王秀芬

（黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

我國三北地區(qū)占國土面積42．4%，分布的灌溉渠首工程約三萬多座。以商品糧輸出大省黑龍江省為例，該省地域廣闊，農(nóng)用地面積占全省土地面積的83．5%［1］，灌溉渠首工程分布面廣，數(shù)量大，是農(nóng)田水利灌溉的基礎(chǔ)性工程。這類工程大多分布在平原河道上，所在河流多為窄河槽、寬漫灘形式，工程特點(diǎn)是壩矮、水頭低，洪水時(shí)主槽和灘地共同泄洪，其結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)方法有別于完全攔河閘壩工程，具有自身獨(dú)有的特點(diǎn)。

攔河渠首工程中水閘的過水寬度是影響工程泄洪、排砂、排冰、河道穩(wěn)定等功能的最主要因素，在閘壩結(jié)合的渠首工程設(shè)計(jì)工作中，選擇合理的壩閘寬比是優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工省效宏的關(guān)鍵。由于有關(guān)專業(yè)書中對(duì)此類問題少有論述和研究，目前尚未有統(tǒng)一合理的壩閘寬比選擇方法，設(shè)計(jì)者選擇壩閘寬比時(shí)常會(huì)感到無所適從，明晰平原河道灌溉渠首壩閘寬比選擇理論和方法是迫切需要進(jìn)行深入研究的課題。

1 典型渠首工程確定和特性分析

1．1 典型渠首工程確定

為了使研究結(jié)果具有廣泛的適用性，在對(duì)黑龍江省平原河道上大量的渠首工程進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析選擇出六個(gè)典型渠首攔河工程作為研究對(duì)象。這些渠首工程的攔河壩壩高在1．25～2．70m之間，調(diào)查的渠首工程中有76%攔河壩壩高在此范圍之內(nèi)。這六座渠首工程分別在呼蘭河、螞蟻河、穆棱河三個(gè)流域，所在河段具有不同的灘槽比、寬深比、壩高和控制流域面積。工程地質(zhì)和水文資料齊全，方便進(jìn)行研究分析。各項(xiàng)工程特性數(shù)據(jù)見表1。

表1中A為壩閘寬比，即壩的過水寬度BB與閘的過水寬度BZ的比值，表達(dá)式為

1．2 河槽寬深比

河槽寬深比為河槽平均寬度B與河槽平均深度H的比值，反映了渠首所在河槽斷面形態(tài)的最基本特征。假設(shè)河槽為矩形斷面，河深按河槽實(shí)際過水?dāng)嗝婷娣e除以平均河寬確定，得出所選典型攔河工程河槽寬深比從16到57依次不等，見圖1所示。

1．3 河槽及灘地過流特性

平原河流一般具有主槽窄，灘地平坦寬闊的特點(diǎn)。渠首工程多建在這種窄河槽上，水頭低且不完全攔河。六座典型渠首工程河槽和灘地的過流特性如圖2、圖3。

表1 典型工程基本特性表

圖1 河槽寬深比

圖2 河槽流量與水深關(guān)系曲線

圖3 灘地流量與水深關(guān)系曲線

從過流特性關(guān)系曲線分析平原河道非完全攔河渠首工程所在河流可以分為三類：第一類可稱其為“寬漫灘”河道，灘地水深增加時(shí)，河道泄量增加很快（如東海）；第二類可稱其為“窄漫灘”河道，當(dāng)灘地水深增加時(shí)，灘地泄量增加緩慢（如雞冠山）；不屬于一、二類的河道較多，故可稱其為“中漫灘”河道。

1．4 壩閘寬比與阻水面積比

將攔河工程擋水面積（壩擋水面積＋閘中墩擋水面積＋閘邊墩擋水面積）與原河道平灘水位以下河槽過水面積的比值，定義為阻水面積比，用“η”表示。阻水面積比η在渠首設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的參數(shù)，采用不同的阻水面積比，可以在攔河工程上游產(chǎn)生不同的壅水高度和不同的上下游水位差［2－5］。研究結(jié)果表明，在天然河道上修建攔河渠首工程，可以通過選擇不同的壩閘寬比來取得不同的阻水面積比。

根據(jù)阻水面積比的定義，平槽流量時(shí)阻水面積比η有下式：

還可表示為

式中：η為阻水面積比；H為平均河深，m；B為平均河寬，m；n為閘孔數(shù)；BD為閘中墩厚度，m；Bq為閘邊墩厚度，m；BB為垂直水流向壩寬（或壩長），m；hB為壩高，m。

六座渠首攔河工程壩閘寬比A不同時(shí)的阻水面積比η列入表2。

為便于分析，繪出阻水面積比η隨壩閘寬比A變化曲線，見圖4。

表2 壩閘寬比與阻水面積比關(guān)系表

圖4 A與η關(guān)系曲線

表2數(shù)據(jù)、圖4曲線表明：①渠首攔河工程的阻水面積比η隨著壩閘寬比A的加大而加大。各典型工程全閘方案的阻水面積占平灘水位以下面積的8．37%～17．28%，當(dāng)壩閘寬比由1到5變化時(shí)對(duì)應(yīng)阻水面積比相應(yīng)跟隨變化為35．41%～81．77%，而在全壩方案時(shí)，阻水面積η為61．82%～96．15%，數(shù)值變化十分明顯。②渠首攔河工程的阻水面積比η隨著hB／H值的減小而減小。北關(guān)渠首壩高與河深的比值為62%，東三渠首對(duì)應(yīng)值為96%，在壩閘結(jié)合方案壩閘寬比1～5變化時(shí)，北關(guān)渠首阻水面積比為35．41%～52．64%，而東三工程為54．70%～81．77%，前組數(shù)據(jù)明顯小于后組數(shù)據(jù)。③壩高與河深比值越小，壩閘寬比增加引起阻水面積增加速率越緩慢。分析上述兩組數(shù)據(jù)可以看出，前組數(shù)據(jù)差值范圍17．23%，后組數(shù)據(jù)差值范圍27．07%。前組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線表現(xiàn)相對(duì)平緩。

攔河工程采用閘壩結(jié)合方案時(shí)，由于閘的中墩和邊墩所遮擋的過流斷面占河槽過水?dāng)嗝娴谋壤苄?，因此在定性分析時(shí)，式（3）前兩項(xiàng)可以忽略不計(jì)，即阻水面積比η是壩高與河深比值和壩長與河寬比值的乘積。

由式（5）可以看出：①阻水面積比η必小于1。因?yàn)檫^流時(shí)壩高h(yuǎn)B是小于河深H 的，則式（5）乘積表達(dá)式因子均小于1。②在壩高與河深比值一定的情況下，阻水面積比η與壩閘寬比A存在著函數(shù)關(guān)系。③從式（5）后因子還可以看出，當(dāng)壩閘寬比A數(shù)值較大時(shí)，壩閘寬比A的變化對(duì)阻水面積比η影響很小。④從式（5）前因子還可以看出，阻水面積比η與壩高h(yuǎn)B成正比關(guān)系，與河深H成反比關(guān)系。

2 成果與分析

2．1 壩閘寬比與上下游水位差的關(guān)系

上下游水位差直接影響著渠首工程的上游淹沒、切灘改道、過閘壩單寬流量和工程造價(jià)。下面分析同一工程選擇不同壩閘寬比將對(duì)上下游水位差產(chǎn)生的影響。

為使對(duì)比數(shù)據(jù)特征明顯，選擇灘槽流量比較小的王楊渠首和灘槽流量比較大的東海渠首進(jìn)行分析。在高水位時(shí)，平原河道上大多數(shù)渠首工程的灘地參加泄洪，因此在研究渠首工程上下游水位差的變化規(guī)律時(shí)，首先需要分析壩、閘、灘行洪能力以及灘槽流量之間的關(guān)系。選擇不同壩閘寬比可以得出這兩個(gè)渠首工程對(duì)應(yīng)的校核水位（P＝2%）和平槽水位時(shí)的灘地流量、河槽流量，灘槽分流比以及上下游水位差關(guān)系數(shù)據(jù)，詳見表3。

表3 河槽、灘地分流成果表

表3中“Q槽”為河槽過流量，是指壩的過流量和閘的過流量總和。數(shù)據(jù)表明，灘地流量與總流量比較大的東海渠首壩閘寬比A如果從5降低為1，在P＝2%時(shí)灘地泄量從82%變?yōu)?0%，灘地泄量只減少2%，上下游水位差減小0．07m。對(duì)應(yīng)在平槽流量時(shí)，灘地泄量從57%變?yōu)?5%，灘地泄量減小12%，上下游水位差減小0．09m；灘地流量與總流量比較小的王楊渠首，當(dāng)壩閘寬比A從5降低為1，在P＝2%時(shí)灘地泄量從46%變?yōu)?0%，灘地泄量只減少6%，上下游水位差減小0．18m。對(duì)應(yīng)平槽流量時(shí)，灘地泄量從31%變?yōu)?4%，灘地泄量減小17%，上下游水位差減小0．46m。數(shù)據(jù)表明，減小壩閘寬比A可以減小上下游水位差，但是在平原河道上灘地流量與總流量比大的情況，減小壩閘寬比對(duì)減小上下游水位差的作用不大。

表4列出了六座典型渠首工程在P＝2%和平槽流量情況下，不同的壩閘寬比A對(duì)應(yīng)的上下游水位差△Z變化范圍。

表4 壩閘寬比與上下游水位差關(guān)系表 m

由表4可知，壩閘寬比A加大后，上下游水位差△Z向增大方向變化，變化的程度受渠首工程所在河道灘槽流量比的影響，灘槽流量比大時(shí)，擋水建筑物的阻水作用（△Z）變化量小，降低壩閘寬比A對(duì)降低△Z的作用變小。在平槽流量時(shí)，擋水建筑物的阻水作用普遍增大，隨著A的減小，能顯著地降低△Z，但在灘槽比很大時(shí)，這種影響減小。

2．2 壩閘寬比對(duì)過閘流速的影響

六個(gè)典型工程在不同的壩閘寬比情況過閘平均流速值見表5。

表5 壩閘寬比與過閘平均流速關(guān)系表

由表5可以看出，過閘平均流速隨著壩閘寬比的加大而加大，選擇較大的壩閘寬比對(duì)沖砂有利，但加大了下游消能防沖負(fù)擔(dān)，需要工程設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)河道泥砂情況及下游河道防沖要求綜合考慮。在洪水（P＝2%）情況下，壩閘寬比由0（對(duì)應(yīng)全閘方案）變?yōu)?時(shí)，過閘流速數(shù)值加大緩慢；而在平槽情況，壩閘寬比由0變?yōu)?時(shí)，各典型工程過閘流速增加25%～70%，可見平槽流量時(shí)，不同壩閘寬比對(duì)應(yīng)的過閘流速變化較大。

2．3 壩閘寬比對(duì)攔河閘消能效果的影響

一般來講，影響消力池水力條件的因素主要有上下游水位差、過閘單寬流量、下游尾水深度、閘門開啟程度，以及開啟速率等。為了便于分析規(guī)律，選取灘槽流量比較大的東海渠首和較小的王楊渠首作為研究對(duì)象，也就是選取了平槽情況時(shí)上下游水位差較小和較大的兩個(gè)渠首工程進(jìn)行壩閘寬比對(duì)攔河閘消能效果影響的典型工程。

壩閘寬比從1到5變化時(shí)，兩個(gè)典型工程消能防沖所需要的消力池和海漫最小長度也隨之變化，表6列出了相關(guān)數(shù)據(jù)。

比較這些數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)選擇不同的壩閘寬比時(shí)，兩個(gè)工程的消力池長度均變化不大；而兩個(gè)工程的海漫長度隨著壩閘寬比的增加而較明顯增加，而且上下游水位差較大的王楊渠首增加速率大于東海渠首，見圖5。

表6 壩閘寬比與攔河閘消能防沖效果關(guān)系表 m

圖5 A與海漫長度關(guān)系圖

2．4 壩閘寬比對(duì)工程造價(jià)的影響

根據(jù)壩、閘分別占居的河道寬度，渠首攔河工程可以分成全壩、閘壩結(jié)合和全閘攔河工程方案。全壩方案工程造價(jià)最低，河道流量控制能力最差；全閘方案工程造價(jià)最高，河道流量控制能力最強(qiáng)。為便于工程設(shè)計(jì)者能夠方便地選擇出既滿足工程水力控制要求，又使工程造價(jià)符合投資控制要求，本節(jié)討論壩、閘分別占居河道不同寬度對(duì)工程造價(jià)的影響。

研究方法采用抽樣調(diào)查已建成和設(shè)計(jì)完成的部分渠首工程，統(tǒng)計(jì)分析出各工程壩單寬平均造價(jià)、閘單寬平均造價(jià)和兩者數(shù)值關(guān)系。為剔除物價(jià)上漲因素的影響，統(tǒng)計(jì)分析樣本采用物價(jià)相對(duì)平穩(wěn)的1998—2003年6a間設(shè)計(jì)和建設(shè)的鐵力市王揚(yáng)、北關(guān)渠首，尚志市東二干、東三干渠首，方正縣永建渠首，木蘭縣尖山子渠首，綏棱縣上集渠首等10座平原河道上的渠首工程。

設(shè)工程造價(jià)綜合增長系數(shù)為a，得出了10座工程的壩、閘單位長度造價(jià)繪成圖6。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得到10座工程的攔河壩、閘單位長度平均造價(jià)分別約為4a萬元／m、12a萬元／m，壩、閘平均造價(jià)比約為1：3，當(dāng)壩閘寬比為3時(shí)，壩與閘造價(jià)接近相等。

設(shè)IBa為壩單寬造價(jià)，擋水建筑物為壩閘結(jié)合方案時(shí)總造價(jià)IBz為：

圖6 壩、閘單寬造價(jià)比較圖

擋水建筑物由壩閘結(jié)合方案轉(zhuǎn)換為全壩方案時(shí)總造價(jià)IQB為：

壩閘結(jié)合方案造價(jià)與全壩方案造價(jià)的比值RI可表示為：

將式（1）、（6）、（7）代入式（8）得：

由式（9）可以定性地分析出壩閘寬比A對(duì)工程造價(jià)的影響：①壩閘結(jié)合方案造價(jià)與全壩方案造價(jià)的比值RI一定大于1，其含義是壩閘結(jié)合方案造價(jià)一定高于全壩方案。②全閘方案時(shí)，即當(dāng)壩閘寬比A為0時(shí)，工程造價(jià)是全壩方案的3倍。③壩閘寬比越大，式（9）愈趨近于1，工程含義是工程造價(jià)越接近于全壩方案。壩、閘相對(duì)造價(jià)比值與壩閘寬比關(guān)系曲線見圖7。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于平原河道非完全攔河渠首工程，所在河道可以分為“寬漫灘、窄漫灘、中漫灘”三類。

圖7 壩閘寬比與相對(duì)造價(jià)比關(guān)系圖

（2）對(duì)于一個(gè)確定的攔河工程，平槽情況下阻水面積比η與壩閘寬比A存在著函數(shù)關(guān)系。一般來講，全閘方案的阻水面積占平灘水位以下面積的10%左右，全壩方案時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為80%左右，數(shù)值相差懸殊。

（3）洪水期，對(duì)于灘地泄量占總泄量70%～80%以上的河道，壩閘寬比的變化，對(duì)上游水位壅高作用不大，在灘地泄量與總泄量比值較小和平槽水位情況下，壩閘寬比的變化，對(duì)上下游水位差影響較大。

（4）本文提出的不同壩閘寬比攔河工程壩、閘單寬造價(jià)估算公式，可為渠首工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性論證提供了簡便的計(jì)算方法。

［1］丁林．黑龍江省水資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究［M］．北京：中國計(jì)量出版社，2011．

［2］張光斗，王光綸．水工建筑物（上冊(cè)）［M］．北京：水利電力出版社，1992．

［3］徐春林，鄭國棟，黃東，等．橋梁工程阻水比與河道水位關(guān)系初探［J］．中國農(nóng)村水利水電，2011（4）：45－49．

［4］清華大學(xué)水力學(xué)教研室．水力學(xué)（修訂版）下冊(cè)［M］．北京：人民教育出版社，1981．

［5］宋祖詔，許杏陶，張思俊．渠首工程（第二版）［M］．北京：水利電力出版社，1989．