烏魯木齊河分洪工程渠首樞紐水工模型試驗(yàn)研究

張 玲

（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

烏魯木齊河分洪工程位于天山北坡中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬大（2）型Ⅱ等工程，主要任務(wù)為防洪，由分洪渠首、分洪渠道及渠系建筑物等組成。分洪渠首布置型式采用攔河閘布置，渠首主河道布置泄洪及擋水建筑物，右岸布置分洪閘。分洪渠首泄洪建筑物由3孔引洪閘、1孔沖沙閘和4孔泄洪閘組成，分洪渠首設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，洪峰流量Q=147.2 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，洪峰流量Q=641.2 m3/s；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，洪峰流量Q=132.9 m3/s。

水工模型是解決水利水電工程復(fù)雜水力學(xué)問題的重要手段，通過水工模型試驗(yàn)可以預(yù)演原型中復(fù)雜的水流現(xiàn)象，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可靠性和準(zhǔn)確性。分洪渠首是烏魯木齊河分洪工程的關(guān)鍵部位，其方案布局是否合理，需要通過模型試驗(yàn)檢驗(yàn)。

2 模型試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容

通過模型試驗(yàn)，分析研究建筑物布置方案合理性，驗(yàn)證4 孔泄洪閘、3 孔分洪閘和1 孔沖沙閘等過水建筑物的泄流能力、建筑物體型設(shè)計(jì)的合理性、下游消能防沖設(shè)計(jì)的合理性等，根據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問題提出相應(yīng)的解決措施，提出優(yōu)化建議，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

3 模型的設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)試驗(yàn)要求及弗勞德重力相似及阻力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，模型幾何比尺為L(zhǎng)p/Lm=λL=40.00，渠首樞紐模型工程包括分洪工程攔河引水樞紐的上游300 m河道、下游300 m河道、引洪閘、泄洪閘、沖沙閘等。其中引洪閘、泄洪閘、沖沙閘等全部用有機(jī)玻璃制作，上下游河道、渠道采用水泥砂漿制作，下游河道局部制作成動(dòng)床，動(dòng)床模型沙根據(jù)抗沖流速相似法選擇。模型安裝，平面導(dǎo)線方位用經(jīng)緯儀控制、水準(zhǔn)基點(diǎn)和模型高程用水準(zhǔn)儀控制、模型地形制作采用斷面板法。

4 樞紐布局優(yōu)化研究

樞紐各泄洪閘和沖沙閘進(jìn)口流態(tài)是否均勻是判斷樞紐布局是否合理的重要因素，原設(shè)計(jì)為了改善各閘孔進(jìn)流流態(tài)分別在4孔泄洪閘中部以及泄洪閘與沖沙閘之間設(shè)置40 m長(zhǎng)的直導(dǎo)墻，另外在泄洪壩段與擋水壩段設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度為50 m的直導(dǎo)墻。試驗(yàn)結(jié)果表明：在各級(jí)洪水條件下，上游來流均受泄洪壩段與擋水壩段之間導(dǎo)墻影響，導(dǎo)致靠近左側(cè)兩孔泄洪閘閘前水位明顯低于右側(cè)閘孔，右側(cè)閘孔前水流沿泄洪閘中部導(dǎo)墻翻入左側(cè)閘前，在校核洪水條件下，閘前水位相差1.6 m（見圖1），導(dǎo)致4孔泄洪閘過流不均勻，尤其左側(cè)兩孔過流遠(yuǎn)小于右側(cè)兩孔。

圖1 校核洪水閘前左導(dǎo)墻附近流態(tài)

為了改善閘前流態(tài)將閘前左側(cè)直導(dǎo)墻調(diào)整為圓弧型，導(dǎo)墻圓弧半徑80 m，圓心角45°，導(dǎo)墻高程1 261.5 m，同時(shí)將泄洪閘單孔閘孔寬度由7.5 m 減小至7.0 m，其他閘孔尺寸不變。試驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)墻改為圓弧型后閘前繞流現(xiàn)象得到改善，但是由于導(dǎo)墻高程低于水位，擋水壩段水面高于閘前水面，部分水流從導(dǎo)墻翻越至閘前，導(dǎo)致閘前形成側(cè)向波狀水流，不利于泄洪閘泄流。在次體型的基礎(chǔ)上將導(dǎo)墻高度加高，閘前流態(tài)得到改善，雖然消除水流翻越現(xiàn)象，但閘前水面波動(dòng)劇烈。在左導(dǎo)墻加高優(yōu)化體型的基礎(chǔ)上將左導(dǎo)墻改為雙弧型，在圓弧段上游增加一段半徑為15 m，圓心角為60°的圓弧（見圖2）。試驗(yàn)表明在各級(jí)洪水條件下，閘前流態(tài)得到明顯改善。

圖2 導(dǎo)墻優(yōu)化體型

5 樞紐泄洪排沙建筑物泄洪能力

在閘前左導(dǎo)墻體型改為雙弧段導(dǎo)墻后，對(duì)泄洪閘、沖沙閘及分洪閘的泄流能力進(jìn)行了量測(cè)。表1為特征庫水位下泄洪沖沙閘流量設(shè)計(jì)計(jì)算值和模型試驗(yàn)量測(cè)值，校核洪水時(shí)，泄洪閘和沖沙閘總泄量為615 m3/s 較設(shè)計(jì)值大12%，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)量測(cè)3 孔分洪閘閘孔全開，閘前水位為正常水位1 261.22 m 時(shí)，閘孔過流為127 m3/s，大于設(shè)計(jì)分洪流量100 m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)量測(cè)了閘前水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位和校核水位，分洪閘引100 m3/s 流量對(duì)應(yīng)閘門開度分別為1.385和1.03 m，可供工程調(diào)度采用。

表1 特征庫水位下泄洪沖沙閘流量統(tǒng)計(jì)表

6 樞紐下游沖刷防護(hù)研究

原設(shè)計(jì)泄洪沖沙閘后接20 m長(zhǎng)的混凝土護(hù)坦，護(hù)坦后設(shè)底流式消力池，消力池長(zhǎng)15 m，消力池內(nèi)下部為鋼筋籠回填，高度為1 m，上部鋪設(shè)3 m 厚巨石，消力池末端為1∶2.5開挖坡。試驗(yàn)結(jié)果表明：特征洪水下，閘下游沖刷均比較嚴(yán)重，校核洪水時(shí)最大沖刷深度為7.84 m，池內(nèi)3 m 厚的塊石大部分被沖走，池底部的鋼筋籠裸露。將消力池長(zhǎng)度由15 m加長(zhǎng)至25 m，池深增加1.2 m，試驗(yàn)結(jié)果表明：該體型下水流對(duì)下游沖刷程度有所改善，最大沖刷深度減小2.68 m。但是由于最大沖深位于左導(dǎo)墻和右岸坡處，有可能危及導(dǎo)墻的安全。為此，取消其下游消力池，護(hù)坦末齒墻后采用20 m 長(zhǎng)鋼筋籠防護(hù)段，同時(shí)在左右岸坡采用鋼筋籠防護(hù)，右岸沿護(hù)坡防護(hù)長(zhǎng)度為48 m，寬度為9 m，厚度為1 m；左岸對(duì)導(dǎo)墻坡腳采用鋼筋籠全范圍防護(hù)，防護(hù)寬度為9 m，厚度為1 m，為試驗(yàn)推薦方案。試驗(yàn)推薦方案校核洪水閘下游的水流流態(tài)與沖刷情況見圖3，水流較原設(shè)計(jì)方案平順，沖坑最深點(diǎn)位于河道中部，遠(yuǎn)離建筑物。

圖3 推薦方案校核洪水閘下游流態(tài)與沖刷

7 結(jié)論

通過烏魯木齊河分洪工程樞紐水工模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為原設(shè)計(jì)泄洪壩段與擋水壩段之間采用直導(dǎo)墻不適合本工程，推薦的雙圓弧導(dǎo)墻避免了閘前出現(xiàn)不穩(wěn)定流態(tài)。導(dǎo)墻體型優(yōu)化后，4 孔泄洪閘單孔寬度減小0.5 m后仍然滿足設(shè)計(jì)泄洪要求。通過對(duì)下游消能多種體型比較研究，推薦采用鋼筋籠防護(hù)段消能，可以消除水流對(duì)下游導(dǎo)墻與岸坡的沖刷。