五團(tuán)灌區(qū)引水樞紐除險加固方案整體水工模型試驗研究

郝 麗

（阿克蘇塔河源勘測設(shè)計院有限公司，新疆 阿克蘇843000）

0 引言

物理模型試驗是分析、驗證、優(yōu)化水利工程設(shè)計方案的重要手段，尤其是面對復(fù)雜的運行工況，借助理論計算并結(jié)合物理模型試驗非常必要［1-2］。五團(tuán)灌區(qū)采取的原址除險加固方案涉及面廣，各主要建筑物運行工況復(fù)雜，泄洪、沖刷的安全性和合理性均需建立引水樞紐的整體水工模型予以驗證以化解風(fēng)險。

1 工程概況及加固方案

1.1 引水樞紐現(xiàn)狀

五團(tuán)引水樞紐建成于1968年，建成至今經(jīng)過多次的改建、擴建。目前該樞紐由五團(tuán)總干渠進(jìn)水閘、沖砂閘、泄洪沖砂閘、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。引水樞紐存在的泄洪能力不足，主體結(jié)構(gòu)不利于抗震，結(jié)構(gòu)存在老化破損、超高不足、消能不佳、排沙不良，工程使用年限已超合理使用年限的問題，結(jié)合本工程水閘安全鑒定結(jié)論，必須進(jìn)行除險加固。

1.2 除險加固方案

除險加固方案考慮到將原泄洪閘保留利用，確定在最大限度利用現(xiàn)狀工程的前提下，采用將原泄洪閘左側(cè)2孔底板保留作為泄洪閘后護(hù)坦，拆除閘墩，采用全攔河閘式（方案一）和閘堰結(jié)合式（方案二）兩個方案進(jìn)行比選。

1.2.1 全攔河閘式引水樞紐

采用1孔4 m沖沙閘與9孔6 m泄洪閘承擔(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5 m寬開敞式水閘。

1.2.2 閘堰結(jié)合式引水樞紐

本方案進(jìn)水閘及沖沙閘布置型式同方案一，泄洪任務(wù)由泄洪沖沙閘和側(cè)堰共同承擔(dān)。泄洪閘為6孔6 m開敞式水閘，沖沙閘為1孔4 m，閘室結(jié)構(gòu)型式同方案一。側(cè)堰長60 m，采用曲線型實用堰。

1.2.3 方案確定

從工程安全、施工條件、工程布置、工程投資和運行管理等方面對上述兩個方案進(jìn)行對比，見表1。

表1 方案比選表

經(jīng)方案比選，方案一與方案二在引水效果方面相差不大，方案二在防沙、消能防沖、運行管理、工程投資等方面均較方案一具有一定的優(yōu)勢，且通過對原五團(tuán)引水樞紐進(jìn)行分析，原樞紐上游河道有輕微淤積現(xiàn)象，下游導(dǎo)流堤受沖蝕破壞嚴(yán)重，主要原因是閘孔凈寬不足，單寬流量過大導(dǎo)致下游沖刷。本次采用6孔6 m泄洪閘加1孔4 m寬沖沙閘的結(jié)構(gòu)型式，閘后單寬流量較小，在滿足泄洪要求的同時，兼顧樞紐的沖沙及閘后消能防沖問題。因此，初步判定采用方案二即閘堰結(jié)合式引水樞紐方案是合理的。

2 方案驗證

通過水工模型試驗研究五團(tuán)引水樞紐泄水建筑物布置的合理性、沖砂閘的拉沙效果、泄水閘、溢流堰及進(jìn)水閘的過流能力、泄水閘及溢流堰下游消能防沖建筑物設(shè)計的合理性。

2.1 模型設(shè)計

2.1.1 模型設(shè)計相似準(zhǔn)則

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、阻力相似準(zhǔn)則及水流連續(xù)性，水流流速比尺為糙率比尺為；水流運動時間比尺為；流量比尺為

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。

2.1.2 模型比尺確定

根據(jù)試驗任務(wù)要求和水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程［1］，幾何比尺取1∶40。根據(jù)模型試驗相似準(zhǔn)則，模型主要比尺計算見表2。

表2 模型比尺匯總

河道河床糙率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。對定床模型密實加糙所用石子的粒徑可由式（1）反求：

式中：d為顆粒直徑，mm；n為模型的糙率；c1為系數(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，例如張有齡取c1=0.0166；Strickler取c1=0.015。根據(jù)黃委會水科院張紅武進(jìn)行定床模型的經(jīng)驗，如果采用d=0.2 mm～20 mm的人工碎石加糙，c1=0.016，因而可由式（2）計算加糙石子的粒徑：

由上式求得河床加糙粒徑d=2.74 mm。

過水建筑物采用有機玻璃制作，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，糙率相差影響沿程阻力可忽略不計。

2.1.3 模型制作

模型制作主要包括樞紐泄洪閘、沖砂閘、進(jìn)水閘等建筑物主體及上下游河道部分，模擬范圍上游庫區(qū)700 m、壩址下游350 m、寬度500 m。模型整體范圍見圖1，泄洪閘、沖砂閘、進(jìn)水閘及溢流堰細(xì)部見圖2、圖3及圖4。

圖1 模型整體布置

圖2 模型整體布置

圖3 泄洪閘、泄洪閘及進(jìn)水閘模型

圖4 溢流堰模型

為滿足糙率要求，泄水閘、沖砂閘及進(jìn)水閘等樞紐建筑物采用有機玻璃制作，壩前640 m庫區(qū)及壩下368 m河道采用水泥砂漿制作，防沖槽塊石按照幾何相似采用小石塊模擬制作，防沖槽下游約200 m范圍采用局部動床模型。

模型安裝，平面導(dǎo)線方位用經(jīng)緯儀控制、水準(zhǔn)基點和模型高程用水準(zhǔn)儀控制、模型地形制作采用斷面板法。模型流量進(jìn)口由變頻器頻率控制水泵輸出，按電磁流量計讀數(shù)控制，出口利用量水堰校核引水閘流量。庫水位用測針量測，流速采用LS-401型式螺旋流速儀測讀，采用攝像技術(shù)進(jìn)行流態(tài)、流場描述。

2.2 試驗驗證結(jié)論

（1）6孔泄洪閘和1孔沖砂閘聯(lián)合泄洪時，試驗量測泄洪閘閘前水位為1506.12 m時，流量為665 m3/s，較設(shè)計計算600 m3/s大10.8%；校核水位1506.74 m，流量為915 m3/s，較設(shè)計計算768 m3/s大19.1%，滿足設(shè)計泄洪要求。

（2）試驗量測泄洪閘設(shè)計水位下溢流堰過流流量195 m3/s，比設(shè)計計算133 m3/s大46.6%，校核水位下溢流堰過流流量350 m3/s，比設(shè)計流量265 m3/s大32.1%，滿足設(shè)計泄洪要求。

（3）泄洪閘、沖砂閘、溢流堰聯(lián)合運用時，試驗量測泄洪閘閘前水位為1506.12 m時，流量為860 m3/s，較設(shè)計計算733 m3/s大17.3%；泄洪閘閘前水位為1506.74 m時，流量為915 m3/s，較設(shè)計計算1033 m3/s大22.5%，滿足設(shè)計要求。

（4）各級特征洪水時，泄洪閘各閘墩頭部均產(chǎn)生較大的水冠，特別是靠近右岸第2號閘墩（墩厚1.6 m）前水冠高度最高，設(shè)計洪水時水冠高程達(dá)到1058.2 m，校核洪水時水冠高出閘頂1058.6 m，建議將墩的頭部改為流線型，以減小水冠高度，同時增加閘室高度。

（5）在校核洪水時閘室水流淹沒弧形工作門門鉸，建議將弧形工作門門鉸抬高1 m。

（6）試驗量測泄洪沖砂閘和溢流堰聯(lián)合運用時，閘前水位分別為設(shè)計水位1506.12 m和1506.74 m時對應(yīng)的河道中心沿程水面線和左右岸水面線。

（7）沖刷試驗采用設(shè)計水位1506.12 m和校核水位1506.74 m兩種工況進(jìn)行。在設(shè)計水位工況下，泄洪閘和溢流堰下游防沖槽內(nèi)和地形均未發(fā)生明顯沖刷。在校核水位工況運行19 h（模型3 h）后：泄洪閘下游消力池內(nèi)和防沖槽發(fā)生沖刷，右側(cè)拋石大部分被沖出，左側(cè)有少許拋石殘留，下游河床未發(fā)生明顯沖刷；溢流堰下游防沖槽拋石未發(fā)生明顯沖刷，但防沖槽下游右側(cè)地形發(fā)生沖刷并出現(xiàn)沖刷溝。建議將泄洪閘下游消力池加深加長，對溢流堰下游右側(cè)河床進(jìn)行一定防護(hù)工程。

3 結(jié)語

在大型樞紐工程建設(shè)或加固中，泄水建筑物的過流能力，防洪性能、閘門型式及體型優(yōu)化、下游效能設(shè)施的防沖性能等各方面僅僅依靠理論計算和設(shè)計經(jīng)驗往往是不可靠、不全面的，借助于物理模型，按照一定的比尺合理縮放整體樞紐模擬各復(fù)雜工況下的運行情況得出的結(jié)論是可信的。實踐證明：物理模型對水利樞紐除險加固方案的優(yōu)化具有明顯的促進(jìn)作用。