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桥渡设计20:都江堰水利工程的工作原理

发布于:2024-06-27 10:44:27 来自:道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]
 

中国历史上最激动人心的工程不是长城,而是都江堰 

——余秋雨

都江堰水利工程位于成都西北的都江堰市,坐落于岷江之畔,背靠青藏高原,面朝成都平原,处在岷江出山口处(图1)。都江堰上游属于典型的山区河流,岷江流经川西高原的山地,地形陡峭,河床坡度较大,水流湍急,挟带泥沙多,流量变化剧烈。都江堰下游属于山前河流,地形相对平缓而开阔,河床坡度减小,洪水极易泛滥成灾,常常导致“蜀人几为鱼”的水涝生存状态。

图1   都江堰地理位置

公元前256年,李冰父子巧妙地利用了大自然先天地形条件及水流泥沙的运动规律,开创性地建造了都江堰水利工程,一直运行至今,使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。世界遗产委员会评价:都江堰水利工程是全世界至今为止,年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。其主体工程主要由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三个功能区构成(图2),其工作原理和特点可总结为:自适应分洪、自平衡排沙、自稳定引流、自坚强抗冲。

图2   都江堰水利工程示意

1 自适应分洪

鱼嘴是在宝瓶口上游岷江江心修筑的分水堰,因为堰的顶部形如鱼嘴而得名。鱼嘴将岷江一分为二(图3),内江引流进入成都平原用于灌溉,外江排泄多余的水流和泥沙。

图3   鱼嘴分流示意

鱼嘴的位置处在水流中泓线(最大流速处)左右偏转的临界点附近,再加上内江河床低且河道窄(图4),形成了“大水走直(外江),小水走弯(内江)”的特性,根据上游洪水流量大小自适应地进行“四六分水”。在枯水期,外江和内江的分水比例分别为总水量的40%和60%,保证内江灌溉用水,而在丰水期,分水比例为外江60%,内江40%,减小汛期洪水影响。

洪水期由于宝瓶口较窄,流量受限,宝瓶口前方会雍高水位,内江水流类似于宽顶堰淹没式出流形态,下游雍水会影响上游内江中洪水的自由流动,从而导致内江流速慢,流量小,相反外江水流更接近于自由式出流形态,流速大,水流更顺畅,这是导致丰水期分水比例与枯水期相反的原因(图5)。1974年建成的外江电动节制闸,使分洪调水更加自如。

图4   鱼嘴处河流横断面

图5   鱼嘴“四六分水”示意

2 自平衡排沙

对于大洪水,由于鱼嘴的分洪作用,约60%的水流和泥沙排入了外江。此外,泥沙沿水深的分布是不均匀的,上层水流中悬移质含量少,且颗粒小,而下层水流中悬移质和推移质含量多,且颗粒更大,鱼嘴处于弯曲河道处,受惯性影响,上层水流更多地流向内江,下层水流更多地流向了外江,这将导致更多的泥沙排入了外江,从而在更大程度上实现二八分沙的效果(80%泥沙排到外江)。

内江水流到达宝瓶口时流速减小,挟沙能力降低,泥沙易淤积。整个内江是个外凸内凹的河道,水流中存在弯道螺旋流(图6),弯道螺旋流会将内江河底淤积的泥沙带到凸岸侧较低的飞沙堰上,进一步冲到外江,从而实现了“正面走水,侧面走沙”。

 此外,每年枯水季岁修要进行“深掏滩”,清理河滩上的泥沙到指定深度,避免淤积。

图6   弯道螺旋流示意图

3 自稳定引流

宝瓶口为内江进入成都平原的咽喉,入口狭窄,洪水期间宝瓶口前形成雍水,水位上升,而飞沙堰较低,高约2米,当水位较高时,过量的水流漫溢飞沙堰(图7)堰顶流入外江,从而实现宝瓶口稳定引流。“低作堰”就是降低飞沙堰的高度,更利于泄洪,避免过多的洪水进入宝瓶口。

枯水季时,鱼嘴的分流作用使更多水流入内江,保障宝瓶口的来流水源。此外,每年“深掏滩”避免宝瓶口附近的淤积,使宝瓶口引流更顺畅。

图7   飞沙堰航拍

4 自坚强抗冲

汹涌的岷江从高山峡谷间奔腾而下,水流湍急,工程自身的坚固程度,特别是鱼嘴的抗冲能力,是都江堰运行2200余年的重要保障,历朝历代倍受重视。鱼嘴工程早期采用土石堆积、竹笼、杩槎(图8)及羊圈等,后改为条石圬工砌及铸铁治堰,近代采用混凝土或钢筋混凝土工程技术等,时毁时修,不断优化和提升工程的抗冲能力,以求永固。此外,为保护鱼嘴,还采用了防冲的主动和被动防护措施,主动防护措施包括鱼嘴采用流线形,使分流更顺畅,并曾在上游设置交错排列的木桩滉柱区,扰乱鱼嘴正面来流,减缓局部洪水流速,被动防护措施包括在鱼嘴周边用竹笼、羊圈砌“副鱼嘴” , 防止激流冲刷淘底,提高抗冲刷能力。2008年5.12汶川八级特大地震灾害中都江堰主体工程处之泰然,少量裂缝维修后完好运行至今。

图8   古法杩槎

强化实践教学是面向新工科、新土木的课程改革和建设的重要方向之一,都江堰水利工程完美诠释了河道水流及泥沙运动规律,认识和理解都江堰水利工程的工作原理对《桥渡设计》课程的学习有积极的促进作用,在教学过程中组织学生到都江堰工程进行现场教学和参观(图9),将深化学生对课堂知识的记忆,提高学生运用所学知识分析现实问题的能力,实现理论学习与工程实践的结合。

都江堰不仅是泽润四方、造福千秋、永世不朽的水利工程,更是中华文明弥足珍贵的精神财富,是世界文化宝贵的“活”态遗产,有助于提升学生们的历史自豪感和民族自信心。

图9   都江堰水利工程现场教学

本文参考了诸多相关文献资料,部分图片及视频来自网络,特此致谢,恕不一一列出。


全部回复(2 )

只看楼主 我来说两句抢地板
  • 内德维德
    内德维德 沙发

    不错的资料,谢谢分享。。。

    2024-06-28 09:16:28

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    赞同0
  • zhmxuf
    zhmxuf 板凳

    说的好~~~~~~~~~~~~~~~~

    2024-06-27 13:10:27

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    赞同0

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