于旭永

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000）

巴音溝河引水樞紐建成于1957 年，是巴音溝河灌區(qū)最重要的骨干工程之一，是以灌溉為主，兼顧發(fā)電為一體的綜合性水利工程。巴音溝河渠首引水樞紐建成至今歷經(jīng)多次改建、增建，歷史演變過程較為復(fù)雜，但一直沒有解決好渠首引水與排砂的矛盾。為了改變目前渠首引水防沙條件，防止大量泥沙進(jìn)入下游工程造成危害，以保證第八師安集海灌區(qū)和沙灣縣安集海鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)用水安全，確保下游水利工程安全運(yùn)行并充分發(fā)揮效益，因此對(duì)巴音溝河渠首進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程，由于巴音溝河渠首引水樞紐工程的引水與防沙矛盾突出，泄洪排沙建筑物布置及工程運(yùn)行調(diào)度是否合理直接影響樞紐引水與防沙功能的正常使用。采用模型試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化是目前工程中廣泛采用的方法[1]，通過模型試驗(yàn)，研究泄洪閘過流能力，探索樞紐最佳設(shè)計(jì)方案，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

巴音溝河引水樞紐位于巴音溝河出山口處，該河段上至三道溝，全長約33 km，河谷兩岸基巖裸露，植被稀疏。改建方案采用內(nèi)外庫式布置，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇洪水（P=3.33%）；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇洪水（P=1%）。內(nèi)庫正常蓄水位871.0 m，對(duì)應(yīng)庫容93.4 萬m3；引水閘設(shè)計(jì)引水流量35.5 m3/s，加大引水流量42.6 m3/s；外庫設(shè)計(jì)洪水位872.17 m，校核洪水位873.10 m，正常引水位871.75 m；泄洪沖砂閘869 m 高程以下不淤時(shí)，設(shè)計(jì)泄量（P=3.33%）322 m3/s，校核泄量（P=1%）471 m3/s，考慮下游的消能防沖時(shí)，1#、2#泄洪沖砂閘最不利的情況就是其他閘孔關(guān)閉，設(shè)計(jì)水位872.17 m 時(shí)，流量264 m3/s，校核水位873.1 m時(shí)，流量339 m3/s，3#、4#、5#泄洪沖砂閘，最不利情況是設(shè)計(jì)水位872.17 m 時(shí)，流量64.4 m3/s，校核水位873.1 m 時(shí)，流量94.2 m3/s；溢流堰設(shè)計(jì)流量42.6 m3/s。

泄洪沖砂閘位于主河道，現(xiàn)狀閘址上游約105 m 處。左側(cè)通過冬季引水閘與溢流堰相連，右側(cè)與護(hù)岸連接。泄洪沖砂閘共設(shè)5 孔，左岸1#、2#為沖砂閘，右岸3#、4#、5#為泄洪閘，均采用開敞式平底閘，孔寬7 m，閘室總長20 m，為鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)；1#、2#沖砂閘底板高程867.0 m，3#、4#、5#泄洪閘底板高程869.0 m，閘頂高程均為875 m；為增強(qiáng)沖砂能力，1#、2#沖砂閘閘前設(shè)400 m 長、坡降i=0.015 的漿砌石鋪蓋為沖砂槽，槽底寬為20 m，閘室下游接防沖槽及泄洪輸砂道，下游總長900 m，底寬15.7 m；3#～5#泄洪閘閘室下游總長235.9 m。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

由于河流泥沙含量大、水流條件復(fù)雜，擬通過模型試驗(yàn)，驗(yàn)證泄洪閘、沖砂閘和溢流堰的過流能力及建筑物布置方案合理性。

3 模型試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)水工模型試驗(yàn)規(guī)范及水力學(xué)知識(shí)[2～6]，模型幾何比尺取40。考慮到工程水沙特點(diǎn)和具體情況，流向內(nèi)庫的泥沙以懸移運(yùn)動(dòng)為主，模型主要考慮泥沙沉降相似。確定模型泥沙運(yùn)動(dòng)相似的基本條件為：沉降和懸浮相似、挾沙能力相似。

3.2 試驗(yàn)方法

巴音溝河冬季枯水期泥沙含量小，夏季洪水期泥沙含量大，因此分別采用清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)研究建筑物過流能力。

模型進(jìn)口流量由變頻器控制水泵輸出，按電磁流量計(jì)讀數(shù)控制，引水閘利用三角形量水堰計(jì)算流量。庫水位用測針及連通庫管量測，流速采用旋槳流速儀測讀，含沙量量測采用比重瓶法，模型沙級(jí)配采用激光粒度儀量測。

3.3 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)在黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院進(jìn)行，五孔泄洪沖砂閘全開的試驗(yàn)中，分別對(duì)設(shè)計(jì)流量322 m3/s，校核流量471 m3/s 兩種工況下的流速及水深進(jìn)行量測，下游水位按照設(shè)計(jì)提供的泄洪輸砂道出口水位進(jìn)行控制。

4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 泄洪沖砂閘過流能力分析

通過泄流能力試驗(yàn)確定泄洪沖砂閘的水位流量關(guān)系曲線，并驗(yàn)證該建筑物是否滿足設(shè)計(jì)泄流能力要求。泄洪沖砂閘前水位采用測針及連通庫管量測，測針位于閘前25 m 處，模型實(shí)測泄洪沖砂閘前未淤積時(shí)水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)見表1，1#～2#沖砂閘單獨(dú)運(yùn)用，3#～5#泄洪閘單獨(dú)運(yùn)用以及5 孔全開時(shí)的水位流量關(guān)系曲線分別見圖1～圖3，特征水位下流量見表1。

1#～2#泄洪沖砂閘開啟時(shí)，閘前水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位872.17 m時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測流量為329 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算值264 m3/s 大24.63%，閘前水位達(dá)到校核水位873.10 m 時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測流量為400 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算值339 m3/s 大18.12%，滿足泄量能力要求。試驗(yàn)表明，當(dāng)閘前未產(chǎn)生淤積時(shí)，泄流有較大富裕。

圖1 1#～2#沖砂閘水位流量關(guān)系

圖2 3#～5#沖砂閘水位流量關(guān)系

圖3 1#～5#沖砂閘水位流量關(guān)系

表1 沖砂閘水位流量實(shí)測數(shù)據(jù)

1#～5#泄洪沖砂閘全部運(yùn)用達(dá)到正常水位871.75 m 時(shí)，實(shí)測流量為469 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算值261 m3/s 大79.69%，設(shè)計(jì)水位872.17 m 時(shí)，實(shí)測流量為570 m3/s，較設(shè)計(jì)流量322 m3/s 大76.02%，閘前水位達(dá)到校核水位873.10 m 時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測流量為800 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算值471 m3/s 大69.85%，滿足泄量要求。試驗(yàn)表明，當(dāng)閘前未產(chǎn)生淤積時(shí)，泄流有較大富裕。

4.2 溢流堰過流能力復(fù)核

試驗(yàn)量測溢流堰8 孔全開時(shí)的水位流量關(guān)系曲線見圖4，將設(shè)計(jì)計(jì)算一并繪入圖中。特征水位下溢流堰泄流量統(tǒng)計(jì)于表2，綜合流量系數(shù) 用實(shí)測流量按公式（1）計(jì)算：

式中：Q 為實(shí)測流量；B 為閘孔凈寬；H0為包括行進(jìn)流速水頭的閘前水頭。

從表圖中可以看出，溢流堰正常水位871.78 m 時(shí)的試驗(yàn)流量為42.7 m3/s，接近設(shè)計(jì)計(jì)算值42.6 m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)觀測，當(dāng)外庫水位超過設(shè)計(jì)水位872.17 m 時(shí)，溢流堰為淹沒出流，低于外庫設(shè)計(jì)水位872.17 m 時(shí)為自由出流。

表2 溢流堰設(shè)計(jì)流量統(tǒng)計(jì)

圖4 溢流堰水位流量關(guān)系

4.3 引水閘過流能力復(fù)核

引水閘出口為無壓明流，在溢流堰正常引水時(shí)，引水閘即有水可引，引水閘前水位與引水流量的關(guān)系見圖5。當(dāng)內(nèi)庫水位高于867.04 m，引水閘可以引到正常設(shè)計(jì)流量35.5 m3/s，當(dāng)內(nèi)庫水位高于867.43 m，引水閘可以引到加大流量42.6 m3/s。

圖5 引水閘水位流量關(guān)系

4.4 溢流堰清水試驗(yàn)

4.4.1 水流流態(tài)及流速分布

試驗(yàn)量測溢流堰設(shè)計(jì)流量為42.6 m3/s 時(shí)，實(shí)測堰前水位為871.78 m，引水閘前內(nèi)庫水位為867.42 m。溢流堰前水流相對(duì)平穩(wěn)，無明顯的水流波動(dòng)，僅在閘墩附近有微小的繞流，經(jīng)過消力池后水流平穩(wěn)進(jìn)入內(nèi)庫，庫內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)。

試驗(yàn)在溢流堰至引水閘之間布設(shè)9 個(gè)流速斷面，除斷面1外，其余斷面之間間隔均為20 m，每個(gè)斷面布設(shè)9 條垂線。內(nèi)庫流速分布見圖6，可以看出，內(nèi)庫流速非常小，主流帶位于溢流堰出口與引水閘之間，在引水閘口附近表面流速相對(duì)大一些，流速為0.3 m/s～0.4 m/s。

圖6 溢流堰設(shè)計(jì)流量42.6 m3/s 時(shí)內(nèi)庫表面流速分布（單位：m/s）

4.4.2 壓力分布

溢流堰單孔堰面上共布設(shè)13 個(gè)測壓點(diǎn)，試驗(yàn)量測了設(shè)計(jì)流量42.6 m3/s 工況下，溢流堰沿程壓力分布，見圖7，可以看出，堰面壓力均為正壓，堰面壓力分布規(guī)律為上游堰面呈下降曲線，下游堰面呈上升曲線，低壓區(qū)位于堰頂偏下游部位。

圖7 設(shè)計(jì)流量42.6 m3/s 時(shí)溢流堰壓力分布圖

4.5 溢流堰、內(nèi)庫運(yùn)行懸沙渾水試驗(yàn)

巴音溝河水系及水文站- 黑山頭站共有8 年完整懸移質(zhì)泥沙實(shí)測資料，各年平均含沙量為5.53 kg/m3，因此，試驗(yàn)采用黑山頭站各年平均含沙量作為入庫含沙量。

內(nèi)庫運(yùn)行2.4 d（模型4.5 h），每間隔3.16 h（模型0.5 h）取一次含沙量。由于水深較淺，試驗(yàn)中僅僅取表面含沙量進(jìn)行分析，內(nèi)庫含沙量分布見圖8?？梢钥闯觯缌餮咧烈l間的含沙量相對(duì)較大，而內(nèi)庫主流帶區(qū)域含沙量相對(duì)較大，低流速區(qū)含沙量較小，說明當(dāng)溢流堰與引水閘之間落淤后，在推移作用下，內(nèi)庫其余部分逐漸有淤積，但是淤積量比主流帶區(qū)域的淤積要少的多，這一結(jié)果在淤積地形中得到證明。

圖8 內(nèi)庫含沙量等值線圖（單位：kg/m3）

試驗(yàn)歷時(shí)2.4 d（模型4.5 h）后，在流速斷面的基礎(chǔ)上量測淤積高程，形成見圖9 的淤積地形。內(nèi)庫淤積帶主要在溢流堰至引水閘的主流速區(qū)內(nèi)。溢流堰消力池后有非常明顯的落淤點(diǎn)，淤積高程最高可達(dá)867 m，較引水閘前高程864 m 高出3 m，然后向內(nèi)庫平緩?fù)埔?，淤積高程逐漸降低，至引水閘閘前淤積高程為864.2 m 左右，高出引水閘底板0.2 m，閘前拉沙漏斗距離引水閘進(jìn)口中心線約為12 m。

圖9 運(yùn)行2.4 d 后內(nèi)庫淤積地形

內(nèi)庫繼續(xù)不斷淤積，內(nèi)庫運(yùn)行4.75 d（模型9 h）后，形成見圖10 的淤積地形。內(nèi)庫淤積帶仍然主要在溢流堰至引水閘的主流速區(qū)內(nèi)，但是相比歷時(shí)2.4 d 時(shí)的淤積地形向內(nèi)庫上游擴(kuò)散范圍增大，內(nèi)庫淤積高程也繼續(xù)增大，淤積高程最高可達(dá)867.44 m，較引水閘前高程864 m 高出3.44 m；之后淤積高程逐漸降低，閘前拉沙漏斗距離約為8 m，較歷時(shí)2.4 d 時(shí)的漏斗距離減小，內(nèi)庫淤積向引水閘進(jìn)口推移，漏斗頂高程為866.56 m，高出引水閘底板約2.56 m。

圖10 內(nèi)庫運(yùn)行4.75 d 淤積地形

淤積試驗(yàn)總歷時(shí)4.75 天（模型9 h）后，引水閘出口含沙量與Sc內(nèi)庫入庫含沙量Sj的相對(duì)關(guān)系隨歷時(shí)的變化見圖11，比值在范圍0.2～0.4 之間波動(dòng)。

圖11 引水閘出口含沙量與內(nèi)庫入庫含沙量關(guān)系

5 結(jié)論

（1）泄洪沖砂閘滿足泄流能力要求，當(dāng)閘前未產(chǎn)生淤積時(shí)，泄流有較大富裕。

（2）溢流堰設(shè)計(jì)流量為42.6 m3/s 時(shí)，主流帶位于溢流堰出口與引水閘之間，在引水閘口附近表面流速相對(duì)大一些，流速為0.3 m/s～0.4 m/s。

（3）溢流堰堰面壓力分布規(guī)律為上游堰面呈下降曲線，下游堰面呈上升曲線，低壓區(qū)位于堰頂偏下游部位。

（4）溢流堰設(shè)計(jì)流量為42.6 m3/s 時(shí)，引水閘閘前有繞流產(chǎn)生，靠近引水閘進(jìn)口上游產(chǎn)生一個(gè)漏斗漩渦，漩渦強(qiáng)度小且不串通。