塔爾郎渠首水工模型試驗研究

戚印鑫，耿凡坤

(新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

塔爾郎渠首水工模型試驗研究

戚印鑫，耿凡坤

(新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

渠首各建筑物位置設(shè)計時，要綜合考慮泄洪、排沙、引水三者之間的制約關(guān)系。在滿足引水條件下，盡量避免泥沙進(jìn)入引水渠道；防止閘前、后出現(xiàn)沖淤現(xiàn)象。解決好上述問題的關(guān)鍵，是合理確定各建筑物的高程及相互之間的平面位置。為了驗證塔爾郎渠首工程各建筑物的相對位置是否滿足設(shè)計要求，進(jìn)行了模型試驗。成果表明：渠首引水閘底板高程偏低，閘室進(jìn)沙量較大；渠首泄洪排沙閘在校核流量下，閘墩及閘門頂高程偏低；泄洪槽末端出口處的沖坑深度大于設(shè)計值。因此，對引水閘進(jìn)口底板及平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。經(jīng)兩次優(yōu)化后，渠首工程引水防沙滿足設(shè)計要求。為了減少泄洪排沙閘及泄洪槽的淤積，提升引水質(zhì)量，提出了各種工況下的閘前壅水運行調(diào)度方案。

渠首；模型試驗；泄洪沖沙；閘底板高程；運行調(diào)度

塔爾朗渠首位于吐魯番市境內(nèi)，該渠首是塔爾朗河流域唯一的地表水引水樞紐。該工程始建于20世紀(jì)70年代，初建為底欄柵式攔河引水樞紐，由泄洪沖沙閘、底欄柵堰及上、下游導(dǎo)流堤組成，為三等中型工程。山口以上河長50 km，集水面積467 km2，水文站以上控制面積為548 km2，河長為53.5 km，多年平均年徑流量0.7429×108m3[1-2]。

塔爾朗引水渠首校核洪峰(P=2%)流量為410 m3/s，設(shè)計洪峰(P=5%)流量為282 m3/s。

塔爾朗河屬天山南坡山溪性河流，洪水成因多為暴雨所致，且多以局地性暴雨引發(fā)洪水為主。洪水具有突發(fā)性，短歷時，陡漲陡落，破壞性極大的特點。

改建后的塔爾郎渠首，為全攔河閘型式。主要由引水閘、泄洪沖沙閘、泄洪沖沙槽等組成。其中：泄洪沖沙閘三孔，單孔凈寬7 m，閘底板高程為1 156.00 m，閘墩頂高程1 161.25 m(墩高為5.25 m)；單孔引水閘、凈寬3 m，底板高程為1 157.00 m，閘墩高4.25 m。進(jìn)水閘與泄洪沖沙閘夾角32°。

塔爾郎河為多泥沙河流，懸移質(zhì)多年平均輸沙量5.96萬t，推移質(zhì)輸沙量1.45萬t。塔爾郎渠首引水比達(dá)到80%以上，河道縱坡陡、洪水期含沙量大，沖沙水量少。

合理確定渠首平面布置及各閘室底板高程是渠首運行成功的關(guān)鍵[3-4]。因此，對渠首進(jìn)行水工模型試驗，確定建筑物參數(shù)，提出合理運行調(diào)度方案。

1 模型設(shè)計制作

根據(jù)試驗任務(wù)書的內(nèi)容和要求，本次模型選用1∶30比尺。

流量比尺：LQ=Lr2.5=302.5=4929.503；

流速比尺：Lv=Lr0.5=300.5=5.477；

時間比尺：Lt=Lr0.5=300.5=5.477；

糙率比尺：Ln=Lr1/6=301/6=1.763；

泥沙比重比尺：LG=Lr=1(使用天然沙)；

泥沙粒徑比尺：LG=Lr1=301=30.00；

長(高)度比尺：LG=Lr1=301=30.00；

體積比尺：LV=Lr3=303=27000.00；

輸沙率比尺：LW=Lr2.5=302.5=

4929.503[5-6]；

整體模型(含引水渠)主體占地面積：長×寬=15.13 m×6.78 m=102.6 m2。

塔爾郎渠首模型試驗平面布置見圖1。

圖1 塔爾郎渠首原設(shè)計模型平面布置圖

2 原設(shè)計方案試驗

2.1 試驗成果及分析

通過試驗，驗證在特征洪水工況下(按設(shè)計方案確定的引水、泄洪、排沙、消能等運行情況)，泄洪沖沙閘的沖沙效果、泄槽內(nèi)水流條件及排沙效果，建筑物各部位尺寸能否滿足擋水要求。根據(jù)模型比尺及試驗任務(wù)，確定試驗工況見表1。

表1 塔爾郎渠首運行工況及歷時

說明：設(shè)計洪水(5%)和校核洪水(2%)工況下，引水閘全部關(guān)閉。

按表1運行工況進(jìn)行試驗，為確保引水流量，在P≥10%洪水工況下，泄洪沖沙閘采用閘孔控制出流方式，在P≤5%洪水工況下引水閘關(guān)閉。

上游沖刷主要表現(xiàn)在洪水對閘前鋪蓋及擋沙坎的齒墻沖淘破壞。在洪水頻率P≥20%的條件下運行時，閘前均有淤積覆蓋；在洪水頻率P=10%的條件下運行時，閘前鋪蓋及擋沙坎運行正常；在洪水頻率P=5%～2%的條件下運行時，閘前鋪蓋及擋沙坎的齒墻部分區(qū)域沖淘嚴(yán)重。

下游沖刷在洪水頻率P=2%的條件下運行時，泄洪沖沙槽末尾0+160斷面處最大沖坑深度7.81 m，大于設(shè)計的齒墻埋深5.50 m。

上游淤積主要是洪水對泄洪沖沙閘閘前及引水閘進(jìn)口底板產(chǎn)生的淤積。成果表明，在P≥20%的洪水工況下，泄洪沖沙閘閘前及引水進(jìn)口底板開始產(chǎn)生淤積。隨著來水不斷減小，相應(yīng)引水比增大。此時，通過引水閘的泥沙不斷增大；在P=80%時，最大過沙量達(dá)16.65 m3/h。在P≤10%的洪水工況下，閘前鋪蓋及擋沙坎運行正常；隨著洪量的增加，閘前沖刷逐漸加重。

流速在泄洪閘都開啟的情況下，泄槽內(nèi)流速(0-025斷面—0+160斷面)由4.23 m/s逐漸增加到10.46 m/s；槽內(nèi)整體流速沒有大的波動，其分布規(guī)律為：左右兩側(cè)沿程流速、流態(tài)基本相同，中間沿程流速大于邊緣沿程流速，屬于正態(tài)分布。

建筑物設(shè)計高程在校核洪水(P=2%)的工況下，泄洪沖沙閘三孔全開(閘前水位達(dá)1 161.40 m，高出墩頂0.15 m)，此時洪水漫頂；上游導(dǎo)流堤也有過水現(xiàn)象；泄槽內(nèi)邊墻最大超高為2.25 m，最小超高為0.66 m，邊墻高程滿足設(shè)計要求。

2.2 設(shè)計方案存在的問題

成果表明在校核洪水(P=2%)的工況下，建筑物設(shè)計高程不能滿足工程安全要求。主要表現(xiàn)在，泄洪沖沙閘墩頂和導(dǎo)流堤頂高程偏低；泄洪槽末端齒墻埋設(shè)深度不夠等問題。在P≥20%的洪水條件下運行時，引水閘開始有泥沙進(jìn)入，并且洪水越小，引水閘過沙量越大。

3 首次優(yōu)化設(shè)計試驗研究

3.1 進(jìn)水閘結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

針對以上問題，在試驗中對原設(shè)計方案進(jìn)行以下修改：① 引水閘進(jìn)水口原設(shè)計為雙側(cè)擴(kuò)散喇叭口，改為下游單側(cè)擴(kuò)散喇叭口(即：將原設(shè)計上游側(cè)擴(kuò)散導(dǎo)流墻，改成與進(jìn)水閘中線平行的直線型導(dǎo)流墻)；② 抬高引水閘底板高程；③ 對泄洪沖沙閘采用不同的調(diào)度運行方式[7]。

根據(jù)以上原則，將引水閘上游左側(cè)的導(dǎo)流墻進(jìn)行了改造；并將引水閘底板高程抬高了1.5 m(其高程為：1 158.50 m)，比泄洪沖沙閘底板高2.5 m[8]；為保證閘后水流平順，進(jìn)水閘后扭面長度由10 m增加到15 m。進(jìn)水閘優(yōu)化布置圖見圖2。

圖2 進(jìn)水閘首次優(yōu)化布置圖

3.2 試驗成果分析

3.2.1 流速及流態(tài)

在P≤20%特征洪水工況下，泄洪沖沙閘閘前0-010斷面，左岸流速大于右岸流速，左岸最高流速為7.16 m/s；在P≥30%時，左岸流速小于右岸流速；因此，在大洪水時，泄洪沖沙閘前左岸主要為沖刷區(qū)。在P≤30%時泄槽末端0+160斷面左側(cè)流速小于右側(cè)流速，右側(cè)最高流速為11.31 m/s；在P≥50%時，左側(cè)流速大于右側(cè)流速。

在泄洪閘門全部開啟情況下，泄槽內(nèi)無局部漩流，水流順暢無淤積產(chǎn)生，符合泄槽流態(tài)分布的一般規(guī)律。在閘門局部開啟情況下，泄槽內(nèi)沿程均有折沖水流現(xiàn)象發(fā)生，洪水越大表現(xiàn)出來的折沖水流越明顯。

3.2.2 上游淤積及引水閘過沙情況

在P≥50%洪水運行工況下，泄洪沖沙閘閘前底板及引水閘進(jìn)口底板未產(chǎn)生淤積；閘前鋪蓋運行正常。

在P=30%洪水運行工況下，泄洪沖沙閘閘前底板未產(chǎn)生淤積；引水閘進(jìn)口底板開始有淤積產(chǎn)生，引水渠內(nèi)有部分泥沙進(jìn)入，其輸沙率為0.27 m3/h。

在P=10%洪水運行工況下，引水渠輸沙率最大，其值為1.079 m3/h。

3.2.3 泄槽末端沖刷及建筑物高程

在P=2%洪水運行工況下，泄洪沖沙槽下游0+160斷面處的最大沖坑深度為8.01 m，該處設(shè)計的齒墻埋深為5.50 m，齒墻底設(shè)計高程為1 145.38 m。

在P=2%洪水運行工況下，泄洪沖沙閘閘墩最大波浪爬高達(dá)0.75 m，發(fā)生在右中墩，其高程為1 162.00 m。

3.2.4 綜合小結(jié)

通過第一次試驗優(yōu)化，進(jìn)水閘前泥沙淤積明顯減少。在P=30%洪水運行工況下，進(jìn)水閘前才發(fā)生淤積現(xiàn)象，有部分泥沙進(jìn)入引水渠。由于運行調(diào)度方式不同，泄洪槽內(nèi)流速不均勻，發(fā)生較大的折沖水流。泄槽末端齒墻埋深不夠，沖沙槽深度大于設(shè)計要求，泄洪閘閘墩超高依然不滿足設(shè)計要求。

針對引水閘過沙問題，試驗中又進(jìn)行了二次優(yōu)化。

4 二次優(yōu)化設(shè)計試驗研究

4.1 進(jìn)水閘前設(shè)置擋沙坎

分析首次優(yōu)化后的試驗成果，引水閘過沙問題仍然沒有完全解決。所以，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)需要再次優(yōu)化。本次優(yōu)化是在引水閘底板前緣增設(shè)1.0 m高的擋沙坎，坎頂高程1 159.50 m，擋沙坎長度是進(jìn)口底板前緣的2/3長度(靠近下游1/3未設(shè)置擋沙坎)，采用直角梯形斷面。這種型式可以增強(qiáng)引水能力，同時又防止泥沙進(jìn)入引水閘[9]。其布置圖見圖3。

4.2 試驗成果分析

4.2.1 上游淤積及引水閘過沙情況

經(jīng)二次優(yōu)化后，引水閘擋沙坎前緣最大淤積高程為1 159.28 m，低于擋沙坎頂高程0.22 m，泥沙未進(jìn)入引水渠道。

采用綜合運行方式，在滿足引水情況下，各特征洪水均未見泥沙進(jìn)入引水閘，渠首運行達(dá)到了引水防沙的目的。

圖3 進(jìn)水閘二次優(yōu)化布置圖

4.2.2 運行調(diào)度方案確定

由于引水閘底板比泄洪閘底板高2.5 m，因此在中小洪水流量下，需要泄洪閘門局部開啟，在閘前形成壅水，只有這樣運行才能滿足設(shè)計的引水流量。為了防止引水閘過沙，盡量減小泄洪閘的閘前淤積，試驗中進(jìn)行了各種閘門組合開啟方式[10]，最后確定如下運行調(diào)度方案，見表2。

當(dāng)洪水重現(xiàn)期P≥50%時，采用運行調(diào)度方式1，即“左閘優(yōu)先”按左、中、右順序開啟運行；當(dāng)洪水重現(xiàn)期P<50%時，采用運行調(diào)度方式2，即“中閘優(yōu)先”按中、右、左順序開啟運行。

表2 泄洪沖沙閘調(diào)度運行方案表

說明：表格中“√”表示該孔閘門全開，“×”表示閘門全關(guān)，“數(shù)字”表示閘門開啟高度。

4.2.3 泄洪沖沙槽內(nèi)流速分布

最優(yōu)運行調(diào)度方案下，泄槽內(nèi)的流速分布情況見表3。

成果表明：泄槽內(nèi)最大流速為11.09 m/s，在泄槽末端中部，設(shè)計中需要考慮高速水流對建筑材料的影響。整個泄槽內(nèi)流速都大于零，不存在氣蝕影響。當(dāng)P≥30%時，泄洪閘門局部開啟，表3中不同斷面的流速也反映出存在折沖水流，洪水越小折沖水流越弱。

表3 特征洪水下泄槽內(nèi)流速分布表

注：調(diào)度方式2下洪水頻率為2%、5%、10%、20%；調(diào)度方式1下洪水頻率為30%、50%、60%、80%。

5 結(jié) 論

為了驗證塔爾郎渠首工程各建筑物的相對位置是否滿足設(shè)計要求，進(jìn)行了模型試驗。成果表明：渠首引水閘底板高程偏低，閘室進(jìn)沙量較大；渠首泄洪排沙閘在校核流量下，閘墩及閘門頂高程偏低；泄洪槽末端出口處的沖坑深度大于設(shè)計值。因此，對引水閘進(jìn)口底板及平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。經(jīng)兩次優(yōu)化后，渠首工程引水防沙滿足設(shè)計要求。為了減少泄洪排沙閘及泄洪槽的淤積，提升引水質(zhì)量，提出了各種工況下的閘前壅水運行調(diào)度方案。

[1] 祖力皮亞·熱西提，史 珍.吐魯番市塔爾朗引水渠首工程水文分析計算[R].吐魯番：新疆吐魯番水文水資源勘測局，2013：4-6.[2] 盧朝霞，李立軍，曹 健.底欄柵式引水樞紐在三工河上的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報，2006，4(3)：52-53，73.[3] 孫 麗.金溝河引水渠首泥沙處理的設(shè)計[J].中國水運，2016，16(6)：232-233.[4] 王 忠，謝富明，欒 文，等.新疆金溝河渠首解決泥沙入渠的措施及效果[J].中國農(nóng)村水利水電，2006(10)：7-8.

[5] 吳持恭．水力學(xué)[M]．4版：上.北京：高等教育出版社，2008.

[6] 張明義，孫 娟，戚印鑫.新疆葉爾莞河中游渠首整體水工模型試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2011(1)：133-135.

[7] 李旗進(jìn)，王金魁，鄧平華.金溝河引水渠渠首排沙系統(tǒng)運行管理[J].人民長江，2009，40(15)：87-89.

[8] 嚴(yán)曉達(dá)，劉旭東，李貴啟．低水頭引水防沙樞紐[M].北京：水利電力出版社，1990：184-186.

[9] 馬振海，王慶祥．進(jìn)水閘沖沙閘布置與導(dǎo)沙坎改進(jìn)[J].西北水資源與水工程，1994,5(2):63-66，72.

[10] 李天朦，趙 濤，王世興.某攔河閘式渠首閘門調(diào)度及運行方式的數(shù)值模擬研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2015，13(1)：79-83，125.

Model Tests of Head Works Water Project in Tal Lang Channel

QI Yinxin, GENG Fankun

(XinjiangResearchInstituteofWaterResourcesandHydroeltetricScience,Urumqi,Xinjiang830049,China)

During the head work design process the relationships between the flood discharge, sediment, drinking water should be carefully considered. Under the conditions of water diversion, it should avoid mud enter into the channel. The key to solve this problem is to determine the height of each building and the plan position. In this paper the model was tested to verify the projects positions in the plan. The results show that the height of the bottom of the sluice gate was on the low side which could result in a large amount of sand in the chamber; headworks sluice flood discharge sand’s height of the gate and gate was low under check flow; and at the end of the flood discharge trough at the outlet of the scour depth is greater than the design value. So, the inlet bottom plate and the plane structure of the diversion gate was adjusted. After two optimization water diversion and sand control could meet the design requirements. In order to reduce flood discharge sluice and spillway trough silt sand and improve pilotage quality, the scheduling scheme is proposed under various conditions of gate backwater before operation.

head works; model test; flood and sediment discharging; the elevation of water diversion sluice floor; operation scheduling

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.028

2017-02-10

2017-03-08

戚印鑫(1975—)，男，新疆烏魯木齊人，工程碩士，高級工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計和水工模型試驗研究。 E-mail:376112812@qq.com

TV93

A

1672—1144(2017)03—0138—04