头屯河双排底栏栅引水枢纽无蓄状态下运行方案的探讨

摘要:2009年头屯河水库因除险加固需要，进行空库运行，对下游头屯河渠首枢纽正常的运行带来了一定的挑战。在无蓄状态下，既要解决日来水流量变化对引水工作的影响，又要防洪冲砂，合理发挥双排底栏栅引水枢纽工程效用，探讨双排底栏栅引水枢纽无蓄状态下合理运行方案。

关键词:引水;防洪;冲砂

1头屯河渠首工程概况

头屯河渠首引水枢纽工程位于头屯河水库下游9km处，为双排底栏栅式引水工程，它由溢流侧堰；三孔泄洪闸；一孔排砂闸等工程设施组成。头屯河渠首底栏栅下的廊道设计引水流量共为35m3/s。渠首泄洪闸为弧形钢闸门，卷扬式启闭机；廊道前后闸门为平板钢闸门，手、电启两用螺杆式启闭机。设计标准是三级建筑物。总干上接渠首枢纽，下连总干排砂漏斗工程，渠全长1100m。为干砌卵石灌水泥砂浆护底，边坡为浆砌卵石。设计流量为35m3/s，现在运行控制流量为22m3/s。总干排砂漏斗工程由溢流堰、进水涵洞、漏斗主体工程三部分组成。对粒径大于0.50mm的泥沙可100%分离，对粒径为0.50～0.05mm的泥沙可分离出90%以上，对粒径为0.05～0.025mm的泥沙在实际工程中的分离率已平均达78.80%。设计引水流量为2～８m3/s，排砂耗水流量0.30～0.40m3/s。

2需要解决的问题

2.1上游来水含沙量大，在20～30kg/m3左右，最大可达105.50kg/m3。远大于多年平均值，且多为推移质，要解决泥沙问题。

2.2水资源紧张，排砂、供水矛盾突出，要解决抗旱问题。

2.3上游头屯河水库除险加固施工过程中，无调蓄能力，要结决引水和防洪问题。

3相关资料分析

3.1对上游水情资料分析，掌握水流变化规律，详见表2、表3。

2009年渠首枢纽最大来水流量和月平均流量与进库多年平均值接近。因此，以多年平均值作为参考依据。

下面分析进库到渠首水流所需时间流量关系。

由图可知，正常流10～22m3/s从进库到达渠首，需50～60min。

渠首枢纽最大来水流量与进库历年时段相差50～60min左右。恰好是洪峰从进库流到渠首所需要时间。以历年头屯河进库流量分析资料为依据，考虑到水流从进库到渠首所需要时间，确定正常天气渠首枢纽前来水流量峰期。

3.2双排底栏栅式引水枢纽工程运行特性。水流要先经过第一道拦污设施――竖格栅后，再进入前后两排底栏栅下两条引水廊道。每条廊道有各自的进水闸和节制闸，进水闸前设有拦污栅，闸门开启，水流可以不经过竖格栅、底栏栅而直接进入廊道；廊道节制闸可以控制廊道保持充满状态，多余水流从底栏栅顶部溢出，进而保证引水流量的稳定性；而双排引水廊道上覆栏栅优点是兼具引水和消能作用，水流经过前排底栏栅进入前排廊道，充满后溢出，一次消能后，再经过后排底栏栅进入后排廊道，水平向动能基本消耗完全，保证在后排廊道充满状态下水面相对平稳无浪，既节约水资源，又使廊道充满的过程更加容易控制。

4无蓄状态下双排底栏栅式渠首运行方案

4.1引水方案

以最大限度满足灌区用水要求为宗旨，以保证下游水利工程安全为前提，以上述资料为依据，根据双排底栏栅引水枢纽工程特性，最大限度发挥水利工程效益，确定引水方案。

①避峰引水，确保供水流量稳定，根据表1、表2以估算水流值峰期，同时考虑进库到渠首的区间历时，预算洪峰到达渠首时间，避开洪峰，以保证供水流量的稳定性。

②加强水位流量观测，以早8:00为基准，每2h对水位观测1次。

③合理利用工程特性，发挥双排底栏栅引水枢纽工程效用。随着来水流量减小，及时对廊道节制闸进行调整，保证廊道处于充满状态，防止非控制水流进入干渠。在正常引水情况下，夜间不能调配水，在22：00最后一次进行水位观测前，根据表2，在4月、10月、11月，最大流量与平均流量的差值在3～5m3/s之间，廊道充满状态下，对节制闸前水流压力可能造成非控制水流进入干渠约在0.20～0.70m3/s左右，要对节制闸进行调整，一般需下压廊道0.03m左右。

④迎峰引水抗旱。在灌区抗旱形势严峻，用水矛盾突出时，为最大限度满足灌区用水需求，要抓住来水流量峰值最大时段进行引水。

⑤拦污栅清理。在正常情况下，利用渠首闸前水利排砂（冲砂）时段，组织人力进行清理作业。引水过程中，由于需要可能长期不能停水清理竖格栅和底栏栅上的堆积物，既要保证供水，又要方便格栅清理人员作业和保证人身安全，这时，便可以开启廊道进水闸进行作业。

4.2防洪方案

头屯河作为天山北坡的一条季节性河流，根据表1、表2可见，汛期一般在自6、7、8三个月份，历史最大洪峰346m3/s，一般最大洪峰在100m3/s以内。为了将洪水安全排放到下游，防止非控制水流进入渠系，保证枢纽工程和下游渠系安全，制定防洪方案。

①特别警戒

引水枢纽下泄流量Q泄＞2m3/s时；

枢纽引水流量Q引＞22m3/s；

强天气变化过程；

持续气温在30℃以上（防范山区融雪性洪水）。

②洪水下泄方案

当流量Q≤40m3/s时，由泄洪冲砂闸进行下泄，40m3/s＜Q≤90m3/s时，要通过底栏栅后的三孔泄洪闸和泄洪冲砂闸同时进行下泄，因头屯河河道安全下泄流量指标为90m3/s，所以当Q＞90m3/s，要通过东、西干渠进行分洪。

③主要避险和抢险措施

预报有大的天气变化过程，提前降低引水量；水库出水口至渠首枢纽闸前直线距离为9km，两岸分水岭至河道平均距离约2.30km，集雨面积约27.30km2，春季融雪、夏季强降雨过程，都会形成一定规模的洪水。据资料显示，水库至渠首区间春洪最大为3.80m3/s，夏洪最大可达2.60m3/s，占日常引水流量的17.30%左右，因此，必须考虑区间洪水对供水的影响。

发现渠系工程有水毁趋势或得到信息有危及渠系工程安全需要紧急停水或减小供水流量，要及时提闸分水避险。

如渠系工程被冲垮，应停止对该渠系的引水，组织抢险，如情况紧急，可组织动用机械辅助抢险。

接到上游洪水信息通知后，或正在进行闸门操作工程中，突然断电，应立即组织足够人员在洪峰到达前，手动关闭引水闸、提升泄洪闸，做好泄洪准备，与查明断电原因同时进行。

提闸泄洪时，闸门被大的杂物卡阻，应立即关闭廊道闸，同时组织人员采取应急措施。

河道护堤设施遭洪水损坏时，用编织袋装砂砾料或压铅丝笼装卵石筑坝围护，以防洪水造成进一步淘刷破坏。

4.3冲砂方案

由于头屯河水库空库运行，来水含砂量大，正常含沙量在20～30kg/m3左右，且周期长，以往的冲砂方案已不能适应当前形势，根据来水和含砂特点，制定合理排砂方案势在必行。

4.3.1集中排砂。由于来水含砂量大，为满足头屯河灌区灌溉和计量需求，每天排砂次数最大不能多于2次。因此就要集中排砂，拉长排砂时间，增加闸前淤积库容，以90～120min为宜。

4.3.2迎峰排砂。根据测算，每日洪峰夹带泥沙量是正常水流的1.20～1.50倍，甚至更高。抓住洪峰流量大、流速高的特点，创造冲砂效果最好的时机，进行迎峰排砂。

4.3.3特殊情况。正确处理工程安全和供水需求的矛盾，以供水必须保证工程安全为原则，在渠系淤积危及运行安全时，要及时进行排砂，排砂次数、时间根据渠系淤积情况进行调整。同时，如果来水含砂量大于40kg/m3以上，应提闸避砂减淤。

4.3.4机械清淤

在水力冲砂不能满注要求时，要进行机械清淤，为降低机械清淤成本，以闸前机械导流为辅，以闸后机械清淤为主。经2009年运行来看，水力冲砂一度造成渠首枢纽前后高程几乎一样平（枢纽后最高淤积高度3.52m），导致冲砂闸门无法正常启闭，可见采用机械清淤这一方案十分必要。

4.4常开排砂漏斗

以往方案为节约水资源，在渠系淤积相对较严重，平均淤积厚度接近0.20m时，方开启排砂漏斗。由于水库空库运行，来水含沙量大，漏斗必须常开，为节约水资源，在排砂漏斗出水口下游选择有利地形对出水进行回收利用。

5总结

经过2009年、2010年两年的实践检验，采取如上方案，在空库运行无蓄调节情况下，渠首枢纽克服上游水库除险加固、灯笼口改造以及下游渠系改造等施工干扰，抗旱防洪、引清排浊，2009、2010连续2a干旱，但头屯河灌区有旱情而无旱像，为头屯河灌区工农业增产增收有力的供水保障。

参考文献

[1]周著，侯杰等.漏斗式全沙排沙技术研究与应用[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社,2004，5.

[2]陈亚宁.天山山地灾害性融雪洪水的成因分析.新疆自然灾害与研究[M].北京：地震出版社，1994.