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渠首布置形式的选择

摘要：渠首是水利枢纽中的主要建筑物之一，它承担着各种用水要求和防止泥沙入渠的重要作用。为取得更加良好的防沙效果和引水稳定性，必须针对不同河流的径流量、丰枯比、含沙量、泥沙粒径、水面坡降、枢纽上下游水位差、冬季防冰冻要求、河道的地形地质地理位置和下游取水要求等条件选取不同的渠首布置形式。本文针对以上不同条件对无坝式渠首、沉沙槽式渠首、弯道式渠首、底栏栅式渠首、 底部冲沙廊道式进行初步分析，确定不同条件下的应因选取的渠首形式。
关键词： 无坝式、沉沙槽式、弯道式、底栏栅式、底部冲沙廊道式
前言：渠首工程的作用是把河流或水库中的水引入渠道，以满足农业灌溉、水力发电、工业及生活用水等水利事业的需要；并要求防止粗颗粒泥沙进去渠道，以免引起渠道的淤积和对水轮机或水泵叶片的磨损，保证渠道及水电站的正常运行。为了达到此目的，常在渠道首部的河段附近修建几种建筑物的综合体，这种建筑物的综合体称为渠首工程。渠首工程根据河道水位和流量变化情况，渠首工程的类型主要分为四大类。无坝渠首、有坝渠首、水库取水、提水渠首。以上四种渠首工程中，无坝渠首和有坝渠首一般又称为取水枢纽工程，他们与水库取水的主要区别在于不能或仅能在很小的程度上起调节河道流量的作用，对比提水渠首不是利用外力产生低水高用的效果，而是直接利用河道水体自流或在一定范围内雍高水位使水体产生自流达到引水目的。以下对无坝式渠首和有坝式渠首取水枢纽工程进行分析。
正文：首先无论无坝式还是有坝式渠首渠首位置的确定都是极为重要的环节，渠首的位置直接影响到引水口的正常工作。在选择时应充分掌握地形、地质、洪水特性、含沙量及河床演变规律等情况，并考虑以下几个问题。引水口高程应满足自流灌溉的要求，并符合渠道输水输沙条件。引水口应选择在河床比较稳定、河岸比较坚实的河段。坝（闸）址所在河断面应比较匀称，且会得到水流垂直于坝轴线，以使过坝水流平顺。若为一岸引水，可以考虑将引水口选在弯道河段的凹岸，这对引水防沙有利；若为两岸引水，则宜选在顺直河段支流汇入处不宜设置引水口，应避免支流对引水防沙的干扰。在渠首附近要有一定的场地，有利于施工、管理及交通运输。对于严寒地区或有防漂要求的渠道，需防止冰凌和其他漂浮物进去干渠。
一、无坝式引水渠首
建造无坝式引水渠首的最基本条件就是，当河道的枯水位和流量都能满足灌溉要求时，就可以在河岸上选择适宜地点，建筑进水闸，从河流侧面引水，不需要在河道上修建拦河坝。其有点事工程简单、投资少、易施工、工期短及收效快并且与其他国民经济部门矛盾少。在我国这种渠首多用于大江大河的下游。缺点是不能控制河道的水位和流量，枯水期时，引水保证率较低；在多泥沙河流上引水式，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。
1.在无坝式渠首设计时需要特别注意的影响因素
1) 无坝渠首受河流水位涨落的影响较大。
2) 无坝渠首受所在河段水温泥沙特性、河床稳定性以及引水量多少等因素的影响很大。尤其是当河床不稳定、主流摆动不定时，影响更大。
3) 当从河流侧面引水式，由于水流急转，产生强烈的横向环流，以致取水口的上唇受到泥沙淤积，而下唇受到水流冲刷。
4) 当引水比增大时，进沙比也随之增大。正常状况下无坝式取水比宜小于50%，多泥沙河流引水比应小于30%。
5) 当渠首健在寒冷地区是，若河流漂有大量的浮冰，对引水是不利的，应当采取措施，将浮冰顺利的排走。
2.无坝式渠首的位置选择
针对以上影响因素无坝式渠首的位置应设置在河岸坚固、可利用弯道环流原理的河道弯道的凹岸，有分叉的河段和直段河道都不利于布置无坝式渠首。为防止泥沙入渠保证进水口在横向环流以充分形成，渠首位置应设置在弯道顶点以下水深最大。单宽流量最大、环流作用最强点。 这一点位置可通过下面公式初定。

m ------------系数，一般经试验确定子啊0.8-1.0时入渠沙量最小
B ------------河道水面宽
R-------------河道中心线半径
为减小泥沙入渠引水角一般取30°- 60°
3.无坝式渠首的渠首形式
无坝渠首的布置形式，可分为一首制渠首和多首制渠首两类。每种类型的布置形式，更具河床及河岸的稳定情况、河流的水沙特性及引水量的多少而有所不同。但他们有一个共同的特点，都是从河流侧面引水。
1） 一首制渠首多位于河道凹岸；当河流稳定，河岸土质坚固时，可将渠首进水闸健在凹岸，利用弯道水流特性，赢取表层较请水流，排走底沙。在山区河流坡降较陡、引水量较大及不稳定的河道上，一首制取水布置一般采用导流堤式，渠首由导流堤、进水闸及泄水冲沙闸组成。由导流堤束缩水流、太高水位，保证进水闸引取得水量。导流堤的轴线与河道水流方向一般成10°- 20°的夹角，并向上游延伸，逐渐接近主流。进水闸与泄水闸的位置一般按正面引水侧面排沙的原则布置。
2） 多首制渠首常建造在不稳定的多泥沙河流上。引水口常常由于泥沙淤塞而不能引水的河道。到首制渠首常设有2-3条引水渠，各渠相隔1-2km，甚至3-4km。各个渠首轮流清淤。这种渠首虽然易于清淤，但是工作量大，年维修费用也大。
4.无坝式渠首布置时上、下游的河道整治
为保证引水口正常引水，常需要对渠首附近的上、下游河段进行整治。要求河流主流靠近引水口，并维持所需要的水位；引水口前的表层水流进入渠道，底层水流离开引水口；保证引水口不受水流冲击淘刷而破坏。其具体措施主要有采用控制泥沙的逗留装置或疏通引水口的前岔道，保证水流引水顺畅；在引水口附近修建丁坝（垂直水流方向）及顺坝（顺水流方向）缩窄河床，调整主流方向，并用护岸工程加固凹岸，防止水流冲刷。

二、有坝式引水渠首
建造有坝式渠首基本条件是 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，无坝取水不能满足要求时，则应拦河筑坝（或拦河闸），抬高水位保证引取水量达到要求。由于有坝（拦河闸）挡水起到了对河流进行了一定量的调节作用。使得渠首对河道水流的控制程度得到高，相比无坝引水引水保证率较高。再建设一定防沙设施后引水含沙率也较低。也因此截断河流使其与其他国民经济部门矛盾较多。同时在多泥沙河流上修建有坝渠首后，破坏了天然河道的水流泥沙运动规律，引起原有河道变形致使上、下游河床、河岸产生不良影响。
1.在有坝式渠首设计时需要特别注意的问题
修筑坝体（拦河闸）后，对于上游而言。上游水位抬高，水深增加，水流流速减小，携沙能力降低，虽然形成集中水头利于冲洗取水口钳的淤积泥沙，但也使河流中推移质泥沙淤积上游抬高河床。当淤积达到一定程度后渠首失去调节作用，渠首引水也就得不到保证。上游的淤积还会影响过流能力影响泄水能力，水位被抬高考虑防洪问题时也需要对其进行考虑。对下游而言渠首运行初期，由于上游河床的淤积，下游水流含沙量较少，水流较清，具有很大冲刷力，使下游的河床发生冲刷现象。随后当坝前泥沙淤平后泥沙被携带到下游，由于上游大量引水的结果，下游河道流量减小，含沙增大，水流携沙能力降低，使得下游淤积。严重时致使渠首报废。因此在进行有坝渠首工程设计时，因特别注意坝体（拦河闸）修建后水体对河道的沖淤影响和防沙设施的修建和管理，不但要使渠首建筑物布置合理，同时还要考虑渠首上下游天然河床再造情况，进行必要的整治，使渠道工程正常工作。
2.有坝式渠首的位置选择
渠首位置选择，应按以下原则，沿河选择几个额哇I纸，拟定不同方案，进行技术经济比较，然后选其最优方案。
1） 在多泥沙河流上，有坝（拦河闸）渠首位置应选在河床稳定的地段。在弯曲河道上应选在弯道的凹岸；在顺直河段，取水口应位于主流靠近 河岸的地方。
2） 渠首位置应选在河岸坚固，高度适宜的地段，避免增加土石方开挖量。
3） 渠首所在河道段河道宽窄适宜。根据渠首建筑物的布置形式依据地形采用相应布置方式
4） 坝址地质较好。一般岩石地基最好；其次是砂卵石和坚实粘土，再其次是砂砾石及沙基，淤泥和流沙不宜作为坝址。
5） 当有支流汇入时，渠首位置宜选在支流汇入处的上游，避免渠首受到支流泥沙影响。有事为了引取更多水量，也可选在支流入口下游，但必须考虑相互影响，特别是当支流含沙量较大时。
6） 在寒冷地区修建渠首时，取水口应尽量设在向阳一侧，以减少冰冻影响。
7） 调查研究渠首建成后对原有水利工程有无不良影响，避免引起水利纠纷。
3.有坝式渠首的渠首形式
根据对泥沙的处理方式不同，有坝渠首的布置形式有沉沙槽式，人工弯道式、底栏栅式、底部冲沙廊道式、两岸引水式。
1）沉沙槽式渠首
沉砂槽式渠首按侧面引水、正面排沙的原则进行布置，由壅水坝、冲沙闸、沉沙槽、冲沙槽、导水墙及进水闸等组成。其中壅水坝布置要求上游水流进水平顺，下游出口最好和原河道方向一致。进水闸引水角取70°-75°可取得更好的放沙效果。闸底板高出沉沙槽底面1.0-2.0m以增加沉沙槽的容积。冲沙闸应与进水闸相邻，底板高程不高于多年平局枯水位且低于进水闸闸槛高程。导流墙位于冲沙闸与壅水坝连接处，长度约为引水口总宽的2-3倍，上游通常做成弧形。墙顶高出壅水坝顶0.5m为宜。沉沙槽内流速应大于推移质的启动流速一般在2-4m/s。这种渠首结构简单，施工容易，造价较低，在我国西北华北地区得到广泛应用。但在运用中发现这种渠首布置存在下述问题：
①由于进水闸与河流垂直、水流需转90°急弯进入进水闸，这样便在进水口处产生横向环流，把部分推移质泥沙带入渠道。
②当冲沙闸冲沙时，槽内推移质发生跃移运动，为防止泥沙进入渠道，必须关闭进水闸，停止取水。
③当壅水坝前淤平后，该坝便失去控制水流的作用，致使引水的不到保证。
改进措施；
①冲沙闸净宽与孔数在一定范围内尽量取大
②在沉沙槽内采用潜没分水墙、导沙坎及卷沙槽，改变水流内部结构，使得表层水进入水闸，而含底沙的水流不易接近进水闸。
2）人工弯道式渠首
这种渠首时将弯曲河段整治为有规则的人工弯道，利用弯道环流原理，在弯道末端按正面引水、侧面排沙的原则布置进水闸和冲沙闸，以引取表层请水，排走底层泥沙。该渠首由人工弯道、冲沙闸、泄洪闸以及下游排沙渠组成。弯道式引水渠首是在50年代后期，引进原苏联费尔干式引水渠首的基础上，通过对根据苏联专家直接指导所修建的费尔干式渠首在运行中所暴露的问题，改进而成，目前在新疆，甘肃等省采用较多。
a.弯道位置选取
弯道式渠首位置一般多选在出山口处或其附近。因为这里相对来说，推移质泥沙的沙源较下游为少，同时河流在出山口处，一般处于河流冲积扇的顶部，河床多属下切河段，坡陡流急，有利于排沙。
b.弯道形式技术的关键问题
人工弯道布置时尽可能利用天然河弯，经适当整治而成为引水弯道。因天然稳定的河弯的曲率半径符合该河段的自然特性，与任意布置的弯道相比，引水防沙性能较为优越。 人工弯道式渠首设计的关键问题是：洪水期能否在弯道内产生较强的横向环流，平时弯道内是否能保持输沙流速。早期修建的弯道曾因弯道过大，以致洪水期环流若，平时弯道内流速小，淤积多，影响排沙效果。经过多年研究确定人工弯道的设计流量为进水设计流量和冲沙闸流量之和，约为进水闸设计流量的2.0-2.2倍。此外，为了充分发挥弯道环流作用，还应使弯道设计流量每年在汛期出现一定的时间。根据经验，一般在水量丰富的河道上，设计流量出现时间不少于20-30天；水量较少的河流上，如引水率很大（超过70-80%），这时会出现应税和排沙的矛盾，因此弯道设计里来那个可是当放宽，以每年汛期出现2-5天为宜。一般引水弯道曲率半径应大于弯道宽度3倍。根据实际工程实践证明，在多泥沙河流上，为了增加泥沙淤泥的容量，引水弯道的长度应适当增长，其数值约为引水弯道中心线半径的（1.0-1.4）倍。
c.冲沙闸、进水闸闸底高程
正确的确定冲沙闸和进水闸的底部高程，是保证渠首正常引水，防止泥沙淤积的关键问题。一般冲沙闸底部高程应根据渠首处的河道比降和发展趋势而定。若渠首处的河床为下切时，则基岩的暴露，河床携沙能力较大。这是，冲沙闸底部高程可选与河床平均高程相同；若渠首建在河流山前区，河流经过山区后，到了山前区，河床开始扩宽，河床由下切转向淤积或冲淤平衡。这是，可适当抬高冲沙闸底高程增大排沙水头，排除渠首上下淤积的泥沙。根据工程实践对于引水率为60-70%左右的渠首，冲沙闸底板高程可抬高1.0-1.5m。一般进水闸底板高程可高出冲沙底0.7-1.5m，并且在进水闸前增建一道“Г”型栏沙坎，以怎强引水弯道的环流作用，将泥沙顺利的导向冲沙闸。
冲沙闸与进水闸的平面布置是否合理，将影响冲沙效果，若二者中心线夹角过大（早期修建的渠首选用50°-60°以上的夹角一般偏大），则在凸岸容易形成较大的范围回流区，泥沙不易排除一般这个夹角应选在36°-45°为宜，不应大于45°。
d.泄洪闸
渠首建成后，由于引水弯道的淤积，弯道底部逐渐抬高，国税能力减少，以致造成防洪紧张，有的甚至发生导流堤被冲刷的事故。近期所建的这类渠首，都在引水弯道进口处设置泄洪闸，用以泄洪和排沙，并能使河道主槽靠近取水口。泄洪闸在平面布置上，应使其中心线与人工弯道中心线成40°- 45°的夹角。
e.上、下游整治工程
过去上游整治段设计过于简单，其首端常以喇叭口形整治段与上游河道连接，无法充分发挥上游泄洪闸的泄洪排沙功能。在新疆盖孜河吾依他克水电站引水渠首模型试验中，将传统的喇叭口形整治段改成弯道，并同上游河道的主河槽相接，成为“S形弯道，泄洪闸设在“S”形弯道末端，在弯道水流作用下，泄洪闸的排沙能力大大增强，效果十分显著。
一般根据引水枢纽布置，将下游整治段布置成直线形，也可布置成曲线形。下游整治段长度，应不少于2倍下游直线稳定河槽宽度，也可适当延长一些，采用4～5倍下游整治宽度。如下游河床属于纵坡很陡的下切河段，水流挟沙能力较强且下游河岸很稳定，则整治长度可短一些。若渠首引水比很大，且河床纵坡不大，冲沙泄水闸下游河道有淤积的可能时，下游整治段长则可长一些，使推移质泥沙排到下游较远处。当枢纽天然河床比较平缓，引水比高，冲沙水较小时，下游冲沙流速较低，容易淤积。为解决这一问题，可在下游整治段内增设隔水墙束水攻沙，使下泄流量较小时也可将泥沙输送至下游较远处。
人工弯道渠首在引水防沙方面的效果是显著的，但工程量叫较大，建筑物较分散，管理不够方便。这种渠首适合在推移质较多，泥沙粒径较变化范围较大、具有天然弯道的山区河道的大、中型工程中。
3)底栏栅式渠首
在含有较多大颗粒推移质和比降较陡的山溪性河道上，为了引水防沙，取水建筑物具有特殊的型式，溢流坝为底槛式，引水廊道设在坝内，廊道顶盖有栏栅，当河水丛坝顶溢流时，一部分或全部水流经过栏栅流入廊道，然后由揽到的一端流入渠道。河流中的推移质，除细颗粒泥沙随水流进入廊道外，砾石和卵石则由栏栅顶滑到坝的下游，而进入廊道的细沙则经设在干渠的冲沙道泄到河道的下游。
a渠首位置
这种渠首的位置一般选在峪口以上，河道顺直，河面窄浅、水流集中及地址条件良好的河段。如果遇到弯曲河段，渠首位置应设置在弯段下端8-12倍廊道长度的地方。
b.渠首栏栅的布置形式
因河流水文、泥沙及河道地形的不同而有所差异。一般栏栅的轴线与水流正交，使水流平顺而均匀的流入。泄洪闸位于栏栅坝靠河心得一侧，以便宣泄洪水，保持主槽位置不变，并有利于排沙。当河道洪水流量较大，需要另建溢流堰泄洪时，溢流堰与底栏栅坝不一定布置在同一条轴线上，可以根据具体情况，做是当的调整。
一般底栏栅坝顶比枯水河床高1.5米。坝内布置矩形无压廊道1-2排，视取水流量的大小而定。每个廊道宽1.5-2.0米，廊道内部可以用砌石或高强混泥土镶护，以抵抗砂砾的磨损。为了保证廊道内水流为无压流状态，栏栅底距水面至少预留0.3米超高。廊道内的水流为变流量，从廊道开始到末端是逐渐变化的，水流流态比较复杂。廊道的底部纵坡由逐渐变缓。为了便于施工，可将纵坡简化为2.4段折断线。廊道内的流速不应小于4.0m3/s，以防止淤沙。
c.栏栅的栅条形式
在廊道顶安防的栅条有圆钢、矩形钢及梯形钢三种。其中圆钢纵横向刚度较差，弯曲变形就、大。易于卡石，现在已很少采用‘矩形钢横向刚度亦差，易卡石，且不易清除，梯形钢刚性较好，防沙效果好，不易卡石。栅条的栅隙一般为1-1.5厘米，栏栅坡度为0.1-0.2。
这种渠首具有布置容易、结构简单、施工方便、造价低廉及便于管理能有效阻止大颗粒推移质等优点，他们的缺点是比栏隙小的泥沙依然会进入渠道，栏栅空隙易被推移质或漂浮物堵塞，经常需要清理。由于冬季流量小，水深浅，栏栅易为冰花堵塞或结冰。目前底栏栅式渠首的引水流量躲在6-10m3/s,最大流量达到30m3/s .这种渠首在我国新疆、甘肃及陕西等省建筑的最多。
4）底部冲沙廊道式渠首
由于河道中表层水较清澈而底层含沙较多，故可利用这个自然规律使底层水流从冲沙廊道排走，而将表层较清的水流引入河道。渠首上、下游整治河道采用直线形式，正面冲沙、正面引水至两侧。底层含泥沙量大的水流经冲沙闸或底孔泄至下游河道，表层含泥沙量少的水流则被割取由悬板或经竖井廊道引入进水闸。现今已建的分层式引水渠首有两种，一是悬板分层式，以为竖井（跌井）分层式。其主要原理都是利用河道水流所含泥沙在垂直断面上的分布规律，用工程措施把水流分成上、下两部风，上层含泥沙少的经由悬板或经竖井廊道被引入渠道。需要河道有足够的水量和水头，适用在水量充沛、枢纽上下游水位差较大的河道上。
由于底部冲沙廊道式渠首存在结构复杂，廊道磨损严重，检修困难，需河流流量较大等问题。目前应用不广。
5).两岸引水式
当两岸均有用水要求时，应考虑两岸引水式渠首布置形式。更具我国工程实践，两岸引水式渠首，有以下三种布置：
①在坝体两端分别建造沉沙操式渠首，以满足两岸引水要求。实践证明这种渠首常有一岸引水口被淤泥堵死。为此，通常采用在一岸集中引水，然后用坝体内输水管道向对岸输水的方式，虽然结构复杂，但运用情况良好，不仅有利于水量调配，且便于管理。
②在渠首采用拦河闸代替拦河坝，基本上不改变渠首附近上下游自然形态。这样，既可壅水沉沙，又能、开闸泄洪，排除上游淤积的泥沙，使河床处于稳定状态，保证两岸引水口的良好条件，但工程费用较高管理不便。
③在比较特殊情况下选取底栏栅式渠首，在底栏栅式渠首的坝体内修建双向廊道双向输水。
结论：渠首的布置形式有很多种类，对于不同的水文、气象，泥沙粒径、地形地质条件和引水要求等特点，对于不同条件的河道采用不同形式的渠首可获得更加良好的效果。为保证生态和经济效益同时发展。引水渠首设计布置应尽可能减少对天然河床的影响，在引水防沙设计的同时，要重视河床演变研究。尽量保持天然河道特性，限制引水比，并考虑对下游生态的影响，不应使河型、河流输沙能力发生较大变化。当引水比较高时，可采用排沙漏斗、冲砂廊道、沉沙池等多级泥沙处理的措施与办法。在有合适地形条件的情况下，上游整治段平面布置尽可能为曲线形，使整治段内产生环流、增强输沙能力，并同上游河道的主河槽相接，形成“Ｓ”形弯道，使渠首获得最大的防沙效果。在做渠首设计时因根据各种因素综合考虑，对各种条件进行研究，拟定不同的布置方案进行经济和实用效果对比，确定最终实施方案。

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