巴音溝河渠首泄洪閘沖刷模型試驗研究

于旭永

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子832000）

1 引言

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、擴建，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，防止大量泥沙進入下游工程而造成危害，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行并充分發(fā)揮效益，必須對巴音溝河渠首進行除險加固。由于巴音溝河渠首引水樞紐工程的引水與防沙矛盾突出，其泄洪排沙建筑物布置及工程運行調(diào)度是否合理直接影響樞紐引水與防沙功能的正常使用。采用模型試驗來對設(shè)計方案進行優(yōu)化是目前工程中廣泛采用的方法。因為通過模型試驗，研究泄洪閘過流能力，可以探索樞紐最佳設(shè)計方案，為工程規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支撐。

2 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33km，河谷兩岸基巖裸露，植被稀疏。工程區(qū)地理坐標為東經(jīng)85°12′～85°17′，北緯44°10′～44°41″。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)計洪水標準為30a一遇洪水（P=3.33%）；校核洪水標準為100a一遇洪水（P=1%）。內(nèi)庫正常蓄水位871.0m，對應(yīng)庫容9.34×105m3；引水閘設(shè)計引水流量35.5m3/s，加大引水流量42.6m3/s；外庫設(shè)計洪水位872.17m，校核洪水位873.10m，正常引水位871.75m；泄洪沖砂閘869m高程以下不淤泥時，設(shè)計泄量（P=3.33%）322m3/s，校核泄量（P=1%）471m3/s，考慮下游的消能防沖時，1#、2#泄洪沖砂閘最不利的情況就是其他閘孔關(guān)閉，設(shè)計水位872.17m時，流量264.2m3/s，校核水位873.1m時，流量338.6m3/s，3#、4#、5#泄洪沖砂閘，最不利情況是設(shè)計水位872.17m時，流量64.4m3/s，校核水位873.1m時，流量94.2m3/s；溢流堰設(shè)計流量42.6m3/s。

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

3 模型試驗準備

3.1 模型設(shè)計

根據(jù)水工模型試驗規(guī)范及水力學知識【1～5】，模型幾何比尺取40。考慮到工程水沙特點和具體情況，流向內(nèi)庫的泥沙以懸移運動為主，模型主要考慮泥沙沉降相似。確定模型泥沙運動相似的基本條件是：沉降和懸浮相似、挾沙能力相似。

3.2 模型沙選擇

由于由外庫進入內(nèi)庫的泥沙以懸移質(zhì)為主，懸沙粒徑較細，所以，需要選用密度和凝聚力較小的輕質(zhì)沙。因此，試驗選用鄭州熱電廠粉煤灰作為本模型的模型沙，是較為理想的材料。

3.3 試驗情況

5孔泄洪沖砂閘全開的試驗中，分別對設(shè)計流量322m3/s，校核流量471m3/s 2種工況下的流速及水深進行量測，下游水位按照設(shè)計提供的泄洪輸砂道出口水位進行控制。

4 模型試驗結(jié)果分析

4.1 水面線分析

試驗量測了設(shè)計洪水和校核洪水時外庫水面高程，結(jié)果表明，設(shè)計洪水時（流量322m3/s）內(nèi)庫上壩（壩頂高程876.2m）壩前水面高程875.7m較壩頂?shù)?.5m，在校核洪水時，壩前水面高于壩頂出現(xiàn)漫溢，建議加高內(nèi)庫上壩高度。

加高上壩段壩頂高程后，試驗量測了5孔全開時的水面線，結(jié)果見圖1。設(shè)計流量322m3/s工況下，上壩段水面高程可達875.7m；校核流量471m3/s工況下，上壩段水面高程可達876.28m。由于上游來流入外庫后，沖砂槽內(nèi)水深沿程減小，至槽0～73.60m后，受閘孔阻水影響，水深沿程增大，水流進入閘室后，受到側(cè)向收縮影響，水深減小。出閘室后受菱形沖擊波的影響，水面起伏較大，經(jīng)過消力池、防沖槽及海漫的調(diào)整后，1#、2#閘后輸砂道內(nèi)水深沿程減小。

圖1 不同工況下上游水面線（單位：m）

4.2 下游沖刷

試驗分別對設(shè)計流量322m3/s和校核流量471m3/s 2種工況下5孔泄洪沖砂閘全開時進行了沖刷試驗量測。沖刷試驗前按照原始河床地形進行鋪沙，范圍為3#～5#泄洪沖砂閘防沖槽后至距離泄洪輸砂道末端下游120m處。每組試驗沖刷時間為25.28h（模型4h）沖刷坑基本趨于穩(wěn)定。

圖2為設(shè)計流量322m3/s工況下3#～5#泄洪沖砂閘閘后沖刷坑形態(tài)，可以看出3#～5#閘下沖刷坑范圍主要在防沖槽末端9m范圍以內(nèi)，沖刷坑最深點高程為855.05m，最大沖刷深度約為5m，最深點距防沖槽末端2.2m，在防沖槽下游河道靠近左側(cè)輸砂道隔墩形成1條沖刷溝。校核流量471m3/s工況下，3#～5#泄洪沖砂閘閘后沖刷坑形態(tài)與設(shè)計流量322m3/s工況下的形態(tài)一致，如圖2b所示，只是沖刷坑范圍較設(shè)計流量322m3/s時有擴展，在防沖槽末端局部最大沖刷深度約為8.5m，最深點距防沖槽末端3.2m，防沖槽下游河道靠近左側(cè)沖沙槽墻墩形成1條沖刷溝，沖刷溝長為664m，寬24～69.6m，溝槽起始點高程為854.44m，末端高程為850.12m。

圖3分別為設(shè)計流量322m3/s及校核流量471m3/s工況下泄洪輸砂道下游沖刷坑形態(tài)，沖刷坑范圍主要在泄洪輸砂道出口向下游約70m范圍以內(nèi)。設(shè)計流量322m3/s時沖刷坑最深點高程為846.16m，最大沖刷深度為6.6m，最深點距泄洪輸砂道右側(cè)導(dǎo)墻末端22.10m，校核流量471m3/s時沖刷坑最深點高程為843.44m，最大沖刷深度為9.32m，最深點距泄洪輸砂道右側(cè)導(dǎo)墻末端34.80m。

圖2 防沖槽及下游沖刷情況

圖3 輸砂道下游沖刷情況

5 結(jié)語

1）設(shè)計洪水時（流量322m3/s）內(nèi)庫上壩（壩頂高程876.2m）壩前水面高程875.7m，較壩頂?shù)?.5m，在校核洪水時，壩前水面高于壩頂出現(xiàn)漫溢，建議加高內(nèi)庫上壩高度。

2）2種工況下沖刷坑基本趨于穩(wěn)定。