无坝取水工程改造方案及水利计算复核

（一）无坝取水工程的组成及分类

当河道的枯水位和流量都能满足灌溉要求时，不需要在河道上修建拦河坝（闸）或壅水坝，只需要在河岸上选择适宜地点开渠并修建取水建筑物，从河流侧面引水，这种渠首称为无坝渠首。适用于河道水量比较丰富，引水比不大，水位满足或基本满足引水的情况。由于无坝取水工程对天然河道的影响较小，具有工程简单、投资少、施工易、工期短等优点，因而在我国应用较广，尤其在大江大河的下游，广泛采用这种取水方式。

无坝引水渠首一般由进水闸、冲沙闸和导流堤三部分组成。进水闸用以控制入渠流量，其底板高程，可与闸后渠底齐平或稍高，但应高于闸前河底，以防止推移质入渠。如河岸不够坚固，可将进水闸设在距河岸一定距离处，取水口处设简易防沙设备，取水口与进水闸之间加设一段引渠。冲沙闸用以冲走淤积在进水闸前的泥沙。导流堤一般只设在中小河流中，平时发挥导流引水和防沙作用，枯水时可以截断河流，保证引水。无坝引水渠首枢纽的布置及枢纽各工程结构型式选择，应以有利于防沙、方便取水为原则进行安排。

按取水口的数目，无坝取水可分为单首制和多首制两种类型。单首制取水只设一个引水口，一条引渠取水。渠首设进水闸的叫做有闸单首制取水。在岸边开挖引渠或涵洞引水而不设闸的叫做无闸单首制取水。有闸的单首制取水能控制入渠流量，减少渠道淤积；无进水闸的则不能控制进渠流量及进沙量。单首制取水适用于河床比较稳定，含沙量较少的河流。多首制取水，一般设2～3条引渠，各引渠在下游一定距离处合成一条干渠。进水闸设在各引渠口或引渠汇合处，少数渠首也有不设进水闸的。枯水期各引渠同时引水，洪水期一条引渠工作，其他引渠轮流清淤。多首制取水适应不稳定的多沙河流，能解决因引渠淤积而难以引水的缺点，但清淤工作量大，维修管理复杂。

（二）无坝取水工程运行中存在的问题

经过长期运行，无坝取水工程会出现以下问题：

（1）无坝渠首工程不能控制河道水位、流量变化，取水口的运行受河道水位涨落的影响较大。汛期，由于河道水位高，含沙量大，取水时经常超过设计流量和允许含沙量；枯水期，由于水位低，流量小，常不能满足灌溉要求。

（2）无坝渠首工程受所在河段水位泥沙特性、河床稳定性以及引水比大小等因素的影响很大。尤其当河床不稳定，主流波动不定时，对其影响更大。当主流远离取水口时，引水便得不到保证，严重时，取水口甚至被泥沙淤塞而报废。

（3）取水口变动。在直段河道上的水流，由于断面较为对称，水位、流速及含沙量的横向分布比较均匀，垂线平均流速在断面中心处最大，向两岸均匀减小。对于弯曲河道，水流运动情况刚好相反，使得取水口上唇淤积，下唇冲刷。如果河岸的地质结构不坚固，取水口将不断下移。

（4）河道上的浮冰、浮木等漂浮物影响引水排沙。

（三）无坝取水工程改造方案及水利计算复核

1.改造的措施

由于河道水位、流量变化，河床变迁、河势变化等因素的影响，使得取水口位置变化，引起取水量减小，渠道淤积。针对具体情况，因地制宜进行改造工作，有以下几种措施：

（1）渠首布置。利用弯道环流原理，将渠首布置在河岸坚固、河流弯道的凹岸。当地形条件受到限制而设在凸岸时，则应将渠首设在凸岸中点偏上处。必要时可在对岸设置丁坝，将主流通向凸岸，以利引水。若没有适宜的弯道而必须从直段河道取水时，取水口应选择在河岸坚固、主流靠近取水口、河床稳定、流速较大的地段。

（2）取水口布置。由于分汊河道，主流摆动不定，交替变化，导致汊道淤积，引水困难，故一般不设取水口。若由于具体条件限制，取水口只能设置在分汊河段上时，应选择比较稳定的汊道，并对河道进行整治，将主流控制在该汊道上。

（3）渠首防沙措施。对于渠首工程而言，泥沙问题处理的好坏，成为许多工程成败的关键，有下列措施。①根据河流泥沙含量的分布，表层引水，底层排沙。一般河流含沙量的分布规律是：表层少颗粒细，底层多而颗粒粗。②沿取水口岸边布设拦沙坎，坎的形状有梯形、矩形、“Г”形、梯形堰式等。③装置叠梁闸门，在进水闸修理门槽内安装一定数量的叠梁闸门，可以防止底沙入渠，也可以在叠梁顶部增设具有一定倾角的挡沙板，可以防止底层水泛起，防沙效果更为显著。④设置导沙坎，可以改变底层水流方向，将推移质导离取水口。⑤设置导流设施，如导流丁坝、导流屏等，可以改善取水口的工作条件，使表层清水流进入渠道，而含有大量泥沙的底流离开取水口。⑥修建拦沙闸、防淤帘及沉沙池，在引水口处建造拦沙闸，当进水闸停止引水时，关闭拦沙闸，制止河道浑水进入渠道；防淤帘作用与拦沙闸相似，当停止灌溉时，将防淤网帘设在引水渠口处，可迅速淤积成沙坝，阻止河段浑水入渠；设置沉沙池，可以沉淀悬移质中粗颗粒泥沙，使入渠水流澄清到满足设计要求。⑦避免沙峰引水，通常沙峰多集中在很短几天内，采用避免沙峰引水可以减少泥沙入渠。

（4）渠首防冰措施。位于严寒地区的渠首，冬季引水时，必须考虑防冰问题，一般采用以下措施：①设置挡冰梁或胸墙，深入水下0.5～1.0m，防止冰块入渠。②排冰措施，设置排冰槽，也可以利用泄水道排冰。③为了防止闸门、门槽结冰，可采用电热、吹蒸气等方法，对于冰冻期较长的河道，设计进水闸时，应设计冰压力，否则采用破冰措施。

（5）渠首防污、防漂浮物措施。在进水闸口处设置拦污栅或漂檐板，防止漂浮物入渠。

2.水利计算的复核

无坝取水工程水利计算复核的主要任务是确定经济合理的灌溉面积、复核设计引水流量以及引水枢纽建筑物规模与尺寸。

（1）灌溉面积与引水流量的确定。选取适当的灌溉设计保证率，采用固定灌溉用水量法、典型年法或长系列法等，确定灌溉面积和引水流量，计算方法可参见本丛书第一分册的有关内容。

（2）闸前设计水位的确定。确定闸前设计水位z之前，应先确定闸前河流设计水位z1。设计水位可以按设计引水流量的相应水位确定，用与z1相对应的Q1减去设计引水流量Q得到引水后的河流流量Q2。查河流水位流量关系曲线得出相应Q2的水位z2，见图2-1。(www.xing528.com)

图2-1　河段纵断面示意图

考虑到引水时部分位能转化为动能后所形成的水面降落值x，则闸前水位z为：

x可按下列经验公式计算：

式中：k为引水系数（即引水比），k=Q引/Q1；v2为与水位z2相应的河流平均流速。

（3）闸后设计水位的确定。首先根据灌区灌溉高程控制要求确定干渠渠首水位，干渠渠首水位推算出以后，还应与闸前设计水位减去过闸水头损失后的水位相比较。如果推算出的干渠渠首水位偏高，则应以闸前水位扣除过闸水头损失作为闸后设计水位，这时灌区控制高程要降低，灌区范围应适当缩小，或者向上游重新选择新的取水地点。

（4）进水闸闸孔尺寸的复核。进水闸闸孔尺寸主要指闸底板高程和闸孔的净宽，在确定这些尺寸时，应将底板高程与闸孔宽度联系起来，统一考虑。因为同一个设计流量，闸底板定得高些，闸孔宽度就要大些，闸底板放得低些，闸孔净宽就可小些。设计时必须根据建闸处地形、地质条件、河流挟沙情况等综合考虑，反复比较，以求得经济合理的闸孔尺寸。一般闸底板高程与总干渠渠底高程相同或稍高，比闸前河床平均高程高1～2m。为了防止河床冲刷下切后，引水量减小，闸底板工程可放低些，若河床淤积抬高，可采用增设活动叠梁来防止泥沙入渠。

闸底板高程确定后，即可根据过闸设计流量，闸前及闸后设计水位，用水力学方法判别过闸水流流态并采取相应的计算公式，计算出闸孔净宽。

对已建无坝取水工程，进水闸闸孔尺寸为已知值，其复核计算主要是根据引水流量，校核闸孔净宽是否满足要求；或根据闸孔尺寸，校核引水流量的大小。

（5）取水口地点的确定。取水口一般均设在弯道顶点附近水深最大、环流作用最强的地方，该地点距离弯道起点的距离，由于影响因素较多，目前还没有精确的计算方法，可根据具体情况，用下面介绍的经验公式初步确定。对于大型工程，最好经过水工模型试验验证。

1）B.B.杜立涅夫公式。根据杜氏试验研究，认为取水口的地点不仅与弯道曲率半径R有关，而且与河宽B有关，取水口距离弯道起点的距离L可按下式计算：

式中：m为系数；B为河道水面宽，m；R为河道中心线半径，m。

试验证明，当m=0.8～1.0时，入渠含沙量较小，引水口处水深最大，单宽流量最大，环流作用最强，是引水防沙的有利位置。这是目前设计最常采用的公式。

2）估算方法。关于引水口地点确定问题，不少学者应用环流理论，通过试验研究，提出了下列一些建议供参考。

a.C.T.阿尔图宁认为，取水口选在距弯道顶点3～4倍河宽的地方为宜。

b.И.A.霍利金认为，取水口选在距弯道起点0.66～0.9倍曲率半径的地方为宜。

c.E.A.扎马林建议，取水口宜设在与弯道起点成30°～50°中心角的地方。

d.刘旭东等试验证明，取水口地点随弯道中心角而变。