解决低水头引水枢纽的泥沙问题

枢纽泥沙问题，一般是指枢纽工程设施的防淤塞防损坏和引水口的取水防沙。前者即不使引水闸前、船闸上下、电厂进水口发生淤堵，不使粗沙卵石撞坏磨坏工程设施。后者即保证引水口引进足够的水量，减少泥沙特别是粗粒泥沙进入，使机组设备（抽水机、水轮机）受泥沙磨损较少，输水渠道淤积较少，泥沙处理较容易等。为此，在设计枢纽前，要详尽观测研究河道来水来沙情况，研究库区的冲淤演变过程，进行枢纽泥沙模型试验，弄清不同情况下水沙运动特性。然后选取合理的工程方案，定出适宜的运用方式。

下面主要介绍低水头引水枢纽的泥沙问题。到1980年，我国已建成这类枢纽9万余座，发挥很大效益。如西北五省（自治区）近8000万亩灌溉面积中，由这类枢纽供水的约占84%。为便于说明问题，先介绍一些水沙运动概念。

（一）水沙运动概念

1.河流泥沙沿水深的分布

《水文》期刊“泥沙知识讲座”已对推移质和悬移质运动做过介绍。这里再次指出，悬移质含沙量沿水深分布上小下大，细颗粒分布比较均匀，底层水流含沙量大而颗粒粗，在紊动很强的水流中，较粗沙粒也会进入悬浮状态。

2.弯道上的环流效应

水流经过弯道时，由于运动方向发生变化，就出现离心惯性力。离心力的大小与流速的平方成正比，与流线的曲率半径成反比，方向顺着曲率半径向外。由于离心力的存在，弯道水位凹岸升高，凸岸降低，从而形成横向水面比降。又由于上层水流流速大于下层，上层离心力也大于下层，而形成表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸的横向环流。环流强度在弯道内是沿程变化的。有人用各断面最大垂线平均流速处的表层横向分速代表环流强度。实测资料指明，环流强度在弯顶稍下一段为最强。在横向环流的作用下，表层含沙量较小的水流不断流向凹岸；底层含沙量较大的水流以及沿河底运动的推移质则不断流向凸岸。

3.分水口的水沙动态

侧向分水口附近水面有局部下降，即在横断面上有从主河道指向分水口的水面横比降。横比降引起的静水压力，使水流质点具有流向分水口的加速度。同一垂线上的各质点静水压力相同，加速度也相等。而由此加速度引起的指向分水口的侧向分速，取决于质点受加速度影响历时的长短。纵向流速较小的底层质点在分流区内停留时间较长，故其侧向流速较大；表层质点则相反。于是分入引水口的表层水流和底层水流的范围不同，前者小而后者大。

自河道向外分流引水，相当于使河道水流拐一个弯进入分水口。流速较高的表面水流动量较大，要使它拐弯所需要的力也较大，因此沿原河道水流方向流动的趋势也较强。反过来，接近河底、含沙量较大、流动较缓慢的水流，则较易拐弯向分水口流动。与此同时，沿河底运动的推移质也较易于沿这个方向运动。

（二）低水头枢纽泥沙问题

以下分别说明几种不同类型低水头枢纽的泥沙问题。

1.无坝引水枢纽

无坝引水枢纽的特点是不设拦河工程。在河岸适当位置设引水口，一般有进水闸控制入渠流量。进水口上游修建一些简单的河道整治建筑物以固定河势和导引水流。这类引水枢纽受河道水流要素变化和河床演变的影响较大，引水保证率较低。但是，由于工程简单，投资省、收效快而被广泛采用。

无坝引水口的位置，最好选择在河弯凹岸弯顶的稍下游。这里环流最强，水流较集中，水深较大，不仅有利于引水，而且可以减少入渠泥沙。历史上的内蒙古河套灌区也曾采用多开引水口（称多首制）或使取水口随河道变动而改变的办法，以保证不同情况下都能引水。

四川都江古堰是无坝引水枢纽成功处理泥沙的范例。用百丈堤固定河势；顺应河流弯道设“鱼嘴”，“因势利导”分水分沙；飞沙堰泄洪排沙；宝瓶口引水防沙。再加上整修河道，淘挖沙石，岁修成为定例。重视泥沙问题，符合科学的工程布局，制定科学的管理运用制度，这就是都江堰两千多年成功的经验。

2.印度式引水枢纽

这种枢纽因先建于印度而得名。其主要构成部分有：溢流壅水坝、沉沙塘及顺河冲沙闸、侧向引水闸。我国在20世纪三四十年代修建的陕西渭惠渠、黑惠渠、渭惠渠等枢纽工程即属这种型式。从运用经验看来，因系侧向引水，进入引水闸的水流发生90°的急转弯，水流扰动剧烈；加上分水环流的作用，使粗粒底沙大量进入渠道。再者，由于冲沙闸影响范围很小，不能向上游较远处刷出深槽来，达到引导水流的目的，而在布置枢纽时，又往往未考虑上游淤积后河道主流会变动，因而未兴建保证引水的河道整治工程。加之溢流滚水坝的泄流部分水流分布不均匀，而又没有控制闸，无法进行控制和调整。这样一来，在上游淤满后，枢纽即处于无坝引水状态。

近年来西北水科所等单位提出，这类枢纽的引水防沙建筑应按以下原则布置：

（1）以枢纽河段的常年洪水作为冲沙闸的设计流量。

（2）在进水口前冲沙槽范围内加设潜没分水墙及导沙坎等，以减弱原印度式枢纽90°引水产生的不利环流的影响。

（3）新建工程要注意使引水角成锐角，以减少入渠泥沙。

（4）适当布置枢纽上下游河道整治建筑物。

印度近年来对这种枢纽布置也已注意到引水角宜小于90°，闸前导坝的形状及曲率对枢纽引水防沙有影响，在进水闸后的渠道上修建排沙闸以排除部分已入渠的泥沙。

3.人工弯道式引水枢纽

这种枢纽首先出现在苏联费尔干河谷，习惯上称为“费尔干式”。其特点为将上游河道整治为人工弯道，在凹岸设引水闸，于凸岸布置泄洪排沙闸。这种“正面引水，侧面排沙”的工程布置，符合弯道环流的特点，取水防沙效果比印度式枢纽显著，适用于山区河流。

我国在新疆等地修建了大量的人工弯道式枢纽。有关单位经过分析当地河流来水来沙特点，总结枢纽运行经验，提出在弯道上首凸岸增设泄洪排沙闸；引水弯道则按每年都能发生的洪峰流量（频率为100%）设计修建。这样的人工弯道引水枢纽，克服了20世纪50年代修建的费尔干式枢纽中常出现的一些缺点；原来选用频率为3%～10%洪水流量设计和修建弯道，因河宽过大，常常不能满槽行水，而使弯道环流强度减弱，造成弯道严重淤积。新疆伊犁喀什河弯道引水枢纽即属于这种新型的人工弯道枢纽，已成功地运用十几年，引水防沙效果良好。(www.xing528.com)

内蒙古三盛公枢纽原按弯道引水式兴建，但因泥沙较细，弯道防沙作用不明显。运用中实行引水时壅水沉沙，不引水时泄水冲刷，入渠泥沙减少，枢纽上游也基本冲淤平衡，效果很好。

4.双层式引水枢纽

根据泥沙在垂线上分布上小下大的特性，枢纽引水和排沙建筑物分为上下两层，较清的表层水流经上层闸室引入渠道，底层含沙量大的水流和推移质经底层的廊道排入下游河道。这种枢纽在欧洲、印度、巴基斯坦及我国等多有修建。实际运行经验证明：在流量为90～550m3/s的小河上，引水流量为7～25m3/s的这类渠首是实用和有效的。但它们的引水防沙效果有时也不能令人满意，主要由于存在以下问题：

（1）布置枢纽时，没有考虑到枢纽修建后上下游河床变形特征，上游的淤积常使枢纽管理运用发生困难。

（2）底层排沙廊道需要有相当大的冲沙流量，才能有效工作。

（3）双层建筑物对水流的影响，常导致引水闸前出现漩涡，影响枢纽对挟沙水流分层引取的效果。

5.底栏栅引水枢纽

这类枢纽的主要特点是引水闸以上的引水渠设在河床以下，用栏栅覆盖以阻止卵石进入渠道。这类枢纽适用于坡陡流急、汛期有大量卵石运动的山区小河上。它结构简单，施工运用方便。但在洪水期，栏栅易被卵石及树枝等堵塞。

（三）结语

枢纽泥沙问题除以上简单介绍的一些内容外，还涉及枢纽上游泥沙淤积及下游河道冲刷，枢纽上下游的河道整治，枢纽的管理运用，长期保持库容的措施，枢纽排沙孔口的合理布置，枢纽工程的防沙设施，入渠泥沙的沉沙处理等问题。此外，枢纽通航建筑物，水电站及工业引水口，跨流域引水和调节建筑物，河口挡潮枢纽闸等专门水工建筑物的泥沙问题，以及我国在平原多沙河流上修建枢纽的经验等，限于篇幅，这里不能一一介绍。

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