懸板分層式引水樞紐進水閘水力計算

趙曉軍 關明

（新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院 新疆烏魯木齊 830002）

新疆屬干旱地區，疆內河流大部分為山溪性河流，河道泥沙多，且以推移質為主，其粒徑粗、量大，給引水樞紐造成淤積等危害。而前蘇聯提出的“懸板分層式”引水樞紐，采用“正面分層引水、正面排沙”的布置形式【1】，比較符合泥沙輸運規律，較好地解決了引水和防沙的矛盾。目前在新疆的桑株河引水樞紐、玉龍喀什河引水樞紐、喀拉喀什河引水樞紐等多個引水樞紐上得以應用【2】。但是，由于懸板的水力計算值與實際值相差很大，懸板的引水流量及布置形式等經常需要模型試驗來確定，從而影響了該工程的進一步推廣應用?，F以克里雅河昆侖引水樞紐懸板分層式引水計算為例，為此類引水樞紐的水力計算提供參考借鑒。

圖1 昆侖引水樞紐平面布置圖

圖2 進水閘縱剖面圖

圖3 沖沙閘縱剖面圖

1 樞紐概況

和田地區克里雅河昆侖引水樞紐是克里雅河的第一級樞紐。始建于1962年，經過二十多年的運行，由于泥沙的淤積，基本無法利用。因此自1987年和田地區水利局、于田縣水電局開始做重建昆侖引水樞紐的前期工作，于1994年建成使用?？刂浦谔锟h的80.9%的灌溉面積。

昆侖樞紐原設計控制灌溉面積32 180 hm2，工程規模為Ⅲ等中型，引水流量60 m3/s；設計洪水標準為50年一遇，設計洪水流量819 m3/s；校核洪水標準為300年一遇，校核洪水流量1 090 m3/s?，F狀引水樞紐由沖沙閘、泄洪閘、進水閘、上游導流堤及下游導流堤等5部分組成。

其中進水閘共1孔，閘室結構為胸墻式，閘底板與閘墩為分離式鋼筋混凝土結構，閘室凈寬8.0 m，孔口高度為3.0 m。沖沙閘和進水閘前設有平面呈梯形的引水懸板，為鋼筋混凝土結構，厚0.3 m。

引水樞紐、進水閘、沖沙閘的平面布置及剖面圖見圖1、2、3。

2 昆侖引水樞紐進水閘正常引水位計算

由于進水閘前懸板懸空，與皮卡洛夫堰型（皮氏堰）不盡相同，根據水流情況，認為懸板式過水與側槽式溢洪道類似，其具體計算方法如下：

圖4 懸板大樣圖（單位：cm）

圖5 皮氏堰大樣圖

（1）進水閘最大引水流量Q=60 m3/s。懸板平面尺寸及剖面圖見圖 4、5。

（2）計算【3】

式中Q——設計引水流量，m3/s；

b——過流斷面寬度，m；

q——單寬流量，m2/s；

式中m——流量系數，取0.385；

H0——堰頂水頭，m；

式中φ——流速系數，φ=0.95～1.0，此處取0.98；

C——由圖得知取0.35 m；

hc——收縮斷面水深，m；

式中hk——臨界水深，m；

α——動能修正系數，取α=1.10；

（3）條件判定

C值應滿足：0.2 hc≤C≤0.8 hc，0.2 hc=0.09 m≤C=0.35≤0.8 hc=0.37 m，滿足條件；

根據不淹沒條件△/H0≤0.8，即△≤0.8H0，則△≤0.8H=0.8×1.11 m=0.89 m；

懸板上水深h應滿足：h≤△+C=0.89 m+0.35 m=1.24 m。

（4）試算懸板上水深h

根據槽內最大限制水深（h＜△+C）和最大控制流速（和田地區采用5.5 m/s）按相關公式【4】進行槽內水面線試算，達到ha相近時為止（ha為上下兩斷面水面降落值），然后計算各斷面的流量之和，判斷是否能通過設計流量。

斷面號 2 3 4 5 斷面號 2 3 4 5 d(m)5.60 11.20 16.80 22.40 d(m) 5.60 11.20 16.80 22.40 l(m)12.00 6.00 6.00 6.00 l(m) 12.00 6.00 6.00 6.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 Q(m3/s)24.00 36.00 48.00 60.00 b(m)8.15 10.31 12.46 14.62 b(m) 8.15 10.31 12.46 14.62 v(m/s)5.50 5.50 5.50 5.50 v(m/s)2.53 3.49 4.45 5.50 h(m)0.54 0.63 0.70 0.75 h'(m) 1.17 1.00 0.87 0.75 χ(m)9.22 11.58 13.86 16.11 χ(m) 10.48 12.31 14.19 16.11 A(m2)4.36 6.55 8.73 10.91 A(m2) 9.50 10.32 10.79 10.91 R(m)0.47 0.57 0.63 0.68 R(m) 0.91 0.84 0.76 0.68 n 0.02 0.02 0.02 0.02 n 0.02 0.02 0.02 0.02 C 44.14 45.46 46.29 46.85 C 49.19 48.55 47.77 46.85 C2R921.96 1168.411349.141486.32 C2R 2192.771976.351734.721486.32 i% 3.28 2.59 2.24 2.04 i% 0.29 0.62 1.14 2.04 iop 2.94 2.42 2.14 iop 0.45 0.88 1.59 ha（cm） 16.44 13.53 11.98 ha（cm） 2.54 4.92 8.89∑ha（cm） 41.94 ∑ha（cm） 16.35

上述試算中：

di——起點到各個橫斷面間的距離，m；li——所在斷面過水邊長度，m；

Qi——所在斷面過流流量

bi——斷面寬度，m；

νi——最大控制流速，m/s，和田地區一般采用5.5 m/s，初次試算時假定為最大控制流速，從第二次試算開始νi=

iop——相鄰兩斷面的平均水力坡度；

hai——相鄰兩斷面水面降落值，cm，ha i=d2iopi，此處d2=5.6 m，即相鄰兩端面間的距離；

不斷地試算，直至最后兩次試算的結果相近即可，即h=h’。此次計算，第五次與第六次試算結果相近，即為所求水深，h=0.938m。

（5）閘前水位的確定

（6）昆侖引水樞紐其他水力計算

按照常規的水力計算方法計算即可。

3 結語

對于低水頭且河道泥沙量大的引水樞紐，采用懸板分層式引水可有效地解決引水和防沙的矛盾。據悉，懸板的設置改變了水流流態及水流內部結構，即變明流為有壓流(板下區)，使板下區縱向流速較不設置板時增大了22%【5】，從而提高泥沙的輸移能力。本文僅對懸板分層引水的部分水力計算進行了簡單闡述及實例應用說明，以便其他同類工程應用參考。

［1］張建民，楊永全，等.懸板在低水頭引水防沙工程中的應用［J］.中國農村水利水電，2001(4):1.

［2］張建民,侯杰,周著.懸板分層式引水渠首懸板區水力特性研究［J］.新疆農業大學學報，1997(3):1.

［3］李煒.水力計算手冊（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2006；75.

［4］麥家煊.水工建筑物［M］.北京：清華大學出版社，2005；276.

［5］侯杰，邱秀云，周著.懸板區流場特性及其對輸沙的影響［J］.泥沙研究，1999(3):3.