田山電灌站月河進(jìn)水口模型試驗(yàn)研究

曾桂華，程素珍，張慶麗

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省科源工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 濟(jì)南 250014）

田山引黃電灌泵站是黃河下游最大電力引黃排灌工程，其一級泵站位于縣城北側(cè)黃河右岸田山腳下，是田山引黃灌區(qū)的唯一取水口，由引水口、泵站前池、引水池等組成，泵站共裝有軸流泵12 臺，設(shè)計(jì)流量24 m3/s，設(shè)計(jì)最低取水水位33.2 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.7 m，裝機(jī)容量2 670 kW，泵站前池池底高程30.4 m，進(jìn)水池與月河垂直連接。引水渠（稱為“月河”，形狀近似月牙形）上游與黃河中泓相通，黃河流量小時(shí)可引中泓河水，月河河道軸線平行于黃河中泓線，能夠保證中泓主流從月河過流，水流均勻，流速大，可減少月河淤積。泵站前池引水口在月河右岸山坡開挖，實(shí)現(xiàn)月河主流沖淤、側(cè)向引水，避免月河進(jìn)水口淤堵，巧妙的借助地形河勢進(jìn)行泵站布置，確保田山電灌站運(yùn)行正常。由于泵站上游黃河兩岸控導(dǎo)工程的修建，改變了局部河勢走向，黃河中泓主流偏離月河進(jìn)水口，河口泥沙淤積，導(dǎo)致低水位時(shí)月河斷流，高水位時(shí)月河河水流速低，造成月河河槽凸岸淤積，河道斷面減小，影響電灌站前池引水。為恢復(fù)月河引水能力，規(guī)劃在月河上游左側(cè)基巖岸坡新挖進(jìn)水口，通過水工模型整體試驗(yàn)，研究進(jìn)水口的規(guī)模和位置對引水量、淤積等因素的影響，提出合理的設(shè)計(jì)方案。

1 月河進(jìn)水口改造的必要性

近些年來，黃委會為了河流凹岸岸邊穩(wěn)定，防止河灣演變，在泵站上游彎道凹岸起點(diǎn)處設(shè)置控導(dǎo)工程，改變了水流的流線及水流流量的微變，使水流主流向遠(yuǎn)離凹岸偏移，引起凹岸泥沙堆積，月河進(jìn)水口淤堵，使處于彎道凹岸頂點(diǎn)下游約400 m 處的田山電灌一級泵站的引水來水量發(fā)生了一定的改變，特別是水位較低時(shí)，河道主流方向有所偏離月河的進(jìn)水口，水流進(jìn)入月河不暢。另一方面，黃委會開展的黃河調(diào)水調(diào)沙措施，造成山東境內(nèi)黃河主河槽逐年下切，同流量水位逐年下降。2003—2005 年，河道下切近2 m，相對應(yīng)的引水位下降?；谝陨蟽煞矫?，使得田山電灌泵站在黃河來水同等條件下的春季引水出現(xiàn)困難，引水流量減少，不能滿足引水要求。因此，對田山引黃電灌一級泵站的月河進(jìn)水口采取工程措施，恢復(fù)田山引黃電灌泵站的提水功能，變得非常必要而迫切。

2 模型設(shè)計(jì)和研究內(nèi)容

2.1 物理模型設(shè)計(jì)

模型范圍區(qū)為泵站上下游整個(gè)黃河河段，全長555 m，其中，泵站前池上游長330 m。試驗(yàn)采用整體正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)工程規(guī)模、試驗(yàn)精度等綜合考慮，模型主要參數(shù)比例見表1。

表1 模型主要參數(shù)比尺

模型取水口采用硬質(zhì)塑料板通過數(shù)控車床加工，閘室總凈寬誤差在0.5 mm 以下。河床、進(jìn)水口、月河、魚嘴等用三合板作出樣板，精確放樣，控制其高程及平面位置，采用水泥砂漿抹面，以不同的光潔度控制各部位糙率。根據(jù)黃河泥沙級配和粒徑，按照試驗(yàn)比尺，泥沙采用74～104μm均勻級配的散粒砂料。

模型進(jìn)水量采用矩形薄壁堰控制，由安裝在相應(yīng)斷面處的固定測針測讀水位，取水口進(jìn)水量由塑料閘門和泄水閥門控制。高程測量采用水準(zhǔn)儀，流速測量設(shè)備包括畢托管、微型旋漿流速儀、聲波測速儀、浮標(biāo)法，流速儀采樣時(shí)間為6 s，每點(diǎn)采集3 次，求出平均值作為該點(diǎn)的流速值。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在月河左岸黃河來水方向轉(zhuǎn)彎處側(cè)向開挖一條喇叭形進(jìn)水口，邊坡坡比為1∶1，開挖高程設(shè)置33.2 m、33.0 m、32.5 m 三個(gè)不同深度，進(jìn)水渠最窄處相應(yīng)開挖寬度為12～14.25 m、23.5～25 m、39～41 m 等三組數(shù)。根據(jù)黃河小流量狀態(tài)，測量黃河為200 m3/s、260 m3/s 和300 m3/s 小流量來水時(shí)引水渠現(xiàn)狀時(shí)取水流量，觀測進(jìn)水口及泵站取水閘（不取水時(shí)）前月河現(xiàn)狀流態(tài)。

根據(jù)進(jìn)水口改造寬度的不同，試驗(yàn)工況為三種。方案一：在現(xiàn)狀月河進(jìn)水口位置進(jìn)行底部開挖12～14.25 m，對取水流量測量；方案二：進(jìn)水口向下游側(cè)擴(kuò)寬至23.5～25 m，對取水流量測量；方案三：進(jìn)水口向下游側(cè)擴(kuò)寬至39～41 m，對取水流量測量。三種工況均在開挖高程設(shè)置33.2 m、33.0 m、32.5 m 三個(gè)不同深度進(jìn)行測量試驗(yàn)。采用的黃河流量～水位關(guān)系見表2。

表2 黃河流量～水位關(guān)系表

測流內(nèi)容包括不同工況下的前月河流態(tài)觀察及測流，方案改造各工況下的黃河流量分別為200 m3/s、260 m3/s 及300 m3/s 小流量情況下的泵站取水口的取水流量試驗(yàn)分析。試驗(yàn)過程中每個(gè)方案均進(jìn)行了泵站前池自由取水和前池閘門控制水位取水兩種情況下的整體模型測量。

3 試驗(yàn)成果

3.1 斷面和測點(diǎn)布置

以月河進(jìn)水口斷面為斷面1，沿月河中心線選取9 個(gè)典型橫剖面作為測量斷面。測點(diǎn)布置：斷面1 由于來水?dāng)嗝鎸挾刃?，選取兩個(gè)測點(diǎn)；斷面2、4、5、7 布置6 個(gè)測點(diǎn)；斷面8、9 由于河道較窄，布置5 個(gè)測點(diǎn)。

3.2 前池自由取水時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

不考慮泵站前池水位控制時(shí)（即泵站閘門取水口的最大取水量），根據(jù)三種方案不同黃河流量、不同引水口高程量測泵站取水閘門口流量，試驗(yàn)成果見表3。

表3 前池自由取水時(shí)各組合方案前池取水流量

表3 結(jié)果為三種方案在不考慮泵站前池水位控制時(shí)，各種情況下能從泵站取水閘門口取得的最大流量值。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，在不考慮泵站前池水位控制時(shí)，方案一在多數(shù)工況下不滿足設(shè)計(jì)取水流量要求；方案二在黃河小流量月河進(jìn)水口的不滿足設(shè)計(jì)取水流量要求；方案三僅在引水口底部高程較高，黃河流量較小不滿足設(shè)計(jì)取水流量要求。

3.3 前池控制取水時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

控制泵站前池水位分別為31 m、32 m、33 m、33.2 m、33.5 m 時(shí)三種方案各種情況下取得相應(yīng)的流量值（略）。在考慮泵站前池水位時(shí)，且前池水位越來越高時(shí)，三個(gè)方案各種工況下泵站能取得的流量值逐漸變小。當(dāng)前池水位33.2 m 時(shí)，三方案在黃河流量為200 m3/s、260 m3/s、300 m3/s 時(shí)能取得的流量均滿足泵站設(shè)計(jì)流量要求，但有一部分水是月河尾部倒流回水，尤其是200 m3/s時(shí)，大部分水是月河倒流回水。

在滿足泵站取水要求和盡量減小月河左岸開挖量的前提下，方案二即開挖一條喇叭形的引水渠引水口，中部最窄處寬約23.5～25 m，兩側(cè)邊坡均為1∶1，開挖至高程為32.5 m 時(shí)為最優(yōu)方案；如考慮黃河河床是動態(tài)的及黃河調(diào)水調(diào)沙帶來的河床進(jìn)一步下切，第一階段引水渠取水口可以開挖寬度為25 m，開挖至高程為33.0 m；第二階段引水渠取水口可以開挖寬度為25 m，開挖至高程為32.5 m，或采取第三種方案中的其中一種都能滿足黃河小流量情況下的引水要求。

4 結(jié) 語

通過開展田山引黃電灌泵站月河取水口開挖不同寬度、深度時(shí)，泵站取水閘口門能取得的最大流量的物理模型試驗(yàn)研究和對側(cè)向引水及進(jìn)水泵站進(jìn)水側(cè)流態(tài)的物理模型研究，并結(jié)合理論分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

目前，在滿足泵站取水要求和盡量減小施工量的前提下，在月河上游部分開挖一條喇叭形的引水渠，中部最窄處寬約23.5～25 m，兩側(cè)邊坡均為1∶1，月河取水口開挖至高程為33.2 m 時(shí)為最優(yōu)方案；如考慮黃河河床是動態(tài)，黃河調(diào)水調(diào)沙會讓河床進(jìn)一步下切，第一階段引水渠取水口可以開挖寬度為25 m，開挖至高程為33.0 m；第二階段開挖至高程為32.5 m。

不論泵站取水還是不取水，汛期還是非汛期，月河的右岸處于月河的凹岸，泵站取水閘門口前的水流是月河的主流，不會發(fā)生淤積，而對岸將發(fā)生輕微淤積，能夠在黃河大流量沖刷時(shí)保持月河沖淤平衡狀態(tài)。