武 清

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 新疆山溪性河流的洪水、泥沙特征

1.1 洪枯比高和推移质泥沙含量大

新疆内陆河及中小河流多为山溪性河流，以冰雪消融和雨水混合补给为主，洪水多以夏季暴雨和春季融雪形成。径流的年内变化与气温及降水的季节变化关系十分密切，年内分配极不均匀。根据实测资料统计汛期主要集中在6—8月，期间径流量约占年径流量的60%～70%。以呼图壁河为例，仅6—8月径流就占全年径流量的68.9%，6—9月四个月径流量占全年的78.7%。根据青年渠首站28年日平均流量分布天数统计成果，全年大于30m3/s流量的天数为64d，而大于50m3/s流量的天数仅为3d。

由于山区局地暴雨强度大，历时短，洪水汇流速度快，常具有峰高而量不大、洪峰历时短而变化迅猛的特点。中下游河段普遍植被覆盖度差，岩石风化破碎，河床沿河谷阶地在冲积扇下切形成沙砾石岸坡，加上洪水集中及河道坡陡流急，泥沙含量的年内丰枯变化十分明显，汛期多，枯期少。据多年实测统计，呼图壁河青年渠首站泥沙主要集中在5—9月，约占全年的98.4%；玛纳斯河红山咀站推移质泥沙7—8月约占全年的80%，推移质最大粒径可达500～600mm，具有粒粗量大的特点，给引水工程管理和运行带来很大的危害。

2 河道冲淤变化特性

2.1 河道宽浅和主槽易于摆动

新疆灌区引水工程多布置在出山口以后的浅山丘陵地区，多属宜冲蚀河段，河流摆动大而造成河床宽浅。

由于洪水陡涨陡落和历时短，在退洪阶段水流挟沙能力急剧下降，洪水过后使推移质在河道及闸前大量沉积，更容易造成主流的游荡和摆动，使主槽极易发生变化。

2.2 河床冲淤变化

宽浅河道上满足造床流量的时机较少，随着常年淤积以及粗化的发展，有可能出现难于冲动的“死滩”现象。

由于引水量的不断加大，冲沙水量的减少，中下游河段一般呈现逐年淤积的形态。比较有代表性的奎屯河，近10年河道最大淤积厚度达4～6m，部分河段河床已高于引水渠顶，使得渠道经常被淹埋，引水渠首也不得不上移进行改建。

3 弯道式引水渠首的布置与发展

50—60年代建设的此类渠首主要由上游人工弯道、泄洪排沙闸、冲沙闸、进水闸和冲沙闸下游排沙道组成，当河道洪峰流量较大时，还在弯道凸岸进口段岸边设置了溢流堰等。

70年代后期修建或改造的部分人工弯道渠首，在弯道凸岸进口上游增加了泄洪冲沙闸及溢洪堰等设施，对汛期洪水和泥沙进行有效分流，同时也调整和缩窄了弯道进口段的宽度。针对河道来沙量、引水比高的工程，如金沟河引水渠首，后期改建时在下游引水干渠上还设置有曲线沉沙池或其它型式的二次泥沙处理设施，呼图壁河青年渠首在下游还修建了冲沙水二次回收取水设施。

4 弯道式引水渠首存在的主要问题

4.1 人工弯道过宽，设计流量偏大

第一代弯道式引水渠首是当时照搬原苏联的费尔干式引水枢纽的原则进行设计的，由于对其适用性认识不够，未能很好地结合河流水文泥沙特性进行深入研究，采用洪水频率3%～10%的洪峰流量作为人工弯道设计流量，将人工弯道也作为泄洪排沙的主要通道，致使上游整治段和弯道断面宽度明显偏大。而根据对中小河流径流过程的调查和分析，实际能够发生此弯道设计洪水的机会很少，在渠首运行的绝大部分时间里，弯道流量均小于设计流量，从而造成大多数时间的中、小流量横向环流作用不明显，甚至形成不了横向环流,也就失去了引水弯道正面引水、侧面排沙的作用。

4.2 弯道环流较弱，冲沙流速低

人工弯道的设计理念是设计流量情况下利用环流实现连续排沙和不间断引水，要求有合理的引水比，并且需要连续冲沙。但当河道来水小于设计引水流量时，则将面临着环流作用下降或无水冲沙的问题。一旦发生淤积，将导致弯道水力学条件发生变化，从而会加剧弯道的淤积，若长时间运行则弯道很容易失去排沙能力，这也就是人工弯道在引水比高的河道上容易淤积的主要原因。在此条件下管理单位被迫利用灌溉间隙集中流量采用间歇冲沙的运行方式，此时的人工弯道环流作用已不明显，类似曲线冲沙槽的运行条件，弯道内需要维持必要的输沙流速，才能达到冲沙排沙的效果。近年来，随着水资源的充分利用，使引水比不断提高，加上冰川融雪水补给的减少，使得洪枯比进一步加大，渠首引水防沙问题更加突出。

原金沟河渠首建于1959年，属于我国第一代弯道式引水枢纽。建后初期渠首运行效果尚可,但由于渠首上游段弯道较宽，横向环流无法形成,泥沙淤积日益严重，主流在弯道内蛇形摆动,加上引水比很高,使推移质进入弯道的数量占河流来沙总量的48.5%，无法实现人工弯道所要求的连续冲沙。金沟河渠首设计引水流量为20～45m3/s，而常遇洪水为56m3/s。工程实际运行6月下旬以前渠首上游来水流量一般小于25m3/s，此时来水全部引入灌区，排沙闸无法开启排沙运行。进入洪水期为满足灌溉要求，引水比高达90%，只能采用间歇排沙方式，而在20～30m3/s冲沙流量下，间歇冲沙有效影响距离只能达到50m，远达不到引水弯道的设计排沙要求。后期虽在渠首下游引水渠道上修建了曲线沉沙池、涡管排沙和螺旋流排沙三级泥沙处理措施，但也相应提高了渠首的引水比，反而加重了弯道上下游的淤积。

4.3 引水比不断提高，冲沙水量减少

近年来，随着灌区工农业用水量日益增加，河道天然来水过程时空分布与用水过程矛盾也越显突出，部分引水渠首还要承担下游调蓄工程引洪蓄库以及引水发电的要求，导致渠首引水比居高不下，使得渠首冲沙水量，从而加剧了引水渠首的排沙运行条件进一步恶化。呼图壁河灌区面积105万亩，除了汛期河道发生大于设计引水流量45m3/s的洪水时段外，平时河道水量全部引入渠道。根据实测资料，呼图壁河青年渠首多年平均实际引水比为76%，玛纳斯河渠首为78%，金沟河引水渠首为72%，个别渠首汛期引水比可高达90%。

5 弯道式引水渠首关键技术及改进措施研究

5.1 渠首引水比的适用范围

从新疆已建成的人工弯道式引水渠首工程运行情况分析以及总结经验得出，对于多泥沙推移质含量大的山溪性中小河流，弯道式引水渠首引水比宜控制在60%～65%以内，高于此引水比则人工弯道将不能实现连续冲沙，若结合间歇冲沙来运用，则汛期引水比不宜超过80%。适宜的引水比还需通过模型试验来分析和验证。

5.2 渠首位置的选择

为了避免由于过分引水而造成的渠首上下游的淤积，应尽可能的把人工弯道式引水渠首修建在山溪性河流冲积扇上游的出山口处附近，此处河床一般处于下切或稳定河段，位于径流散失区以上，水流比较集中，纵坡亦较大，修建这种型式的渠首工程易于获得成功。

人工弯道不宜布置在河道宽浅的游荡性河道上，且宜尽量与天然河湾结合布置，使河势易于控制，也利于人工弯道的平面布置要求，同时也可降低工程造价，改善运用效果。

5.3 枢纽布置需要注意的问题

(1)枢纽总体布置及上下游整治段宜结合自然河势并利用天然河湾进行布置，人工弯道或主要泄洪通道应有利于上下游河床冲淤平衡及主槽的稳定，各建筑物的布设要结合河道主流流向，不宜硬性改变河道流向及天然纵坡。

(2)上、下游整治段布置应有利于泥沙运移，并起一定的导沙作用。结合水工模型试验对拟定的布置方案进行验证和调整是必要的，并应考虑大小不同量级洪水和引水流量的运行工况。喀什河及卡群引水枢纽的布置，是利用弯道水流特性，结合河势条件，成功解决人工弯道式枢纽布置的典型实例。

5.4 弯道体型及设计规模

5.4.1 弯道设计规模

根据已经取得的研究成果，弯道设计流量较理想的情况是2～2.2倍的进水闸设计流量。若该流量小于进水闸与冲沙闸设计流量之和时，说明进水闸设计流量偏大，不适应防沙排沙运行，应减少进水闸设计流量，以保证在每年有较多的天数进行排沙。对于引水比高而进水闸设计流量又不能减少的引水渠首，可按每年洪水季节都能发生一定时间(大于3天)的流量作为弯道设计流量，同时弯道纵坡、流速、底宽之间要统一考虑，要使弯道设计流速达到泥沙的起动流速，以满足间歇冲沙的排沙要求。

结合工程实际运行经验，对于径流量较大的内陆河，人工弯道设计流量按上述两种经验取值均是合理可行的，但对于径流量小、推移质含量大、引水比很高的中小河流来说，建议弯道设计流量按每年一遇常遇洪水或大于3天的洪水流量来设计，进水闸设计流量不宜超过建闸断面常遇洪水的70%，以保证冲沙闸和人工弯道每年有10～20d的历时进行排沙运行。

对于弯道进口上游设有冲沙泄洪闸、引水比高、采用间歇排沙运行的人工弯道，在改建时弯道断面和设计流量还可减小，以满足冲沙槽的排沙要求。其次，为了增加人工弯道的冲沙历时，对于引水比很高的河流，在工程规划上建议研究和比较多级引水方式，以降低引水比，尽可能减少由于过度引水而改变河道的水沙条件和输沙能力。

5.4.2 弯道体型设计

弯道平面布置也是产生横向环流和决定环流强度的重要条件，为了适应河道的水沙特性，以不过大改变原河道的平面形态为宜。引水弯道半径应等于弯道平均断面宽度的4～8倍；弯道长度应为弯道半径的1～1.4倍。

人工弯道纵断面设计视弯道输沙和冲沙闸及排沙道的排沙要求而定，以不过大改变原河道的水流条件为宜，并尽量保持与原有河道纵坡一致。对于采用间歇冲沙方式运行的弯道纵坡，还需满足冲沙槽的泥沙的起动流速对纵比降要求，建议大于1/120。

弯道横比降与纵比降之比宜大于1，弯道横断面宜按凹岸陡、凸岸缓的梯形断面设计，以利于环流形成及泥沙的底部运动。

对于多泥沙及推移质含量大的中小河流，在弯道横断面设计时应预留一定的淤积高度，也可做成复式断面，底部小断面可为后期间歇冲沙创造条件。此条件下运行弯道断面不宜按宽浅式断面设计，宽深比不宜超过2.5。

5.5 建筑物设计及改进措施

5.5.1 弯道进口冲沙泄洪闸及挡沙坎

(1)早期的弯道式引水渠首，为了抵御较大洪水，在人工弯道入口段设置有溢洪堰，实际上起到了蓄浑排清的作用，“清水”在上游被溢走，留下的推移质将全部进入人工弯道，势必增加弯道的排沙负担。因此，对于峰枯比悬殊、泥沙含量大的河流，在枢纽布置上首先要考虑在弯道进口以外对洪水和泥沙进行有效控制和分流，增加满足造床流量宽度的冲沙及泄洪闸，弯道进口则布置较高的弧形挡沙坎，对汛期洪水和泥沙实施有效分流，可有效减轻和改善人工弯道的泄洪排沙压力，同时对保证弯道运行安全和延长工程的使用寿命具有重要作用。

(2)对于洪峰流量特别大的宽浅河流，可在冲沙闸外侧设置溢流堰或自溃堰与河道主流斜交向上游兼做导流堤布置。

(3)冲沙泄洪闸底板高程宜与河床断面枯水期平均底高程保持一致，并与主槽的底高程相适应，不宜硬性改变河道的天然纵坡。

(4)对于引水比大而冲沙水少的中小河流，上游冲沙闸宜作为主要的泄洪排沙通道，孔口尺寸不宜过小，可按常遇洪水或造床流量来设计，以便多利用洪水对上游河道淤沙进行集中清理，以维持渠首上下游河道的自然冲淤平衡。平面布置上冲沙及泄洪闸中心线与弯道中心线夹角宜成40°～45°。对于多泥沙河流，人工弯道进口挡沙坎高度宜比冲沙闸底板高1.0～1.5m，视泥沙含量和粒径粗细来定。为避免抬高进口增加弯道纵坡，挡沙坎断面可采用倒“L”形悬臂实用堰的型式。

5.5.2 弯道末端进水闸及排沙闸

(1)人工弯道末端的凹岸和凸岸分别布置有进水闸和排沙闸，其交角宜在30°～40°之间。

(2)在确定排沙闸和进水闸底板高程时，应先分析枢纽段河床冲淤变形的特点。若河床纵坡大且为下切变形，排沙闸底板高程可取与河道枯水平均河床高程同高；对处于冲淤平衡的河道，排沙闸底高程应高于枯水平均河床高程0.5m；若处于淤积河段，为防止排沙闸闸底在运用过程中被淤埋，其闸底板宜比原河床适当抬高约0.5～3.0m，应以弯道输沙和闸下排沙要求来确定，也可沿弯道横向比降采用底部错动式阶梯状布置，以适应弯道环流的排沙要求。排沙闸高程确定后，进水闸底高程一般要高出排沙闸底1.0～1.5m。

(3)在进水闸前宜设置拦沙坎或悬板，可兼作导沙墙，对于防止泥沙进入引水渠道作用是有效的。其顶高程可与进水闸底板同高，组成闸前冲沙和沉沙槽，以达到小流量时壅水沉沙，大流量时可集中冲沙的目的。

5.5.3冲沙泄洪闸及排沙闸消能防冲

(1)弯道式渠首由于引水分流，运行后期下游通常会发生淤积。在经常要排除沙卵石推移质的情况下，进口冲沙闸及末端排沙闸下游不宜修建消力池或消力墩等消能设施，在保证渗径的条件下，宜采用短护坦加深隔墙的防冲方案，以保证护坦后水流具有一定的输沙流速，利于下游排沙道的输沙运行，防冲隔墙埋深应至冲刷深度以下0.5～1.0m，下游可设置裙板或水平铺筑一定范围适应变形的卵石抛石坑及钢筋石笼护底，以防止闸后淘刷。近年来采用钢筋混凝土软排护底的工程也较多，取得了较好的防冲效果，值得借鉴。冲沙闸下游设置导沙墙以利于束水冲沙，防止下游河道淤积。

(2)冲沙闸及排沙闸闸墩下部和护坦，宜采用抗冲磨混凝土或耐磨石料等紧密砌护。排沙闸下游翼墙和导流堤的基础，亦需座在冲刷深度以下。下游排沙道出口宜与主流衔接，以利用大洪水将堆积泥沙冲向下游。在下游河道修筑缩窄的整治河道和布置潜没式导沙墙或导流堤，对束水攻沙、提高渠首的排沙效果和延长工程寿命，都有很大的作用。

6 改建方案及应用实践

针对第一代人工弯道断面设计过大的问题，在一些渠首的后期改造中也采取了不同的方案，如通过凸岸一侧缩窄底宽、凸岸压丁坝、设置纵向导流堤以及填筑部分底宽改造为复式断面等方案。

(1)玛纳斯河人工弯道式引水渠首

玛纳斯河人工弯道式引水渠首，在弯道内的凸岸修建一排临时性丁坝，将弯道宽度缩窄三分之一，保证了在弯道内形成横向环流，改善了渠首的引水防沙的效果。金沟河引水枢纽在改建工程模型试验阶段，提出了在引水弯道中部设置纵向导流堤、上游连接溢流侧堰的工程措施。由于侧堰的阻水挡沙作用，使泥沙大部分进入弯道左槽内，少量进入弯道右槽，大流量时带走槽内淤沙，小流量时有利于边引水边冲沙或采取间歇冲沙方式。

(2)三屯河西干渠首

三屯河属多泥沙、洪枯比大、引水比高的河道。西干渠首改造时，采取弯道进口、弯道末端设置冲沙闸+挡沙坎的两级防沙排沙布置。在原人工弯道上游泄洪闸的基础上增加了2孔冲沙闸，并在弯道进口设置了1.5m高的曲线形挡沙坎形成临时蓄沙库，通过上游冲沙闸利用常遇洪水可冲走近70%的泥沙，保证进口“门前清”，可进一步降低泥沙引入弯道。三屯河渠首改造前、后平面布置如图1—2所示。

原弯道设计流量214m3/s，底宽35m，而进水闸设计引水流量为34m3/s。按文中所总结的经验，渠首断面每年大于3天的洪水流量50m3/s，按引水流量的2～2.2倍为68～74.8m3/s，考虑弯道进口已拦挡了大量推移质泥沙，也没有相应的泄洪要求，因此在改造时弯道设计流量确定为50m3/s，设计底宽12m。设计采用在弯道内加中隔墙缩窄底宽的方案，形成一大一小两个弯道，凸岸侧小弯道作为冲沙弯道来运行，原凹岸大弯道进口封闭作为沉沙池来运用，中隔墙在弯道下游设计成溢流堰型式，引取表层清水进入沉沙池，取得了冲沙闸冲沙、弯道排沙和引清入渠的多级泥沙处理方案。当来大洪水或常遇洪水时，开启上游冲沙闸冲沙；汛期出现弯道设计流量时，可开启下游排沙闸冲沙。若在进水闸上游中隔墙上设置冲沙闸，还可对沉沙池内泥沙进行水力冲沙，运行效果会更好。同时根据实际来水，选择不同的冲沙闸门和开启孔数，可灵活采取多种冲沙方式。改造后通过一年的实际运行，入渠泥沙减少了近90%，引水比提高到了68%，达到了预期的效果。

图1 三屯河渠首改造前平面布置图

7 结语

(1)山溪性多泥沙河道上修建引水工程，其引水防沙效果至关重要，必须认真分析和研究河流的洪水、泥沙特性以及引水工程的建设条件，综合考虑渠首的引水防沙布置方案。

(2)人工弯道式引水渠首是一个系统工程，枢纽布置宜结合自然河势并利用天然河湾进行合理规划，顺应河势及维持河床冲淤平衡，设计和运用合理才能发挥其应有的引水防沙效果。对于中小河流也可结合水工模型试验对拟定的布置方案进行验证和调整。

(3)合理确定弯道的设计规模是弯道式渠首引水防沙成败的关键，在引水比高的河道上尤其要重视，枢纽各建筑物的综合考虑、引水与排沙的相互协调，以及保证合理的冲沙水量和排沙历时等是工程设计中需要重点关注的关键技术问题。

(4)运行管理和防沙调度是保证工程正常运行及效益发挥的重要因素，可根据河道洪水泥沙特点及来水流量等，合理选择集中冲沙、连续冲沙或间隙排沙等多种排沙方式，对减轻枢纽上下游河道的淤积及延长工程的使用寿命都是有益的。

图2 三屯河渠首改造后平面布置图

(5)认真研究河流的水沙特性，结合工程的实际运行情况分析，选择合适的引水比，采用多级泥沙处理方案，对现有引水防沙效果差的弯道式渠首采取相应的改进措施，恢复其应有的引水功能是必要的，技术上也是可行的。