勿甫引水樞紐工程泄洪閘水工模型試驗分析

李佳雨桐

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

勿甫引水樞紐是葉爾羌河第二級引水渠首工程，勿甫渠首工程等別為Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物級別為2 級，次要建筑物為3 級。設(shè)計洪水標準為30 a 一遇，洪峰流量為5350.00 m3/s；校核洪水標準為100 a 一遇，洪峰流量為7400.00 m3/s。地處莎車縣孜熱甫夏提鄉(xiāng)境內(nèi)，勿甫引水樞紐，年引水量5.00 億m3～7.00 億m3，改善了蘇庫恰克水庫灌區(qū)巴楚縣、莎車、麥蓋提、岳普湖部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)三師、公安系統(tǒng)的有關(guān)團場共80.00 萬畝灌溉面積的灌溉條件，發(fā)揮了良好的社會和經(jīng)濟效益[1]。

本次工程任務(wù)是在原閘址處建設(shè)新引水樞紐，需建設(shè)泄洪閘、引水閘、沖沙閘、溢流堰等。本文通過水工模型試驗，對泄洪閘進行建模分析，觀測水利運動規(guī)律，驗證泄洪閘過流能力，為樞紐方案布置的確定以及泄水建筑物合理運用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 渠首及模型設(shè)計

1.1 渠首設(shè)計

1.1.1 總體設(shè)計方案

樞紐重建工程任務(wù)是在原閘址處建設(shè)新引水樞紐，需建設(shè)泄洪閘、人工彎道、引水閘、沖沙閘、溢流堰、上下游導(dǎo)流堤、引水渠等。

順水流方向，由河床左岸至右岸，依次布置：人工彎道（末端接進水閘、沖沙閘）、泄洪閘及溢流堰。

人工彎道是進水、沖沙閘前的整治段，彎道首部呈喇叭口形式，喇叭口凸岸一側(cè)與泄洪閘相接，凹岸一側(cè)與原左岸上游導(dǎo)流堤相接，人工彎道末端布置引水閘（正面引水）以及沖沙閘（左側(cè)與引水閘相連）；泄洪閘布置于人工彎道右側(cè)（與彎道中心軸線成45°夾角），正對河道主流方向；溢流堰軸線與泄洪閘軸線平行，布置于泄洪閘右側(cè)，通過分流墩與泄洪閘相連；上、下游河道整治段均采用導(dǎo)流堤形式。

1.1.2 泄洪閘設(shè)計

泄洪閘布置于人工彎道右側(cè)（與彎道中心軸線成45°夾角），正對河道主流方向。泄洪閘單孔凈寬10.00 m，共布置11孔，閘室總寬度127.00 m。泄洪閘底板高程1327.10 m，閘頂高程1334.00 m[2]。

1.2 模型設(shè)計

1.2.1 模型比尺

根據(jù)試驗內(nèi)容及場地條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為αt=αh=40。水流運動主要作用力是重力，因此模型按重力相似準則設(shè)計，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。根據(jù)重力相似準則，相應(yīng)的流量比尺、流速比尺、糙率比尺和時間比尺如下：

1.2.2 模型范圍

考慮上、下游的水流相似，模型范圍為：截取原型泄洪閘閘室上游長420.00 m、下游長514.00 m、寬度433.00 m。

1.2.3 模型制作及依據(jù)

模型制作及模型試驗依據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL155-2012）[3]及《河工模型試驗規(guī)程》（SL99-2012）[4]進行。

模型糙率模擬：渠道原型糙率為0.0275；泄洪閘、引水閘、沖沙閘閘室段及泄洪閘、沖沙閘下游防沖槽前原型糙率為0.018。要求模型糙率分別為0.0149 和0.00973，故模型上、下游渠道采用水泥抹面；閘室段及泄洪閘、沖沙閘下游防沖槽前采用有機玻璃加工而成。模型糙率可以滿足試驗要求。

1.2.4 測量方法

流量采用電磁流量計量測，精度為±0.5%；水位采用固定測針、活動測針和水準儀量測，精度為±0.1 mm；水面線采用活動測針（水準儀）進行量測，精度為±0.3 mm；流速采用旋漿式流速儀量測，精度為2%～3%。

2 實驗及成果分析

2.1 泄流能力實驗

試驗對泄洪閘閘門敞泄時的過流能力進行觀測，即控制下游水位對不同流量進行試驗，泄洪閘上游水位與流量之間的關(guān)系曲線見圖1。當上游水位為1329.70 m 時，實測流量為792.14 m3/s。

圖1 泄洪閘上游水位與流量關(guān)系曲線

2.2 下泄流態(tài)

在不計庫區(qū)行近流速情況下，泄洪閘綜合流量系數(shù)按下列公式計算[5]：

式中：Q 為泄流量；m0為泄洪閘綜合流量系數(shù)；b 為泄洪閘單孔凈寬；e 為泄洪閘閘門開度；g 為重力加速度。

控制上游水位1329.70 m，閘門敞泄，控制下游水位為1328.45 m，當上下游水位穩(wěn)定后，實測流量為792.14 m3/s。泄洪閘綜合流量系數(shù)m0=0.41。

當上游水位為1329.70 m 時，水流平穩(wěn)，水流均勻進入閘室，閘前最大流速為3.13 m/s，閘后最大流速為4.38 m/s。水流為自由出流，在閘室內(nèi)形成菱形波，水流出閘后沿斜坡流向防沖槽，水流在防沖槽前的流速為4.37 m/s，防沖槽后流速為1.37 m/s。泄洪閘水面線及流速分布見圖2，泄洪閘水流流態(tài)見圖3。

圖2 泄洪閘水面線及流速分布圖（Q=792m3/s,H 上=1329.70 m）

圖3 泄洪閘水流流態(tài)（H 上=1329.70m）

2.3 閘門控制實驗

閘門控泄工況下，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，分別對閘門開度為 0 .50 m、0.80 m、1.00 m、1.20 m、1.50 m 進行試驗，測量閘門開度與流量的關(guān)系，閘門開度與流量關(guān)系曲線見圖4。此時實測明滿過渡時泄洪閘閘門開度為1.51 m。

泄洪閘閘門運用方式：泄洪閘在實際運行時，閘門如需部分開啟，應(yīng)遵循偶數(shù)、對稱、同步的原則進行開啟。

圖4 泄洪閘閘門開度與流量關(guān)系曲線

3 結(jié)論與討論

1）泄洪閘的泄流能力均滿足設(shè)計要求。

2）泄洪閘控泄時，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，閘門運用方式見開度與流量關(guān)系曲線。泄洪閘明滿過渡時閘門開度為1.51 m。

根據(jù)水工模型試驗所呈現(xiàn)的結(jié)果，泄洪沖沙閘的水力學(xué)計算滿足過流要求，設(shè)計的閘室孔口尺寸滿足泄流時的開度要求，設(shè)計基本合理。

水工模型實驗很好的給實際設(shè)計提供了指導(dǎo)，通過等比模型的實驗，能夠驗證設(shè)計的合理性，給設(shè)計提供指導(dǎo)和建議，該項目仍然可建立更加全面的模型試驗，將整個引水樞紐納入其中，提供聯(lián)合泄流能力、輸砂能力以及沖刷情況的等方面的設(shè)計指導(dǎo)。