五團灌區引水樞紐除險加固方案整體水工模型試驗研究

郝 麗

（阿克蘇塔河源勘測設計院有限公司，新疆 阿克蘇843000）

0 引言

物理模型試驗是分析、驗證、優化水利工程設計方案的重要手段，尤其是面對復雜的運行工況，借助理論計算并結合物理模型試驗非常必要［1-2］。五團灌區采取的原址除險加固方案涉及面廣，各主要建筑物運行工況復雜，泄洪、沖刷的安全性和合理性均需建立引水樞紐的整體水工模型予以驗證以化解風險。

1 工程概況及加固方案

1.1 引水樞紐現狀

五團引水樞紐建成于1968年，建成至今經過多次的改建、擴建。目前該樞紐由五團總干渠進水閘、沖砂閘、泄洪沖砂閘、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。引水樞紐存在的泄洪能力不足，主體結構不利于抗震，結構存在老化破損、超高不足、消能不佳、排沙不良，工程使用年限已超合理使用年限的問題，結合本工程水閘安全鑒定結論，必須進行除險加固。

1.2 除險加固方案

除險加固方案考慮到將原泄洪閘保留利用，確定在最大限度利用現狀工程的前提下，采用將原泄洪閘左側2孔底板保留作為泄洪閘后護坦，拆除閘墩，采用全攔河閘式（方案一）和閘堰結合式（方案二）兩個方案進行比選。

1.2.1 全攔河閘式引水樞紐

采用1孔4 m沖沙閘與9孔6 m泄洪閘承擔泄洪沖沙任務，進水閘位于泄洪沖沙閘右側，為3孔5 m寬開敞式水閘。

1.2.2 閘堰結合式引水樞紐

本方案進水閘及沖沙閘布置型式同方案一，泄洪任務由泄洪沖沙閘和側堰共同承擔。泄洪閘為6孔6 m開敞式水閘，沖沙閘為1孔4 m，閘室結構型式同方案一。側堰長60 m，采用曲線型實用堰。

1.2.3 方案確定

從工程安全、施工條件、工程布置、工程投資和運行管理等方面對上述兩個方案進行對比，見表1。

表1 方案比選表

經方案比選，方案一與方案二在引水效果方面相差不大，方案二在防沙、消能防沖、運行管理、工程投資等方面均較方案一具有一定的優勢，且通過對原五團引水樞紐進行分析，原樞紐上游河道有輕微淤積現象，下游導流堤受沖蝕破壞嚴重，主要原因是閘孔凈寬不足，單寬流量過大導致下游沖刷。本次采用6孔6 m泄洪閘加1孔4 m寬沖沙閘的結構型式，閘后單寬流量較小，在滿足泄洪要求的同時，兼顧樞紐的沖沙及閘后消能防沖問題。因此，初步判定采用方案二即閘堰結合式引水樞紐方案是合理的。

2 方案驗證

通過水工模型試驗研究五團引水樞紐泄水建筑物布置的合理性、沖砂閘的拉沙效果、泄水閘、溢流堰及進水閘的過流能力、泄水閘及溢流堰下游消能防沖建筑物設計的合理性。

2.1 模型設計

2.1.1 模型設計相似準則

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、阻力相似準則及水流連續性，水流流速比尺為糙率比尺為；水流運動時間比尺為；流量比尺為

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。

2.1.2 模型比尺確定

根據試驗任務要求和水工（常規）模型試驗規程［1］，幾何比尺取1∶40。根據模型試驗相似準則，模型主要比尺計算見表2。

表2 模型比尺匯總

河道河床糙率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。對定床模型密實加糙所用石子的粒徑可由式（1）反求：

式中：d為顆粒直徑，mm；n為模型的糙率；c1為系數，不同學者根據不同的實驗資料得出系數值各不相同，例如張有齡取c1=0.0166；Strickler取c1=0.015。根據黃委會水科院張紅武進行定床模型的經驗，如果采用d=0.2 mm～20 mm的人工碎石加糙，c1=0.016，因而可由式（2）計算加糙石子的粒徑：

由上式求得河床加糙粒徑d=2.74 mm。

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，糙率相差影響沿程阻力可忽略不計。

2.1.3 模型制作

模型制作主要包括樞紐泄洪閘、沖砂閘、進水閘等建筑物主體及上下游河道部分，模擬范圍上游庫區700 m、壩址下游350 m、寬度500 m。模型整體范圍見圖1，泄洪閘、沖砂閘、進水閘及溢流堰細部見圖2、圖3及圖4。

圖1 模型整體布置

圖2 模型整體布置

圖3 泄洪閘、泄洪閘及進水閘模型

圖4 溢流堰模型

為滿足糙率要求，泄水閘、沖砂閘及進水閘等樞紐建筑物采用有機玻璃制作，壩前640 m庫區及壩下368 m河道采用水泥砂漿制作，防沖槽塊石按照幾何相似采用小石塊模擬制作，防沖槽下游約200 m范圍采用局部動床模型。

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。模型流量進口由變頻器頻率控制水泵輸出，按電磁流量計讀數控制，出口利用量水堰校核引水閘流量。庫水位用測針量測，流速采用LS-401型式螺旋流速儀測讀，采用攝像技術進行流態、流場描述。

2.2 試驗驗證結論

（1）6孔泄洪閘和1孔沖砂閘聯合泄洪時，試驗量測泄洪閘閘前水位為1506.12 m時，流量為665 m3/s，較設計計算600 m3/s大10.8%；校核水位1506.74 m，流量為915 m3/s，較設計計算768 m3/s大19.1%，滿足設計泄洪要求。

（2）試驗量測泄洪閘設計水位下溢流堰過流流量195 m3/s，比設計計算133 m3/s大46.6%，校核水位下溢流堰過流流量350 m3/s，比設計流量265 m3/s大32.1%，滿足設計泄洪要求。

（3）泄洪閘、沖砂閘、溢流堰聯合運用時，試驗量測泄洪閘閘前水位為1506.12 m時，流量為860 m3/s，較設計計算733 m3/s大17.3%；泄洪閘閘前水位為1506.74 m時，流量為915 m3/s，較設計計算1033 m3/s大22.5%，滿足設計要求。

（4）各級特征洪水時，泄洪閘各閘墩頭部均產生較大的水冠，特別是靠近右岸第2號閘墩（墩厚1.6 m）前水冠高度最高，設計洪水時水冠高程達到1058.2 m，校核洪水時水冠高出閘頂1058.6 m，建議將墩的頭部改為流線型，以減小水冠高度，同時增加閘室高度。

（5）在校核洪水時閘室水流淹沒弧形工作門門鉸，建議將弧形工作門門鉸抬高1 m。

（6）試驗量測泄洪沖砂閘和溢流堰聯合運用時，閘前水位分別為設計水位1506.12 m和1506.74 m時對應的河道中心沿程水面線和左右岸水面線。

（7）沖刷試驗采用設計水位1506.12 m和校核水位1506.74 m兩種工況進行。在設計水位工況下，泄洪閘和溢流堰下游防沖槽內和地形均未發生明顯沖刷。在校核水位工況運行19 h（模型3 h）后：泄洪閘下游消力池內和防沖槽發生沖刷，右側拋石大部分被沖出，左側有少許拋石殘留，下游河床未發生明顯沖刷；溢流堰下游防沖槽拋石未發生明顯沖刷，但防沖槽下游右側地形發生沖刷并出現沖刷溝。建議將泄洪閘下游消力池加深加長，對溢流堰下游右側河床進行一定防護工程。

3 結語

在大型樞紐工程建設或加固中，泄水建筑物的過流能力，防洪性能、閘門型式及體型優化、下游效能設施的防沖性能等各方面僅僅依靠理論計算和設計經驗往往是不可靠、不全面的，借助于物理模型，按照一定的比尺合理縮放整體樞紐模擬各復雜工況下的運行情況得出的結論是可信的。實踐證明：物理模型對水利樞紐除險加固方案的優化具有明顯的促進作用。