不同水沙條件下甘肅某引水工程引水閘布置方案研究

張玉仁

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

在天然河流建設(shè)引水工程，用以供水、通航、灌溉或發(fā)電是水資源開發(fā)的重要途徑。然而會在一定程度改變河勢中泥沙和水流的運動規(guī)律，導致下游河床抬升淤墊，進而影響水工樞紐的引水防沙功能[1- 2]。因此，不同水沙條件下如何正確設(shè)計水工建筑物尺寸，合理地布置引水樞紐方案，成為樞紐發(fā)揮渠首功能的關(guān)鍵。國內(nèi)學者針對天然河道中引水樞紐消能防沖及沖淤演變狀況做了大量研究，劉攀[3]對新疆某長距離引水隧洞工程設(shè)計方案進行了水工模型試驗，并給出了閘門的合理運行方式；倪碩[4]通過模型試驗研究了不同沖沙槽深度對引水工程水流流態(tài)的影響，并提出了優(yōu)化方案。基于此，本文對甘肅某引水工程的布置方案進行了優(yōu)化，以期為實際水利樞紐的施工設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況

供水工程位于甘肅省平川區(qū)、靖遠縣與海源縣接壤，西北緊鄰騰格里沙漠，中間平坦廣闊的盆地。海拔高程1360～2280m，相對高差一般小于500m。本工程骨干工程包括：調(diào)蓄水池、供水管線、總干渠、支渠工程，其中總干渠1條，長28.684km；干渠3條，長108.426km；分干渠4條，長43.318km；支干渠1條長5.4km；支渠29條總長126.343km；調(diào)蓄水池3座。主要建筑物包括泵站、明渠、暗渠、隧洞、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡、水閘、管道、車橋、涵洞、排洪渡槽等各類渠系建筑物。本工程擬發(fā)展灌溉面積30萬畝，全部采用高效節(jié)水灌溉，其中管灌配套7.05萬畝、大田微灌配套21.75萬畝、溫室微灌配套1.20萬畝。發(fā)展面積中現(xiàn)狀已平整配套的面積7.34萬畝，含微灌配套2.18萬畝、管灌配套2.69萬畝、渠灌配套2.08萬畝，未配套渠系種植0.38萬畝。故本次需新配套高效節(jié)灌面積25.13萬畝，其中管灌配套4.36萬畝、大田微灌配套19.57萬畝、溫室微灌配套1.20萬畝。

區(qū)內(nèi)地表水系主要以黃河水為主，其徑流量大，水質(zhì)好，從河流兩側(cè)匯入黃河的其它地表水體，水量與黃河水相比極小，對河水水質(zhì)影響不大。黃河上游洪水主要由暴雨形成，6—10月均有年最大流量出現(xiàn)，但以7—9月出現(xiàn)的次數(shù)最多，其它月份雖仍有暴雨出現(xiàn)，但量級不大或次數(shù)不多。每年9月份龍羊峽、劉家峽水庫開始蓄水，至10月份庫水位接近正常蓄水位，若出現(xiàn)洪水過程，常常只能全部下泄，因此10月份單獨劃分為汛末過渡期。一般情況下11—次年6月水庫除機組發(fā)電流量外，基本無棄水，因此，將11—次年6月劃為非汛期。

2 試驗方案

2.1 模型設(shè)計

原方案樞紐整治段水流流態(tài)混亂，左岸水流被導向右岸和中軸線，局部壅高形成回流區(qū)。 當河道來水量小于設(shè)計洪水流量時，閘前淤積高程增加，不滿足防沙排沙要求[5- 6]。河道發(fā)生校核洪水時頂部高程不滿足設(shè)計泄洪要求。泄洪沖沙槽底板高程較高，下游水位相對較低，樞紐布置形式?jīng)_沙極為不利。為此，將引水閘進口喇叭口修改為45°；引水閘閘底板高程提高至1159.50m，且增設(shè)1m高的擋砂坎；引水渠閘后漸變段修改為15.0m；將泄洪沖砂閘門修改至與原閘墩頂?shù)雀?。在綜合考慮模擬范圍、試驗條件等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合SL 155—2012《水工模型試驗規(guī)程》，采用正態(tài)模型模擬河道原型，相應的模型比尺見表1。

2.2試驗測量方法

流量觀測：模型流量供給通過量水堰進行控制，流量觀測采用恒定流試驗法。具體布置為：分別安裝矩形量水堰于樞紐上下游出口，用于測量河道來流量和下游出流量；在左岸和右岸進水閘后均安裝三角形量水堰來測量分流量的大小。水位觀測采用鋼尺、方格網(wǎng)、水準儀、水位測針等，精度為0.1mm，基于試驗BM點高程計算沖淤高程和河道水位。流速、水面線觀測方法如下：①在研究區(qū)域設(shè)置了11個斷面，每個相鄰斷面的距離為20m。②每個斷面布置左、中、右測點來量測其水位，其中邊界測點間距8m。③通過智能流速儀對河道流速進行測量，不同河道來流量條件下，分別在斷面左、中和右岸布置垂線，測點位于斷面平均水深的2/3處進行測量。根據(jù)試驗需要，典型流量工況及歷時見表2。

表1 模型比尺

表2 工況及歷時

3 結(jié)果與分析

3.1流態(tài)及水面線

不同流量條件下沖沙槽水邊線變化趨勢，如圖1所示?？梢钥闯?，沖沙槽邊墻水位差值較小，槽內(nèi)菱形波數(shù)量明顯減小，主要是因為引水閘口角度減小使得偏轉(zhuǎn)角發(fā)生改變，加之流速略有降低使得槽內(nèi)菱形波消失水流擾動降低，回流區(qū)面積及流速有所減小。增加擋沙坎、減小引水閘進口角度后，閘前水流平順，河道水流流態(tài)有了較大改善；閘后坡度變陡且加長漸變段，使得泥沙通過速度明顯加快。由于斷面突縮導致閘前水位有所升高，但水流入槽未出現(xiàn)較大波動。在設(shè)計洪水和校核洪水條件下閘前水位基本一致，而泄洪沖沙槽內(nèi)菱形水面減少，水面平穩(wěn)且左右岸水面高程幾乎相同。

3.2流速分布分析

修改方案后，各流量下特征斷面水深變化與流速分布基本一致。修改方案將引水閘進口喇叭口角度由67°減小為45°，閘底板高程提高至1159.50m且增設(shè)1m擋沙坎，雖然增大了過流難度，但能夠阻止泥沙進入。泄洪沖沙閘使得河段流速急劇減小，減幅高達37%左右，來流量較小時閘前流速降低了20%，槽內(nèi)流速無明顯變化，流速左右對稱且分布均勻，更有利于排沙。來流量比較大時，泄洪沖沙閘對水流速度影響較小，水位與流速變化相互對應。校核流量下流速略小于原方案，槽內(nèi)出口左岸流速略小于右岸流速，中間流速大于邊緣流速，表明水流呈對稱分布。

3.3沖淤地形變化分析

引水渠挾沙量及閘前淤積對比見表3?？梢钥闯觯薷姆桨敢?nèi)進沙量大大減少，其中來流量小于43.13m3/s時進沙量為0，河道來流量為193.92m3/s時進沙量減少了約78%。來流量為29.9、43.13m3/s時，引水進口平臺與閘前平臺未發(fā)現(xiàn)淤積。河道來流量為116.15m3/s時，擋沙坎邊緣已有砂石靠近，引水閘到泥沙的距離為1.80 m，閘前平臺產(chǎn)生懸移質(zhì)沉淀，未發(fā)現(xiàn)泥沙流經(jīng)閘室。河道來流量為193.92m3/s時，閘前鋪蓋淤積未進入至閘室。河道來流量為設(shè)計流量284.82m3/s時關(guān)閉引水閘，大部分泥沙被帶至沖砂槽，平臺僅有少量細砂。主要是底板高程抬高和喇叭口角度減小。河道來流量為校核洪水414.10m3/s時，洪水已把閘前部分淤積物帶走，擋砂坎前緣最大淤積低于擋砂坎頂高程0.35m，由于擋沙坎的存在使得泥沙難以進入引水閘。按引水比例分析，洪水期對上游排沙有利，上游河道不易淤積，拉沙效果比較理想。

表3 引水渠挾沙量及閘前淤積高程對比

設(shè)計和校核洪水時沖擊地形中大顆粒十分明顯，表明泥沙向下游輸移增多。下游河道沖坑深度見表4。發(fā)生設(shè)計洪水時，沖坑深度為5.29m，沖坑深度為1146.65m；發(fā)生校核洪水時，沖坑深度為1144.45m，而沖沙槽下游齒墻深度為7.21m，顯然需增加齒墻深度。此外，進水閘閘后最大流速為4.57m/s閘后消能防沖滿足要求。

表4 修改方案下游沖坑深度

4 結(jié)語

對甘肅某引水工程引水閘進行了不同水沙工況下的模型試驗，并得到以下結(jié)論：①樞紐水流流態(tài)得到改善，回流流速和回流區(qū)面積減小，水流流態(tài)更加平穩(wěn)。雖然在閘前水位升高，但水流入槽平穩(wěn)，流速分布均勻，左右對稱，流速更平順，更有助于排沙。②泄洪沖沙閘與引水閘軸線夾角調(diào)整至45°，引水閘底板高于沖沙閘底板2.5m，形成斜向引水、正面排沙，能夠滿足泄流要求，結(jié)構(gòu)布置較為合理。③增加擋沙坎后，引水渠進沙量減少了90%。