7.引水枢纽解析

一、概述1．引水枢纽的作用及类型引水枢纽的作用是把河流中的水引入渠道，以满足灌溉、发电、工业及生活用水等需要；并防止粗粒泥沙进入渠道。引水枢纽位于引水渠道首部，又称渠首工程。根据是否有拦河闸（坝）又分为有坝引水枢纽和无坝引水枢纽。无坝引水枢纽：它是一种最简单的引水方式，在河道上选择适宜地点开渠并修建必要的建筑物引水，称无坝引水枢纽。通常由进水闸、冲沙闸、沉沙池、河道整治建筑物及泄水排沙渠等组成。无坝引水枢纽在大江、大河的下游或山区河流上采用较多。第六章引水枢纽有坝引水枢纽：当河道水量比较丰富，但水位较低，不能自流灌溉；或引水量较大，无坝引水不能满足要求时，则应修建拦河坝（闸），以抬高水位，保证引取灌溉所需的流量。这种引水方式称有坝引水枢纽或有坝渠首。通常由溢流坝（亦称壅水坝）或拦河闸、进水闸、防沙冲沙措施、船闸、阀道、鱼道、电站等组成。由于工作可靠被广泛使用。引水枢纽的形式亦受经济条件制约。日本在50年代的有坝渠首多为闸坝结合式渠首（即壅水坝及冲沙闸），但随着其经济发展逐步改建成对天然河流状态无影响的拦河闸式渠首，目前多采用闸坝结合式（泄洪闸及壅水坝，大孔口泄洪闸兼作泄洪、排沙、排冰）进行改造原有半永久性渠首（壅水坝及第六章引水枢纽行洪滩地）。随着我国经济快速发展其拦河闸式渠首是未来的发展方向。2．引水枢纽的特点（1）无坝引水枢纽特点无坝引水枢纽的优点是工程简单、投资少、施工容易、工期短及收效快，而且不影响航运、发电及渔业，对河床演变影响小。其缺点是受河道的水位变化影响大，枯水期引水保证率低；在多泥沙河流上引水时，还会引入大量的泥沙，使渠道发生淤积现象，影响渠道正常工作；当河床变迁时，一旦主流脱离引水口，就会导致引水不畅，甚至引水口被泥沙淤塞而报废；当从河流侧面引水时，由于水流转弯，产生强烈的横向环流，以致引水口的上唇受到泥沙淤积，而下唇则受到水流冲刷。第六章引水枢纽实验表明，水流转弯产生的横向环流，使大量推移质泥沙随底流进入渠道，并随引水率（引水流量与河道流量的比值）的增大而增大。当引水率达50%时，河道中的底沙几乎全部进入渠道。我国河套地区的经验认为，引水率不宜大于20%～30%。2．有坝引水枢纽的特点其优点是引水保证率高，而且不受引水率限制。缺点是工程量大、造价高，且破坏了天然河道的自然状态，改变了水流、泥沙运动的规律，尤其是在多泥沙河流上，会引起渠首附近上下游河道的变形，影响渠首的正常运行。1）对上游河道坝区的影响建坝后，上游水位抬高，流速减小，挟沙能力减低，故河流中的推移质泥沙淤积在上游，使河床逐渐抬高。这种淤积发展很快第六章引水枢纽有的工程在短期内将坝前淤平。坝前淤平后，失去对主流的控制作用，进水闸处于无坝引水的工作状态，而且由于主流的摆动，加剧了上游河岸的冲刷变形，甚至使主流改道，招致工程报废。坝前淤平也使泄流能力降低，回水水位亦增高。2）对下游河道的影响溢流坝运行初期，上游河床的淤积，下泄的水流含沙量减小，具有很大的冲刷力，使坝下游河床发生冲刷现象。当坝前泥沙淤平后，泥沙被挟带到下游，由于上游大量引水结果，下游河道流量相应减小，而含沙量增大，水流挟沙能力降低，使下游河床淤积。如果下游河道坡度较缓，这种淤积将使河床抬高。严重时会产生埋坝现象。根据以上特点，在进行引水枢纽设计时，合理布置枢纽建筑物，充分考虑泥沙对天然河道的影响，确保渠首正常工作。第六章引水枢纽图6—3河流弯道冲淤图第六章引水枢纽图6—4弯道环流原理示意图1—表层流2—底层流第三节引水枢纽第六章引水枢纽二、弯道环流原理天然河道都是弯曲的，对于土质河床，由于流量的随机性、地形及地质的千差万别，只有10～20%的直线段河道能保证其在不冲、不淤的稳定状态，而弯道均处于冲淤演变、摆动状态。其弯曲演变如图6—3所示。河流在直线段上的水深、流速及含沙量的分布是比较均匀的。弯道则不然，在弯道受离心力的作用，使表层的水流向凹岸水面壅高，凸岸水面降低，形成横向比降，如图6—4（b），因水流所受离心力的大小是和水流流速的二次方成正比，而河道水流流速的分布是表层大、底层小，故表层水流所受离心力较大，并沿水深逐渐减小。因离心力的方向与横向水位差所引起的水压力的方向相反，这第六章引水枢纽两种作用力的合力方向如图6—4（c）。在其合力作用下，表层的水流向凹岸，底层的水流向凸岸，从而形成横向环流，横向环流与纵向流合成为螺旋状前进水流，如图6—4（a）所示。当横向环流由上向下流动时，流速增大、含沙量较小，当流速大于凹岸的抗冲流速时，凹岸就产生冲刷。而底流流向凸岸时，含沙量大增，在岸坡处，底流转而向上流动，因重力作用，流速减小而使泥沙淤积。当水流到达表层后，改变方向再流向凹岸，周而复始。这样发展的结果，凹岸便成为水深流急的主流深槽，而凸岸则成为水浅流缓的浅滩。如凹岸不够坚固，则会使弯道逐渐向下游移动（如图6—3）。第六章引水枢纽根据弯道环流的特性，引水枢纽应布置在凹岸，引取表层较清水流，有效的防止泥沙入渠，并可防止引水口被淤积，保证引水量要求。三、无坝引水枢纽布置1．无坝引水枢纽位置选择合理确定无坝渠首位置，对于保证正常引水减少泥沙入渠起着决定性的作用，在确定位置时，必须详细了解河岸的地质、地形情况、河道洪水特性、含沙量及河床变迁规律。位置选择时可按如下原则确定：（1）根据弯道环流分沙原理，无坝渠首应设在河道坚固、河流弯道的凹岸，以引取层较清水流，防止泥沙入渠。设在弯道顶点以下水深最深、单宽流第六章引水枢纽量最大、环流作用最强的地方。这个地点距弯道起点的距离（L）可按下式初步拟定。（6—1）式中m—系数，一般取m=0.8～1.0时；B—河道设计水位时水面宽度，m；R—弯道中心半径，m。当地形条件受到限制，不能把渠首布置在凹岸而必须设在凸岸时，应将渠首设在凸岸中点偏上游处，该处环流较弱，泥沙较少。必要时可在对岸设置丁坝将主流逼向凸岸，以利引水。（2）在分汊河段上，一般不宜设置引水口，因其主流摆动不定。常常发生交替变化，导致汊道淤塞，引水困难。如引水口必须设在汊道上时，并对河道进行整治，将主流控制在汊道上。第六章引水枢纽14BRmBL图6－5引水口位置图6—6无坝引水枢纽第六章引水枢纽3）无坝渠首设在河道的直段也是不理想，因在直段侧向引水时，引水口会产生漩涡，不仅进水量小而且也不均匀。必需从河道的直段引水时，应把引水口设在主流靠近岸边、河床稳定、水位较高、流速较大的地段。（4）渠首位置应选在干渠路线比较短，而且经过的地方没有陡坡、深谷及坍方的地段，以减少土方工程量。2．无坝引水枢纽的布置形式无坝引水枢纽布置形式，可分为一首制渠首和多首制渠首两类。（1）一首制渠首，有弯道凹岸渠首及导流堤式渠首两种布置形式。第六章引水枢纽1）弯道凹岸渠首：它适用于河床稳定，河岸土质坚固的凹岸。由进水闸、拦沙坎及沉沙设施等建筑物组成，如图6—7所示。进水闸：其作用是控制入渠水流，一般布置在引水口处，应尽量减少引渠的长度，以减小水头损失和减轻清淤工程量。引水口两侧的土堤应为喇叭口的形状，以使入渠水流平顺，避免出现漩涡，减少水头损失。进水闸的中心线与河道水流所成的夹角，叫引水角。一般应为锐角，通常为了使水流平顺，增大引水量，常采用30°～45°。进水闸堰顶高程应高于河床1.0m～1.5m，与干渠渠底齐平或略高。拦沙坎：其作用是用来加强天然河道环流，使底沙顺利排走，一般布置在引水口的岸边。坎的形状第六章引水枢纽通常采用“Γ”形。坎顶高出渠底的高度约0.5m～1.0m，见图6—7。冲沙闸：在洪水期打开冲沙闸，冲洗进水闸前、引渠内沉积的泥沙，见图6—8，其底板高程比进水闸低0.5m～1.0m。沉沙设施：一般布置在进水闸后面适当的地方。通常将总干渠加宽加深而成沉沙池；也可建成厢形的；或利用天然洼地布置成条渠沉沙。第九章水利枢纽图6－7引嫩渠首拦沙坎布置图1－拦沙坎；2—叠梁第六章引水枢纽2）导流堤式渠首：在不稳定的河流上及山区河流坡降较陡，引水量较大的情况下，采用导流堤式渠首来控制河道流量，保证引水。导流堤式渠首由导流堤、进水闸及泄水冲沙闸等建筑物组成。导流堤的作用是束窄水流，抬高水位，保证进水闸能引取所需要的水量。导流堤轴线与主流方向夹角成10°～20°，向上游延长，接近主流。进水闸与泄水排沙闸的位置一般按正面引水排沙的形式布置，如图6—8（a）所示，进水闸轴线与河流主流方向一致，冲沙闸轴线多与水流方向成接近90°的夹角，以加强环流，有利排沙。当河流来水量较大，含沙量较小时，也可按侧面引水、正面排沙的形式布置，如图6—8（b）,泄水排沙闸方向与水流方向一致，进水闸的中心线与主流方向以第六章引水枢纽30°～40°为宜。图6－8导流堤式渠首（a）正面引水，侧面排沙示意图（b）正面排沙，侧面引水示意图第六章引水枢纽2）多首制渠首：在不稳定的多泥沙河流上，采用一个引水口时，常常由于泥沙的淤塞而不能引足所需的水量，严重时甚至使渠首废弃。这时应采用多首制渠首。多首制渠首一般设有2～3条引水渠，各渠相距1～2公里，甚至更远些。洪水期仅从一引水口引水，其余引水口关闭。枯水期，由于水位较低，则由几个引水口同时引水，以保证引取所需水量。在图6－9所示的布置中有两条引水渠与进水闸相连。其优点是：某一个引水口淤塞后可由其它引水口进水，不致停止供水；引水渠淤积后，可以轮流清淤、引水。其主要缺点是清淤工作量大，维修费用大。第九章水利枢纽图6－9多首制渠首布置示意图第九章水利枢纽3）无坝引水枢纽上下游河道整治天然的弯曲河道一般都得摆动变迁的，修建无坝引水枢纽后改变了原来河道的水流条件，加剧了河道变迁，引水枢纽上下游应进行整治。整治的目的主要是：使河道主流靠近引水口，并能维持所需要的水位，以便引入所需的水量；调整水沙分布结构，引取表层清水，排走底层泥沙；保证渠首建筑物不受冲击或淘刷破坏，平顺水流以增加引水量。河道整治措施应根据河床的稳定性、地形、地质条件、水力特性，进行全面规划、综合治理。通常采取的措施是1）修建丁坝、顺坝：丁坝、顺坝是用来控制和束窄水流，防止河床淤积变形，调整河宽，并保护河岸不受水流冲刷的河道整治建筑物，如图6—10所示。第九章水利枢纽用于引水口的上游河岸受水流冲刷而坍塌变形，河道主流轴线改变，偏离引水口，恶化引水条件等情况。2）清除引水口处的凸出体：当引水口前有硬土堆或硬石妨碍水流时，必须清除，以避免导致主流偏离引水口。3）堵塞河汊：当引水口处河道枯水时期形成几股汊道时，河槽位置频繁改变，使枯水期引水困难，可用筑潜坝截断汊道，将水流导向引水口。以上各项措施可单独采用，亦可与护岸工程综合在一起使用。必须注意的是丁坝及顺坝属于进攻性工程措施，在边界、边境河道治理中应慎重采用，避免引起双方争端。第九章水利枢纽图6—10(a)丁坝1—正常主流轴线;2-引水口；3-偏移主流轴线；4—原河岸线5—冲刷河岸线；6-河岸防护；7-丁坝；8-浅滩第九章水利枢纽图6—10(b)顺坝1—沉排；2—坝头；3－坝身；4－坝根；5－格坝；6—护岸第六章引水枢纽四、有坝引水枢纽布置1．有坝引水枢纽位置选择首先应根据河道特性：在弯曲河道上应选择弯道凹岸；在顺直河段，引水口应选在位于主流靠近河岸的地方；在多泥沙河流上应选在河床稳定的地段；兼顾干渠底高程应选择河岸坚固、高度适宜的地段，避免增加渠首土石方开挖量；当河流有支流流入时，应选择支流汇入处的上游，如为了引更多水量，亦可选在其下游，但应充分考虑相互影响。其次考虑地质条件：其优劣顺序为岩石地基、沙卵石和坚实粘土、沙砾石及沙基。淤泥和流沙不宜作为坝址。再次应考虑施工条件及抗冻条件：从施工条件第六章引水枢纽考虑应选取河道宽窄适宜，既满足施工又不使溢流坝过大。从严寒地区抗冻角度考虑应把引水口设在向阳的一侧。渠首位置选择应按上述原则拟定几个不同方案进行技术经济比较，择优选取。2．在多泥沙河流上有坝引水枢纽的布置在多泥沙河流上有坝引水枢纽的布置，其核心问题就是根据河流含量情况，选取合理的泥沙处理措施。对于大、中型渠首，应通过水工模型试验确定泥沙处理措施。根据泥沙处理措施的不同，渠首的布置形式有如下几种