金沟河引水枢纽工程布置研究

2024-03-08吴建瑞

水利科学与寒区工程 2024年1期

吴建瑞

(新疆金沟河流域管理局，新疆沙湾 832100)

新疆流域内的河流多存在泥沙含量大且洪水集中等问题。为解决该问题，19世纪的新疆积极引入苏联的工程经验，在整个新疆流域广泛应用“费尔干”式引水枢纽，如巴音河渠首、呼图壁河呼图壁渠首等。原金沟河也采用“费尔干”式引水枢纽。对新疆多泥沙河流而言，“费尔干”式引水枢纽的引进有一定的积极意义，但仅一种引水方式难以应用到各个河道中。为发挥各类引水枢纽的工程效果，必须满足其前置的特定条件，在应用“费尔干”式引水枢纽时，为便于形成横向环流，其应用场地需先具备人工修建的或天然具备的一定曲率的河流弯道，且需以下切河道为主，在具备排沙条件的位置需长期具备一定的冲沙流量[1]。

新疆金沟河水流主要来源于消融的冰川积雪，历年7—8月的洪峰流量最大，其余时段的流量则较小。因两岸山体的影响，原金沟河引水枢纽的上游弯道半径较大、河道较宽，且原渠首在引水比极高的条件下有严重的泥沙淤积[2]。针对上述问题，结合现场地形条件、引水比及洪水特性，最终决定采用直线型引水渠道，并增加进水闸底板高程，在进水闸前设置冲沙廊道，中流量冲沙、小流量引水、大流量冲刷上游淤积泥沙到下游的金沟河引水枢纽设计方案。为验证该方案的应用效果，本文将通过水工模型试验加以验证，并根据结果提出优化措施。

1 试验方案

1.1 工程概况

金沟河引水枢纽工程设计和校核的洪水标准分别是P=5%(Q=363.4 m3/s)、P=2%(Q=559.0 m3/s)。拟定设计方案的布置形式为侧面引水、正面泄洪冲沙，引水枢纽工程的组成部分包括上下游导流堤、冲沙闸、进水闸及沉沙冲沙槽等建筑物。

在左岸台地布设3.0 m×3.5 m的三孔进水闸，闸地板高812 m，进水闸和冲沙闸有30°的轴线夹角，右侧连接冲沙闸。在河床左侧布设2.0 m×3.5 m的两孔冲沙闸，闸底板高810 m，冲沙闸前的冲沙沉沙槽宽8.6 m、长70.0 m，沉沙槽上游始端右侧设3.0 m×6.5 m的三孔泄洪闸，闸底板高810 m，泄洪闸右侧连接上游导流堤，且导流堤以上60 m设有长60 m的自溃坝。具体见图1。

以该布置为基础开展造床平衡试验，以探讨设计方案的合理性。

2.2 模型比尺

综合考虑该模型试验的设计目标及前提条件，选择以正态模型开展试验，以弗劳德相似准则进行设计，并以1∶40建设模型。

2.3 造床流量、推悬比和含沙量

综合分析泥沙、洪水及水文等因素，此次水工模拟试验以90%频率的洪水流量作为所需造床流量，即Q造床=66.4 m3/s；悬移质含沙量多年平均值为6.31 kg/m3；推悬比为15%设计值[3]。

3 水工模型试验成果分析

3.1 造床平衡试验结果

在设计方案中，泄洪闸闸底板高程相对抬高约1 m，使河道的水流挟沙能力及天然纵坡值有所改变，所导致的输沙不平衡将导致河床产生变形[4]。为探讨持续运营一段时间后工程新的造床平衡形态，和引水枢纽在河床平衡后的运行情况，决定开展造床平衡试验。

为模拟原始地形，所用造床流量为66.4 m3/s，并以62.85 kg/s推移质输沙率添加模型沙，通过清水试验确定闸门运行方式并以此控制冲沙闸闸门：控制进水闸引水流量保持在45.0 m3/s，若上游冲沙槽中泥沙淤积至和进水闸前挡沙坎高度相同，则放开冲沙闸以进行间接性冲沙，在泥沙淤积高度小于一半坎高时调整冲沙闸开启高度，确保进水闸引水流量保持在45.0 m3/s，重复该操作直到造床平衡。造床试验前后历经约4个月后达到平衡状态。

3.2 造床平衡后常遇洪水过程线试验结果

为探讨常遇洪水时新建引水枢纽在造床平衡后的渠首运行情况，以该地区常遇洪水资料为准开展模拟试验。常遇洪水过程线如图2所示。

图2 常遇洪水过程线

出于试验目的及试验模型难以完全拟合洪水的考虑，决定整合相关流量数据并划分成八段，具体如表1所示。

表1 常遇洪水典型流量和时间对应关系

(1)A段。打开1号冲沙闸门0.4 m，关闭其余冲沙闸和泄洪闸，以11 m3/s流量泄流，打开进水闸门，保证以45 m3/s流量从进水闸门引水。从结果看：模型上游河道主流方位偏向左侧岸，距离泄洪闸门前约70 m位置有少量壅水，闸门前泥沙基本不流动，模型上游段冲沙槽周边水流平缓，仅携带少量泥沙，进水闸在试验时未流入泥沙。

(2)B段。打开进水闸并关闭其他闸门，全部用于引水。从结果看：模型上游河道仍以偏向左侧岸作为水流主流方向，泥沙缓慢流动，闸口前水流稳定，进水闸口未流入泥沙。

(3)C段。打开进水闸引水45 m3/s，1号冲沙闸开启0.96 m，1号泄洪闸开启0.16 m，关闭其余闸门，以25 m3/s流量泄流。上游河道仍以偏左侧岸为水流主流方向，冲沙槽内流入部分泥沙，泥沙经过76 min冲运后移动至进水闸挡沙坎前，淤积高度基本等于进水闸底板高度，且挡沙坎上堆积有部分泥沙。为避免泥沙进入进水闸，将冲沙闸打开进行间歇性冲沙，经48 min的间歇性冲刷后，1号冲沙闸门前1/3区域泥沙被冲走，因上游水位在间歇性冲沙前较低，因而有泥沙持续进入冲沙槽内，在冲刷60 min后，冲沙槽内的泥沙高度已经小于进水闸前挡沙坎高度。再次调整冲沙闸门开度，保障进水闸门以25 m3/s流量引水，此时上游水流平稳，且进水闸没有泥沙进入。

(4)D段。关闭泄洪闸，开启1号冲沙闸0.2 m，关闭2号冲沙闸，以5 m3/s流量泄流，打开进水闸，保证进水闸以45 m3/s流量引水。泄洪闸前面100 m位置有轻微壅水，闸前泥沙不流动，进水闸没有进入泥沙。

(5)E段。关闭冲沙闸和泄洪闸，打开进水闸，以36 m3/s流量引水，河道上游及下游试验条件同A段。

(6)F段。冲沙槽内进入大量泥沙，且进水闸挡沙坎前很快有泥沙堆积。将冲沙闸间接性打开以进行60 min冲沙后，挡沙坎前泥沙堆积高度小于挡沙坎高度。关闭2号泄洪闸和3号泄洪闸，打开1号泄洪闸0.28 m并以21 m3/s流量泄洪；打开1号冲沙闸0.96 m、关闭2号冲沙闸，以25 m3/s流量泄流，打开进水闸并以45 m3/s流量引水。从试验结果看，仍有部分泥沙进入冲沙槽，但进水闸没有泥沙进入。

(7)G段。因洪水已将泥沙冲入进水闸挡沙坎前，因此，需间歇性打开冲沙闸冲沙，挡沙坎前堆积的泥沙经60 min的冲沙后小于挡沙坎高度。开启1号冲沙闸0.96 m，关闭泄洪闸，以25 m3/s流量泄流，进水闸以45 m3/s流量引水。冲沙槽中进入部分泥沙，经144 min后，进水闸挡沙坎前又再次出现泥沙堆积，间歇性打开冲沙闸进行冲沙，经60 min后泥沙高度小于挡沙坎高度。

(8)H段。进水闸以45 m3/s流量引水，开启1号冲沙闸0.2 m，关闭冲沙闸，以5 m3/s流量泄流。上游河道主流方位从原有偏向左侧岸摆向中间，进水闸前又以左岸为主要偏向。上游有平稳水流且进水闸不进沙。

各控制点在常遇洪水时的水位见表2。

表2 各控制点在常遇洪水时的水位 m

从结果看：在上游水流<66.4 m3/s造床流量时，上流河道流速较小，泄洪闸前水位较高，进入冲沙槽的泥沙较少；在上游水流超出造床流量时，河道挟沙量增多，尤其是70.0 m3/s流量以上时，闸前流速增加，又因为泄洪闸局部打开而排沙较少，导致冲沙槽进入大量泥沙。因此，在泥沙到进水闸挡沙坎前且泥沙淤积高度等于挡沙坎高度时，需将冲沙闸间歇打开以进行冲沙。洪水模拟过程持续64 h，上游加沙量共计1940.0 t，而排沙量只有820.6 t，多数泥沙在上游河道淤积，进水闸不进沙。

3.3 造床平衡后典型流量试验结果

以常遇洪水过程线典型段为研究对象，探讨各控制点泥沙淤积情况和水位情况，为工程闸门的启闭和布置提供了参考。在此基础上，对冲沙槽在设计和校核洪水标准下有无设置侧堰的情况开展试验研究，以获得泄洪槽下游冲刷形态和控制点水位情况。

3.3.1 设计洪水洪峰流量的研究

在Q=363.4 m3/s的基础上，探讨自然分水和冲沙闸控制运行两种工况下运行情况[5]。

自然分水工况：打开进水闸、冲沙闸和泄洪闸进行自然分水，此时Q进=13.92 m3/s、Q冲=115.53 m3/s、Q泄=234.05 m3/s。上游河道水流主流偏向左侧且流速较快，泄洪闸前横向比降明显，冲沙槽中没有泥沙进入，但槽内水面波动较大，在泄洪闸处有较多泥沙排向下游。关闭进水闸，打开冲沙闸和泄洪闸，此时Q冲=117.83 m3/s、Q泄=245.67 m3/s。相比于自然分水时的水深情况，上游冲沙槽内有更明显的水深及水面波动情况，水位保持在814.00～815.72 m。

冲沙闸控制运行工况：关闭进水闸，调整冲沙闸开启程度，开启1号冲沙闸1.84 m，开启2号冲沙闸1.68 m，使冲沙槽以70.0 m3/s流量泄流，打开泄洪闸，以293.5 m3/s流量泄流。因冲沙闸运行受限，因此，上游冲沙槽内和泄洪闸前有显著壅高的水位，在冲沙闸前有最高水位，入口水位约为815.63 m，原因在于造床平衡后，相比于原始地形，上游地形有更大的地形坡降，流速更快。上游水流主流方向偏向左岸，1号泄洪闸和冲沙槽没有泥沙进入，2号泄洪闸和3号泄洪闸往下游排出大量泥沙，且排沙过程较为顺畅。下游河道主流方向偏向左岸，右岸齿墙后有回流现象，且有802.340 m最大冲深高程。

模拟试验共进行了3 h 10 min，加沙量和排沙量分别为619.30 t和486.74 t，有约78%的排沙率，说明泄洪闸有非常好的排沙效果，冲沙槽内没有泥沙进入。

3.3.2 校核洪水洪峰流量+冲沙槽未设侧堰的研究

自然分水工况：打开进水闸、冲沙闸和泄洪闸进行自然分水，此时Q进=26.98 m3/s、Q冲=131.15 m3/s、Q泄=400.87 m3/s，即校核洪峰流量Q=559.00 m3/s，排沙效果和水流流态类似于设计洪水洪峰流量时的情况。

冲沙闸控制运行工况：关闭进水闸，调整冲沙闸开启程度，1号冲沙闸开启2.24 m，2号冲沙闸开启2.08 m，控制冲沙槽以90.00 m3/s流量泄流，打开泄洪闸，以469.00 m3/s流量泄流。排沙效果和水流流态类似于设计洪水洪峰流量时的情况，齿墙后有798.46 m的最大冲深高程。

模拟实验共进行3 h 10 min，加沙量和排沙量分别为952.40 t和1113.12 t，有约116%排沙率，表明泄洪闸有较好的排沙效果，进水闸及冲沙槽没有泥沙进入。

3.3.3 校核洪水洪峰流量+冲沙槽设置侧堰的研究

考虑到造床平衡后有较高的校核洪水位，因此，将冲沙闸前10～42 m范围内的左侧冲沙槽边墙改建成侧堰。为增加下泄流量，减小上游水位，以设计洪水位高度作为侧堰底部设计高程，为815.22 m。

冲沙闸控制运行工况：关闭进水闸，调整冲沙闸开启程度，1号冲沙闸开启2.24 m，2号冲沙闸开启2.08 m，确保冲沙槽以泄流，打开泄洪闸，使泄洪闸和侧堰一起泄流。因侧堰的设置使得上游冲沙槽的水流流速变缓，因此2号冲沙闸前有最高水位。上游水流主流方向偏向左岸，1号泄洪闸和冲沙槽均没有泥沙进入，多数泥沙流入2号泄洪闸和3号泄洪闸并往下游方向排放，且排沙顺畅。泄洪闸后泄水槽上游直线段有均匀水流。