李佳雨桐

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

勿甫引水樞紐是葉爾羌河第二級(jí)引水渠首工程，勿甫渠首工程等別為Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，次要建筑物為3 級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a 一遇，洪峰流量為5350.00 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，洪峰流量為7400.00 m3/s。地處莎車縣孜熱甫夏提鄉(xiāng)境內(nèi)，勿甫引水樞紐，年引水量5.00 億m3～7.00 億m3，改善了蘇庫(kù)恰克水庫(kù)灌區(qū)巴楚縣、莎車、麥蓋提、岳普湖部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)三師、公安系統(tǒng)的有關(guān)團(tuán)場(chǎng)共80.00 萬(wàn)畝灌溉面積的灌溉條件，發(fā)揮了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

本次工程任務(wù)是在原閘址處建設(shè)新引水樞紐，需建設(shè)泄洪閘、引水閘、沖沙閘、溢流堰等。本文通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)泄洪閘進(jìn)行建模分析，觀測(cè)水利運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驗(yàn)證泄洪閘過(guò)流能力，為樞紐方案布置的確定以及泄水建筑物合理運(yùn)用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 渠首及模型設(shè)計(jì)

1.1 渠首設(shè)計(jì)

1.1.1 總體設(shè)計(jì)方案

樞紐重建工程任務(wù)是在原閘址處建設(shè)新引水樞紐，需建設(shè)泄洪閘、人工彎道、引水閘、沖沙閘、溢流堰、上下游導(dǎo)流堤、引水渠等。

順?biāo)鞣较颍珊哟沧蟀吨劣野?，依次布置：人工彎道（末端接進(jìn)水閘、沖沙閘）、泄洪閘及溢流堰。

人工彎道是進(jìn)水、沖沙閘前的整治段，彎道首部呈喇叭口形式，喇叭口凸岸一側(cè)與泄洪閘相接，凹岸一側(cè)與原左岸上游導(dǎo)流堤相接，人工彎道末端布置引水閘（正面引水）以及沖沙閘（左側(cè)與引水閘相連）；泄洪閘布置于人工彎道右側(cè)（與彎道中心軸線成45°夾角），正對(duì)河道主流方向；溢流堰軸線與泄洪閘軸線平行，布置于泄洪閘右側(cè)，通過(guò)分流墩與泄洪閘相連；上、下游河道整治段均采用導(dǎo)流堤形式。

1.1.2 泄洪閘設(shè)計(jì)

泄洪閘布置于人工彎道右側(cè)（與彎道中心軸線成45°夾角），正對(duì)河道主流方向。泄洪閘單孔凈寬10.00 m，共布置11孔，閘室總寬度127.00 m。泄洪閘底板高程1327.10 m，閘頂高程1334.00 m[2]。

1.2 模型設(shè)計(jì)

1.2.1 模型比尺

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及場(chǎng)地條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為αt=αh=40。水流運(yùn)動(dòng)主要作用力是重力，因此模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，相應(yīng)的流量比尺、流速比尺、糙率比尺和時(shí)間比尺如下：

1.2.2 模型范圍

考慮上、下游的水流相似，模型范圍為：截取原型泄洪閘閘室上游長(zhǎng)420.00 m、下游長(zhǎng)514.00 m、寬度433.00 m。

1.2.3 模型制作及依據(jù)

模型制作及模型試驗(yàn)依據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012）[3]及《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL99-2012）[4]進(jìn)行。

模型糙率模擬：渠道原型糙率為0.0275；泄洪閘、引水閘、沖沙閘閘室段及泄洪閘、沖沙閘下游防沖槽前原型糙率為0.018。要求模型糙率分別為0.0149 和0.00973，故模型上、下游渠道采用水泥抹面；閘室段及泄洪閘、沖沙閘下游防沖槽前采用有機(jī)玻璃加工而成。模型糙率可以滿足試驗(yàn)要求。

1.2.4 測(cè)量方法

流量采用電磁流量計(jì)量測(cè)，精度為±0.5%；水位采用固定測(cè)針、活動(dòng)測(cè)針和水準(zhǔn)儀量測(cè)，精度為±0.1 mm；水面線采用活動(dòng)測(cè)針（水準(zhǔn)儀）進(jìn)行量測(cè)，精度為±0.3 mm；流速采用旋漿式流速儀量測(cè)，精度為2%～3%。

2 實(shí)驗(yàn)及成果分析

2.1 泄流能力實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)泄洪閘閘門敞泄時(shí)的過(guò)流能力進(jìn)行觀測(cè)，即控制下游水位對(duì)不同流量進(jìn)行試驗(yàn)，泄洪閘上游水位與流量之間的關(guān)系曲線見圖1。當(dāng)上游水位為1329.70 m 時(shí)，實(shí)測(cè)流量為792.14 m3/s。

圖1 泄洪閘上游水位與流量關(guān)系曲線

2.2 下泄流態(tài)

在不計(jì)庫(kù)區(qū)行近流速情況下，泄洪閘綜合流量系數(shù)按下列公式計(jì)算[5]：

式中：Q 為泄流量；m0為泄洪閘綜合流量系數(shù)；b 為泄洪閘單孔凈寬；e 為泄洪閘閘門開度；g 為重力加速度。

控制上游水位1329.70 m，閘門敞泄，控制下游水位為1328.45 m，當(dāng)上下游水位穩(wěn)定后，實(shí)測(cè)流量為792.14 m3/s。泄洪閘綜合流量系數(shù)m0=0.41。

當(dāng)上游水位為1329.70 m 時(shí)，水流平穩(wěn)，水流均勻進(jìn)入閘室，閘前最大流速為3.13 m/s，閘后最大流速為4.38 m/s。水流為自由出流，在閘室內(nèi)形成菱形波，水流出閘后沿斜坡流向防沖槽，水流在防沖槽前的流速為4.37 m/s，防沖槽后流速為1.37 m/s。泄洪閘水面線及流速分布見圖2，泄洪閘水流流態(tài)見圖3。

圖2 泄洪閘水面線及流速分布圖（Q=792m3/s,H 上=1329.70 m）

圖3 泄洪閘水流流態(tài)（H 上=1329.70m）

2.3 閘門控制實(shí)驗(yàn)

閘門控泄工況下，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，分別對(duì)閘門開度為 0 .50 m、0.80 m、1.00 m、1.20 m、1.50 m 進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量閘門開度與流量的關(guān)系，閘門開度與流量關(guān)系曲線見圖4。此時(shí)實(shí)測(cè)明滿過(guò)渡時(shí)泄洪閘閘門開度為1.51 m。

泄洪閘閘門運(yùn)用方式：泄洪閘在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，閘門如需部分開啟，應(yīng)遵循偶數(shù)、對(duì)稱、同步的原則進(jìn)行開啟。

圖4 泄洪閘閘門開度與流量關(guān)系曲線

3 結(jié)論與討論

1）泄洪閘的泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求。

2）泄洪閘控泄時(shí)，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，閘門運(yùn)用方式見開度與流量關(guān)系曲線。泄洪閘明滿過(guò)渡時(shí)閘門開度為1.51 m。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)所呈現(xiàn)的結(jié)果，泄洪沖沙閘的水力學(xué)計(jì)算滿足過(guò)流要求，設(shè)計(jì)的閘室孔口尺寸滿足泄流時(shí)的開度要求，設(shè)計(jì)基本合理。

水工模型實(shí)驗(yàn)很好的給實(shí)際設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，通過(guò)等比模型的實(shí)驗(yàn)，能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，給設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和建議，該項(xiàng)目仍然可建立更加全面的模型試驗(yàn)，將整個(gè)引水樞紐納入其中，提供聯(lián)合泄流能力、輸砂能力以及沖刷情況的等方面的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。