金溝河引水樞紐除險加固工程水工模型試驗探討

劉婷婷

(新疆金溝河流域管理局水利管理中心，新疆 沙灣 832100)

1 前言

金溝河引水樞紐工程是新疆沙灣縣西南金溝河流域的骨干性水利工程，流域現(xiàn)狀引水樞紐工程在金溝河中游河段的出山口位置，1959年建成后次年便投入蓄水使用，該引水樞紐為典型的費爾干式引水建筑物型式，正面和側(cè)面分別發(fā)揮引水和沖砂的功能。考慮到金溝河引水樞紐在運行過程中逐漸暴露出來的來水量不均勻、洪水集中、灌溉季節(jié)引水比高、枯水期流域來水全部入渠導(dǎo)致沖砂具有明顯的間歇性特征，造成上下游淤積不斷加劇等隱患，已經(jīng)對整個工程的安全運行造成嚴(yán)重威脅。此外，根據(jù)對費爾干式引水建筑物布置形式的分析不難看出，其在較高引水比下很難有效解決泥沙淤積的問題。為此，必須將金溝河引水樞紐拆除重建，增強除險加固方案的合理性以確保樞紐工程泄洪安全。根據(jù)樞紐工程原設(shè)計中的樞紐與天然河道泄流比分析，樞紐可控制大河來水量和天然河道來水量的70%與30%，此結(jié)論顯然缺乏科學(xué)依據(jù)，必須通過水工模型試驗進行設(shè)計水位及校核水位情況下天然河道和藍河樞紐泄水建筑物泄流比確定，并進行布置方案、泄洪排沙及消能防沖方案、泄水建筑物結(jié)構(gòu)尺寸等的優(yōu)化。

2 水工模型設(shè)計

2.1 模型設(shè)計

通過模型試驗主要研究金溝河引水樞紐工程泄洪閘修建后河道沖淤演變、取水防沙、引水分流等問題，考慮到金溝河引水樞紐工程所在河段較為彎曲，河床主要為砂卵礫石，河道缺乏穩(wěn)定性，為進行樞紐附近河道流態(tài)的模擬及工程建筑物的合理布置，模擬試驗范圍不宜過大，通過控制模型平面尺寸并分析試驗條件、泥沙粒徑及供水能力、試驗場地，采用變率1.35的變態(tài)模型[1]，水平和垂直幾何比尺分別為1∶80和1∶60，樞紐工程渠首水工模型長20.5 m，寬15.5 m，模擬范圍由導(dǎo)流堤頂端以上450 m至溢流堰和潰壩沖坑以下55 m。在綜合考慮幾何相似、推移質(zhì)運動相似、水流運動相似及重力相似準(zhǔn)則基礎(chǔ)上進行模型設(shè)計并根據(jù)《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗規(guī)程》(DL /T5244-2010)進行所設(shè)計模型放樣及安裝精度確定[2]。

本工程水工模型試驗以人工篩分后按照天然河床泥沙粒徑比尺配置的天然砂為模型沙，基于工程閘址河床泥沙粒徑級配曲線與泥沙粒徑比尺，進行模型沙級配曲線設(shè)計，再將篩分好的天然砂按照設(shè)計比混合，并填入模型臺面，按設(shè)計要求浸泡并壓實。再通過水準(zhǔn)儀進行起始試驗?zāi)Ｐ偷墓沃坪透叱炭刂啤?/p>

本除險加固工程河道來水量通過量水堰在上游首部量測，并采用量水堰在下游量測潰壩、泄洪沖沙閘、溢流堰流量；水深較淺處流速采用畢托管量測，水深達流速儀測流指標(biāo)時的流速采用旋槳流速儀測量；水準(zhǔn)儀與鋼板尺測量水位。

2.2 模型建筑物

水工模型中閘門由有機玻璃制成，其余建筑物制作均采用聚氯乙烯板材，引水樞紐導(dǎo)流堤、溢流堰過水?dāng)嗝妗⑷斯澋赖韧ㄟ^混凝土材料砌筑并抹面，將拋石坑設(shè)在溢流堰出口，并在拋石坑內(nèi)放置鉛絲籠。溢流堰兩側(cè)防沖墻由混凝土制成，以砂土和水混合料作為潰壩填充材料并抹面處理。根據(jù)DL/T 5244-2010進行模型測放精度、安裝精度及整個試驗過程的控制。為進行河道上游輸沙情況、預(yù)計形態(tài)、工程建筑物排沙效果等的真實反映，分別進行定床、動床河道模擬：河床部分通過水泥砂漿在1∶1000地形圖上進行定床模擬，而上下游河道則借助模型沙在1∶1000地形圖上進行鋪填和動床模擬，并在河道符合造床平衡條件的情況下進行設(shè)計方案輸沙試驗，在保證引水工況下試驗頻率及流量見表1。

表1 試驗頻率及流量

3 水工模型試驗成果

3.1 引水分流試驗

針對上游河道典型流量情況通過進水閘及泄洪沖沙閘閘門開度調(diào)整，以確保泄流量與閘門運行情況均符合設(shè)計流量運行要求，具體見表2。

表2 不同設(shè)計流量下閘門運行方式

表2結(jié)果顯示，通過泄洪沖沙閘及進水閘閘門開度的調(diào)整，基本可以滿足不同設(shè)計流量的調(diào)節(jié)需要，取水建筑物設(shè)計較為合理。在河道出現(xiàn)設(shè)計流量洪水且進水閘門全關(guān)閉情況下，閘門高度符合擋水要求；在河道出現(xiàn)校核洪水其閘門且無法實現(xiàn)進水閘全關(guān)的情況下，閘前水位達1385.50 m，比閘門頂高程高，所以閘門無法滿足擋水需要。當(dāng)設(shè)計流量為40 m3/s的情況下，閘室水位降至1382.43 m，比閘門頂高程和牛腿高程都低。河道校核洪水及設(shè)計洪水水平下，閘室水位最高達1382.50 m和1384.26 m，均比本工程牛腿高程低。

經(jīng)上述分析可知，在出現(xiàn)洪水、設(shè)計洪水及校核洪水下樞紐工程分流比并非為原設(shè)計所給出的70%，對于常態(tài)洪水，樞紐工程和河道的分流比分別為25%和75%，且在河道來水量持續(xù)增加的情況下，樞紐工程來水量控制要求不斷提高[3]。當(dāng)流量2503 m3/s時，保證和不保證進水閘引水情況下工程分流比分別為44%和46%，當(dāng)設(shè)計流量3084 m3/s，則保證和不保證進水閘引水情況下工程分流比均為48%。

3.2 泄洪試驗

當(dāng)河道設(shè)計流量3084 m3/s，全河道斷面過流，在河勢的作用下，河段左岸流速比右岸流速小，洪水流經(jīng)人工彎道內(nèi)，凹岸過流水面比凸岸高，分流比在樞紐段與河道段取值較為接近，右岸洪水流速、水深明顯較大，而整治河段右岸因地勢較高，并不會產(chǎn)生洪水淘刷問題。針對校核洪水，整治河段右岸河堤水位(1367.5 m)比堤頂高程(1365.0 m)高，整治河段左岸堤頂高程則符合設(shè)計要求。當(dāng)設(shè)計流量2503 m3/s時，整治河段左右岸堤頂高程也都符合設(shè)計水位要求。

3.3 設(shè)計洪水流速

在設(shè)計洪水和校核洪水情況下進行河道整治段、人工彎道段等處流速測量，進水閘全部關(guān)閉且泄洪沖沙閘全部開啟情況下，人工彎道處流速最大值3.88 m/s出現(xiàn)在閘前凸岸，由于河道右岸為主流場，進水閘閘門彎道處凹岸流速較低，所以校核洪水情況下流速最大值5.37 m/s出現(xiàn)在整治河段接近溢流堰位置。隨著設(shè)計流量值的逐漸增大，泥沙淤積于溢流堰和潰壩沖坑后的長度顯著增加，但拋石坑內(nèi)鋼筋籠并未出現(xiàn)大幅度移動和破壞，充分說明，在設(shè)計流量和校核流量情況下不會對工程樞紐結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響，溢流堰及潰壩結(jié)構(gòu)設(shè)計基本滿足消能沖刷要求，且因大量泥沙被裹挾至下游，有利于下游河床穩(wěn)定。

3.4 輸沙試驗

在枯水水文年流量概化且進水閘全部開啟、泄洪閘全部關(guān)閉的工況下，河道泥沙主要沿導(dǎo)流堤右岸和河道主槽右岸持續(xù)向下游輸移，并最終匯聚于人工彎道及泄洪閘入口處，且泥沙淤積量越來越多，泥沙淤積總量中進入進水閘中的比率為0.58%，通過輪流開啟泄洪閘閘門間歇排沙，可以使淤積泥沙在短期內(nèi)排入下游河道。

在平水水文年流量概化且進水閘和泄洪閘全部開啟的工況下，河道泥沙主要沿導(dǎo)流堤右岸逐漸匯集于泄洪閘閘前，僅有少量泥沙通過導(dǎo)流堤支流輸移至下游河道，并最終淤積于溢流堰和潰壩段而形成沙丘。當(dāng)泄洪閘閘門全部開啟排沙時，泥沙則淤積于人工彎道凸岸和閘前，為確保引水，沖沙閘閘孔全部關(guān)閉，則泥沙再次淤積于人工彎道凸岸和閘前[4]。造床流量340 m3/s時的輸沙試驗結(jié)果表明，沖沙閘閘孔排沙量占輸沙總量的4.1%。

在豐水水文年流量概化且進水閘全部開啟、泄洪閘閘孔輪流間歇開啟工況下，泥沙沿導(dǎo)流堤右岸輸移，淤積于右岸溢流堰段及潰壩段，且淤積厚度持續(xù)增加，導(dǎo)致主流和泥沙逐漸偏移至左岸，泥沙流經(jīng)溢流堰后匯集在放沖坑，泥沙淤積于泄洪閘前和人工彎道前的厚度不斷降低。

4 結(jié)論

金溝河引水樞紐除險加固工程水工模型試驗結(jié)果表明：常態(tài)洪水、流量2503 m3/s和3084 m3/s的情況下，樞紐分流比分別為25%、44%和48%，為加強樞紐工程分流量控制必須在各級流量下盡可能延長上游導(dǎo)流堤，通過泄洪閘和進水閘閘門開度調(diào)節(jié)，確保引入設(shè)計流量；泄洪閘實際泄流量及溢流堰校核洪水位實際泄流量均比泄流量設(shè)計值大，泄洪建筑物設(shè)計合理，且溢流堰與潰壩宣泄洪水時拋石坑內(nèi)鋼筋籠并未出現(xiàn)大幅度移動和破壞，符合抗沖要求。根據(jù)輸沙試驗結(jié)果，定期沖砂可以防止沖砂閘前泥沙長期淤積，確保閘門順利開啟，順次開啟泄洪閘閘門，淤積泥沙便在短期內(nèi)排入下游河道。