烏魯木齊河分洪工程渠首樞紐水工模型試驗研究

張 玲

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

烏魯木齊河分洪工程位于天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，屬大（2）型Ⅱ等工程，主要任務為防洪，由分洪渠首、分洪渠道及渠系建筑物等組成。分洪渠首布置型式采用攔河閘布置，渠首主河道布置泄洪及擋水建筑物，右岸布置分洪閘。分洪渠首泄洪建筑物由3孔引洪閘、1孔沖沙閘和4孔泄洪閘組成，分洪渠首設計洪水標準為200年一遇，洪峰流量Q=147.2 m3/s；校核洪水標準為1000年一遇，洪峰流量Q=641.2 m3/s；消能防沖建筑物洪水標準為50年一遇，洪峰流量Q=132.9 m3/s。

水工模型是解決水利水電工程復雜水力學問題的重要手段，通過水工模型試驗可以預演原型中復雜的水流現象，檢驗設計方案的可靠性和準確性。分洪渠首是烏魯木齊河分洪工程的關鍵部位，其方案布局是否合理，需要通過模型試驗檢驗。

2 模型試驗主要研究內容

通過模型試驗，分析研究建筑物布置方案合理性，驗證4 孔泄洪閘、3 孔分洪閘和1 孔沖沙閘等過水建筑物的泄流能力、建筑物體型設計的合理性、下游消能防沖設計的合理性等，根據試驗成果對設計中存在的問題提出相應的解決措施，提出優化建議，為工程規劃設計提供技術支撐。

3 模型的設計與制作

根據試驗要求及弗勞德重力相似及阻力相似準則設計模型，模型幾何比尺為Lp/Lm=λL=40.00，渠首樞紐模型工程包括分洪工程攔河引水樞紐的上游300 m河道、下游300 m河道、引洪閘、泄洪閘、沖沙閘等。其中引洪閘、泄洪閘、沖沙閘等全部用有機玻璃制作，上下游河道、渠道采用水泥砂漿制作，下游河道局部制作成動床，動床模型沙根據抗沖流速相似法選擇。模型安裝，平面導線方位用經緯儀控制、水準基點和模型高程用水準儀控制、模型地形制作采用斷面板法。

4 樞紐布局優化研究

樞紐各泄洪閘和沖沙閘進口流態是否均勻是判斷樞紐布局是否合理的重要因素，原設計為了改善各閘孔進流流態分別在4孔泄洪閘中部以及泄洪閘與沖沙閘之間設置40 m長的直導墻，另外在泄洪壩段與擋水壩段設置一個長度為50 m的直導墻。試驗結果表明：在各級洪水條件下，上游來流均受泄洪壩段與擋水壩段之間導墻影響，導致靠近左側兩孔泄洪閘閘前水位明顯低于右側閘孔，右側閘孔前水流沿泄洪閘中部導墻翻入左側閘前，在校核洪水條件下，閘前水位相差1.6 m（見圖1），導致4孔泄洪閘過流不均勻，尤其左側兩孔過流遠小于右側兩孔。

圖1 校核洪水閘前左導墻附近流態

為了改善閘前流態將閘前左側直導墻調整為圓弧型，導墻圓弧半徑80 m，圓心角45°，導墻高程1 261.5 m，同時將泄洪閘單孔閘孔寬度由7.5 m 減小至7.0 m，其他閘孔尺寸不變。試驗結果表明：導墻改為圓弧型后閘前繞流現象得到改善，但是由于導墻高程低于水位，擋水壩段水面高于閘前水面，部分水流從導墻翻越至閘前，導致閘前形成側向波狀水流，不利于泄洪閘泄流。在次體型的基礎上將導墻高度加高，閘前流態得到改善，雖然消除水流翻越現象，但閘前水面波動劇烈。在左導墻加高優化體型的基礎上將左導墻改為雙弧型，在圓弧段上游增加一段半徑為15 m，圓心角為60°的圓弧（見圖2）。試驗表明在各級洪水條件下，閘前流態得到明顯改善。

圖2 導墻優化體型

5 樞紐泄洪排沙建筑物泄洪能力

在閘前左導墻體型改為雙弧段導墻后，對泄洪閘、沖沙閘及分洪閘的泄流能力進行了量測。表1為特征庫水位下泄洪沖沙閘流量設計計算值和模型試驗量測值，校核洪水時，泄洪閘和沖沙閘總泄量為615 m3/s 較設計值大12%，滿足設計要求。試驗量測3 孔分洪閘閘孔全開，閘前水位為正常水位1 261.22 m 時，閘孔過流為127 m3/s，大于設計分洪流量100 m3/s，滿足設計要求。試驗量測了閘前水位達到設計水位和校核水位，分洪閘引100 m3/s 流量對應閘門開度分別為1.385和1.03 m，可供工程調度采用。

表1 特征庫水位下泄洪沖沙閘流量統計表

6 樞紐下游沖刷防護研究

原設計泄洪沖沙閘后接20 m長的混凝土護坦，護坦后設底流式消力池，消力池長15 m，消力池內下部為鋼筋籠回填，高度為1 m，上部鋪設3 m 厚巨石，消力池末端為1∶2.5開挖坡。試驗結果表明：特征洪水下，閘下游沖刷均比較嚴重，校核洪水時最大沖刷深度為7.84 m，池內3 m 厚的塊石大部分被沖走，池底部的鋼筋籠裸露。將消力池長度由15 m加長至25 m，池深增加1.2 m，試驗結果表明：該體型下水流對下游沖刷程度有所改善，最大沖刷深度減小2.68 m。但是由于最大沖深位于左導墻和右岸坡處，有可能危及導墻的安全。為此，取消其下游消力池，護坦末齒墻后采用20 m 長鋼筋籠防護段，同時在左右岸坡采用鋼筋籠防護，右岸沿護坡防護長度為48 m，寬度為9 m，厚度為1 m；左岸對導墻坡腳采用鋼筋籠全范圍防護，防護寬度為9 m，厚度為1 m，為試驗推薦方案。試驗推薦方案校核洪水閘下游的水流流態與沖刷情況見圖3，水流較原設計方案平順，沖坑最深點位于河道中部，遠離建筑物。

圖3 推薦方案校核洪水閘下游流態與沖刷

7 結論

通過烏魯木齊河分洪工程樞紐水工模型試驗研究，認為原設計泄洪壩段與擋水壩段之間采用直導墻不適合本工程，推薦的雙圓弧導墻避免了閘前出現不穩定流態。導墻體型優化后，4 孔泄洪閘單孔寬度減小0.5 m后仍然滿足設計泄洪要求。通過對下游消能多種體型比較研究，推薦采用鋼筋籠防護段消能，可以消除水流對下游導墻與岸坡的沖刷。