勿甫引水枢纽中引水弯道水工模型试验分析

（新疆水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐 830000）

1 勿甫引水枢纽工程概况

勿甫渠首位于叶尔羌河流域灌区莎车县境内，工程主要承担着下游补充引水和补充蓄水的任务，现状年直接控制灌溉面积504.05 hm2，设计总引水流量为100.00 m3/s。工程等别为Ⅱ等大（2）型，工程兴建于1979年，1984年正式投入运行。勿甫引水枢纽自建成至今已运行32年，该工程洪水标准、安全超高、下游消能防冲均不能满足规范要求，存在重大隐患，无法安全运行，急需除险加固。

本次勿甫引水枢纽工程除险加固确定拆除重建，重建后的工程主要建筑物包括导流堤、溢流堰、泄洪闸、泄洪冲砂闸、进水闸及引水渠道等，工程的总体设计布置见图1。

新疆地处内陆干旱地区，在洪水季节河流都以急流状态挟带大量泥沙下泄，对枢纽危害较大，解决引水排沙的矛盾，是设计的关键问题[1]，在枢纽布置中多采用引水弯道解决引水排沙问题，引水弯道的目的是在于产生横向环流，产生离心力将泥沙排向下游[2]，本次依据模型试验验证引水弯道方案布置的合理性。

引水弯道首端多采用喇叭口形式与天然河道连接[3]，人工弯道布置于进水、冲沙闸前的整治段，右侧与泄洪闸相接，左侧与上游导流堤相接，首部轴线与泄洪闸中心线夹角为45°。弯道直线整治段开始段底面宽度为39.48 m，末端底面宽度与弯道底宽相同为30.00 m，弯道采用变曲径设计，中心线总长251.00 m。

图1 枢纽设计方案工程布置图

人工弯道设计引水流量220.00 m3/s，弯道进口高程1 328.30 m，较泄洪闸底板高1.20 m，综合纵坡i=0.003 3。弯道断面形式为梯形，设计边坡为1∶2.0，凸岸一侧为人工填岛，顶高程为1 334.50 m。凹岸堤顶高程1 334.00 m，宽为 6.00 m，堤外边坡 1∶1.75。

2 模型比尺

根据试验内容及场地条件，确定模型为正态模型，几何比尺为αl=αh=40。水流运动主要作用力是重力，因此模型按重力相似准则设计，保持原型、模型佛汝德数相等。根据重力相似准则，相应的流量比尺、流速比尺、糙率比尺和时间比尺如下:

3 模型沙的选择

模型沙的选择，应同时满足水流运动相似及泥沙运动相似。对于正态模型，应遵循下列相似比尺:

1）水流运动相似

式中:αv——流速比尺；

αn——糙率比尺。

2）泥沙运动相似

（1）泥沙起动相似

根据沙莫夫泥沙起动流速公式，导出床沙粒径比尺:

如果模型沙为天然沙，则有αd=αl=40

（2）泥沙冲淤变形时间相似

由泥沙运动河床变形方程导出床沙冲淤变形时间比尺:

试验中选取石英砂作为模型沙。

4 试验成果及分析

4.1 泄流能力试验

在局部模型的条件下，假设溢流堰不过流且下游无水的最不利工况下，试验对30年、50年及100年一遇洪水，依据水文报告分析成果:Q30年=1 398 m3/s（p=3.33%），Q50年=1 453 m3/s（p=3.33%），Q100年=1 485 m3/s（p=1%）。在泄洪闸、冲沙闸闸门敞泄，引水闸控泄100.00 m3/s及不控制下游水位的条件下进行引水弯道试验。

4.1.1 30年一遇洪水工况

试验开始后，人工弯道喇叭口前的挡沙坎下泥沙开始淤积。当挡沙坎下泥沙淤满后，泥沙开始进入人工弯道，并在扭面后4.00 m中心线偏左处淤积，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙开始淤积。6.32h后，扭面后4.00 m中心线偏左处泥沙淤积消失，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙淤积范围为10.40 m×40.00 m。实测人工弯道流量为263.90 m3/s，人工弯道流速分布见下图2。

图2 30年一遇洪水工况人工弯道流速分布图 （Q=1 398 m3/s，H上=1 330.53 m）

4.1.2 50年一遇洪水工况

试验开始后，喇叭口前的挡沙坎下泥沙开始淤积。当挡沙坎下泥沙淤满后，泥沙开始进入人工弯道，并在扭面后4.00 m中心线偏左处泥沙开始淤积，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙开始淤积。6.32 h后，扭面后4.00 m中心线偏左处的泥沙淤积消失，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙淤积范围为11.20 m×43.10 m。实测人工弯道流量为264.83 m3/s，人工弯道流速分布见下图3。

图3 50年一遇洪水工况人工弯道流速分布图（Q=1 453 m3/s，H上=1 330.66 m）

4.1.3 100年一遇洪水工况

试验开始后，喇叭口前的挡沙坎下泥沙开始淤积。当挡沙坎下泥沙淤满后，泥沙进入人工弯道，并在扭面后4.00 m中心线偏左处泥沙淤积，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙开始淤积。6.32 h后，扭面后4.00 m中心线偏左处的泥沙淤积消失，人工弯道反弧中部切点处凸岸一侧泥沙淤积范围为12.00m×50.00m。实测人工弯道流量为272.70 m3/s，人工弯道流速分布见下图4。

4.2 人工弯道拉沙试验

研究人工弯道拉沙形态，试验将人工弯道内铺颗粒粒径为4～12 mm的石英作为研究对象砂，铺沙厚度2 m，引水闸挡沙坎前不铺沙。这是人工弯道泥沙淤积形态下拉沙试验最不利的工况。

试验工况为:关闭引水闸及泄洪闸，流量220.00m3/s是人工弯道设计流量，冲沙闸敞泄。

水流进入铺沙的人工弯道，当上游水位在冲沙闸前为1 331.55 m时，将冲沙闸闸门同步开启敞泄，泥沙随水流流向下游。开始时，水流挟带大量泥沙涌向下游，并在冲沙闸前形成涌沙通道。

图4 100年一遇洪水工况人工弯道流速分布图（Q=1 485 m3/s，H上=1 330.68 m）

图5 拉沙试验人工弯道水面线及流速分布图（Q=220 m3/s，H上=1 331.55 m）

1 h后人工弯道反弧末端A-A剖面凹岸开始形成拉沙沟槽。

1.5 h后，人工弯道反弧中部切点处B-B剖面开始形成拉沙沟槽。

3 h后，拉沙沟槽逐渐延伸至人工弯道进口扭面末端，C-C剖面。

4 h后，人工弯道整体形成拉沙沟槽。随着时间的推移，沟槽逐渐明显，10 h后，人工弯道冲淤基本平衡，实测人工弯道内断面泥沙剩余量见表1。

实测拉沙量为74.60%，人工弯道内水面线及流速分布见下图5。

5 结论

1）引水弯道在不同工况下均满足设计要求。

2）在局部模型的条件下，根据拉沙试验显示，关闭引水闸及泄洪闸，冲沙闸敞泄，人工弯道内铺厚2.00 m，颗粒粒径为4～12 mm的石英砂，设计流量为220.00 m3/s的最不利工况下，随着时间的推移，10 h后，人工弯道冲淤基本平衡，实测拉沙量为74.60%，拉沙效果较为明显。

表1 各断面泥沙剩余量表 单位：m

3）在本次模型试验中，通过水利相似原理和试验结果，可以验证本次设计的合理性，给日后的设计提供合理的科学依据。但由于泥沙问题的复杂性以及不确定性，建议工程运行期间加强对引水弯道冲淤形态的观测，以便及时采取必要的工程防冲减淤优化措施，保证引水弯道的过流要求。