新疆玛纳斯河弯道式引水渠首引水防沙技术研究

2013-09-03逄焕春

水利规划与设计 2013年8期

逄焕春

（新疆玛纳斯河流域管理处新疆石河子 832000）

1 流域概况

新疆玛纳斯河发源于天山北坡的依连哈比尔尕山，流域内地势由东南向西北倾斜，干流全长324km，年径流总量13.1亿m3，流域面积1.98万km2，山区集水面积5156km2，平均海拔高程3000m，河长 190km，平原区 1.465万 km2，是准格尔盆地南缘最大的一条河流。灌区包括兵团农八师 15个团场、农六师新湖总场、塔城地区沙湾县五个乡、昌吉州玛纳斯县9个乡、克拉玛依市小拐乡、石河子市及玛纳斯县城和玛纳斯县火力发电厂、红山嘴水力发电厂，总人口 65.4万人，工农业总产值200亿余元，现已成为国家、自治区重要的粮食生产基地和优质长绒棉生产基地，是自治区经济发展水平较高的地方。

2 玛纳斯河泥沙特征

（1）泥沙的年季变化很大。降水是产沙多少的主导因素，相应气温作用不大。如果一年中降雨次数多、强度大，年输沙量就大，反之则少。以玛纳斯河上游水文站肯斯瓦特站悬移质测验为例，实测最大年输沙量为1747.5万t（1999年），最小年输沙量为49.7万t（1992年），二者相差35倍之多，分别为均值的5.9倍和0.17倍。

（2）泥沙的年内分配集中。6～8月输沙量占到全年输沙量的94.1%，7～8月占80%以上。在这三个月中，特别是7月和8月，气温较高，流域覆盖层干燥松散，加之暴雨强度较大，河道水量大，易于泥沙的产生和输送。冬季各月因水量小而且主要是冰川融水和地下水补给，水体含沙量基本为零。

（3）含沙量集中，与降雨有关。全年的输沙量，主要集中在数日内，如1969年7月30日玛纳斯河渠首日均悬移质输沙率为 11200kg/s，日输沙量96.8万t，占到全年输沙量的21.1%。肯斯瓦特站1987年7月14～15日两天的输沙量达到186.2万t，占当年输沙量总量的30.4%。

根据观测资料分析玛纳斯河渠首多年平均悬移质输沙量为270万t，输沙率为85.6kg/s ，同期含沙量为 2.25kg/m3，侵蚀模数 524t/km2。表1为多年平均悬移质泥沙统计表。

3 引水防沙技术

（1）渠首工程布置。渠首工程建于1959年，工程由上游整治段、溢流侧堰、泄洪闸、进水闸、泄洪冲沙闸、下游整治段6部分组成。上游整治段全长800m（不包括2002年向上游延伸段），其中喇叭口段长 200m，溢流侧堰直线段长250m，闸前人工弯道长350m，设计纵坡1/231。泄洪闸以上河宽 65m，人工弯道底宽 40m，在左岸设有三道顺坝，束窄弯道使水流形成环流，有利于引水排沙。溢流侧堰为浆砌卵石折线坝。进水闸为4孔，每孔净宽5.5m，设计引水流量105m3/s，加大流量 140 m3/s，闸底板高程611.50m，闸前设有与闸底同高的曲线悬臂挡沙坎，坎顶设有1.2m高的铁制拦石栅。泄洪冲沙闸为7孔，每孔净宽7m，闸底板高程为610.50m，闸后采用10m长的短护坦。下游河道整治段长1000m，并在1、2孔与3、4、5孔之间，3、4、5孔与 6、7孔之间修筑了导流墙，束水冲沙。泄洪闸建于溢流侧堰的末端，为 3孔，每孔净宽5m。工程建成至今，通过不断的改造，上游整治段河床冲淤已经平衡，下游整治段河床内淤积很少，达到了引水排沙的目的。目前运行效果较好。

表1 多年平均悬移质泥沙统计表

（2）利用横向环流排沙。人工弯道的目的就是在于产生横向环流，使水流在弯道内运行时产生离心力。由于上层水流速大、动能大、离心力就大，因此水的主流靠近凹岸，而最后进入进水闸。底层水夹带了泥沙流速小、动能小、离心力就小，又由于凹岸处上层水位抬高，产生了位能，又经过螺旋流运动，迫使底层水向凸岸流动，使底层的泥沙由粗到细向凸岸流动，最后从排沙闸排除。

（3）利用泄洪闸泄洪排沙。玛纳斯河渠首初建时没有在上游建泄洪闸，致使上游淤积，河床逐年抬高，过水断面不断减小。1970年，玛纳斯河渠首在人工弯道的上游凸岸防洪堤上修建了3孔泄洪闸，经过多年的运行，不断的总结运行经验，当大河来水超过420 m3/s时，打开上游泄洪闸泄洪排沙，在一定程度上起到了泄洪和排沙的作用。但是由于泄洪闸设计的位置不当和泄水角度太小效果仍然不是很显著。

（4）利用进水闸前挡沙坎挡石排沙。为了更好的加强横向环流作用，玛纳斯河渠首在进水闸前修建了曲线形挡沙坎，阻挡砂石进入进水闸内，并可以提高横向环流效果，通过冲沙闸把泥沙充分排掉。挡沙坎的高度主要根据水文、引水比、河流挟带的泥沙等情况来确定。过去认为，可与冲沙闸闸底相平，或至多高出1～1.5m，现在根据运行经验总结不应该相平，最好高出1～2.5m。挡沙坎一般采用“1”字型或“7”字型，如果来水泥沙含量比较大而引水比又很大时，挡沙坎可再挑出至少1m宽的钢筋混凝土水平挡沙板，最好一直延伸并逐渐加宽到能包住冲沙闸的第一孔。水平挡沙板的迎水边缘应做成流线型，可以达到更好的排沙效果。

（5）利用导流墙，束水冲沙。玛纳斯河渠首运行初期排沙效果较好，上游发生淤积，下游发生冲刷。但后来则上、下游都发生了淤积，并且上游引水弯道淤积已经推移到弯道上游喇叭口处，引水弯道淤积厚度达 1.5m以上，最高达到 3m，冲沙闸后淤积 2.5m，下游河床淤积 1m以上。因此冲沙闸的过水能力和排沙能力大大降低，原设计流量 420m3/s,淤积后只能过 180～200m3/s，严重危及到玛纳斯河渠首工程的安全。1963年渠首延长原退水河道导流墙 60m，但淤积问题仍未能解决。最后采用束水冲沙的办法，在冲沙闸2孔和3孔之间修建了169m的中心导流墙，大大改善了 1、2孔闸后的淤积情况。为了把沙排的更远，又将中心导流墙延长到529m，同时封闭冲沙闸6、7孔，并做210m防洪边堤，这样改建运行效果良好，每次集中冲沙都没有超过4个小时。经过多年的运行和总结，延长中心导流墙，对玛纳斯河渠首的排沙效果和工程寿命起了很大的作用。但导流墙的延长并不是没有止境的，延长到一定长度后，作用就会减弱或消失。