新疆某水利樞紐工程引水閘水工模型試驗研究

雷震霄

（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、引水閘、岸邊仿生魚道等建筑物組成。工程等別為Ⅰ等大（1）型，攔河引水樞紐各個建筑物為1級建筑物。引水閘位于河床左岸臺地，引水閘軸線與泄洪閘軸線夾角30°，正常引水位701.90 m，設計引水流量65 m3/s。

引水閘共2孔，單孔凈寬5.0 m。引水閘前設置攔沙坎對防止泥沙進入有顯著效果。據水文泥沙資料統計，布爾津河泥沙含量很小，多年平均含沙量僅為0.066 kg/m3。對于河床較穩定、含沙量少的河流，攔沙坎高度可比河床平均高程高出0.5 m～0.8 m。考慮本工程位于沖乎爾大壩下游1.1 km處，屬于長距離隧洞引水，為提高攔沙效果，本工程攔沙坎高度比河床平均高程高出0.8 m。閘底板高程698.0 m，閘頂高程707.0 m，閘室長25 m。閘后布置消能段和隧洞進口矩形槽連接段。消能段由陡坡段與消力池段組成，陡坡段長15 m，寬度由12 m漸變到7.5 m，坡度1∶5，消力池段長15 m，底板高程695.0 m，寬度7.5 m，池深0.897m。矩形槽連接段長29.015 m，底板起始端高程695.897 m，寬7.5 m，縱坡0，其后與隧洞相接。

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）。

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《水工（常規）模型試驗規程》（SL 155-2013）要求執行。

整體模型平面圖見圖1，引水閘布置圖見圖2，整體水工模型安裝見圖3。

2.4 試驗內容

1）試驗各運行工況下進水閘的流量和流態，評價引水閘底板高程、孔口尺寸等設計是否合理。

2）通過實驗評價二期引水閘的引水防沙效果，并驗證二期引水閘進口底板高程及引水角度是否滿足引水防沙要求。可通過測定攔沙坎前流速來判定沖砂效果。

3）驗證引水閘、閘后消能及引水隧洞的水流銜接情況和水流流態是否平穩。

圖1 整體模型平面圖

圖2 引水閘布置圖

圖3 某攔河引水樞紐水工模型圖

3 試驗成果

3.1 原設計過流能力計算成果

該工程以輸水為主，故應保證設計方案在任何洪水位下引水閘都能滿足正常引水要求。

引水閘采用平底閘，寬頂堰流處于高淹沒時，閘孔凈寬按高淹沒堰流公式計算。引水閘全開5月～11月過流能力計算成果見表1。

表1 引水閘全開5月～11月過流能力計算成果

冬季（12月～次年4月）沖乎爾水電站正常運行，據現場實際運行情況，冬季沖乎爾電站下游1 km附近僅在岸邊處會形成少量固冰，河道未整體封凍。結合冰水數學模型研究成果，引水閘前斷面最大冰厚為0.65 m。沖乎爾攔河閘冬季最低引水位為700.3 m，較正常設計引水位701.9 m低1.6 m，按0.65 m最大模擬計算冰厚分析，仍有0.95 m的水位變幅空間，可滿足正常引水要求。

冬季某水利樞紐引水流量38.05m3/s相對較小（4月54.87 m3/s除外），此時需通過控制泄洪閘閘門開度維持正常引水位，以滿足受水區正常引水流量要求。

運行方式如下:

1）根據正面排沙側面引水的布置，考慮引水閘前“門前清”的需要，優先開啟泄洪閘左側邊孔；

2）根據生態流量下泄的需要，生態閘全年常開；

3）引水閘閘門全開情況下，保證12月～來年3月份、4月份兩個不同引水流量，泄洪閘、溢流堰和生態閘泄洪時的上游不同水位見表2。

表2 引水閘全開工況下引不同流量上游水位

4）引水閘門局開情況下，保證12月～來年3月份、4月份兩個不同引水流量，泄洪閘、溢流堰和生態閘泄洪時的上游不同水位見表4。

表3 引水閘局開工況下引不同流量上游水位

3.2 模型試驗流能力成果

為測定引水閘過流能力、驗證不同工況下引水閘的調度情況，共進行了10組試驗，見表4。

通過水工模型試驗的觀察、測量，在不同洪水位下的不同的調度方式中，引水閘均能滿足65 m3/s的過流要求；在冬季時，引水閘均能滿足12月～來年3月份38.05 m3/s、4月份54.87 m3/s的過流要求。

表4 引水閘引水流量表

3.3 沿程水流流態

通過模型試驗觀測，不同洪水位時引水閘的水流流態情況如下:

在不同工況下的不同的調度方式中，引水閘均能滿足過流要求，且水流流態較平穩，門槽處水流流態較好，水面線較為平順。水流在下游消力池形成淹沒出流，消能效果良好，消能段之后的彎道處水流平穩，水流能平順地進入隧洞，無明顯波動、回流、旋渦等不利水流條件，下游隧洞進流順暢。典型工況流態具體見圖4～圖10。

圖4 工況一引水閘消力池流態圖

圖5 工況三 引水閘流態圖

圖6 工況五引水閘流態圖

圖7 工況六 引水閘消力池流態圖

圖8 工況七引水閘消力池流態圖

圖9 工況十 引水閘流態圖

圖10 冬季模擬冰面整體流態圖

3.4 沿程流速分布

試驗沿引水閘布置了13個觀測點，其中上游段6個，引水閘3個，下游段4個，為測得閘門槽處的水力特性，于閘門槽中心處設置第8個測點，分別觀測了各工況下引水閘的流速分布，引水閘測點見圖11。

圖11 引水閘測點表示圖

通過模型試驗觀測，不同洪水位時引水閘的測點流速見表5。

通過水工模型試驗的觀測，在不同工況下的不同的調度方式中，引水閘水流平穩，流速分布合理；引水閘閘底板高程布置合理，引水閘閘底板高程比泄洪沖砂閘閘底板高程的高出0.8 m，使其充分發揮攔沙作用，同時各工況下引水閘的6號測點流速均大于0.5 m/s，使得泥沙能夠從泄洪閘順利排出，使引水閘達到引水防砂的要求。

4 結論

本次模型試驗成功模擬了引水閘的水流流態、過流能力，驗證了設計方案引水閘孔口尺寸布置合理，在不同工況下的不同的調度方式中，均能滿足過流要求，水流平穩，引水閘能充分發揮攔砂作用，且消能效果良好，消能段之后的彎道處水流平穩，水流能平順地進入引水隧洞。通過模型試驗研究，為今后制定調度運行計劃提供了依據，為下一階段的設計工作打下了基礎。

表5 引水閘測點流速表