龍口引水樞紐沖沙閘拉沙試驗研究

儲維刃 劉雙喜 潘 麗

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師水利工程管理服務(wù)中心，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100；3.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

對于水資源匱乏、閘前淤積泥沙較粗的新疆地區(qū)來說，多數(shù)水庫沖沙閘前淤積泥沙無法排出，導(dǎo)致沖沙閘無法發(fā)揮作用。因此，通過完善的水工設(shè)計，利用有限的水資源及時排出泥沙，對發(fā)揮其功能并延長水利樞紐使用壽命至關(guān)重要。本文以喀拉玉爾滾河五團(tuán)龍口引水樞紐沖沙閘拉沙效果為例進(jìn)行研究，由于拉沙試驗是以泥沙運動為研究對象，因此進(jìn)行動床試驗研究是驗證該樞紐沖沙閘拉沙效果的有力手段。

喀拉玉爾滾河五團(tuán)龍口引水樞紐建成于1968年，是以灌溉為主兼顧發(fā)電的綜合性水利樞紐工程，是五團(tuán)灌區(qū)的生命線。該樞紐工程位于天山支脈哈里克套山南麓，阿克蘇地區(qū)溫宿縣城西部，距第一師五團(tuán)北部約23km。經(jīng)歷了數(shù)次大洪水侵襲后，該引水樞紐已經(jīng)百病纏身，主要存在泄洪能力嚴(yán)重不足、各閘室原設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理，下游消能防沖設(shè)施能力不足、上游導(dǎo)流堤及閘墩超高不足、引水排沙效果不佳以及防洪搶險能力不足等問題，急需進(jìn)行除險加固。引水樞紐除險加固工程采用閘堰結(jié)合式方案進(jìn)行設(shè)計，改建后由進(jìn)水閘、沖沙閘、泄洪沖沙閘、人工彎道整治段、挑水丁壩、上下游導(dǎo)流堤和溢流側(cè)堰等組成，1孔4m沖沙閘、6孔6m泄洪閘和60m長側(cè)堰共同承擔(dān)泄洪沖沙任務(wù)，進(jìn)水閘位于泄洪沖沙閘右側(cè)，為3孔5m寬開敞式水閘。布置方案見圖1。經(jīng)洪水復(fù)核計算，30年一遇的洪水流量為733m3/s，設(shè)計水位1506.12m，100年一遇的校核洪水流量為1030m3/s，設(shè)計水位1506.74m。

圖1 引水樞紐原設(shè)計平面布置方案

1 模型設(shè)計

根據(jù)試驗任務(wù)要求和水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程，幾何比尺取40。根據(jù)模型試驗相似準(zhǔn)則，模型主要包括樞紐泄洪閘、沖沙閘、進(jìn)水閘和溢流堰等建筑物主體及上下游河道部分，模擬范圍為上游庫區(qū)700m，壩址下游350m，寬度500m。為滿足糙率要求，泄水閘、沖沙閘及進(jìn)水閘等樞紐建筑物采用有機(jī)玻璃制作，壩前700m庫區(qū)及壩下350m河道采用水泥砂漿制作，并對上游床面進(jìn)行加糙處理，防沖槽塊石按照幾何相似采用小石塊模擬，防沖槽下游約200m范圍采用局部動床模型。泄洪閘、沖沙閘、進(jìn)水閘及溢流堰局部見圖2。

圖2 五團(tuán)龍口引水樞紐模型示意

2 模型制作

五團(tuán)龍口引水樞紐工程水工模型設(shè)計為正態(tài)模型，按照重力相似和阻力相似，可以得到以下比尺：

水流流速比尺為

(1)

糙率比尺為

(2)

水流運動時間比尺為

(3)

流量比尺為

(4)

根據(jù)任務(wù)要求，試驗要對過水建筑物下游局部沖刷問題進(jìn)行研究，所以泥沙運動相似準(zhǔn)則應(yīng)滿足起動相似。

起動流速比尺為

λv0=λv

(5)

模型比尺匯總見表1。

表1 模型比尺

按設(shè)計部門提供資料河道河床糙率為n=0.035，推算模型糙率為0.019，模型河床采用水泥抹面制作，糙率約為0.014，需要加糙校正。

對于定床模型密實加糙所用石子的粒徑可由式(6)反求：

n=c1d1/6

(6)

式中d——顆粒直徑，mm；

n——模型的糙率；

c1——系數(shù)。

不同學(xué)者根據(jù)不同的實驗資料得出系數(shù)值各不相同。根據(jù)黃委會水科院張紅武的定床模型經(jīng)驗，如果采用d=0.2～20mm的人工碎石加糙，c1=0.016，因而可由式(7)計算加糙石子的粒徑：

(7)

由式(7)求得河床加糙粒徑d=2.74mm。

過水建筑物采用有機(jī)玻璃制作，其糙率為0.009，相當(dāng)于原型糙率0.0167，略大于原型糙率0.014，由于泄水建筑物所涉及的流段較短，水頭損失以局部損失為主，糙率相差對沿程阻力影響可忽略不計。

3 模型沙選擇

五團(tuán)引水樞紐工程位于拱拜孜山鹽山口沖洪積傾斜礫質(zhì)河谷，表層巖性為第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖洪積物，沖洪積物主要由砂礫層和中粗沙層組成，其下為泥巖。泄洪沖沙閘和溢流堰下游基巖為泥巖層，基巖抗沖流速采用2.5m/s(相對1m水深時抗沖流速)，模型沙粒徑采用式(8)、式(9)計算：

(8)

(9)

式中v——抗沖流速，m/s；

D——模型沙粒徑，m；

ρs、ρ——巖塊和水的容重，t/m3,ρs取2.65，ρ取1；

C——巖塊穩(wěn)定狀況的無量綱系數(shù)，C=0.86～1.2。

模擬散料平均粒徑4～5mm。樞紐所在區(qū)域河床沖積物主要由級配不良礫層和級配不良沙(中粗沙)層組成，顆粒級配曲線見圖3。

圖3 模型沙平均顆粒分配曲線

由級配曲線可以看出，閘前沖泄沙礫粒徑主要分布在1～100mm，根據(jù)非黏性顆粒起動流速公式，得出床沙粒徑比尺為40，沖沙閘拉沙試驗選用天然沙模擬，原型中骨料由卵石和砂礫組成，其中充填在卵礫石中的小于1mm的較細(xì)泥沙，試驗表明對抵抗水流沖刷作用甚小，對拉沙效果影響不大，故在選用模型沙時對細(xì)顆粒要求允許有一定偏差，因此依據(jù)粒徑比尺，拉沙試驗采用粒徑為0.1～3mm的天然沙模擬。

泄洪沖沙閘和溢流堰下游均設(shè)置防沖槽，為保證消力池末端不被洪水沖蝕破壞，在消力坎末端設(shè)拋石護(hù)底，工程選用的拋石粒徑大于40cm。根據(jù)粒徑比尺，泄洪閘、沖沙閘和溢流堰下游消力池中塊石采用中值粒徑大于1cm的天然塊石模擬，d50=1.5cm。泄洪閘上下游左右岸導(dǎo)墻以及溢流堰下游導(dǎo)墻坡腳處為防止沖刷，均鋪設(shè)粒徑大于40cm的防沖槽，根據(jù)粒徑比尺，模型防沖槽中塊石選用中值粒徑大于1cm的天然石子模擬，d50=1.5cm。

4 拉沙試驗成果

4.1 初始設(shè)計方案

為研究沖沙閘拉沙效果，在定床的基礎(chǔ)上鋪設(shè)模型沙模擬閘前淤積，閘前100m范圍鋪設(shè)模型沙模擬閘前淤積，見圖4。按照設(shè)計工程運用方式，閘前水位按照進(jìn)水閘引水水位1504.82m控制，設(shè)計進(jìn)水閘引水流量25m3/s，按照沖沙閘過流時水位流量關(guān)系推算引水水位下沖沙閘流量為23m3/s，因此在引水水位下，沖沙閘和進(jìn)水閘聯(lián)合運用流量為48m3/s。

圖4 沖沙閘拉沙試驗原始地形

當(dāng)鋪設(shè)沙面高程與攔沙坎坎頂齊平時，開啟沖沙閘和進(jìn)水閘，沖沙閘拉沙時沖沙閘和進(jìn)水閘閘前流態(tài)及地形見圖5。沖沙閘開啟后閘前淤積泥沙翻越攔沙坎隨側(cè)向進(jìn)流進(jìn)入進(jìn)水閘，約13min后，可將沖沙閘前導(dǎo)墻內(nèi)12～14m范圍的泥沙拉走；此后拉沙過程比較緩慢，約32min后，攔沙坎前25m范圍的淤沙被拉走；60min后，進(jìn)水閘攔沙坎上游仍剩余一部分泥沙未被拉走，拉沙效果較差。因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以提高拉沙效果。

圖5 沖沙閘閘孔前水流流態(tài)與地形變化

4.2 隔墩加高方案

將隔墩長度與設(shè)計方案保持不變，設(shè)計頂高由1504.10m加高至1505.00m，試驗按照進(jìn)水閘閘前水位1504.82m進(jìn)行控制，淤沙低于攔沙坎，拉沙前地形見圖6。

圖6 原始地形(淤沙低于攔沙坎)

當(dāng)淤沙至攔沙坎懸臂梁下沿時，沖沙閘開啟后，極少量淤沙翻越攔沙坎，約12.6min后沖沙槽內(nèi)的泥沙全部被拉走，見圖7。

圖7 拉沙12.6min后效果(淤沙低于攔沙坎)

當(dāng)淤沙與攔沙坎齊平時，試驗前地形見圖8。開啟沖沙閘和進(jìn)水閘后，拉沙初始階段大量淤沙翻越攔沙坎進(jìn)入進(jìn)水閘，泥沙聚集在進(jìn)水閘閘門口的左側(cè)，約16min后沖沙閘內(nèi)淤沙全部被拉走，見圖9。

圖8 原始地形(淤沙與攔沙坎齊平)

圖9 拉沙16min后效果(淤沙與攔沙坎齊平)

通過對沖沙閘左側(cè)彎形隔墩的體型對比分析可知，將隔墩的長度保持不變，頂高從1504.10m加高至1505.00m后，拉沙效果顯著提高。當(dāng)攔沙坎前泥沙淤積至拉沙坎頂時，打開沖沙閘開始拉沙，會有大量泥沙翻越攔沙坎進(jìn)入進(jìn)水閘，當(dāng)泥沙淤積至攔沙坎懸臂梁下沿時開啟沖沙閘拉沙，可以避免泥沙進(jìn)入進(jìn)水閘。因此建議將沖沙閘左側(cè)彎形隔墩頂高加至1505.00m，淤積泥沙至攔沙坎懸臂梁下沿時開閘拉沙。

5 結(jié) 語

a.原設(shè)計沖沙閘上游隔墩布置形式，沖沙閘經(jīng)過30min拉沙后可將進(jìn)水閘前的大部分泥沙排走，拉沙1h后，基本可以將進(jìn)水閘前的泥沙拉走，但在攔沙坎上游端仍然剩余一部分泥沙不能排出，拉沙效果較差。

b.隔墩加高至1505.00m方案，拉沙效果有所改善，沖沙槽內(nèi)水流波動不大，可作為最優(yōu)設(shè)計方案。

c.當(dāng)進(jìn)水閘攔沙坎前泥沙淤積至攔沙坎坎頂時，打開沖沙閘開始拉沙，會導(dǎo)致泥沙翻越攔沙坎進(jìn)入進(jìn)水閘，當(dāng)淤積泥沙低于攔沙坎坎頂時開始拉沙可以避免泥沙進(jìn)入進(jìn)水閘，建議當(dāng)淤積泥沙低于攔沙坎時開閘拉沙。