新疆某水利樞紐工程引水閘水工模型試驗(yàn)研究

雷震霄

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)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、引水閘、岸邊仿生魚道等建筑物組成。工程等別為Ⅰ等大（1）型，攔河引水樞紐各個(gè)建筑物為1級(jí)建筑物。引水閘位于河床左岸臺(tái)地，引水閘軸線與泄洪閘軸線夾角30°，正常引水位701.90 m，設(shè)計(jì)引水流量65 m3/s。

引水閘共2孔，單孔凈寬5.0 m。引水閘前設(shè)置攔沙坎對(duì)防止泥沙進(jìn)入有顯著效果。據(jù)水文泥沙資料統(tǒng)計(jì)，布爾津河泥沙含量很小，多年平均含沙量僅為0.066 kg/m3。對(duì)于河床較穩(wěn)定、含沙量少的河流，攔沙坎高度可比河床平均高程高出0.5 m～0.8 m?？紤]本工程位于沖乎爾大壩下游1.1 km處，屬于長距離隧洞引水，為提高攔沙效果，本工程攔沙坎高度比河床平均高程高出0.8 m。閘底板高程698.0 m，閘頂高程707.0 m，閘室長25 m。閘后布置消能段和隧洞進(jìn)口矩形槽連接段。消能段由陡坡段與消力池段組成，陡坡段長15 m，寬度由12 m漸變到7.5 m，坡度1∶5，消力池段長15 m，底板高程695.0 m，寬度7.5 m，池深0.897m。矩形槽連接段長29.015 m，底板起始端高程695.897 m，寬7.5 m，縱坡0，其后與隧洞相接。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，模型試驗(yàn)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(shí)間比尺 λt為 5.477。

2.2 模型設(shè)計(jì)

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?？v向試驗(yàn)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(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地反映原型的水流情況，在選擇模型材料時(shí)必須考慮材料的糙率要求，模型中建筑物材料選用有機(jī)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）。

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

整體模型平面圖見圖1，引水閘布置圖見圖2，整體水工模型安裝見圖3。

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1）試驗(yàn)各運(yùn)行工況下進(jìn)水閘的流量和流態(tài)，評(píng)價(jià)引水閘底板高程、孔口尺寸等設(shè)計(jì)是否合理。

2）通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)二期引水閘的引水防沙效果，并驗(yàn)證二期引水閘進(jìn)口底板高程及引水角度是否滿足引水防沙要求?？赏ㄟ^測定攔沙坎前流速來判定沖砂效果。

3）驗(yàn)證引水閘、閘后消能及引水隧洞的水流銜接情況和水流流態(tài)是否平穩(wěn)。

圖1 整體模型平面圖

圖2 引水閘布置圖

圖3 某攔河引水樞紐水工模型圖

3 試驗(yàn)成果

3.1 原設(shè)計(jì)過流能力計(jì)算成果

該工程以輸水為主，故應(yīng)保證設(shè)計(jì)方案在任何洪水位下引水閘都能滿足正常引水要求。

引水閘采用平底閘，寬頂堰流處于高淹沒時(shí)，閘孔凈寬按高淹沒堰流公式計(jì)算。引水閘全開5月～11月過流能力計(jì)算成果見表1。

表1 引水閘全開5月～11月過流能力計(jì)算成果

冬季（12月～次年4月）沖乎爾水電站正常運(yùn)行，據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，冬季沖乎爾電站下游1 km附近僅在岸邊處會(huì)形成少量固冰，河道未整體封凍。結(jié)合冰水?dāng)?shù)學(xué)模型研究成果，引水閘前斷面最大冰厚為0.65 m。沖乎爾攔河閘冬季最低引水位為700.3 m，較正常設(shè)計(jì)引水位701.9 m低1.6 m，按0.65 m最大模擬計(jì)算冰厚分析，仍有0.95 m的水位變幅空間，可滿足正常引水要求。

冬季某水利樞紐引水流量38.05m3/s相對(duì)較?。?月54.87 m3/s除外），此時(shí)需通過控制泄洪閘閘門開度維持正常引水位，以滿足受水區(qū)正常引水流量要求。

運(yùn)行方式如下:

1）根據(jù)正面排沙側(cè)面引水的布置，考慮引水閘前“門前清”的需要，優(yōu)先開啟泄洪閘左側(cè)邊孔；

2）根據(jù)生態(tài)流量下泄的需要，生態(tài)閘全年常開；

3）引水閘閘門全開情況下，保證12月～來年3月份、4月份兩個(gè)不同引水流量，泄洪閘、溢流堰和生態(tài)閘泄洪時(shí)的上游不同水位見表2。

表2 引水閘全開工況下引不同流量上游水位

4）引水閘門局開情況下，保證12月～來年3月份、4月份兩個(gè)不同引水流量，泄洪閘、溢流堰和生態(tài)閘泄洪時(shí)的上游不同水位見表4。

表3 引水閘局開工況下引不同流量上游水位

3.2 模型試驗(yàn)流能力成果

為測定引水閘過流能力、驗(yàn)證不同工況下引水閘的調(diào)度情況，共進(jìn)行了10組試驗(yàn)，見表4。

通過水工模型試驗(yàn)的觀察、測量，在不同洪水位下的不同的調(diào)度方式中，引水閘均能滿足65 m3/s的過流要求；在冬季時(shí)，引水閘均能滿足12月～來年3月份38.05 m3/s、4月份54.87 m3/s的過流要求。

表4 引水閘引水流量表

3.3 沿程水流流態(tài)

通過模型試驗(yàn)觀測，不同洪水位時(shí)引水閘的水流流態(tài)情況如下:

在不同工況下的不同的調(diào)度方式中，引水閘均能滿足過流要求，且水流流態(tài)較平穩(wěn)，門槽處水流流態(tài)較好，水面線較為平順。水流在下游消力池形成淹沒出流，消能效果良好，消能段之后的彎道處水流平穩(wěn)，水流能平順地進(jìn)入隧洞，無明顯波動(dòng)、回流、旋渦等不利水流條件，下游隧洞進(jìn)流順暢。典型工況流態(tài)具體見圖4～圖10。

圖4 工況一引水閘消力池流態(tài)圖

圖5 工況三 引水閘流態(tài)圖

圖6 工況五引水閘流態(tài)圖

圖7 工況六 引水閘消力池流態(tài)圖

圖8 工況七引水閘消力池流態(tài)圖

圖9 工況十 引水閘流態(tài)圖

圖10 冬季模擬冰面整體流態(tài)圖

3.4 沿程流速分布

試驗(yàn)沿引水閘布置了13個(gè)觀測點(diǎn)，其中上游段6個(gè)，引水閘3個(gè)，下游段4個(gè)，為測得閘門槽處的水力特性，于閘門槽中心處設(shè)置第8個(gè)測點(diǎn)，分別觀測了各工況下引水閘的流速分布，引水閘測點(diǎn)見圖11。

圖11 引水閘測點(diǎn)表示圖

通過模型試驗(yàn)觀測，不同洪水位時(shí)引水閘的測點(diǎn)流速見表5。

通過水工模型試驗(yàn)的觀測，在不同工況下的不同的調(diào)度方式中，引水閘水流平穩(wěn)，流速分布合理；引水閘閘底板高程布置合理，引水閘閘底板高程比泄洪沖砂閘閘底板高程的高出0.8 m，使其充分發(fā)揮攔沙作用，同時(shí)各工況下引水閘的6號(hào)測點(diǎn)流速均大于0.5 m/s，使得泥沙能夠從泄洪閘順利排出，使引水閘達(dá)到引水防砂的要求。

4 結(jié)論

本次模型試驗(yàn)成功模擬了引水閘的水流流態(tài)、過流能力，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案引水閘孔口尺寸布置合理，在不同工況下的不同的調(diào)度方式中，均能滿足過流要求，水流平穩(wěn)，引水閘能充分發(fā)揮攔砂作用，且消能效果良好，消能段之后的彎道處水流平穩(wěn)，水流能平順地進(jìn)入引水隧洞。通過模型試驗(yàn)研究，為今后制定調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃提供了依據(jù)，為下一階段的設(shè)計(jì)工作打下了基礎(chǔ)。

表5 引水閘測點(diǎn)流速表