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。攔河引水樞紐設計洪水標準按100 年一遇，洪峰流量Q 為2340 m3/s，設計洪水位704.030 m；校核洪水標準按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 模型設計

2.1 模型比尺

模型設計遵循重力相似準則，采用正態模型，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 模型設計

模型模擬范圍為溢流堰、泄洪閘、生態閘、引水閘以及溢流堰、泄洪閘和生態閘之后的消力池。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。

為使模型試驗能夠較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）模型試驗規程》要求執行。

2.4 試驗內容

1）通過水工模型試驗對泄洪閘的布置及水力學性能作出評價，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、生態閘全關，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 泄洪閘水位流量關系表

試驗測定泄洪閘與溢流堰聯合過流時的下泄流量，設計洪水位時，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

1）正常工況及小流量工況時泄洪閘的流態較好，門槽處流態平穩，水面線平順，見圖2～圖3。從流量系數來看，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

圖3 小流量工況下泄洪閘閘門全開水流流態

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

圖4 設計工況下泄洪閘、溢流堰整體流態

圖5 設計工況下泄洪閘下游流態

圖6 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態

圖7 校核工況下泄洪閘下游流態

由圖2～圖7 知，不同流量下樞紐整體流態和泄洪閘流態比較好，門槽處水流流態較好，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%，建議進一步優化泄洪閘消能設施，如適當增加消力池深度、長度等。

4 優化方案及試驗成果

4.1 優化方案

為增大消能率，對泄洪閘的模型進行優化，見圖8。優化方案為：

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為圓形墩頭。

圖8 優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 試驗結果

通過模型試驗觀測，典型洪水位時優化方案泄洪閘的水流流態情況如下：

1）正常工況及小流量工況時泄洪閘的流態較好，門槽處水流平穩，水面線平順。優化方案下，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。可見，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

圖10 小流量工況下泄洪閘閘門全開水流流態

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

圖11 設計工況下泄洪閘、溢流堰整體流態

圖12 設計工況下泄洪閘下游流態

圖13 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態

圖14 校核工況下泄洪閘下游流態

5 結論

通過水工模型試驗可知，樞紐及泄洪閘流態平穩，門槽處水流流態較好，水面線平順，下泄流量達到要求。優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系曲線，為今后制定調度運行計劃提供依據，為工程后期設計提供試驗支持。