金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程水工模型試驗(yàn)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(fèi)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(yùn)行過(guò)程中逐漸暴露出來(lái)的來(lái)水量不均勻、洪水集中、灌溉季節(jié)引水比高、枯水期流域來(lái)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(duì)整個(gè)工程的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。此外，根據(jù)對(duì)費(fèi)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(wèn)題。為此，必須將金溝河引水樞紐拆除重建，增強(qiáng)除險(xiǎn)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(jì)中的樞紐與天然河道泄流比分析，樞紐可控制大河來(lái)水量和天然河道來(lái)水量的70%與30%，此結(jié)論顯然缺乏科學(xué)依據(jù)，必須通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)水位及校核水位情況下天然河道和藍(lán)河樞紐泄水建筑物泄流比確定，并進(jìn)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(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

通過(guò)模型試驗(yàn)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(wèn)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(jìn)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(yàn)范圍不宜過(guò)大，通過(guò)控制模型平面尺寸并分析試驗(yàn)條件、泥沙粒徑及供水能力、試驗(yàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)相似、水流運(yùn)動(dòng)相似及重力相似準(zhǔn)則基礎(chǔ)上進(jìn)行模型設(shè)計(jì)并根據(jù)《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程》(DL /T5244-2010)進(jìn)行所設(shè)計(jì)模型放樣及安裝精度確定[2]。

本工程水工模型試驗(yàn)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(jí)配曲線(xiàn)與泥沙粒徑比尺，進(jìn)行模型沙級(jí)配曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，再將篩分好的天然砂按照設(shè)計(jì)比混合，并填入模型臺(tái)面，按設(shè)計(jì)要求浸泡并壓實(shí)。再通過(guò)水準(zhǔn)儀進(jìn)行起始試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓沃坪透叱炭刂啤?/p>

本除險(xiǎn)加固工程河道來(lái)水量通過(guò)量水堰在上游首部量測(cè)，并采用量水堰在下游量測(cè)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(cè)，水深達(dá)流速儀測(cè)流指標(biāo)時(shí)的流速采用旋槳流速儀測(cè)量；水準(zhǔn)儀與鋼板尺測(cè)量水位。

2.2 模型建筑物

水工模型中閘門(mén)由有機(jī)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(guò)水?dāng)嗝妗⑷斯澋赖韧ㄟ^(guò)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(jìn)行模型測(cè)放精度、安裝精度及整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的控制。為進(jìn)行河道上游輸沙情況、預(yù)計(jì)形態(tài)、工程建筑物排沙效果等的真實(shí)反映，分別進(jìn)行定床、動(dòng)床河道模擬：河床部分通過(guò)水泥砂漿在1∶1000地形圖上進(jìn)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(jìn)行鋪填和動(dòng)床模擬，并在河道符合造床平衡條件的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)方案輸沙試驗(yàn)，在保證引水工況下試驗(yàn)頻率及流量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)頻率及流量

3 水工模型試驗(yàn)成果

3.1 引水分流試驗(yàn)

針對(duì)上游河道典型流量情況通過(guò)進(jìn)水閘及泄洪沖沙閘閘門(mén)開(kāi)度調(diào)整，以確保泄流量與閘門(mén)運(yùn)行情況均符合設(shè)計(jì)流量運(yùn)行要求，具體見(jiàn)表2。

表2 不同設(shè)計(jì)流量下閘門(mén)運(yùn)行方式

表2結(jié)果顯示，通過(guò)泄洪沖沙閘及進(jìn)水閘閘門(mén)開(kāi)度的調(diào)整，基本可以滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)流量的調(diào)節(jié)需要，取水建筑物設(shè)計(jì)較為合理。在河道出現(xiàn)設(shè)計(jì)流量洪水且進(jìn)水閘門(mén)全關(guān)閉情況下，閘門(mén)高度符合擋水要求；在河道出現(xiàn)校核洪水其閘門(mén)且無(wú)法實(shí)現(xiàn)進(jìn)水閘全關(guān)的情況下，閘前水位達(dá)1385.50 m，比閘門(mén)頂高程高，所以閘門(mén)無(wú)法滿(mǎn)足擋水需要。當(dāng)設(shè)計(jì)流量為40 m3/s的情況下，閘室水位降至1382.43 m，比閘門(mén)頂高程和牛腿高程都低。河道校核洪水及設(shè)計(jì)洪水水平下，閘室水位最高達(dá)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(jì)洪水及校核洪水下樞紐工程分流比并非為原設(shè)計(jì)所給出的70%，對(duì)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(lái)水量持續(xù)增加的情況下，樞紐工程來(lái)水量控制要求不斷提高[3]。當(dāng)流量2503 m3/s時(shí)，保證和不保證進(jìn)水閘引水情況下工程分流比分別為44%和46%，當(dāng)設(shè)計(jì)流量3084 m3/s，則保證和不保證進(jìn)水閘引水情況下工程分流比均為48%。

3.2 泄洪試驗(yàn)

當(dāng)河道設(shè)計(jì)流量3084 m3/s，全河道斷面過(guò)流，在河勢(shì)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(guò)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(shì)較高，并不會(huì)產(chǎn)生洪水淘刷問(wèn)題。針對(duì)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(jì)要求。當(dāng)設(shè)計(jì)流量2503 m3/s時(shí)，整治河段左右岸堤頂高程也都符合設(shè)計(jì)水位要求。

3.3 設(shè)計(jì)洪水流速

在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水情況下進(jìn)行河道整治段、人工彎道段等處流速測(cè)量，進(jìn)水閘全部關(guān)閉且泄洪沖沙閘全部開(kāi)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(chǎng)，進(jìn)水閘閘門(mén)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(jì)流量值的逐漸增大，泥沙淤積于溢流堰和潰壩沖坑后的長(zhǎng)度顯著增加，但拋石坑內(nèi)鋼筋籠并未出現(xiàn)大幅度移動(dòng)和破壞，充分說(shuō)明，在設(shè)計(jì)流量和校核流量情況下不會(huì)對(duì)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(jì)基本滿(mǎn)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(yàn)

在枯水水文年流量概化且進(jìn)水閘全部開(kāi)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(lái)越多，泥沙淤積總量中進(jìn)入進(jìn)水閘中的比率為0.58%，通過(guò)輪流開(kāi)啟泄洪閘閘門(mén)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(jìn)水閘和泄洪閘全部開(kāi)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(guò)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(mén)全部開(kāi)啟排沙時(shí)，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(shí)的輸沙試驗(yàn)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(jìn)水閘全部開(kāi)啟、泄洪閘閘孔輪流間歇開(kāi)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(xiǎn)加固工程水工模型試驗(yàn)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(qiáng)樞紐工程分流量控制必須在各級(jí)流量下盡可能延長(zhǎng)上游導(dǎo)流堤，通過(guò)泄洪閘和進(jìn)水閘閘門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)，確保引入設(shè)計(jì)流量；泄洪閘實(shí)際泄流量及溢流堰校核洪水位實(shí)際泄流量均比泄流量設(shè)計(jì)值大，泄洪建筑物設(shè)計(jì)合理，且溢流堰與潰壩宣泄洪水時(shí)拋石坑內(nèi)鋼筋籠并未出現(xiàn)大幅度移動(dòng)和破壞，符合抗沖要求。根據(jù)輸沙試驗(yàn)結(jié)果，定期沖砂可以防止沖砂閘前泥沙長(zhǎng)期淤積，確保閘門(mén)順利開(kāi)啟，順次開(kāi)啟泄洪閘閘門(mén)，淤積泥沙便在短期內(nèi)排入下游河道。