金溝河引水樞紐工程整體水工模型造床平衡試驗(yàn)研究

馬 軍 冉建西 范勇鋒

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆流域內(nèi)大部分河流具有洪水過(guò)程集中、泥沙含量大等突出特點(diǎn)，1949—2000年，新疆大量引進(jìn)蘇聯(lián)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，“費(fèi)爾干”式引水樞紐在全疆廣泛應(yīng)用，無(wú)論推移質(zhì)為主的北疆河道，還是懸移質(zhì)多見(jiàn)的南疆，都建設(shè)了大量“費(fèi)爾干”式引水樞紐，如烏魯木齊市三屯河西干渠渠首、呼圖壁河呼圖壁渠首、葉爾羌河喀群樞紐、巴音河渠首等。原金溝河引水樞紐也采用了此種模式?！百M(fèi)爾干”式引水樞紐的引進(jìn)對(duì)處理新疆多泥沙河流的引水具有積極意義，但一種引水形式不可能解決所有河道的全部問(wèn)題，每種引水樞紐要取得好的效果，都有其特定的前置條件。“費(fèi)爾干”樞紐首先應(yīng)有天然或人工修建的有一定曲率的河流彎道，以便形成橫向環(huán)流，且河道主要為下切河道，坡陡流急，有排沙條件處，長(zhǎng)期有一定沖沙流量。

金溝河主要以冰川積雪的消融補(bǔ)給為主，歷年最大洪峰流量多發(fā)生在7—8月，其余時(shí)段河道流量較小，原金溝河引水樞紐受到兩岸山體影響，上游彎道半徑較大，河道較寬，且在極高引水比情況下，原渠首泥沙淤積非常嚴(yán)重，本次新建引水樞紐根據(jù)洪水、引水比特性以及現(xiàn)場(chǎng)地形條件，最終選擇直線型引水渠首，抬高進(jìn)水閘底板高程，進(jìn)水閘前設(shè)置沖沙廊道，小流量引水和中流量沖沙，保證進(jìn)水閘的門前清，大流量將上游淤積泥沙全部沖至下游的設(shè)計(jì)方案，圍繞新布置方案進(jìn)行本次水工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證工程實(shí)際效果，并提出優(yōu)化思路。

1 工程概況

金溝河引水樞紐工程位于沙灣縣城西南方向金溝河中游河段出山口處，屬Ⅲ等中型工程。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=5%(Q=363.4m3/s)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=2%(Q=559.0m3/s)。

工程在原址新建，新建方案采用正面泄洪沖沙、側(cè)面引水的布置形式，工程由進(jìn)水閘、沖沙閘、泄洪閘、沉沙沖沙槽、自潰壩及上下游導(dǎo)流堤等建筑物組成。

進(jìn)水閘布置在左岸臺(tái)地，設(shè)三孔，單孔凈寬3.5m，閘底板高程812.75m，與沖沙閘軸線夾角為30°，右側(cè)與沖沙閘相接。沖沙閘布置在河床的左側(cè)，沖沙閘設(shè)兩孔，單孔3.5m，閘底板高程為810.05m，沖沙閘前設(shè)有長(zhǎng)70m、寬8.6m的沖沙沉沙槽，沉沙槽上游始端右側(cè)布置有三孔泄洪閘，單孔凈寬6.5m，閘底板高程為810.55m，泄洪閘右側(cè)與上游導(dǎo)流堤相連，泄洪閘右側(cè)導(dǎo)洪堤上游60m處設(shè)置自潰壩，壩長(zhǎng)60m。工程具體平面布置見(jiàn)圖1，對(duì)此布置進(jìn)行造床平衡試驗(yàn)，以此進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 工程平面布置圖

2 模型方案

2.1 模型比尺

根據(jù)模型試驗(yàn)的前提條件和設(shè)計(jì)目標(biāo)，本試驗(yàn)使用正態(tài)模型，按弗勞德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺1∶40，模型全貌見(jiàn)圖2，水閘編號(hào)從左至右依次進(jìn)行。

圖2 模型全貌

2.2 造床流量、含沙量、推懸比的選取

經(jīng)對(duì)工程水文、洪水以及泥沙資料的分析研究，本水工模型試驗(yàn)所需要的造床流量選用90%頻率的洪水流量，即Q造床=66.4m3/s；多年平均懸移質(zhì)含沙量為6.31kg/m3；推懸比采用設(shè)計(jì)值15%。

3 水工模型試驗(yàn)成果分析

3.1 造床平衡試驗(yàn)研究成果

新建的引水樞紐將泄洪閘閘底板高程相對(duì)原河床加高1.0m，改變了河道的天然縱坡和水流挾沙能力，新的輸沙不平衡將引起河床的變形。為分析工程運(yùn)行若干年后新的造床平衡形態(tài)，以及河床達(dá)到平衡后樞紐的運(yùn)行情況，進(jìn)行造床平衡試驗(yàn)。

模型沙模擬原始地形，施放66.4m3/s造床流量的同時(shí)按62.85kg/s的推移質(zhì)輸沙率加模型沙，并根據(jù)清水試驗(yàn)得出的閘門運(yùn)行方式控制沖沙閘閘門，保持進(jìn)水閘引45m3/s的流量，若上游沖沙槽內(nèi)的泥沙淤積到與進(jìn)水閘前擋沙坎同高時(shí)，打開(kāi)沖沙閘間歇沖沙，當(dāng)泥沙低于坎高一半時(shí)調(diào)節(jié)沖沙閘開(kāi)啟高度，保持進(jìn)水閘引45m3/s的流量，如此重復(fù)試驗(yàn)，直至達(dá)到造床平衡。經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的造床試驗(yàn)，樞紐基本達(dá)到了造床平衡。

3.2 造床平衡后常遇洪水過(guò)程線試驗(yàn)研究成果

為了解新建樞紐造床平衡后河道遇常遇洪水時(shí)渠首的運(yùn)行情況，根據(jù)2013年7月19—26日的常遇洪水資料，進(jìn)行了常遇洪水過(guò)程的模擬試驗(yàn)。常遇洪水過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖3 常遇洪水過(guò)程線

常遇洪水過(guò)程試驗(yàn)中考慮模型對(duì)洪水完全擬合的難度，以及試驗(yàn)?zāi)康氖菫楣こ淘O(shè)計(jì)和運(yùn)管中閘門啟閉的可操作性提供服務(wù)，將相關(guān)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將其分為8個(gè)典型段，如A段典型流量為56m3/s，時(shí)長(zhǎng)8h，各段流量及時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 常遇洪水典型流量與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

常遇洪水過(guò)程試驗(yàn)情況如下：

a.A段(Q=56m3/s，8h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。泄洪及沖沙閘除1號(hào)沖沙閘門打開(kāi)0.4m外，其余閘門全部關(guān)閉，泄流11m3/s，進(jìn)水閘門完全打開(kāi)，確保進(jìn)水的閘門引水流量為45m3/s。進(jìn)水閘門的前水位815.19m。模型上游的河道主流向方位偏向于左側(cè)岸，泄洪閘門的前69m范圍里少許壅水，故閘門前泥沙處于幾乎沒(méi)有移動(dòng)的狀態(tài)，泄洪閘前水位為815.27m，閘前泥沙基本不動(dòng)，模型上游段的沖沙槽范圍內(nèi)的水流較為平緩，攜帶泥沙較少，試驗(yàn)中進(jìn)水閘無(wú)泥沙進(jìn)入。

b.B段(Q=42m3/s，12h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。進(jìn)水閘全開(kāi)，其余閘門全關(guān)，全部用以引水。模型的上游河道主流方向依然是偏向左側(cè)岸，泥沙的流動(dòng)較為緩慢，閘口前的水流較平緩穩(wěn)定，試驗(yàn)的進(jìn)水閘口沒(méi)有泥沙進(jìn)入。

c.C段(Q=78m3/s，8h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。進(jìn)水閘全開(kāi)引進(jìn)45m3/s，1號(hào)泄洪閘和1號(hào)沖沙閘分別開(kāi)啟0.16m、0.96m，其余全關(guān)，泄流25m3/s。上游主流河道偏左側(cè)岸，沖沙槽中進(jìn)入部分泥沙，經(jīng)過(guò)76min泥沙已沖運(yùn)到進(jìn)水閘擋沙坎前，淤積高度與進(jìn)水閘底板高度一致，部分泥沙躍至擋沙坎之上，為阻止泥沙進(jìn)一步被沖運(yùn)到進(jìn)水閘，打開(kāi)沖沙閘，進(jìn)行間歇性沖沙，大量泥沙被攜帶至閘后，經(jīng)過(guò)48min便將1號(hào)沖沙閘門前約1/3區(qū)域內(nèi)的泥沙沖帶走，因間歇性沖沙時(shí)上游水位很低，故沖沙槽內(nèi)泥沙持續(xù)帶入，經(jīng)60min后，沖沙槽中泥沙已不超過(guò)進(jìn)水閘前擋沙坎的高度，再調(diào)整沖沙閘門開(kāi)度，確保進(jìn)水閘引水45m3/s，上游水流平穩(wěn)，進(jìn)水閘無(wú)泥沙進(jìn)入。

d.D段(Q=50m3/s，8h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。泄洪閘全關(guān)、沖沙閘1號(hào)開(kāi)啟0.2m、2號(hào)完全關(guān)閉，泄流5m3/s，進(jìn)水閘全開(kāi)，確保進(jìn)水閘引水流量為45m3/s。泄洪閘前100m范圍內(nèi)略有壅水，閘前泥沙不動(dòng)，進(jìn)水閘無(wú)泥沙進(jìn)入。

e.E段(Q=36m3/s，8h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。泄洪以及沖沙閘門全部完全關(guān)閉，進(jìn)水閘門完全打開(kāi)，引水36m3/s。河道上下游同A段試驗(yàn)情況。

f.F段(Q=91m3/s，6h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。大量泥沙進(jìn)入沖沙槽，很快到達(dá)進(jìn)水閘擋沙坎前，打開(kāi)沖沙閘間歇沖沙，經(jīng)60min后，擋沙坎前泥沙低于擋沙坎的高度。2號(hào)、3號(hào)完全關(guān)閉，1號(hào)泄洪閘開(kāi)啟0.28m，泄洪21m3/s；1號(hào)沖沙閘開(kāi)啟0.96m、2號(hào)全關(guān)，泄流25m3/s，進(jìn)水閘全開(kāi)，引水45m3/s。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)依然有泥沙沖運(yùn)到了沖沙槽，進(jìn)水閘不進(jìn)沙，泄洪閘前水位815.47m。

g.G段(Q=70m3/s，5h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。由于之前的洪水已把泥沙帶入進(jìn)水閘擋沙坎前，因此打開(kāi)沖沙閘間歇沖沙，經(jīng)60min后，擋沙坎前泥沙低于擋沙坎的高度。泄洪及沖沙閘僅1號(hào)沖沙閘開(kāi)啟0.96m，泄流25m3/s，進(jìn)水閘引水45m3/s。部分泥沙沖運(yùn)到了沖沙槽，歷時(shí)144min，泥沙又再度被沖運(yùn)到進(jìn)水閘擋沙坎前，打開(kāi)沖沙閘間歇性沖沙，進(jìn)水閘不進(jìn)沙，歷時(shí)60min，泥沙低于擋沙坎高度。調(diào)節(jié)閘門進(jìn)水閘引水45m3/s。泄洪閘前水位815.35m。

h.H段(Q=50m3/s，9h)試驗(yàn)條件下的模擬數(shù)據(jù)。進(jìn)水閘引水45m3/s。1號(hào)沖沙閘開(kāi)啟0.2m，其余泄洪沖沙閘全關(guān)，泄流5m3/s。上游河道由原左岸擺向中間，閘前又偏向左岸。上游水流平穩(wěn)，進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

常遇洪水過(guò)程中各控制點(diǎn)水位見(jiàn)表2。

表2 常遇洪水各控制點(diǎn)水位 單位：m

注試驗(yàn)中根據(jù)A段反饋情況，對(duì)控制點(diǎn)水位進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，本表中選取B～H段完整數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

從試驗(yàn)情況看，當(dāng)上游來(lái)水小于造床流量66.4m3/s時(shí)，上游河道流速小，泄洪閘前水位略有壅高，帶入上游沖沙槽的泥沙少，當(dāng)上游來(lái)水大于造床流量時(shí)，河道挾沙能力逐漸增大，特別是當(dāng)流量大于70m3/s時(shí)，泄洪閘局開(kāi)，閘前流速增大，泄洪閘由于局開(kāi)，排沙很少，大量泥沙帶入沖沙槽，當(dāng)泥沙到達(dá)進(jìn)水閘擋沙坎前，且淤積高度與擋沙坎同高時(shí)需打開(kāi)沖沙閘，間歇沖沙。整個(gè)洪水過(guò)程模擬64h，上游共加沙1945t，排沙量820.67t，排沙率42%，大部分泥沙淤積在上游河道，進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

3.3 造床平衡后典型流量試驗(yàn)研究成果

通過(guò)對(duì)常遇洪水過(guò)程線選取典型段，對(duì)各控制點(diǎn)水位及泥沙淤積情況進(jìn)行了完整研究，獲得了所需研究成果數(shù)據(jù)，對(duì)工程布置及閘門啟閉提供了具體數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)后續(xù)繼續(xù)分析造床平衡后，對(duì)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=5%和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=2%對(duì)應(yīng)Q=363.4m3/s、Q=559.0m3/s，以及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)下沖沙槽有無(wú)側(cè)堰情況分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取控制點(diǎn)水位及泄洪槽下游沖刷形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果。

a.Q=363.5m3/s(設(shè)計(jì)洪水洪峰流量)典型研究。施放Q=363.5m3/s設(shè)計(jì)流量，分兩種工況：工況1為自然分水，工況2為沖沙閘控制運(yùn)行。

工況1：泄洪閘、沖沙閘及進(jìn)水閘全開(kāi)，自然分水，Q進(jìn)=13.92m3/s，Q沖=115.53m3/s，Q泄=234.05m3/s。上游河道水流平順，主流偏左，流速較快，泄洪閘前明顯產(chǎn)生橫向比降，沖沙槽中不進(jìn)沙，但沖沙槽內(nèi)水面波動(dòng)較大，大量泥沙從泄洪閘排往下游，排沙順暢。進(jìn)水閘關(guān)閉，泄洪閘和沖沙閘全開(kāi)，Q沖=117.83m3/s，Q泄=245.67m3/s。上游沖沙槽內(nèi)水深明顯高于自然分水時(shí)水深，水面波動(dòng)較大，水位814.67～815.73m。

工況2：進(jìn)水閘全關(guān)，調(diào)節(jié)沖沙閘開(kāi)度，1號(hào)開(kāi)啟1.84m，2號(hào)開(kāi)啟1.68m，保證沖沙槽過(guò)流70m3/s，泄洪閘全開(kāi)，泄流293.5m3/s。由于沖沙閘限制運(yùn)行，所以上游沖沙槽內(nèi)水位明顯壅高，最高水位位于沖沙閘前，泄洪閘前水位也相應(yīng)壅高，沖沙槽入口水位815.63m，原因主要是平衡后的上游地形比原始地形坡降大，流速快。上游水流偏向左岸，沖沙槽和1號(hào)泄洪閘不進(jìn)沙，大量泥沙從2號(hào)、3號(hào)泄洪閘排往下游，排沙順暢。下游河床主流偏左，右岸齒墻后有回流，齒墻后最大沖深高程802.342m，沖刷地形見(jiàn)圖4。

整個(gè)典型洪水流量模擬3h10min，加沙量619.3t，排沙量486.74t，排沙率78.6%，泄洪閘排沙效果非常好，沖沙槽不進(jìn)沙。

b.Q=559m3/s(校核洪水洪峰流量)+沖沙槽無(wú)側(cè)堰的典型研究。施放Q=559m3/s校核流量，分兩種工況：工況1為自然分水，工況2為沖沙閘控制運(yùn)行。

工況1：泄洪閘、沖沙閘及進(jìn)水閘全開(kāi)，自然分水，Q進(jìn)=26.98m3/s，Q沖=131.15m3/s，Q泄=400.87m3/s。水流流態(tài)及排沙效果與363.5m3/s時(shí)基本一致。

工況2：進(jìn)水閘全關(guān)，調(diào)節(jié)沖沙閘開(kāi)度，1號(hào)開(kāi)啟2.24m，2號(hào)開(kāi)啟2.08m，限制沖沙槽過(guò)流90m3/s，泄洪閘全開(kāi)，泄流469m3/s。水流流態(tài)及排沙效果與363.5m3/s時(shí)基本一致，齒墻后最大沖深高程798.462m，沖刷地形見(jiàn)圖5。

圖5 Q=559m3/s典型流量歷時(shí)3h10min后泄洪槽下游沖刷形態(tài)

整個(gè)典型洪水流量模擬3h10min，加沙量952.4t，排沙量1113.12t，排沙率116.9%，泄洪閘排沙效果非常好，沖沙槽、進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

c.Q=559m3/s(校核洪水洪峰流量)+沖沙槽設(shè)側(cè)堰的典型研究。鑒于造床平衡后試驗(yàn)實(shí)測(cè)校核洪水位較高，因此，將沖沙閘前10～41.5m范圍左側(cè)沖沙槽邊墻改為側(cè)堰，側(cè)堰底高程與設(shè)計(jì)洪水位同為815.224m，以增大下泄流量，降低上游水位，并且方便管理。

重復(fù)工況2試驗(yàn)：進(jìn)水閘全關(guān)，調(diào)節(jié)沖沙閘開(kāi)度，1號(hào)開(kāi)啟2.24m，2號(hào)開(kāi)啟2.08m，保證沖沙槽過(guò)流90m3/s，泄洪閘全開(kāi)，側(cè)堰和泄洪閘共同泄流469m3/s。由于側(cè)堰增加了沖沙槽的泄流量，減少了泄洪閘的泄洪壓力，因此泄洪閘前及上游沖沙槽內(nèi)水位明顯降低，水位差0.48m。由于側(cè)堰加大了上游沖沙槽的行近流速，因此沖沙閘2號(hào)閘前水位最高。上游水流偏向左岸，沖沙槽和泄洪閘1號(hào)閘不進(jìn)沙，大量泥沙從2號(hào)、3號(hào)泄洪閘排往下游，排沙順暢。泄洪閘后泄水槽上游直線段水流均勻，彎道以下水流稍偏左岸，左右岸水面差0.12～1.80m。

4 結(jié)論和建議

新建金溝河引水樞紐采用直線式沉沙槽布置方案，通過(guò)水工模型造床平衡試驗(yàn)研究證明工程總體布置基本合理，達(dá)到了小流量減少泥沙進(jìn)入引水渠，提高引水比；中流量束水沖沙，保證引水閘門前清；大流量宣泄上游淤積泥沙，保持引水樞紐長(zhǎng)期有效運(yùn)行的目標(biāo)。為多泥沙、大洪量、短歷時(shí)的河流排沙引水提供了新的解決思路。通過(guò)本次模型試驗(yàn)，對(duì)直線式沉沙槽布置方案提出如下結(jié)論和建議：

a.經(jīng)過(guò)造床平衡后洪水過(guò)程線及典型洪水流量試驗(yàn)驗(yàn)證，正確使用閘門運(yùn)行方式，可保證進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

b.下游沖沙槽矩形段排沙順暢，幾乎沒(méi)有泥沙積滯堆積現(xiàn)象，表明設(shè)計(jì)的縱坡尺寸合理，但閘后漸變段存在泥沙淤積，需依靠閘門部分開(kāi)啟排出閘門后方積堵的泥沙。

c.泄洪槽后齒墻拋填鉛絲籠，防沖效果明顯好于拋石，但應(yīng)加大、加深防護(hù)范圍。

d.樞紐遇設(shè)計(jì)及校核洪水時(shí)，由于上游河道坡度大，流速增大，主流偏向左側(cè)岸，造成沖沙槽水位壅高進(jìn)一步加劇，建議加高閘墩及上游沖沙槽高度。