金沟河引水枢纽除险加固工程水工模型试验探讨

刘婷婷

(新疆金沟河流域管理局水利管理中心，新疆 沙湾 832100)

1 前言

金沟河引水枢纽工程是新疆沙湾县西南金沟河流域的骨干性水利工程，流域现状引水枢纽工程在金沟河中游河段的出山口位置，1959年建成后次年便投入蓄水使用，该引水枢纽为典型的费尔干式引水建筑物型式，正面和侧面分别发挥引水和冲砂的功能。考虑到金沟河引水枢纽在运行过程中逐渐暴露出来的来水量不均匀、洪水集中、灌溉季节引水比高、枯水期流域来水全部入渠导致冲砂具有明显的间歇性特征，造成上下游淤积不断加剧等隐患，已经对整个工程的安全运行造成严重威胁。此外，根据对费尔干式引水建筑物布置形式的分析不难看出，其在较高引水比下很难有效解决泥沙淤积的问题。为此，必须将金沟河引水枢纽拆除重建，增强除险加固方案的合理性以确保枢纽工程泄洪安全。根据枢纽工程原设计中的枢纽与天然河道泄流比分析，枢纽可控制大河来水量和天然河道来水量的70%与30%，此结论显然缺乏科学依据，必须通过水工模型试验进行设计水位及校核水位情况下天然河道和蓝河枢纽泄水建筑物泄流比确定，并进行布置方案、泄洪排沙及消能防冲方案、泄水建筑物结构尺寸等的优化。

2 水工模型设计

2.1 模型设计

通过模型试验主要研究金沟河引水枢纽工程泄洪闸修建后河道冲淤演变、取水防沙、引水分流等问题，考虑到金沟河引水枢纽工程所在河段较为弯曲，河床主要为砂卵砾石，河道缺乏稳定性，为进行枢纽附近河道流态的模拟及工程建筑物的合理布置，模拟试验范围不宜过大，通过控制模型平面尺寸并分析试验条件、泥沙粒径及供水能力、试验场地，采用变率1.35的变态模型[1]，水平和垂直几何比尺分别为1∶80和1∶60，枢纽工程渠首水工模型长20.5 m，宽15.5 m，模拟范围由导流堤顶端以上450 m至溢流堰和溃坝冲坑以下55 m。在综合考虑几何相似、推移质运动相似、水流运动相似及重力相似准则基础上进行模型设计并根据《水电水利工程常规水工模型试验规程》(DL /T5244-2010)进行所设计模型放样及安装精度确定[2]。

本工程水工模型试验以人工筛分后按照天然河床泥沙粒径比尺配置的天然砂为模型沙，基于工程闸址河床泥沙粒径级配曲线与泥沙粒径比尺，进行模型沙级配曲线设计，再将筛分好的天然砂按照设计比混合，并填入模型台面，按设计要求浸泡并压实。再通过水准仪进行起始试验模型的刮制和高程控制。

本除险加固工程河道来水量通过量水堰在上游首部量测，并采用量水堰在下游量测溃坝、泄洪冲沙闸、溢流堰流量；水深较浅处流速采用毕托管量测，水深达流速仪测流指标时的流速采用旋桨流速仪测量；水准仪与钢板尺测量水位。

2.2 模型建筑物

水工模型中闸门由有机玻璃制成，其余建筑物制作均采用聚氯乙烯板材，引水枢纽导流堤、溢流堰过水断面、人工弯道等通过混凝土材料砌筑并抹面，将抛石坑设在溢流堰出口，并在抛石坑内放置铅丝笼。溢流堰两侧防冲墙由混凝土制成，以砂土和水混合料作为溃坝填充材料并抹面处理。根据DL/T 5244-2010进行模型测放精度、安装精度及整个试验过程的控制。为进行河道上游输沙情况、预计形态、工程建筑物排沙效果等的真实反映，分别进行定床、动床河道模拟：河床部分通过水泥砂浆在1∶1000地形图上进行定床模拟，而上下游河道则借助模型沙在1∶1000地形图上进行铺填和动床模拟，并在河道符合造床平衡条件的情况下进行设计方案输沙试验，在保证引水工况下试验频率及流量见表1。

表1 试验频率及流量

3 水工模型试验成果

3.1 引水分流试验

针对上游河道典型流量情况通过进水闸及泄洪冲沙闸闸门开度调整，以确保泄流量与闸门运行情况均符合设计流量运行要求，具体见表2。

表2 不同设计流量下闸门运行方式

表2结果显示，通过泄洪冲沙闸及进水闸闸门开度的调整，基本可以满足不同设计流量的调节需要，取水建筑物设计较为合理。在河道出现设计流量洪水且进水闸门全关闭情况下，闸门高度符合挡水要求；在河道出现校核洪水其闸门且无法实现进水闸全关的情况下，闸前水位达1385.50 m，比闸门顶高程高，所以闸门无法满足挡水需要。当设计流量为40 m3/s的情况下，闸室水位降至1382.43 m，比闸门顶高程和牛腿高程都低。河道校核洪水及设计洪水水平下，闸室水位最高达1382.50 m和1384.26 m，均比本工程牛腿高程低。

经上述分析可知，在出现洪水、设计洪水及校核洪水下枢纽工程分流比并非为原设计所给出的70%，对于常态洪水，枢纽工程和河道的分流比分别为25%和75%，且在河道来水量持续增加的情况下，枢纽工程来水量控制要求不断提高[3]。当流量2503 m3/s时，保证和不保证进水闸引水情况下工程分流比分别为44%和46%，当设计流量3084 m3/s，则保证和不保证进水闸引水情况下工程分流比均为48%。

3.2 泄洪试验

当河道设计流量3084 m3/s，全河道断面过流，在河势的作用下，河段左岸流速比右岸流速小，洪水流经人工弯道内，凹岸过流水面比凸岸高，分流比在枢纽段与河道段取值较为接近，右岸洪水流速、水深明显较大，而整治河段右岸因地势较高，并不会产生洪水淘刷问题。针对校核洪水，整治河段右岸河堤水位(1367.5 m)比堤顶高程(1365.0 m)高，整治河段左岸堤顶高程则符合设计要求。当设计流量2503 m3/s时，整治河段左右岸堤顶高程也都符合设计水位要求。

3.3 设计洪水流速

在设计洪水和校核洪水情况下进行河道整治段、人工弯道段等处流速测量，进水闸全部关闭且泄洪冲沙闸全部开启情况下，人工弯道处流速最大值3.88 m/s出现在闸前凸岸，由于河道右岸为主流场，进水闸闸门弯道处凹岸流速较低，所以校核洪水情况下流速最大值5.37 m/s出现在整治河段接近溢流堰位置。随着设计流量值的逐渐增大，泥沙淤积于溢流堰和溃坝冲坑后的长度显著增加，但抛石坑内钢筋笼并未出现大幅度移动和破坏，充分说明，在设计流量和校核流量情况下不会对工程枢纽结构造成严重影响，溢流堰及溃坝结构设计基本满足消能冲刷要求，且因大量泥沙被裹挟至下游，有利于下游河床稳定。

3.4 输沙试验

在枯水水文年流量概化且进水闸全部开启、泄洪闸全部关闭的工况下，河道泥沙主要沿导流堤右岸和河道主槽右岸持续向下游输移，并最终汇聚于人工弯道及泄洪闸入口处，且泥沙淤积量越来越多，泥沙淤积总量中进入进水闸中的比率为0.58%，通过轮流开启泄洪闸闸门间歇排沙，可以使淤积泥沙在短期内排入下游河道。

在平水水文年流量概化且进水闸和泄洪闸全部开启的工况下，河道泥沙主要沿导流堤右岸逐渐汇集于泄洪闸闸前，仅有少量泥沙通过导流堤支流输移至下游河道，并最终淤积于溢流堰和溃坝段而形成沙丘。当泄洪闸闸门全部开启排沙时，泥沙则淤积于人工弯道凸岸和闸前，为确保引水，冲沙闸闸孔全部关闭，则泥沙再次淤积于人工弯道凸岸和闸前[4]。造床流量340 m3/s时的输沙试验结果表明，冲沙闸闸孔排沙量占输沙总量的4.1%。

在丰水水文年流量概化且进水闸全部开启、泄洪闸闸孔轮流间歇开启工况下，泥沙沿导流堤右岸输移，淤积于右岸溢流堰段及溃坝段，且淤积厚度持续增加，导致主流和泥沙逐渐偏移至左岸，泥沙流经溢流堰后汇集在放冲坑，泥沙淤积于泄洪闸前和人工弯道前的厚度不断降低。

4 结论

金沟河引水枢纽除险加固工程水工模型试验结果表明：常态洪水、流量2503 m3/s和3084 m3/s的情况下，枢纽分流比分别为25%、44%和48%，为加强枢纽工程分流量控制必须在各级流量下尽可能延长上游导流堤，通过泄洪闸和进水闸闸门开度调节，确保引入设计流量；泄洪闸实际泄流量及溢流堰校核洪水位实际泄流量均比泄流量设计值大，泄洪建筑物设计合理，且溢流堰与溃坝宣泄洪水时抛石坑内钢筋笼并未出现大幅度移动和破坏，符合抗冲要求。根据输沙试验结果，定期冲砂可以防止冲砂闸前泥沙长期淤积，确保闸门顺利开启，顺次开启泄洪闸闸门，淤积泥沙便在短期内排入下游河道。