸，设计流量为180 m3/s。通过这一改建，为工程的继续运行起了一定作用，大大提高了泄洪能力，但泥砂淤积的问题仍未得到有效解决。

3.2 闸前整治段过宽

人为地缩窄上游弯道，充分利用横向环流引水排砂。

弯道式引水枢纽是利用水流在弯道上运动时，由于离心力的作用产生横向环流的原理，表层水流向弯道凹岸的进水闸，而底层水携带着泥砂由凸岸冲砂闸排走，在平面布置上呈正面引水，侧面排砂的形式。为了在闸前弯道段很好地形成横向环流，选用合理的弯道宽度和半径是十分重要的。弯道过宽造成主流在弯道内左右摆动，泥砂堆积在闸前，形不成环流。玛河渠首在弯道段凸岸(据闸约100～200 m)做了多条斜丁坝。坝顶比原竣工河床高1.5 m，弯道宽度由原来40 m缩窄到26～27 m，形成复式断面，效果较好。在河道大水时漫顶而过，在一般流量时，也能保证水流沿凹岸运动，为闸前产生横向环流创造了有利条件，但弯道半径过大的问题仍没有得到实质性解决。

3.3 下游整治段过宽过短的问题

由于下游灌区需水量要求不断提高，闸前的引水比提高，冲砂水用水量投入越来越少。汛期冲砂水较多，但由于下游整治段过宽、过短，无法发挥冲砂水的有效作用。

我们采用了束窄和延伸下游整治段的方法，改善了下游河道推移质泥砂淤积情况。

针对此问题，玛河渠首于1963年延长原导游堤60 m，淤积仍未解决。1966年在1、2孔闸后，建导流堤169 m，设计流量120 m3/s，大大改善了经常运用的1、2孔闸后的淤积情况。为把泥砂输送更远，同时改善沉砂池排砂明渠出口的淤积问题，于1970年又将这一导流堤延长至529 m，并将原6、7两孔冲砂闸封闭，作边堤210 m，完工后运用情况良好，每次集中冲砂时间＜4 h，较往年的4～6 h效果还好，闸前挡砂坎每次冲砂后可露30 cm，而曲线沉砂池排砂明渠出口处的下游河床在原来几乎淤平的情况下降低1 m，保证了沉砂池正常运用。2000年以来又分别对闸后导流堤进行了延长，并逐年对下游河道进行了机械清淤，大大改善了闸后河道推移质泥砂的淤积推进情况。

缩窄下游整治段并延长导流堤，对提高排砂效果、延长工程寿命起到很大作用。但导流堤的延长并非无止境，而是在一定长度后，上述作用就消失了。

4 推移质泥砂的控制程序

玛河渠首推移质泥砂测验已开展多年，在闸前、闸后、总干渠及排砂明渠上分别设立了推移质泥砂测验断面，在行洪期上游闸门的调控下，对不同情况下河道及干渠进砂、出砂量进行对比，不断地摸索玛河推移质泥砂运行的规律。长期以来，笔者根据自已的工作体会，结合老一代玛河人对推移质泥砂测验和控制的经验，总结如下控制程序，供大家参考。

玛河红山嘴引水枢纽推移质泥砂控制程序:

4.1 拟定干渠分砂计划

根据引水干渠输砂或沉砂池的排砂能力，或根据引水干渠、沉砂池实测泥砂冲淤变化资料，进行统计分析，确定引水干渠进水闸允许进砂量，计算干渠安全输砂率Qb安全，统计分析红山嘴引水枢纽1962～1966年，5 a洪水期7～8月干渠引水，沉砂池排砂的资料，5 a中7～8月沉砂池排砂明渠平均排砂5万 ～6万 m3，按1.6 t/m3，折合8.96万 t，平均输砂率为16.72 kg/s。2000和2001年7～8月总干渠平均输砂量8.38万t，平均输砂率15.6 kg/s，根据历史实际的输砂率，引水干渠的安全输砂率可定为≤16 kg/s，即输砂量864 m3/a，7～8两月总量为5.36万m3。

4.2 测定当日弯道瞬时来水流量

确定干渠引水指标(Q干引)及干渠水位。

4.3 计算当日瞬时引水率

当日瞬时引水率计算公式为:

4.4 计算当日瞬时分砂比

当日瞬时分砂比公式为:

4.5 计算弯道当日瞬时安全输砂率

当日瞬时安全输砂率计算公式为:

4.6 计算弯道当日瞬时安全水面比降

当日瞬时安全水面比降计算公式为:

4.7 计算附合安全水面比降值的弯道上水尺水位差

4.8 计算水位差

调整控制闸门，观测干渠引水流量，同时观测弯道上下比降水尺，至水位差达到计算值。

4.9 复核泥砂控制效果

测定弯道，引水干渠的流量、输砂率，校核泥砂控制效果。

5 结束语

新疆玛纳斯河系山溪性多砂河流，洪枯流量变化极大，前山植被较少，在洪水期河水会以急流状态挟带大量泥砂下泄，对于渠首的工程使用寿命及引配水都会有十分严重的影响，只有科学地分析历史资料，综合考虑各方面的因素，坚持不懈地对推移质泥砂进行研究分析，掌握其运行规律，结合实际情况进行有效的引水排砂，合理利用，才能变害为利，造福人民。

［1］严晓达，刘旭东，李贵启，等.低水头引水防砂枢纽［M］.北京:水利电力出版社，1990.

［2］刘允敬.新疆玛纳斯河红山咀枢纽取水防砂运行实践［J］.泥砂研究，1983(2).

［3］李山，卫树藩，严孝达等.新疆弯道式渠首引水防砂技术研究［J］. 中国水利，2003(4b).