悬板分层式引水枢纽进水闸水力计算

赵晓军 关明

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院 新疆乌鲁木齐 830002）

新疆属干旱地区，疆内河流大部分为山溪性河流，河道泥沙多，且以推移质为主，其粒径粗、量大，给引水枢纽造成淤积等危害。而前苏联提出的“悬板分层式”引水枢纽，采用“正面分层引水、正面排沙”的布置形式【1】，比较符合泥沙输运规律，较好地解决了引水和防沙的矛盾。目前在新疆的桑株河引水枢纽、玉龙喀什河引水枢纽、喀拉喀什河引水枢纽等多个引水枢纽上得以应用【2】。但是，由于悬板的水力计算值与实际值相差很大，悬板的引水流量及布置形式等经常需要模型试验来确定，从而影响了该工程的进一步推广应用。现以克里雅河昆仑引水枢纽悬板分层式引水计算为例，为此类引水枢纽的水力计算提供参考借鉴。

图1 昆仑引水枢纽平面布置图

图2 进水闸纵剖面图

图3 冲沙闸纵剖面图

1 枢纽概况

和田地区克里雅河昆仑引水枢纽是克里雅河的第一级枢纽。始建于1962年，经过二十多年的运行，由于泥沙的淤积，基本无法利用。因此自1987年和田地区水利局、于田县水电局开始做重建昆仑引水枢纽的前期工作，于1994年建成使用。控制着于田县的80.9%的灌溉面积。

昆仑枢纽原设计控制灌溉面积32 180 hm2，工程规模为Ⅲ等中型，引水流量60 m3/s；设计洪水标准为50年一遇，设计洪水流量819 m3/s；校核洪水标准为300年一遇，校核洪水流量1 090 m3/s。现状引水枢纽由冲沙闸、泄洪闸、进水闸、上游导流堤及下游导流堤等5部分组成。

其中进水闸共1孔，闸室结构为胸墙式，闸底板与闸墩为分离式钢筋混凝土结构，闸室净宽8.0 m，孔口高度为3.0 m。冲沙闸和进水闸前设有平面呈梯形的引水悬板，为钢筋混凝土结构，厚0.3 m。

引水枢纽、进水闸、冲沙闸的平面布置及剖面图见图1、2、3。

2 昆仑引水枢纽进水闸正常引水位计算

由于进水闸前悬板悬空，与皮卡洛夫堰型（皮氏堰）不尽相同，根据水流情况，认为悬板式过水与侧槽式溢洪道类似，其具体计算方法如下：

图4 悬板大样图（单位：cm）

图5 皮氏堰大样图

（1）进水闸最大引水流量Q=60 m3/s。悬板平面尺寸及剖面图见图 4、5。

（2）计算【3】

式中Q——设计引水流量，m3/s；

b——过流断面宽度，m；

q——单宽流量，m2/s；

式中m——流量系数，取0.385；

H0——堰顶水头，m；

式中φ——流速系数，φ=0.95～1.0，此处取0.98；

C——由图得知取0.35 m；

hc——收缩断面水深，m；

式中hk——临界水深，m；

α——动能修正系数，取α=1.10；

（3）条件判定

C值应满足：0.2 hc≤C≤0.8 hc，0.2 hc=0.09 m≤C=0.35≤0.8 hc=0.37 m，满足条件；

根据不淹没条件△/H0≤0.8，即△≤0.8H0，则△≤0.8H=0.8×1.11 m=0.89 m；

悬板上水深h应满足：h≤△+C=0.89 m+0.35 m=1.24 m。

（4）试算悬板上水深h

根据槽内最大限制水深（h＜△+C）和最大控制流速（和田地区采用5.5 m/s）按相关公式【4】进行槽内水面线试算，达到ha相近时为止（ha为上下两断面水面降落值），然后计算各断面的流量之和，判断是否能通过设计流量。

断面号 2 3 4 5 断面号 2 3 4 5 d(m)5.60 11.20 16.80 22.40 d(m) 5.60 11.20 16.80 22.40 l(m)12.00 6.00 6.00 6.00 l(m) 12.00 6.00 6.00 6.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 b(m)8.15 10.31 12.46 14.62 b(m) 8.15 10.31 12.46 14.62 v(m/s)5.50 5.50 5.50 5.50 v(m/s)2.53 3.49 4.45 5.50 h(m)0.54 0.63 0.70 0.75 h'(m) 1.17 1.00 0.87 0.75 χ(m)9.22 11.58 13.86 16.11 χ(m) 10.48 12.31 14.19 16.11 A(m2)4.36 6.55 8.73 10.91 A(m2) 9.50 10.32 10.79 10.91 R(m)0.47 0.57 0.63 0.68 R(m) 0.91 0.84 0.76 0.68 n 0.02 0.02 0.02 0.02 n 0.02 0.02 0.02 0.02 C 44.14 45.46 46.29 46.85 C 49.19 48.55 47.77 46.85 C2R921.96 1168.411349.141486.32 C2R 2192.771976.351734.721486.32 i% 3.28 2.59 2.24 2.04 i% 0.29 0.62 1.14 2.04 iop 2.94 2.42 2.14 iop 0.45 0.88 1.59 ha（cm） 16.44 13.53 11.98 ha（cm） 2.54 4.92 8.89∑ha（cm） 41.94 ∑ha（cm） 16.35

上述试算中：

di——起点到各个横断面间的距离，m；li——所在断面过水边长度，m；

Qi——所在断面过流流量

bi——断面宽度，m；

νi——最大控制流速，m/s，和田地区一般采用5.5 m/s，初次试算时假定为最大控制流速，从第二次试算开始νi=

iop——相邻两断面的平均水力坡度；

hai——相邻两断面水面降落值，cm，ha i=d2iopi，此处d2=5.6 m，即相邻两端面间的距离；

不断地试算，直至最后两次试算的结果相近即可，即h=h’。此次计算，第五次与第六次试算结果相近，即为所求水深，h=0.938m。

（5）闸前水位的确定

（6）昆仑引水枢纽其他水力计算

按照常规的水力计算方法计算即可。

3 结语

对于低水头且河道泥沙量大的引水枢纽，采用悬板分层式引水可有效地解决引水和防沙的矛盾。据悉，悬板的设置改变了水流流态及水流内部结构，即变明流为有压流(板下区)，使板下区纵向流速较不设置板时增大了22%【5】，从而提高泥沙的输移能力。本文仅对悬板分层引水的部分水力计算进行了简单阐述及实例应用说明，以便其他同类工程应用参考。

［1］张建民，杨永全，等.悬板在低水头引水防沙工程中的应用［J］.中国农村水利水电，2001(4):1.

［2］张建民,侯杰,周著.悬板分层式引水渠首悬板区水力特性研究［J］.新疆农业大学学报，1997(3):1.

［3］李炜.水力计算手册（第二版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2006；75.

［4］麦家煊.水工建筑物［M］.北京：清华大学出版社，2005；276.

［5］侯杰，邱秀云，周著.悬板区流场特性及其对输沙的影响［J］.泥沙研究，1999(3):3.