新疆某水利枢纽渠首工程整体水工模型试验研究

周旭锐

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某水利枢纽位于阿勒泰地区，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型。渠首工程主要由泄洪闸、溢流堰、生态闸、引水闸、仿生鱼道等建筑物组成，均为1 级建筑物。渠首工程采用闸堰结合的方式，泄洪闸为开敞式，设置6孔，单孔净宽10 m。生态闸为潜孔式，设置1 孔，单孔净宽2.5 m。溢流堰宽70 m，采用WES实用堰，堰顶高程701.90 m，为无闸控制。堰顶上游段堰面曲线采用三圆弧曲线，上游堰面铅直，下游段堰面曲线采用幂曲线，曲线方程为Y=0.237 066X1.85。

正常引水位701.90 m，引水闸引水流量为65 m3/s；设计洪水标准P=1%（Q＝2337 m3/s），相应水位为704.130 m；校核洪水标准P=0.33%（Q＝2548 m3/s），相应水位为704.306 m。由泄洪闸、溢流堰、生态闸联合泄流。为验证拦河闸及溢流堰的过流能力，优化整体布置方案，开展了模型试验研究。

2 模型设计

整体模型包括了溢流堰、泄洪闸、生态闸、引水闸以及溢流堰、泄洪闸和生态闸之后的消力池。纵向试验范围为闸轴线上游200 m、消力池向下游200 m，总长约400 m左右。枢纽布置模型尺寸大约为13.5 m×5.7 m（长×宽）。

模型试验采用正态模型，按遵循重力相似准则设计，模型试验的长度比尺λL为30。流量比尺λQ为4 929.5，流速比尺λv为5.477，糙率比尺λn为1.763，时间比尺λt为5.477。

整体模型试验设计、模型制作安装、测试仪器和测试方法等按照《水工（常规）模型试验规程》（SL155-2013）要求执行。

3 试验成果分析

3.1 原设计过流能力计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2016），泄洪闸按平底闸堰流泄流能力计算公式计算，生态闸按平底闸孔流泄流能力按公式计算；根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），溢流堰按开敞式实用堰流泄流能力计算公式计算。计算成果分别见表1～表3。由以上计算可知，泄洪闸、溢流堰、生态闸联合泄流，设计工况泄量为2 374.98 m3/s，校核工况泄量为2 549.73 m3/s，均满足过流要求。

运行工况设计洪水校核洪水闸前水位/m 704.130 704.306下游水位/m 701.388 701.346闸底板高程/m 697.20 697.20闸孔宽度/m 10 10孔数6 6流量系数0.385 0.385侧收缩系数0.978 0.978淹没系数1.0 1.0计算泄量/（m3/s）1 821.84 1 925.28

工况设计洪水校核洪水单孔闸门净宽/m 2.5 2.5流量系数μ 0.524 0.527垂直收缩系数0.629 0.628闸口开度e/m 2.50 2.50堰上水头Ho/m 6.83 7.13 e/Ho 0.366 0.351流速/（m/s）2.22 2.19计算泄量/（m3/s）37.91 38.96

运行工况设计洪水校核洪水堰前水位/m 704.130 704.306下游水位/m 701.388 701.546堰底板高程/m 697.20 697.20堰上水头/m 2.230 2.426堰宽/m 70 70流量系数0.492 0.501侧收缩系数0.996 0.995淹没系数1.0 1.0计算泄量/（m3/s）515.23 585.49

3.2 建筑物过流验证

溢流堰、泄洪闸及生态闸共同过流，设计洪水位704.13 m，泄量为2 159.88 m3/s，水流流态见图1。校核洪水位704.306 m，泄量为2 520.00 m3/s，水流流态见图2。

图1 设计工况整体流态图

图2 校核工况整体流态图

由试验可知，虽然设计工况和校核工况下的整体流态较好，水面线均较为平顺，但是泄量均未达到要求，故需要验证泄洪闸、溢流堰单独过流的泄量，调整闸堰的配置比例。

3.3 泄洪闸单独过流试验成果

为率定泄洪闸的过流能力，仅泄洪闸过流，共进行了4组试验。

3.3.1 泄洪闸水流流态

泄洪闸流量Q=356.08 m3/s，该工况下的上游水位为699.744 m，流量系数为0.330，水流流态见图3；泄洪闸流量Q=504.55 m3/s，该工况下的上游水位为700.352 m，流量系数为0.339，水流流态见图4；泄洪闸流量Q=751.41 m3/s，该工况下的上游水位为701.28 m，流量系数为0.343，水流流态见图5；泄洪闸流量Q=862 m3/s，该工况下的上游水位为701.728 m，流量系数为0.344，水流流态见图6。

图3 泄洪闸Q=356.08 m3/s流态图

图4 泄洪闸Q=504.55 m3/s流态图

图5 泄洪闸Q=751.41 m3/s流态图

3.3.2 泄洪闸水位流量关系

根据试验数据计算仅泄洪闸过流时的水位流量曲线见图7。

图7 泄洪闸水位流量曲线图

3.3.3 泄洪闸流量系数

泄洪闸流量系数表见表4。

上游水位/m流量系数701.66 0.344 701.45 0.3 434 701.28 0.343 700.92 0.341 700.34 0.339 700.14 0.336 699.72 0.330 699.48 0.328

3.3.4 泄洪闸单独过流试验成果

因上游水位超过701.9 m时，溢流堰会溢流，故仅测定了上游水位低于正常引水位701.9 m 的4 种工况，故泄洪闸单独过流的设计和校核工况不能通过水工模型试验确定，但从已做工况的流量系数来看，泄洪闸体型比较合理，泄洪能力较充足。

3.4 溢流堰单独过流试验成果

为率定溢流堰的过流能力，共进行了4组试验。试验中，泄洪闸、生态闸及引水闸全关，仅溢流堰过流。

3.4.1 溢流堰水流流态

溢流堰流量Q=37.28 m3/s，该工况下的上游水位为702.323 m，流量系数为0.437，水流流态见图8；溢流堰流量Q=251.13 m3/s，该工况下的上游水位为703.389 m，流量系数为0.446，水流流态见图9；溢流堰流量Q=463.03 m3/s，该工况下的上游水位为704.086 m，流量系数为0.462，水流流态见图10；溢流堰流量Q=624.21 m3/s，该工况下的上游水位为704.531 m，流量系数为0.472，水流流态见图11。

图8 溢流堰Q=37.28 m3/s流态图

图9 溢流堰Q=251.13 m3/s流态图

图10 溢流堰Q=463.03 m3/s流态图

图11 溢流堰Q=624.21 m3/s流态图

3.4.2 溢流堰水位流量关系

根据试验数据计算仅溢流堰过流时的水位流量曲线见图12。

图12 溢流堰水位流量曲线图

按照图12的水位流量关系曲线，设计工况下水位704.130 m 时，过流流量为480 m3/s；校核工况下水位704.306 m时，过流流量为540 m3/s。

3.4.3 溢流堰流量系数

溢流堰流量系数表见表5。

流量/（m3/s）600 550 500 450 400 350 300 250上游水位/m流量系数704.466 0.471 704.392 0.468 704.192 0.465 704.049 0.461 703.895 0.458 703.736 0.454 703.566 0.450 703.385 0.446

3.4.4 溢流堰单独过流试验成果

不同流量下溢流堰流态较好，水面线均较为平顺。但按照图12的水位流量关系曲线，设计工况过流流量为480 m3/s，小于计算值515.23 m3/s；校核工况过流流量为540 m3/s，小于计算值585.49 m3/s，泄量均存在略微不足的问题。

4 优化方案试验成果

4.1 优化方案

结合水工模型试验成果，为增大泄量，采取缩窄溢流堰堰宽，扩宽泄洪闸闸室宽度的措施。对模型进行优化如下：①溢流堰堰宽缩窄6 m，由堰宽70 m 缩窄至64 m；②泄洪闸闸室宽度由每孔10 m增大至11 m。

4.2 优化后闸堰联合过流试验成果

溢流堰、泄洪闸及生态闸共同溢流，设计洪水位704.130 m，流量为2 342.35 m3/s，水流流态见图13。校核洪水位704.306 m时，过流流量为2 550.17 m3/s，水流流态见图14。

图13 优化后设计工况整体流态图

图14 优化后校核工况整体流态图

由试验可知，优化后闸堰结合的配置比例合理，泄洪闸、生态闸及溢流堰联合泄流时，设计工况和校核工况下的整体流态较好，水面线均较为平顺，泄量也满足要求。

4 结语

通过水工模型试验的观察、测量，优化后闸堰结合的配置比例合理，闸堰联合泄流时，泄量达到要求。通过模型试验研究，优化了工程布置，为下一阶段的设计工作打下了基础。