新疆某水利樞紐工程泄洪閘水工模型試驗研究

周旭銳

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水利樞紐位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津河沖乎爾電站廠房尾水下游約1.1 km 處，樞紐工程主要由泄洪閘、WES 溢流堰、生態(tài)閘、二期引水閘、岸邊仿生魚道組成。工程等別為Ⅰ等大（1）型，攔河引水樞紐建筑物均為1 級建筑物。攔河引水樞紐設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)按100 年一遇，洪峰流量Q 為2340 m3/s，設(shè)計洪水位704.030 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)按300 年一遇，洪峰流量Q 為2550 m3/s，校核洪水位704.326 m。

泄洪閘布置于左側(cè)主河床，泄洪閘為開敞式，閘底板高程697.20 m，閘頂高程707.00 m。泄洪閘設(shè)置6 孔，單孔凈寬11 m，閘高9.8 m，閘室長25 m。下游消能采用底流消能，消力池長30 m，池深1.5 m，泄洪閘與溢流堰后共同消能，消力池凈寬148.5 m，消力池后順接混凝土海漫，海漫長90 m，兩岸護岸為貼坡式混凝土襯砌。

2 模型設(shè)計

2.1 模型比尺

模型設(shè)計遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，模型試驗的長度比尺λL為30。流量比尺λQ為4929.5，流速比尺λv為5.477，糙率比尺λn為1.763，時間比尺λt為5.477。

2.2 模型設(shè)計

模型模擬范圍為溢流堰、泄洪閘、生態(tài)閘、引水閘以及溢流堰、泄洪閘和生態(tài)閘之后的消力池。縱向試驗范圍為閘軸線上游200 m、消力池向下游200 m，總長約400 m 左右。

為使模型試驗?zāi)軌蜉^真實地反映原型的水流情況，在選擇模型材料時必須考慮材料的糙率要求，模型中建筑物材料選用有機玻璃。

整體水工模型安裝見圖1，樞紐布置模型尺寸大約為13.5 m×5.7 m（長×寬）。

圖1 某攔河引水樞紐水工模型圖

2.3 模型量測設(shè)備

流速采用南京水科院研制便攜式流速儀測量，水位采用水位測針和直尺測量，流量采用矩形量水堰。

整體模型試驗設(shè)計、模型制作安裝、測試儀器和測試方法等按照SL 155-2013《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》要求執(zhí)行。

2.4 試驗內(nèi)容

1）通過水工模型試驗對泄洪閘的布置及水力學(xué)性能作出評價，并提出改善措施。

2）通過試驗確定不同工況下泄洪閘的水位～流量關(guān)系曲線。

3）對泄洪閘下游消能情況作出評價，并提出改善措施及護岸工程措施建議。

3 試驗成果

3.1 泄流能力

試驗測定698.944 m～701.9 m 等20 種不同洪水位時泄洪閘的下泄流量，因上游水位超過701.9 m 時溢流堰會溢流，故僅測定上游水位低于701.9 m 時的工況。試驗中引水閘、生態(tài)閘全關(guān)，僅泄洪閘過流。測得的各典型洪水位時泄洪閘的下泄流量見表1。

表1 泄洪閘水位流量關(guān)系表

試驗測定泄洪閘與溢流堰聯(lián)合過流時的下泄流量，設(shè)計洪水位時，泄洪閘與溢流堰過流能力之和為2340 m3/s，大于100年一遇的洪峰流量，滿足泄洪要求；校核洪水位時，泄洪閘與溢流堰過流能力之和為2550 m3/s，大于300 年一遇的洪峰流量，滿足泄洪要求。

3.2 水流流態(tài)

1）正常工況及小流量工況時泄洪閘的流態(tài)較好，門槽處流態(tài)平穩(wěn)，水面線平順，見圖2～圖3。從流量系數(shù)來看，泄洪閘體型比較合理，泄洪能力充分。但是泄洪閘的消能率普遍不高，尤其是小流量時消能率尚未達到20%。

圖2 正常工況下泄洪閘閘門全開水流流態(tài)

圖3 小流量工況下泄洪閘閘門全開水流流態(tài)

2）設(shè)計工況和校核工況下，水流流態(tài)均比較相似，見圖4～圖7。下泄水流在消力池形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，底部射流間歇地往上竄，漩滾較不穩(wěn)定，消能不充分，設(shè)計工況消能率為36%，校核工況消能率為33%。

圖4 設(shè)計工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖5 設(shè)計工況下泄洪閘下游流態(tài)

圖6 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖7 校核工況下泄洪閘下游流態(tài)

由圖2～圖7 知，不同流量下樞紐整體流態(tài)和泄洪閘流態(tài)比較好，門槽處水流流態(tài)較好，水面線均較為平順。但泄洪閘消能率普遍偏低，尤其是小流量工況，泄洪閘消能率僅20%，建議進一步優(yōu)化泄洪閘消能設(shè)施，如適當(dāng)增加消力池深度、長度等。

4 優(yōu)化方案及試驗成果

4.1 優(yōu)化方案

為增大消能率，對泄洪閘的模型進行優(yōu)化，見圖8。優(yōu)化方案為：

1）泄洪閘下游消力池加深1 m，加長15 m。

2）泄洪閘閘室出口的閘墩由方形墩頭變?yōu)閳A形墩頭。

圖8 優(yōu)化方案泄洪閘平面布置圖（除高程單位以m 計外，其余均以mm 計）

4.2 試驗結(jié)果

通過模型試驗觀測，典型洪水位時優(yōu)化方案泄洪閘的水流流態(tài)情況如下：

1）正常工況及小流量工況時泄洪閘的流態(tài)較好，門槽處水流平穩(wěn)，水面線平順。優(yōu)化方案下，泄洪閘的消能率提高較多，尤其是小流量工況下，消能率由20%提高到51%，提高幅度很大。其他流量工況的消能率均有不等幅度的提高?？梢?，加深消力池能提高消能率，見圖9～圖10。

圖9 正常工況下泄洪閘閘門全開水流流態(tài)

圖10 小流量工況下泄洪閘閘門全開水流流態(tài)

2）設(shè)計工況和校核工況泄洪時，采用優(yōu)化方案消能率普遍有所提高，水流在消力池內(nèi)形成強烈漩滾，紊動強烈，消能充分，設(shè)計工況消能率為43%，校核工況消能率為42%，見圖11～圖14。

圖11 設(shè)計工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖12 設(shè)計工況下泄洪閘下游流態(tài)

圖13 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖14 校核工況下泄洪閘下游流態(tài)

5 結(jié)論

通過水工模型試驗可知，樞紐及泄洪閘流態(tài)平穩(wěn)，門槽處水流流態(tài)較好，水面線平順，下泄流量達到要求。優(yōu)化后的泄洪閘下游消力池消能效果良好，消能率在33%～53%，平均消能率為43%。通過試驗得出的水位流量關(guān)系曲線，為今后制定調(diào)度運行計劃提供依據(jù)，為工程后期設(shè)計提供試驗支持。