金溝河引水樞紐工程布置研究

吳建瑞

(新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100)

新疆流域內(nèi)的河流多存在泥沙含量大且洪水集中等問題。為解決該問題，19世紀(jì)的新疆積極引入蘇聯(lián)的工程經(jīng)驗(yàn)，在整個(gè)新疆流域廣泛應(yīng)用“費(fèi)爾干”式引水樞紐，如巴音河渠首、呼圖壁河呼圖壁渠首等。原金溝河也采用“費(fèi)爾干”式引水樞紐。對(duì)新疆多泥沙河流而言，“費(fèi)爾干”式引水樞紐的引進(jìn)有一定的積極意義，但僅一種引水方式難以應(yīng)用到各個(gè)河道中。為發(fā)揮各類引水樞紐的工程效果，必須滿足其前置的特定條件，在應(yīng)用“費(fèi)爾干”式引水樞紐時(shí)，為便于形成橫向環(huán)流，其應(yīng)用場(chǎng)地需先具備人工修建的或天然具備的一定曲率的河流彎道，且需以下切河道為主，在具備排沙條件的位置需長(zhǎng)期具備一定的沖沙流量[1]。

新疆金溝河水流主要來源于消融的冰川積雪，歷年7—8月的洪峰流量最大，其余時(shí)段的流量則較小。因兩岸山體的影響，原金溝河引水樞紐的上游彎道半徑較大、河道較寬，且原渠首在引水比極高的條件下有嚴(yán)重的泥沙淤積[2]。針對(duì)上述問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件、引水比及洪水特性，最終決定采用直線型引水渠道，并增加進(jìn)水閘底板高程，在進(jìn)水閘前設(shè)置沖沙廊道，中流量沖沙、小流量引水、大流量沖刷上游淤積泥沙到下游的金溝河引水樞紐設(shè)計(jì)方案。為驗(yàn)證該方案的應(yīng)用效果，本文將通過水工模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，并根據(jù)結(jié)果提出優(yōu)化措施。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

金溝河引水樞紐工程設(shè)計(jì)和校核的洪水標(biāo)準(zhǔn)分別是P=5%(Q=363.4 m3/s)、P=2%(Q=559.0 m3/s)。擬定設(shè)計(jì)方案的布置形式為側(cè)面引水、正面泄洪沖沙，引水樞紐工程的組成部分包括上下游導(dǎo)流堤、沖沙閘、進(jìn)水閘及沉沙沖沙槽等建筑物。

在左岸臺(tái)地布設(shè)3.0 m×3.5 m的三孔進(jìn)水閘，閘地板高812 m，進(jìn)水閘和沖沙閘有30°的軸線夾角，右側(cè)連接沖沙閘。在河床左側(cè)布設(shè)2.0 m×3.5 m的兩孔沖沙閘，閘底板高810 m，沖沙閘前的沖沙沉沙槽寬8.6 m、長(zhǎng)70.0 m，沉沙槽上游始端右側(cè)設(shè)3.0 m×6.5 m的三孔泄洪閘，閘底板高810 m，泄洪閘右側(cè)連接上游導(dǎo)流堤，且導(dǎo)流堤以上60 m設(shè)有長(zhǎng)60 m的自潰壩。具體見圖1。

以該布置為基礎(chǔ)開展造床平衡試驗(yàn)，以探討設(shè)計(jì)方案的合理性。

2.2 模型比尺

綜合考慮該模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及前提條件，選擇以正態(tài)模型開展試驗(yàn)，以弗勞德相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以1∶40建設(shè)模型。

2.3 造床流量、推懸比和含沙量

綜合分析泥沙、洪水及水文等因素，此次水工模擬試驗(yàn)以90%頻率的洪水流量作為所需造床流量，即Q造床=66.4 m3/s；懸移質(zhì)含沙量多年平均值為6.31 kg/m3；推懸比為15%設(shè)計(jì)值[3]。

3 水工模型試驗(yàn)成果分析

3.1 造床平衡試驗(yàn)結(jié)果

在設(shè)計(jì)方案中，泄洪閘閘底板高程相對(duì)抬高約1 m，使河道的水流挾沙能力及天然縱坡值有所改變，所導(dǎo)致的輸沙不平衡將導(dǎo)致河床產(chǎn)生變形[4]。為探討持續(xù)運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后工程新的造床平衡形態(tài)，和引水樞紐在河床平衡后的運(yùn)行情況，決定開展造床平衡試驗(yàn)。

為模擬原始地形，所用造床流量為66.4 m3/s，并以62.85 kg/s推移質(zhì)輸沙率添加模型沙，通過清水試驗(yàn)確定閘門運(yùn)行方式并以此控制沖沙閘閘門：控制進(jìn)水閘引水流量保持在45.0 m3/s，若上游沖沙槽中泥沙淤積至和進(jìn)水閘前擋沙坎高度相同，則放開沖沙閘以進(jìn)行間接性沖沙，在泥沙淤積高度小于一半坎高時(shí)調(diào)整沖沙閘開啟高度，確保進(jìn)水閘引水流量保持在45.0 m3/s，重復(fù)該操作直到造床平衡。造床試驗(yàn)前后歷經(jīng)約4個(gè)月后達(dá)到平衡狀態(tài)。

3.2 造床平衡后常遇洪水過程線試驗(yàn)結(jié)果

為探討常遇洪水時(shí)新建引水樞紐在造床平衡后的渠首運(yùn)行情況，以該地區(qū)常遇洪水資料為準(zhǔn)開展模擬試驗(yàn)。常遇洪水過程線如圖2所示。

圖2 常遇洪水過程線

出于試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)?zāi)Ｐ碗y以完全擬合洪水的考慮，決定整合相關(guān)流量數(shù)據(jù)并劃分成八段，具體如表1所示。

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

(1)A段。打開1號(hào)沖沙閘門0.4 m，關(guān)閉其余沖沙閘和泄洪閘，以11 m3/s流量泄流，打開進(jìn)水閘門，保證以45 m3/s流量從進(jìn)水閘門引水。從結(jié)果看：模型上游河道主流方位偏向左側(cè)岸，距離泄洪閘門前約70 m位置有少量壅水，閘門前泥沙基本不流動(dòng)，模型上游段沖沙槽周邊水流平緩，僅攜帶少量泥沙，進(jìn)水閘在試驗(yàn)時(shí)未流入泥沙。

(2)B段。打開進(jìn)水閘并關(guān)閉其他閘門，全部用于引水。從結(jié)果看：模型上游河道仍以偏向左側(cè)岸作為水流主流方向，泥沙緩慢流動(dòng)，閘口前水流穩(wěn)定，進(jìn)水閘口未流入泥沙。

(3)C段。打開進(jìn)水閘引水45 m3/s，1號(hào)沖沙閘開啟0.96 m，1號(hào)泄洪閘開啟0.16 m，關(guān)閉其余閘門，以25 m3/s流量泄流。上游河道仍以偏左側(cè)岸為水流主流方向，沖沙槽內(nèi)流入部分泥沙，泥沙經(jīng)過76 min沖運(yùn)后移動(dòng)至進(jìn)水閘擋沙坎前，淤積高度基本等于進(jìn)水閘底板高度，且擋沙坎上堆積有部分泥沙。為避免泥沙進(jìn)入進(jìn)水閘，將沖沙閘打開進(jìn)行間歇性沖沙，經(jīng)48 min的間歇性沖刷后，1號(hào)沖沙閘門前1/3區(qū)域泥沙被沖走，因上游水位在間歇性沖沙前較低，因而有泥沙持續(xù)進(jìn)入沖沙槽內(nèi)，在沖刷60 min后，沖沙槽內(nèi)的泥沙高度已經(jīng)小于進(jìn)水閘前擋沙坎高度。再次調(diào)整沖沙閘門開度，保障進(jìn)水閘門以25 m3/s流量引水，此時(shí)上游水流平穩(wěn)，且進(jìn)水閘沒有泥沙進(jìn)入。

(4)D段。關(guān)閉泄洪閘，開啟1號(hào)沖沙閘0.2 m，關(guān)閉2號(hào)沖沙閘，以5 m3/s流量泄流，打開進(jìn)水閘，保證進(jìn)水閘以45 m3/s流量引水。泄洪閘前面100 m位置有輕微壅水，閘前泥沙不流動(dòng)，進(jìn)水閘沒有進(jìn)入泥沙。

(5)E段。關(guān)閉沖沙閘和泄洪閘，打開進(jìn)水閘，以36 m3/s流量引水，河道上游及下游試驗(yàn)條件同A段。

(6)F段。沖沙槽內(nèi)進(jìn)入大量泥沙，且進(jìn)水閘擋沙坎前很快有泥沙堆積。將沖沙閘間接性打開以進(jìn)行60 min沖沙后，擋沙坎前泥沙堆積高度小于擋沙坎高度。關(guān)閉2號(hào)泄洪閘和3號(hào)泄洪閘，打開1號(hào)泄洪閘0.28 m并以21 m3/s流量泄洪；打開1號(hào)沖沙閘0.96 m、關(guān)閉2號(hào)沖沙閘，以25 m3/s流量泄流，打開進(jìn)水閘并以45 m3/s流量引水。從試驗(yàn)結(jié)果看，仍有部分泥沙進(jìn)入沖沙槽，但進(jìn)水閘沒有泥沙進(jìn)入。

(7)G段。因洪水已將泥沙沖入進(jìn)水閘擋沙坎前，因此，需間歇性打開沖沙閘沖沙，擋沙坎前堆積的泥沙經(jīng)60 min的沖沙后小于擋沙坎高度。開啟1號(hào)沖沙閘0.96 m，關(guān)閉泄洪閘，以25 m3/s流量泄流，進(jìn)水閘以45 m3/s流量引水。沖沙槽中進(jìn)入部分泥沙，經(jīng)144 min后，進(jìn)水閘擋沙坎前又再次出現(xiàn)泥沙堆積，間歇性打開沖沙閘進(jìn)行沖沙，經(jīng)60 min后泥沙高度小于擋沙坎高度。

(8)H段。進(jìn)水閘以45 m3/s流量引水，開啟1號(hào)沖沙閘0.2 m，關(guān)閉沖沙閘，以5 m3/s流量泄流。上游河道主流方位從原有偏向左側(cè)岸擺向中間，進(jìn)水閘前又以左岸為主要偏向。上游有平穩(wěn)水流且進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

各控制點(diǎn)在常遇洪水時(shí)的水位見表2。

表2 各控制點(diǎn)在常遇洪水時(shí)的水位 m

從結(jié)果看：在上游水流<66.4 m3/s造床流量時(shí)，上流河道流速較小，泄洪閘前水位較高，進(jìn)入沖沙槽的泥沙較少；在上游水流超出造床流量時(shí)，河道挾沙量增多，尤其是70.0 m3/s流量以上時(shí)，閘前流速增加，又因?yàn)樾购殚l局部打開而排沙較少，導(dǎo)致沖沙槽進(jìn)入大量泥沙。因此，在泥沙到進(jìn)水閘擋沙坎前且泥沙淤積高度等于擋沙坎高度時(shí)，需將沖沙閘間歇打開以進(jìn)行沖沙。洪水模擬過程持續(xù)64 h，上游加沙量共計(jì)1940.0 t，而排沙量只有820.6 t，多數(shù)泥沙在上游河道淤積，進(jìn)水閘不進(jìn)沙。

3.3 造床平衡后典型流量試驗(yàn)結(jié)果

以常遇洪水過程線典型段為研究對(duì)象，探討各控制點(diǎn)泥沙淤積情況和水位情況，為工程閘門的啟閉和布置提供了參考。在此基礎(chǔ)上，對(duì)沖沙槽在設(shè)計(jì)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)下有無設(shè)置側(cè)堰的情況開展試驗(yàn)研究，以獲得泄洪槽下游沖刷形態(tài)和控制點(diǎn)水位情況。

3.3.1 設(shè)計(jì)洪水洪峰流量的研究

在Q=363.4 m3/s的基礎(chǔ)上，探討自然分水和沖沙閘控制運(yùn)行兩種工況下運(yùn)行情況[5]。

自然分水工況：打開進(jìn)水閘、沖沙閘和泄洪閘進(jìn)行自然分水，此時(shí)Q進(jìn)=13.92 m3/s、Q沖=115.53 m3/s、Q泄=234.05 m3/s。上游河道水流主流偏向左側(cè)且流速較快，泄洪閘前橫向比降明顯，沖沙槽中沒有泥沙進(jìn)入，但槽內(nèi)水面波動(dòng)較大，在泄洪閘處有較多泥沙排向下游。關(guān)閉進(jìn)水閘，打開沖沙閘和泄洪閘，此時(shí)Q沖=117.83 m3/s、Q泄=245.67 m3/s。相比于自然分水時(shí)的水深情況，上游沖沙槽內(nèi)有更明顯的水深及水面波動(dòng)情況，水位保持在814.00～815.72 m。

沖沙閘控制運(yùn)行工況：關(guān)閉進(jìn)水閘，調(diào)整沖沙閘開啟程度，開啟1號(hào)沖沙閘1.84 m，開啟2號(hào)沖沙閘1.68 m，使沖沙槽以70.0 m3/s流量泄流，打開泄洪閘，以293.5 m3/s流量泄流。因沖沙閘運(yùn)行受限，因此，上游沖沙槽內(nèi)和泄洪閘前有顯著壅高的水位，在沖沙閘前有最高水位，入口水位約為815.63 m，原因在于造床平衡后，相比于原始地形，上游地形有更大的地形坡降，流速更快。上游水流主流方向偏向左岸，1號(hào)泄洪閘和沖沙槽沒有泥沙進(jìn)入，2號(hào)泄洪閘和3號(hào)泄洪閘往下游排出大量泥沙，且排沙過程較為順暢。下游河道主流方向偏向左岸，右岸齒墻后有回流現(xiàn)象，且有802.340 m最大沖深高程。

模擬試驗(yàn)共進(jìn)行了3 h 10 min，加沙量和排沙量分別為619.30 t和486.74 t，有約78%的排沙率，說明泄洪閘有非常好的排沙效果，沖沙槽內(nèi)沒有泥沙進(jìn)入。

3.3.2 校核洪水洪峰流量+沖沙槽未設(shè)側(cè)堰的研究

自然分水工況：打開進(jìn)水閘、沖沙閘和泄洪閘進(jìn)行自然分水，此時(shí)Q進(jìn)=26.98 m3/s、Q沖=131.15 m3/s、Q泄=400.87 m3/s，即校核洪峰流量Q=559.00 m3/s，排沙效果和水流流態(tài)類似于設(shè)計(jì)洪水洪峰流量時(shí)的情況。

沖沙閘控制運(yùn)行工況：關(guān)閉進(jìn)水閘，調(diào)整沖沙閘開啟程度，1號(hào)沖沙閘開啟2.24 m，2號(hào)沖沙閘開啟2.08 m，控制沖沙槽以90.00 m3/s流量泄流，打開泄洪閘，以469.00 m3/s流量泄流。排沙效果和水流流態(tài)類似于設(shè)計(jì)洪水洪峰流量時(shí)的情況，齒墻后有798.46 m的最大沖深高程。

模擬實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行3 h 10 min，加沙量和排沙量分別為952.40 t和1113.12 t，有約116%排沙率，表明泄洪閘有較好的排沙效果，進(jìn)水閘及沖沙槽沒有泥沙進(jìn)入。

3.3.3 校核洪水洪峰流量+沖沙槽設(shè)置側(cè)堰的研究

考慮到造床平衡后有較高的校核洪水位，因此，將沖沙閘前10～42 m范圍內(nèi)的左側(cè)沖沙槽邊墻改建成側(cè)堰。為增加下泄流量，減小上游水位，以設(shè)計(jì)洪水位高度作為側(cè)堰底部設(shè)計(jì)高程，為815.22 m。

沖沙閘控制運(yùn)行工況：關(guān)閉進(jìn)水閘，調(diào)整沖沙閘開啟程度，1號(hào)沖沙閘開啟2.24 m，2號(hào)沖沙閘開啟2.08 m，確保沖沙槽以泄流，打開泄洪閘，使泄洪閘和側(cè)堰一起泄流。因側(cè)堰的設(shè)置使得上游沖沙槽的水流流速變緩，因此2號(hào)沖沙閘前有最高水位。上游水流主流方向偏向左岸，1號(hào)泄洪閘和沖沙槽均沒有泥沙進(jìn)入，多數(shù)泥沙流入2號(hào)泄洪閘和3號(hào)泄洪閘并往下游方向排放，且排沙順暢。泄洪閘后泄水槽上游直線段有均勻水流。

4 結(jié) 語

(1)從典型洪水流量試驗(yàn)及造床平衡后洪水過程線試驗(yàn)結(jié)果看，閘門的正確運(yùn)行方式可確保進(jìn)水閘沒有泥沙進(jìn)入。

(2)下游矩形段沖沙槽未出現(xiàn)堆積泥沙的情況，有較為順暢的排水，說明縱坡尺寸的設(shè)計(jì)合理，但沖沙閘后漸變段有淤積一定量的泥沙，需開啟沖沙閘排出。

(3)在遭遇校核洪水或設(shè)計(jì)洪水時(shí)，因上游河道有較大坡度，導(dǎo)致河道主流偏向左岸，進(jìn)一步加劇了沖沙槽水位壅高，建議增加上游沖沙槽及閘墩高。