平原河道灌溉渠首工程坝闸宽比合理性分析

2015-12-16王秀芬

水利科学与寒区工程 2015年3期

王秀芬

（黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨150080）

我国三北地区占国土面积42．4%，分布的灌溉渠首工程约三万多座。以商品粮输出大省黑龙江省为例，该省地域广阔，农用地面积占全省土地面积的83．5%［1］，灌溉渠首工程分布面广，数量大，是农田水利灌溉的基础性工程。这类工程大多分布在平原河道上，所在河流多为窄河槽、宽漫滩形式，工程特点是坝矮、水头低，洪水时主槽和滩地共同泄洪，其结构型式、设计方法有别于完全拦河闸坝工程，具有自身独有的特点。

拦河渠首工程中水闸的过水宽度是影响工程泄洪、排砂、排冰、河道稳定等功能的最主要因素，在闸坝结合的渠首工程设计工作中，选择合理的坝闸宽比是优化设计，实现工省效宏的关键。由于有关专业书中对此类问题少有论述和研究，目前尚未有统一合理的坝闸宽比选择方法，设计者选择坝闸宽比时常会感到无所适从，明晰平原河道灌溉渠首坝闸宽比选择理论和方法是迫切需要进行深入研究的课题。

1 典型渠首工程确定和特性分析

1．1 典型渠首工程确定

为了使研究结果具有广泛的适用性，在对黑龙江省平原河道上大量的渠首工程进行调查的基础上，分析选择出六个典型渠首拦河工程作为研究对象。这些渠首工程的拦河坝坝高在1．25～2．70m之间，调查的渠首工程中有76%拦河坝坝高在此范围之内。这六座渠首工程分别在呼兰河、蚂蚁河、穆棱河三个流域，所在河段具有不同的滩槽比、宽深比、坝高和控制流域面积。工程地质和水文资料齐全，方便进行研究分析。各项工程特性数据见表1。

表1中A为坝闸宽比，即坝的过水宽度BB与闸的过水宽度BZ的比值，表达式为

1．2 河槽宽深比

河槽宽深比为河槽平均宽度B与河槽平均深度H的比值，反映了渠首所在河槽断面形态的最基本特征。假设河槽为矩形断面，河深按河槽实际过水断面面积除以平均河宽确定，得出所选典型拦河工程河槽宽深比从16到57依次不等，见图1所示。

1．3 河槽及滩地过流特性

平原河流一般具有主槽窄，滩地平坦宽阔的特点。渠首工程多建在这种窄河槽上，水头低且不完全拦河。六座典型渠首工程河槽和滩地的过流特性如图2、图3。

表1 典型工程基本特性表

图1 河槽宽深比

图2 河槽流量与水深关系曲线

图3 滩地流量与水深关系曲线

从过流特性关系曲线分析平原河道非完全拦河渠首工程所在河流可以分为三类：第一类可称其为“宽漫滩”河道，滩地水深增加时，河道泄量增加很快（如东海）；第二类可称其为“窄漫滩”河道，当滩地水深增加时，滩地泄量增加缓慢（如鸡冠山）；不属于一、二类的河道较多，故可称其为“中漫滩”河道。

1．4 坝闸宽比与阻水面积比

将拦河工程挡水面积（坝挡水面积＋闸中墩挡水面积＋闸边墩挡水面积）与原河道平滩水位以下河槽过水面积的比值，定义为阻水面积比，用“η”表示。阻水面积比η在渠首设计中是一个重要的参数，采用不同的阻水面积比，可以在拦河工程上游产生不同的壅水高度和不同的上下游水位差［2－5］。研究结果表明，在天然河道上修建拦河渠首工程，可以通过选择不同的坝闸宽比来取得不同的阻水面积比。

根据阻水面积比的定义，平槽流量时阻水面积比η有下式：

还可表示为

式中：η为阻水面积比；H为平均河深，m；B为平均河宽，m；n为闸孔数；BD为闸中墩厚度，m；Bq为闸边墩厚度，m；BB为垂直水流向坝宽（或坝长），m；hB为坝高，m。

六座渠首拦河工程坝闸宽比A不同时的阻水面积比η列入表2。

为便于分析，绘出阻水面积比η随坝闸宽比A变化曲线，见图4。

表2 坝闸宽比与阻水面积比关系表

图4 A与η关系曲线

表2数据、图4曲线表明：①渠首拦河工程的阻水面积比η随着坝闸宽比A的加大而加大。各典型工程全闸方案的阻水面积占平滩水位以下面积的8．37%～17．28%，当坝闸宽比由1到5变化时对应阻水面积比相应跟随变化为35．41%～81．77%，而在全坝方案时，阻水面积η为61．82%～96．15%，数值变化十分明显。②渠首拦河工程的阻水面积比η随着hB／H值的减小而减小。北关渠首坝高与河深的比值为62%，东三渠首对应值为96%，在坝闸结合方案坝闸宽比1～5变化时，北关渠首阻水面积比为35．41%～52．64%，而东三工程为54．70%～81．77%，前组数据明显小于后组数据。③坝高与河深比值越小，坝闸宽比增加引起阻水面积增加速率越缓慢。分析上述两组数据可以看出，前组数据差值范围17．23%，后组数据差值范围27．07%。前组数据对应曲线表现相对平缓。

拦河工程采用闸坝结合方案时，由于闸的中墩和边墩所遮挡的过流断面占河槽过水断面的比例很小，因此在定性分析时，式（3）前两项可以忽略不计，即阻水面积比η是坝高与河深比值和坝长与河宽比值的乘积。

由式（5）可以看出：①阻水面积比η必小于1。因为过流时坝高hB是小于河深H 的，则式（5）乘积表达式因子均小于1。②在坝高与河深比值一定的情况下，阻水面积比η与坝闸宽比A存在着函数关系。③从式（5）后因子还可以看出，当坝闸宽比A数值较大时，坝闸宽比A的变化对阻水面积比η影响很小。④从式（5）前因子还可以看出，阻水面积比η与坝高hB成正比关系，与河深H成反比关系。

2 成果与分析

2．1 坝闸宽比与上下游水位差的关系

上下游水位差直接影响着渠首工程的上游淹没、切滩改道、过闸坝单宽流量和工程造价。下面分析同一工程选择不同坝闸宽比将对上下游水位差产生的影响。

为使对比数据特征明显，选择滩槽流量比较小的王杨渠首和滩槽流量比较大的东海渠首进行分析。在高水位时，平原河道上大多数渠首工程的滩地参加泄洪，因此在研究渠首工程上下游水位差的变化规律时，首先需要分析坝、闸、滩行洪能力以及滩槽流量之间的关系。选择不同坝闸宽比可以得出这两个渠首工程对应的校核水位（P＝2%）和平槽水位时的滩地流量、河槽流量，滩槽分流比以及上下游水位差关系数据，详见表3。

表3 河槽、滩地分流成果表

表3中“Q槽”为河槽过流量，是指坝的过流量和闸的过流量总和。数据表明，滩地流量与总流量比较大的东海渠首坝闸宽比A如果从5降低为1，在P＝2%时滩地泄量从82%变为80%，滩地泄量只减少2%，上下游水位差减小0．07m。对应在平槽流量时，滩地泄量从57%变为45%，滩地泄量减小12%，上下游水位差减小0．09m；滩地流量与总流量比较小的王杨渠首，当坝闸宽比A从5降低为1，在P＝2%时滩地泄量从46%变为40%，滩地泄量只减少6%，上下游水位差减小0．18m。对应平槽流量时，滩地泄量从31%变为14%，滩地泄量减小17%，上下游水位差减小0．46m。数据表明，减小坝闸宽比A可以减小上下游水位差，但是在平原河道上滩地流量与总流量比大的情况，减小坝闸宽比对减小上下游水位差的作用不大。

表4列出了六座典型渠首工程在P＝2%和平槽流量情况下，不同的坝闸宽比A对应的上下游水位差△Z变化范围。

表4 坝闸宽比与上下游水位差关系表 m

由表4可知，坝闸宽比A加大后，上下游水位差△Z向增大方向变化，变化的程度受渠首工程所在河道滩槽流量比的影响，滩槽流量比大时，挡水建筑物的阻水作用（△Z）变化量小，降低坝闸宽比A对降低△Z的作用变小。在平槽流量时，挡水建筑物的阻水作用普遍增大，随着A的减小，能显著地降低△Z，但在滩槽比很大时，这种影响减小。

2．2 坝闸宽比对过闸流速的影响

六个典型工程在不同的坝闸宽比情况过闸平均流速值见表5。

表5 坝闸宽比与过闸平均流速关系表

由表5可以看出，过闸平均流速随着坝闸宽比的加大而加大，选择较大的坝闸宽比对冲砂有利，但加大了下游消能防冲负担，需要工程设计时根据河道泥砂情况及下游河道防冲要求综合考虑。在洪水（P＝2%）情况下，坝闸宽比由0（对应全闸方案）变为1时，过闸流速数值加大缓慢；而在平槽情况，坝闸宽比由0变为1时，各典型工程过闸流速增加25%～70%，可见平槽流量时，不同坝闸宽比对应的过闸流速变化较大。

2．3 坝闸宽比对拦河闸消能效果的影响

一般来讲，影响消力池水力条件的因素主要有上下游水位差、过闸单宽流量、下游尾水深度、闸门开启程度，以及开启速率等。为了便于分析规律，选取滩槽流量比较大的东海渠首和较小的王杨渠首作为研究对象，也就是选取了平槽情况时上下游水位差较小和较大的两个渠首工程进行坝闸宽比对拦河闸消能效果影响的典型工程。

坝闸宽比从1到5变化时，两个典型工程消能防冲所需要的消力池和海漫最小长度也随之变化，表6列出了相关数据。

比较这些数据可以看出，当选择不同的坝闸宽比时，两个工程的消力池长度均变化不大；而两个工程的海漫长度随着坝闸宽比的增加而较明显增加，而且上下游水位差较大的王杨渠首增加速率大于东海渠首，见图5。

表6 坝闸宽比与拦河闸消能防冲效果关系表 m

图5 A与海漫长度关系图

2．4 坝闸宽比对工程造价的影响

根据坝、闸分别占居的河道宽度，渠首拦河工程可以分成全坝、闸坝结合和全闸拦河工程方案。全坝方案工程造价最低，河道流量控制能力最差；全闸方案工程造价最高，河道流量控制能力最强。为便于工程设计者能够方便地选择出既满足工程水力控制要求，又使工程造价符合投资控制要求，本节讨论坝、闸分别占居河道不同宽度对工程造价的影响。

研究方法采用抽样调查已建成和设计完成的部分渠首工程，统计分析出各工程坝单宽平均造价、闸单宽平均造价和两者数值关系。为剔除物价上涨因素的影响，统计分析样本采用物价相对平稳的1998—2003年6a间设计和建设的铁力市王扬、北关渠首，尚志市东二干、东三干渠首，方正县永建渠首，木兰县尖山子渠首，绥棱县上集渠首等10座平原河道上的渠首工程。

设工程造价综合增长系数为a，得出了10座工程的坝、闸单位长度造价绘成图6。

经统计分析，得到10座工程的拦河坝、闸单位长度平均造价分别约为4a万元／m、12a万元／m，坝、闸平均造价比约为1：3，当坝闸宽比为3时，坝与闸造价接近相等。

设IBa为坝单宽造价，挡水建筑物为坝闸结合方案时总造价IBz为：

图6 坝、闸单宽造价比较图

挡水建筑物由坝闸结合方案转换为全坝方案时总造价IQB为：

坝闸结合方案造价与全坝方案造价的比值RI可表示为：

将式（1）、（6）、（7）代入式（8）得：

由式（9）可以定性地分析出坝闸宽比A对工程造价的影响：①坝闸结合方案造价与全坝方案造价的比值RI一定大于1，其含义是坝闸结合方案造价一定高于全坝方案。②全闸方案时，即当坝闸宽比A为0时，工程造价是全坝方案的3倍。③坝闸宽比越大，式（9）愈趋近于1，工程含义是工程造价越接近于全坝方案。坝、闸相对造价比值与坝闸宽比关系曲线见图7。