田山电灌站月河进水口模型试验研究

曾桂华，程素珍，张庆丽

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.山东省科源工程建设监理中心，山东 济南 250014）

田山引黄电灌泵站是黄河下游最大电力引黄排灌工程，其一级泵站位于县城北侧黄河右岸田山脚下，是田山引黄灌区的唯一取水口，由引水口、泵站前池、引水池等组成，泵站共装有轴流泵12 台，设计流量24 m3/s，设计最低取水水位33.2 m，设计扬程7.7 m，装机容量2 670 kW，泵站前池池底高程30.4 m，进水池与月河垂直连接。引水渠（称为“月河”，形状近似月牙形）上游与黄河中泓相通，黄河流量小时可引中泓河水，月河河道轴线平行于黄河中泓线，能够保证中泓主流从月河过流，水流均匀，流速大，可减少月河淤积。泵站前池引水口在月河右岸山坡开挖，实现月河主流冲淤、侧向引水，避免月河进水口淤堵，巧妙的借助地形河势进行泵站布置，确保田山电灌站运行正常。由于泵站上游黄河两岸控导工程的修建，改变了局部河势走向，黄河中泓主流偏离月河进水口，河口泥沙淤积，导致低水位时月河断流，高水位时月河河水流速低，造成月河河槽凸岸淤积，河道断面减小，影响电灌站前池引水。为恢复月河引水能力，规划在月河上游左侧基岩岸坡新挖进水口，通过水工模型整体试验，研究进水口的规模和位置对引水量、淤积等因素的影响，提出合理的设计方案。

1 月河进水口改造的必要性

近些年来，黄委会为了河流凹岸岸边稳定，防止河湾演变，在泵站上游弯道凹岸起点处设置控导工程，改变了水流的流线及水流流量的微变，使水流主流向远离凹岸偏移，引起凹岸泥沙堆积，月河进水口淤堵，使处于弯道凹岸顶点下游约400 m 处的田山电灌一级泵站的引水来水量发生了一定的改变，特别是水位较低时，河道主流方向有所偏离月河的进水口，水流进入月河不畅。另一方面，黄委会开展的黄河调水调沙措施，造成山东境内黄河主河槽逐年下切，同流量水位逐年下降。2003—2005 年，河道下切近2 m，相对应的引水位下降。基于以上两方面，使得田山电灌泵站在黄河来水同等条件下的春季引水出现困难，引水流量减少，不能满足引水要求。因此，对田山引黄电灌一级泵站的月河进水口采取工程措施，恢复田山引黄电灌泵站的提水功能，变得非常必要而迫切。

2 模型设计和研究内容

2.1 物理模型设计

模型范围区为泵站上下游整个黄河河段，全长555 m，其中，泵站前池上游长330 m。试验采用整体正态模型，按重力相似准则进行设计。根据工程规模、试验精度等综合考虑，模型主要参数比例见表1。

表1 模型主要参数比尺

模型取水口采用硬质塑料板通过数控车床加工，闸室总净宽误差在0.5 mm 以下。河床、进水口、月河、鱼嘴等用三合板作出样板，精确放样，控制其高程及平面位置，采用水泥砂浆抹面，以不同的光洁度控制各部位糙率。根据黄河泥沙级配和粒径，按照试验比尺，泥沙采用74～104μm均匀级配的散粒砂料。

模型进水量采用矩形薄壁堰控制，由安装在相应断面处的固定测针测读水位，取水口进水量由塑料闸门和泄水阀门控制。高程测量采用水准仪，流速测量设备包括毕托管、微型旋浆流速仪、声波测速仪、浮标法，流速仪采样时间为6 s，每点采集3 次，求出平均值作为该点的流速值。

2.2 试验内容

在月河左岸黄河来水方向转弯处侧向开挖一条喇叭形进水口，边坡坡比为1∶1，开挖高程设置33.2 m、33.0 m、32.5 m 三个不同深度，进水渠最窄处相应开挖宽度为12～14.25 m、23.5～25 m、39～41 m 等三组数。根据黄河小流量状态，测量黄河为200 m3/s、260 m3/s 和300 m3/s 小流量来水时引水渠现状时取水流量，观测进水口及泵站取水闸（不取水时）前月河现状流态。

根据进水口改造宽度的不同，试验工况为三种。方案一：在现状月河进水口位置进行底部开挖12～14.25 m，对取水流量测量；方案二：进水口向下游侧扩宽至23.5～25 m，对取水流量测量；方案三：进水口向下游侧扩宽至39～41 m，对取水流量测量。三种工况均在开挖高程设置33.2 m、33.0 m、32.5 m 三个不同深度进行测量试验。采用的黄河流量～水位关系见表2。

表2 黄河流量～水位关系表

测流内容包括不同工况下的前月河流态观察及测流，方案改造各工况下的黄河流量分别为200 m3/s、260 m3/s 及300 m3/s 小流量情况下的泵站取水口的取水流量试验分析。试验过程中每个方案均进行了泵站前池自由取水和前池闸门控制水位取水两种情况下的整体模型测量。

3 试验成果

3.1 断面和测点布置

以月河进水口断面为断面1，沿月河中心线选取9 个典型横剖面作为测量断面。测点布置：断面1 由于来水断面宽度小，选取两个测点；断面2、4、5、7 布置6 个测点；断面8、9 由于河道较窄，布置5 个测点。

3.2 前池自由取水时的试验结果

不考虑泵站前池水位控制时（即泵站闸门取水口的最大取水量），根据三种方案不同黄河流量、不同引水口高程量测泵站取水闸门口流量，试验成果见表3。

表3 前池自由取水时各组合方案前池取水流量

表3 结果为三种方案在不考虑泵站前池水位控制时，各种情况下能从泵站取水闸门口取得的最大流量值。根据表中数据可以看出，在不考虑泵站前池水位控制时，方案一在多数工况下不满足设计取水流量要求；方案二在黄河小流量月河进水口的不满足设计取水流量要求；方案三仅在引水口底部高程较高，黄河流量较小不满足设计取水流量要求。

3.3 前池控制取水时的试验结果

控制泵站前池水位分别为31 m、32 m、33 m、33.2 m、33.5 m 时三种方案各种情况下取得相应的流量值（略）。在考虑泵站前池水位时，且前池水位越来越高时，三个方案各种工况下泵站能取得的流量值逐渐变小。当前池水位33.2 m 时，三方案在黄河流量为200 m3/s、260 m3/s、300 m3/s 时能取得的流量均满足泵站设计流量要求，但有一部分水是月河尾部倒流回水，尤其是200 m3/s时，大部分水是月河倒流回水。

在满足泵站取水要求和尽量减小月河左岸开挖量的前提下，方案二即开挖一条喇叭形的引水渠引水口，中部最窄处宽约23.5～25 m，两侧边坡均为1∶1，开挖至高程为32.5 m 时为最优方案；如考虑黄河河床是动态的及黄河调水调沙带来的河床进一步下切，第一阶段引水渠取水口可以开挖宽度为25 m，开挖至高程为33.0 m；第二阶段引水渠取水口可以开挖宽度为25 m，开挖至高程为32.5 m，或采取第三种方案中的其中一种都能满足黄河小流量情况下的引水要求。

4 结 语

通过开展田山引黄电灌泵站月河取水口开挖不同宽度、深度时，泵站取水闸口门能取得的最大流量的物理模型试验研究和对侧向引水及进水泵站进水侧流态的物理模型研究，并结合理论分析结果，得到以下结论：

目前，在满足泵站取水要求和尽量减小施工量的前提下，在月河上游部分开挖一条喇叭形的引水渠，中部最窄处宽约23.5～25 m，两侧边坡均为1∶1，月河取水口开挖至高程为33.2 m 时为最优方案；如考虑黄河河床是动态，黄河调水调沙会让河床进一步下切，第一阶段引水渠取水口可以开挖宽度为25 m，开挖至高程为33.0 m；第二阶段开挖至高程为32.5 m。

不论泵站取水还是不取水，汛期还是非汛期，月河的右岸处于月河的凹岸，泵站取水闸门口前的水流是月河的主流，不会发生淤积，而对岸将发生轻微淤积，能够在黄河大流量冲刷时保持月河冲淤平衡状态。