新疆某水利樞紐渠首工程整體水工模型試驗(yàn)研究

周旭銳

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某水利樞紐位于阿勒泰地區(qū)，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型。渠首工程主要由泄洪閘、溢流堰、生態(tài)閘、引水閘、仿生魚(yú)道等建筑物組成，均為1 級(jí)建筑物。渠首工程采用閘堰結(jié)合的方式，泄洪閘為開(kāi)敞式，設(shè)置6孔，單孔凈寬10 m。生態(tài)閘為潛孔式，設(shè)置1 孔，單孔凈寬2.5 m。溢流堰寬70 m，采用WES實(shí)用堰，堰頂高程701.90 m，為無(wú)閘控制。堰頂上游段堰面曲線(xiàn)采用三圓弧曲線(xiàn)，上游堰面鉛直，下游段堰面曲線(xiàn)采用冪曲線(xiàn)，曲線(xiàn)方程為Y=0.237 066X1.85。

正常引水位701.90 m，引水閘引水流量為65 m3/s；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=1%（Q＝2337 m3/s），相應(yīng)水位為704.130 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=0.33%（Q＝2548 m3/s），相應(yīng)水位為704.306 m。由泄洪閘、溢流堰、生態(tài)閘聯(lián)合泄流。為驗(yàn)證攔河閘及溢流堰的過(guò)流能力，優(yōu)化整體布置方案，開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究。

2 模型設(shè)計(jì)

整體模型包括了溢流堰、泄洪閘、生態(tài)閘、引水閘以及溢流堰、泄洪閘和生態(tài)閘之后的消力池?？v向試驗(yàn)范圍為閘軸線(xiàn)上游200 m、消力池向下游200 m，總長(zhǎng)約400 m左右。樞紐布置模型尺寸大約為13.5 m×5.7 m（長(zhǎng)×寬）。

模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按遵循重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺λL為30。流量比尺λQ為4 929.5，流速比尺λv為5.477，糙率比尺λn為1.763，時(shí)間比尺λt為5.477。

整體模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型制作安裝、測(cè)試儀器和測(cè)試方法等按照《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2013）要求執(zhí)行。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 原設(shè)計(jì)過(guò)流能力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016），泄洪閘按平底閘堰流泄流能力計(jì)算公式計(jì)算，生態(tài)閘按平底閘孔流泄流能力按公式計(jì)算；根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018），溢流堰按開(kāi)敞式實(shí)用堰流泄流能力計(jì)算公式計(jì)算。計(jì)算成果分別見(jiàn)表1～表3。由以上計(jì)算可知，泄洪閘、溢流堰、生態(tài)閘聯(lián)合泄流，設(shè)計(jì)工況泄量為2 374.98 m3/s，校核工況泄量為2 549.73 m3/s，均滿(mǎn)足過(guò)流要求。

運(yùn)行工況設(shè)計(jì)洪水校核洪水閘前水位/m 704.130 704.306下游水位/m 701.388 701.346閘底板高程/m 697.20 697.20閘孔寬度/m 10 10孔數(shù)6 6流量系數(shù)0.385 0.385側(cè)收縮系數(shù)0.978 0.978淹沒(méi)系數(shù)1.0 1.0計(jì)算泄量/（m3/s）1 821.84 1 925.28

工況設(shè)計(jì)洪水校核洪水單孔閘門(mén)凈寬/m 2.5 2.5流量系數(shù)μ 0.524 0.527垂直收縮系數(shù)0.629 0.628閘口開(kāi)度e/m 2.50 2.50堰上水頭Ho/m 6.83 7.13 e/Ho 0.366 0.351流速/（m/s）2.22 2.19計(jì)算泄量/（m3/s）37.91 38.96

運(yùn)行工況設(shè)計(jì)洪水校核洪水堰前水位/m 704.130 704.306下游水位/m 701.388 701.546堰底板高程/m 697.20 697.20堰上水頭/m 2.230 2.426堰寬/m 70 70流量系數(shù)0.492 0.501側(cè)收縮系數(shù)0.996 0.995淹沒(méi)系數(shù)1.0 1.0計(jì)算泄量/（m3/s）515.23 585.49

3.2 建筑物過(guò)流驗(yàn)證

溢流堰、泄洪閘及生態(tài)閘共同過(guò)流，設(shè)計(jì)洪水位704.13 m，泄量為2 159.88 m3/s，水流流態(tài)見(jiàn)圖1。校核洪水位704.306 m，泄量為2 520.00 m3/s，水流流態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1 設(shè)計(jì)工況整體流態(tài)圖

圖2 校核工況整體流態(tài)圖

由試驗(yàn)可知，雖然設(shè)計(jì)工況和校核工況下的整體流態(tài)較好，水面線(xiàn)均較為平順，但是泄量均未達(dá)到要求，故需要驗(yàn)證泄洪閘、溢流堰單獨(dú)過(guò)流的泄量，調(diào)整閘堰的配置比例。

3.3 泄洪閘單獨(dú)過(guò)流試驗(yàn)成果

為率定泄洪閘的過(guò)流能力，僅泄洪閘過(guò)流，共進(jìn)行了4組試驗(yàn)。

3.3.1 泄洪閘水流流態(tài)

泄洪閘流量Q=356.08 m3/s，該工況下的上游水位為699.744 m，流量系數(shù)為0.330，水流流態(tài)見(jiàn)圖3；泄洪閘流量Q=504.55 m3/s，該工況下的上游水位為700.352 m，流量系數(shù)為0.339，水流流態(tài)見(jiàn)圖4；泄洪閘流量Q=751.41 m3/s，該工況下的上游水位為701.28 m，流量系數(shù)為0.343，水流流態(tài)見(jiàn)圖5；泄洪閘流量Q=862 m3/s，該工況下的上游水位為701.728 m，流量系數(shù)為0.344，水流流態(tài)見(jiàn)圖6。

圖3 泄洪閘Q=356.08 m3/s流態(tài)圖

圖4 泄洪閘Q=504.55 m3/s流態(tài)圖

圖5 泄洪閘Q=751.41 m3/s流態(tài)圖

3.3.2 泄洪閘水位流量關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算僅泄洪閘過(guò)流時(shí)的水位流量曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 泄洪閘水位流量曲線(xiàn)圖

3.3.3 泄洪閘流量系數(shù)

泄洪閘流量系數(shù)表見(jiàn)表4。

上游水位/m流量系數(shù)701.66 0.344 701.45 0.3 434 701.28 0.343 700.92 0.341 700.34 0.339 700.14 0.336 699.72 0.330 699.48 0.328

3.3.4 泄洪閘單獨(dú)過(guò)流試驗(yàn)成果

因上游水位超過(guò)701.9 m時(shí)，溢流堰會(huì)溢流，故僅測(cè)定了上游水位低于正常引水位701.9 m 的4 種工況，故泄洪閘單獨(dú)過(guò)流的設(shè)計(jì)和校核工況不能通過(guò)水工模型試驗(yàn)確定，但從已做工況的流量系數(shù)來(lái)看，泄洪閘體型比較合理，泄洪能力較充足。

3.4 溢流堰單獨(dú)過(guò)流試驗(yàn)成果

為率定溢流堰的過(guò)流能力，共進(jìn)行了4組試驗(yàn)。試驗(yàn)中，泄洪閘、生態(tài)閘及引水閘全關(guān)，僅溢流堰過(guò)流。

3.4.1 溢流堰水流流態(tài)

溢流堰流量Q=37.28 m3/s，該工況下的上游水位為702.323 m，流量系數(shù)為0.437，水流流態(tài)見(jiàn)圖8；溢流堰流量Q=251.13 m3/s，該工況下的上游水位為703.389 m，流量系數(shù)為0.446，水流流態(tài)見(jiàn)圖9；溢流堰流量Q=463.03 m3/s，該工況下的上游水位為704.086 m，流量系數(shù)為0.462，水流流態(tài)見(jiàn)圖10；溢流堰流量Q=624.21 m3/s，該工況下的上游水位為704.531 m，流量系數(shù)為0.472，水流流態(tài)見(jiàn)圖11。

圖8 溢流堰Q=37.28 m3/s流態(tài)圖

圖9 溢流堰Q=251.13 m3/s流態(tài)圖

圖10 溢流堰Q=463.03 m3/s流態(tài)圖

圖11 溢流堰Q=624.21 m3/s流態(tài)圖

3.4.2 溢流堰水位流量關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算僅溢流堰過(guò)流時(shí)的水位流量曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

圖12 溢流堰水位流量曲線(xiàn)圖

按照?qǐng)D12的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)工況下水位704.130 m 時(shí)，過(guò)流流量為480 m3/s；校核工況下水位704.306 m時(shí)，過(guò)流流量為540 m3/s。

3.4.3 溢流堰流量系數(shù)

溢流堰流量系數(shù)表見(jiàn)表5。

流量/（m3/s）600 550 500 450 400 350 300 250上游水位/m流量系數(shù)704.466 0.471 704.392 0.468 704.192 0.465 704.049 0.461 703.895 0.458 703.736 0.454 703.566 0.450 703.385 0.446

3.4.4 溢流堰單獨(dú)過(guò)流試驗(yàn)成果

不同流量下溢流堰流態(tài)較好，水面線(xiàn)均較為平順。但按照?qǐng)D12的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)工況過(guò)流流量為480 m3/s，小于計(jì)算值515.23 m3/s；校核工況過(guò)流流量為540 m3/s，小于計(jì)算值585.49 m3/s，泄量均存在略微不足的問(wèn)題。

4 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

4.1 優(yōu)化方案

結(jié)合水工模型試驗(yàn)成果，為增大泄量，采取縮窄溢流堰堰寬，擴(kuò)寬泄洪閘閘室寬度的措施。對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化如下：①溢流堰堰寬縮窄6 m，由堰寬70 m 縮窄至64 m；②泄洪閘閘室寬度由每孔10 m增大至11 m。

4.2 優(yōu)化后閘堰聯(lián)合過(guò)流試驗(yàn)成果

溢流堰、泄洪閘及生態(tài)閘共同溢流，設(shè)計(jì)洪水位704.130 m，流量為2 342.35 m3/s，水流流態(tài)見(jiàn)圖13。校核洪水位704.306 m時(shí)，過(guò)流流量為2 550.17 m3/s，水流流態(tài)見(jiàn)圖14。

圖13 優(yōu)化后設(shè)計(jì)工況整體流態(tài)圖

圖14 優(yōu)化后校核工況整體流態(tài)圖

由試驗(yàn)可知，優(yōu)化后閘堰結(jié)合的配置比例合理，泄洪閘、生態(tài)閘及溢流堰聯(lián)合泄流時(shí)，設(shè)計(jì)工況和校核工況下的整體流態(tài)較好，水面線(xiàn)均較為平順，泄量也滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水工模型試驗(yàn)的觀(guān)察、測(cè)量，優(yōu)化后閘堰結(jié)合的配置比例合理，閘堰聯(lián)合泄流時(shí)，泄量達(dá)到要求。通過(guò)模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化了工程布置，為下一階段的設(shè)計(jì)工作打下了基礎(chǔ)。