龍口引水樞紐沖沙閘拉沙試驗研究

儲維刃 劉雙喜 潘 麗

(1.新疆生產建設兵團第一師水利工程管理服務中心，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100；3.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

對于水資源匱乏、閘前淤積泥沙較粗的新疆地區來說，多數水庫沖沙閘前淤積泥沙無法排出，導致沖沙閘無法發揮作用。因此，通過完善的水工設計，利用有限的水資源及時排出泥沙，對發揮其功能并延長水利樞紐使用壽命至關重要。本文以喀拉玉爾滾河五團龍口引水樞紐沖沙閘拉沙效果為例進行研究，由于拉沙試驗是以泥沙運動為研究對象，因此進行動床試驗研究是驗證該樞紐沖沙閘拉沙效果的有力手段。

喀拉玉爾滾河五團龍口引水樞紐建成于1968年，是以灌溉為主兼顧發電的綜合性水利樞紐工程，是五團灌區的生命線。該樞紐工程位于天山支脈哈里克套山南麓，阿克蘇地區溫宿縣城西部，距第一師五團北部約23km。經歷了數次大洪水侵襲后，該引水樞紐已經百病纏身，主要存在泄洪能力嚴重不足、各閘室原設計結構不合理，下游消能防沖設施能力不足、上游導流堤及閘墩超高不足、引水排沙效果不佳以及防洪搶險能力不足等問題，急需進行除險加固。引水樞紐除險加固工程采用閘堰結合式方案進行設計，改建后由進水閘、沖沙閘、泄洪沖沙閘、人工彎道整治段、挑水丁壩、上下游導流堤和溢流側堰等組成，1孔4m沖沙閘、6孔6m泄洪閘和60m長側堰共同承擔泄洪沖沙任務，進水閘位于泄洪沖沙閘右側，為3孔5m寬開敞式水閘。布置方案見圖1。經洪水復核計算，30年一遇的洪水流量為733m3/s，設計水位1506.12m，100年一遇的校核洪水流量為1030m3/s，設計水位1506.74m。

圖1 引水樞紐原設計平面布置方案

1 模型設計

根據試驗任務要求和水工(常規)模型試驗規程，幾何比尺取40。根據模型試驗相似準則，模型主要包括樞紐泄洪閘、沖沙閘、進水閘和溢流堰等建筑物主體及上下游河道部分，模擬范圍為上游庫區700m，壩址下游350m，寬度500m。為滿足糙率要求，泄水閘、沖沙閘及進水閘等樞紐建筑物采用有機玻璃制作，壩前700m庫區及壩下350m河道采用水泥砂漿制作，并對上游床面進行加糙處理，防沖槽塊石按照幾何相似采用小石塊模擬，防沖槽下游約200m范圍采用局部動床模型。泄洪閘、沖沙閘、進水閘及溢流堰局部見圖2。

圖2 五團龍口引水樞紐模型示意

2 模型制作

五團龍口引水樞紐工程水工模型設計為正態模型，按照重力相似和阻力相似，可以得到以下比尺：

水流流速比尺為

(1)

糙率比尺為

(2)

水流運動時間比尺為

(3)

流量比尺為

(4)

根據任務要求，試驗要對過水建筑物下游局部沖刷問題進行研究，所以泥沙運動相似準則應滿足起動相似。

起動流速比尺為

λv0=λv

(5)

模型比尺匯總見表1。

表1 模型比尺

按設計部門提供資料河道河床糙率為n=0.035，推算模型糙率為0.019，模型河床采用水泥抹面制作，糙率約為0.014，需要加糙校正。

對于定床模型密實加糙所用石子的粒徑可由式(6)反求：

n=c1d1/6

(6)

式中d——顆粒直徑，mm；

n——模型的糙率；

c1——系數。

不同學者根據不同的實驗資料得出系數值各不相同。根據黃委會水科院張紅武的定床模型經驗，如果采用d=0.2～20mm的人工碎石加糙，c1=0.016，因而可由式(7)計算加糙石子的粒徑：

(7)

由式(7)求得河床加糙粒徑d=2.74mm。

過水建筑物采用有機玻璃制作，其糙率為0.009，相當于原型糙率0.0167，略大于原型糙率0.014，由于泄水建筑物所涉及的流段較短，水頭損失以局部損失為主，糙率相差對沿程阻力影響可忽略不計。

3 模型沙選擇

五團引水樞紐工程位于拱拜孜山鹽山口沖洪積傾斜礫質河谷，表層巖性為第四系上更新統—全新統沖洪積物，沖洪積物主要由砂礫層和中粗沙層組成，其下為泥巖。泄洪沖沙閘和溢流堰下游基巖為泥巖層，基巖抗沖流速采用2.5m/s(相對1m水深時抗沖流速)，模型沙粒徑采用式(8)、式(9)計算：

(8)

(9)

式中v——抗沖流速，m/s；

D——模型沙粒徑，m；

ρs、ρ——巖塊和水的容重，t/m3,ρs取2.65，ρ取1；

C——巖塊穩定狀況的無量綱系數，C=0.86～1.2。

模擬散料平均粒徑4～5mm。樞紐所在區域河床沖積物主要由級配不良礫層和級配不良沙(中粗沙)層組成，顆粒級配曲線見圖3。

圖3 模型沙平均顆粒分配曲線

由級配曲線可以看出，閘前沖泄沙礫粒徑主要分布在1～100mm，根據非黏性顆粒起動流速公式，得出床沙粒徑比尺為40，沖沙閘拉沙試驗選用天然沙模擬，原型中骨料由卵石和砂礫組成，其中充填在卵礫石中的小于1mm的較細泥沙，試驗表明對抵抗水流沖刷作用甚小，對拉沙效果影響不大，故在選用模型沙時對細顆粒要求允許有一定偏差，因此依據粒徑比尺，拉沙試驗采用粒徑為0.1～3mm的天然沙模擬。

泄洪沖沙閘和溢流堰下游均設置防沖槽，為保證消力池末端不被洪水沖蝕破壞，在消力坎末端設拋石護底，工程選用的拋石粒徑大于40cm。根據粒徑比尺，泄洪閘、沖沙閘和溢流堰下游消力池中塊石采用中值粒徑大于1cm的天然塊石模擬，d50=1.5cm。泄洪閘上下游左右岸導墻以及溢流堰下游導墻坡腳處為防止沖刷，均鋪設粒徑大于40cm的防沖槽，根據粒徑比尺，模型防沖槽中塊石選用中值粒徑大于1cm的天然石子模擬，d50=1.5cm。

4 拉沙試驗成果

4.1 初始設計方案

為研究沖沙閘拉沙效果，在定床的基礎上鋪設模型沙模擬閘前淤積，閘前100m范圍鋪設模型沙模擬閘前淤積，見圖4。按照設計工程運用方式，閘前水位按照進水閘引水水位1504.82m控制，設計進水閘引水流量25m3/s，按照沖沙閘過流時水位流量關系推算引水水位下沖沙閘流量為23m3/s，因此在引水水位下，沖沙閘和進水閘聯合運用流量為48m3/s。

圖4 沖沙閘拉沙試驗原始地形

當鋪設沙面高程與攔沙坎坎頂齊平時，開啟沖沙閘和進水閘，沖沙閘拉沙時沖沙閘和進水閘閘前流態及地形見圖5。沖沙閘開啟后閘前淤積泥沙翻越攔沙坎隨側向進流進入進水閘，約13min后，可將沖沙閘前導墻內12～14m范圍的泥沙拉走；此后拉沙過程比較緩慢，約32min后，攔沙坎前25m范圍的淤沙被拉走；60min后，進水閘攔沙坎上游仍剩余一部分泥沙未被拉走，拉沙效果較差。因此需要進行優化設計以提高拉沙效果。

圖5 沖沙閘閘孔前水流流態與地形變化

4.2 隔墩加高方案

將隔墩長度與設計方案保持不變，設計頂高由1504.10m加高至1505.00m，試驗按照進水閘閘前水位1504.82m進行控制，淤沙低于攔沙坎，拉沙前地形見圖6。

圖6 原始地形(淤沙低于攔沙坎)

當淤沙至攔沙坎懸臂梁下沿時，沖沙閘開啟后，極少量淤沙翻越攔沙坎，約12.6min后沖沙槽內的泥沙全部被拉走，見圖7。

圖7 拉沙12.6min后效果(淤沙低于攔沙坎)

當淤沙與攔沙坎齊平時，試驗前地形見圖8。開啟沖沙閘和進水閘后，拉沙初始階段大量淤沙翻越攔沙坎進入進水閘，泥沙聚集在進水閘閘門口的左側，約16min后沖沙閘內淤沙全部被拉走，見圖9。

圖8 原始地形(淤沙與攔沙坎齊平)

圖9 拉沙16min后效果(淤沙與攔沙坎齊平)

通過對沖沙閘左側彎形隔墩的體型對比分析可知，將隔墩的長度保持不變，頂高從1504.10m加高至1505.00m后，拉沙效果顯著提高。當攔沙坎前泥沙淤積至拉沙坎頂時，打開沖沙閘開始拉沙，會有大量泥沙翻越攔沙坎進入進水閘，當泥沙淤積至攔沙坎懸臂梁下沿時開啟沖沙閘拉沙，可以避免泥沙進入進水閘。因此建議將沖沙閘左側彎形隔墩頂高加至1505.00m，淤積泥沙至攔沙坎懸臂梁下沿時開閘拉沙。

5 結 語

a.原設計沖沙閘上游隔墩布置形式，沖沙閘經過30min拉沙后可將進水閘前的大部分泥沙排走，拉沙1h后，基本可以將進水閘前的泥沙拉走，但在攔沙坎上游端仍然剩余一部分泥沙不能排出，拉沙效果較差。

b.隔墩加高至1505.00m方案，拉沙效果有所改善，沖沙槽內水流波動不大，可作為最優設計方案。

c.當進水閘攔沙坎前泥沙淤積至攔沙坎坎頂時，打開沖沙閘開始拉沙，會導致泥沙翻越攔沙坎進入進水閘，當淤積泥沙低于攔沙坎坎頂時開始拉沙可以避免泥沙進入進水閘，建議當淤積泥沙低于攔沙坎時開閘拉沙。