有坝取水工程改造方案及水利计算复核

（一）有坝取水工程概述

当河道水量比较丰富，但水位较低，不能保证自流灌溉，或引水量较大，无坝取水不能满足要求时，则可拦河筑坝，壅高水位，保证引取灌溉所需流量，这种取水工程称有坝渠首。有时水位虽然能满足无坝引水要求，但为了缩短干渠长度以达到经济目的，或为了壅高水位以改善航运条件，或为了筑坝形成上下游水位差，以利于冲沙等目的，也可采用有坝渠首。

有坝渠首位置一般应选择在灌区的上游，以减小坝高，使灌区农田大部分能自流灌溉。渠首位置越向上游，拦河坝愈低，但总干渠则愈长。反之，渠首位置越向下游，则坝愈高而干渠愈短。故应根据灌区地点及地面高程，结合具体地形、地质、水文和施工等条件，选择2～3个位置，进行不同方案的技术经济比较，然后选择最经济的方案。

有坝渠首由拦河坝（闸）、进水闸、冲沙闸等组成。拦河坝是有坝渠首的主要建筑物之一，主要起抬高水位的作用，不能蓄水调节流量。河道若水量多余或遇汛期洪水，可经坝顶溢流，泄至河道下游，故其具有壅水和泄水的双重作用。进水闸位于坝端河岸上，用以引水灌溉控制入渠流量。为了防止泥沙入渠，进水闸的闸底应比河床高0.5～1.0m，其平面布置主要有两种形式。一种是侧面引水，进水闸水流方向与河流水流方向正交。它的布置和构造都很简单，施工容易，造价经济。但这种取水方式，由于防止泥沙进入渠道的效果较差，一般只用于含沙量较小的河道。另一种采用正面引水，进水闸的水流方向与河流方向一致或斜交。这种取水方式，能在引水口前激起横向环流，促使水流分层，表层清水进入水闸，而底层含沙水流则流向冲沙闸而被排除。冲沙闸是多泥沙河流有坝渠首中必不可少的组成部分，其任务是将存留在进水闸前的淤泥及砂石等冲刷到下游河道，防止泥沙入渠并可泄放部分洪水，尚可使河道主流趋向进水闸，保证进水闸引取所需流量。故冲沙闸闸底一般较进水闸闸底低0.5～1.0m，比下游河床略高以利排沙。此外，若有通航、过鱼、过木和发电等综合利用要求时，尚需设置船闸、鱼道、筏道及水电站等建筑物。

（二）有坝取水工程改造方案及水利计算复核

有坝渠首布置有多种形式：沉沙槽式渠首，底部冲沙廊道式渠首，人工弯道式渠首，底栏栅式渠首，拦沙坝式渠首，沉沙池式渠首，两岸引水式渠首，少沙河流综合利用渠首等。针对不同渠首采用不同改造措施。下面主要介绍沉沙槽式渠首改造方案。

沉沙槽式渠首采用正面排沙，正面进水，侧面引水两次分流的布置形式。按照壅水建筑物的型式，可分为低坝式、拦河闸式或闸坝结合式。

1.存在问题及改造措施

主要存在下列问题：①对于早期所建的低坝式渠首，其进水闸的引水角采用90°，河水流入进水闸时，需转90°的急弯，在进水闸处产生强烈的横向环流，使部分推移质泥沙进入渠道，造成渠道淤积。②在不稳定的河流上，当坝前淤平后，进水闸即处于无坝取水的工作状态。当主流摆动后，引水便得不到保证。③冲沙闸工作时，由于推移质泥沙发生剧烈的跃移运动，为了防止被搅起的泥沙进入渠道，必须关闭进水闸，停止引水。此外，早期所建冲沙闸宽度偏小，不能保证河道主槽靠近进水闸。

对于上述问题，可采取下面的改造措施：①采用斜面引水的布置形式，可以提高沉沙槽式渠首的引水防沙效果；进水闸的引水角大都采用锐角，可以改善进水闸引水角为90°时所造成的进沙严重状况，使进水闸与河道水流斜交，减弱横向环流作用，从而减少推移质进入渠道。②扩大冲沙闸，增大泄洪能力，使之起到稳定主槽和冲沙的作用。③改变沉沙槽结构型式。a.在沉沙槽内设置各种形式的导沙坎，或建造分水墙与导沙坎相结合的防沙形式，造成人工环流，改变水流内部结构，使表层水进入进水闸，大部分底沙靠近进水闸底部，为导沙坎所产生的强烈螺旋流导走，经冲沙闸排至下游。b.采用弧形沉沙槽，并在槽内设分水墙及导沙坎。c.对于建在山区河上的渠首，由于河床比降较陡，闸前水深较深，为了排除大块石及卵石，沉沙槽可作成深窄式。④对于低坝式渠首要求坝顶有足够的溢流长度，如其长度受到限制和上游不允许壅水过高时，可采用带闸门的溢流坝或拦河坝，以增大泄水能力，降低上游壅水位。当河段过宽时，可在溢流坝端建筑非溢流土坝拦水。⑤对于建在山区或峡谷的渠首，由于河道狭窄，河岸陡峭，建筑溢流坝后，无法再布置进水闸和冲沙闸，可在河床上修建导流槽，或在山坡内开凿隧洞（或开挖引水渠）。⑥用拦河闸代替溢流坝，基本上不改变渠首上下游河段形态，既可壅水沉沙，又可开闸泄水冲沙，排除上游壅水段淤积的泥沙，并能灵活地调节水位和流量，还可借助闸门的起闭来调整上游河道主流的方向，使取水口始终保持良好的引水条件。

2.水利计算复核

有坝引水工程水利计算复核的主要内容是在已给出灌溉面积情况下，复核设计引水流量、拦河坝高度，拦河坝的防洪能力及进水闸尺寸等。有坝引水工程的设计引水流量与无坝引水工程的计算方法相同。

（1）拦河坝高度的确定。确定拦河坝高度的原则是，在满足灌区要求的引水高程的前提下，使筑坝后上游淹没损失尽可能的小，并适当考虑发电、航运、过鱼等综合利用的要求。设计时，先根据灌溉引水高程初步拟定坝顶高程，然后结合河床地形地质条件，坝型以及坝体工程量和坝上游防洪工程的大小等因素，进行综合比较后，再加以确定。

1）溢流段坝顶高程的计算。坝顶高程可用下式计算：

式中：z溢为拦河坝溢流段坝顶高程，m；h设为相应于设计引水流量的干渠渠首水位，m；Δz为渠首进水闸过闸水头损失，一般为0.1～0.3m；ΔD1为安全超高。

推算出坝顶高程z溢，减去坝基高程z基（见图2-2），即得溢流坝的高度H1。

图2-2　拦河坝坝顶高程计算示意图(www.xing528.com)

2）非溢流段坝顶高程z坝的计算：

式中：ΔD2为安全超高，按坝的级别、坝型及运用情况确定；H0为溢流坝段溢洪时的壅水高度，m；Qm为设计洪峰流量，m3/s；B为拦河坝溢流段宽度，m，B=Qm/qm，qm为下游河床允许单宽流量；m为溢流坝流量系数；ε为侧收缩系数。

非溢流段坝高H2为：

（2）拦河坝的防洪校核。进行防洪校核的目的，主要是根据拦河坝坝顶通过设计洪水时的坝上壅水高度推求出上游回水曲线，并根据回水范围辅以对上游两岸的调查，确定出筑坝后的淹没情况。回水曲线可按稳定非均匀流推求，计算方法参阅水力学书籍。回水范围及可能淹没情况确定后，应提出解决的办法或修改设计。

对于重要的城镇和交通要道，应修建防洪堤和排水工程进行防护。防洪堤的长度根据防护范围确定，堤顶高程则按设计洪水回水水位加超高来决定，超高一般可采用0.5m。如果坝上游淹没情况严重，所需防护工程的工程量很大，则应采取改变拦河坝设计加以解决，如：增加溢流坝段的宽度，降低固定坝高，设置泄洪闸或活动坝等，以降低回水高度，减少回水范围以达到减少上游淹没损失及降低坝上游防护工程的规模与投资的目的。

（3）进水闸尺寸的确定。进水闸的尺寸取决于过闸水流状态，设计引水流量，闸前及闸后设计水位，而闸前设计水位z前与设计时段河流来水流量有关（图2-3）。当设计时段河流来水流量等于引水流量（Q1=Q引）时：

当设计时段来水流量大于引水流量（Q1＞Q引）时：

式中：h2为设计年份灌溉临界期河流流量Q1减去引水流量Q引后的河流流量Q2的相应溢流水深，可按式（2-6）计算。

图2-3　有坝引水闸前设计水位计算示意

如有引渠，式（2-8）和式（2-9）中还应考虑引水渠中水头损失。

闸后设计水位和闸孔尺寸的具体计算方法，与无坝引水工程中有关部分相同。

（4）冲沙闸的确定。冲沙闸孔口尺寸的拟定主要是确定底板高程及选择设计流量。由于冲沙闸既要定期冲洗沉积在进水闸前的泥沙，又必须保证进水闸引取所需的水量，设计流量的选择影响因素较多，目前尚无统一的标准，一般应使选择的流量在每年汛期出现的次数最多，以满足冲沙及稳定主槽的要求。在工程实践中，有的采用50%～80%频率的洪水流量，而有的采用相当于2.5%～3.0%的多年日平均流量，悬殊较大。据统计，运用良好的冲沙闸总宽度约占渠首沙段总宽度的1/3～1/10。