周旭銳

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

1 工程概況

某水利樞紐位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津河沖乎爾電站廠(chǎng)房尾水下游約1.1 km 處，樞紐工程主要由泄洪閘、WES 溢流堰、生態(tài)閘、二期引水閘、岸邊仿生魚(yú)道組成。工程等別為Ⅰ等大（1）型，攔河引水樞紐建筑物均為1 級(jí)建筑物。攔河引水樞紐設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按100 年一遇，洪峰流量Q 為2340 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位704.030 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)按300 年一遇，洪峰流量Q 為2550 m3/s，校核洪水位704.326 m。

泄洪閘布置于左側(cè)主河床，泄洪閘為開(kāi)敞式，閘底板高程697.20 m，閘頂高程707.00 m。泄洪閘設(shè)置6 孔，單孔凈寬11 m，閘高9.8 m，閘室長(zhǎng)25 m。下游消能采用底流消能，消力池長(zhǎng)30 m，池深1.5 m，泄洪閘與溢流堰后共同消能，消力池凈寬148.5 m，消力池后順接混凝土海漫，海漫長(zhǎng)90 m，兩岸護(hù)岸為貼坡式混凝土襯砌。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺λL為30。流量比尺λQ為4929.5，流速比尺λv為5.477，糙率比尺λn為1.763，時(shí)間比尺λt為5.477。

2.2 模型設(shè)計(jì)

模型模擬范圍為溢流堰、泄洪閘、生態(tài)閘、引水閘以及溢流堰、泄洪閘和生態(tài)閘之后的消力池。縱向試驗(yàn)范圍為閘軸線(xiàn)上游200 m、消力池向下游200 m，總長(zhǎng)約400 m 左右。

為使模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地反映原型的水流情況，在選擇模型材料時(shí)必須考慮材料的糙率要求，模型中建筑物材料選用有機(jī)玻璃。

整體水工模型安裝見(jiàn)圖1，樞紐布置模型尺寸大約為13.5 m×5.7 m（長(zhǎng)×寬）。

圖1 某攔河引水樞紐水工模型圖

2.3 模型量測(cè)設(shè)備

流速采用南京水科院研制便攜式流速儀測(cè)量，水位采用水位測(cè)針和直尺測(cè)量，流量采用矩形量水堰。

整體模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型制作安裝、測(cè)試儀器和測(cè)試方法等按照SL 155-2013《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》要求執(zhí)行。

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1）通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)泄洪閘的布置及水力學(xué)性能作出評(píng)價(jià)，并提出改善措施。

2）通過(guò)試驗(yàn)確定不同工況下泄洪閘的水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)。

3）對(duì)泄洪閘下游消能情況作出評(píng)價(jià)，并提出改善措施及護(hù)岸工程措施建議。

3 試驗(yàn)成果

3.1 泄流能力

試驗(yàn)測(cè)定698.944 m～701.9 m 等20 種不同洪水位時(shí)泄洪閘的下泄流量，因上游水位超過(guò)701.9 m 時(shí)溢流堰會(huì)溢流，故僅測(cè)定上游水位低于701.9 m 時(shí)的工況。試驗(yàn)中引水閘、生態(tài)閘全關(guān)，僅泄洪閘過(guò)流。測(cè)得的各典型洪水位時(shí)泄洪閘的下泄流量見(jiàn)表1。

表1 泄洪閘水位流量關(guān)系表

試驗(yàn)測(cè)定泄洪閘與溢流堰聯(lián)合過(guò)流時(shí)的下泄流量，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，泄洪閘與溢流堰過(guò)流能力之和為2340 m3/s，大于100年一遇的洪峰流量，滿(mǎn)足泄洪要求；校核洪水位時(shí)，泄洪閘與溢流堰過(guò)流能力之和為2550 m3/s，大于300 年一遇的洪峰流量，滿(mǎn)足泄洪要求。

3.2 水流流態(tài)

1）正常工況及小流量工況時(shí)泄洪閘的流態(tài)較好，門(mén)槽處流態(tài)平穩(wěn)，水面線(xiàn)平順，見(jiàn)圖2～圖3。從流量系數(shù)來(lái)看，泄洪閘體型比較合理，泄洪能力充分。但是泄洪閘的消能率普遍不高，尤其是小流量時(shí)消能率尚未達(dá)到20%。

圖2 正常工況下泄洪閘閘門(mén)全開(kāi)水流流態(tài)

圖3 小流量工況下泄洪閘閘門(mén)全開(kāi)水流流態(tài)

2）設(shè)計(jì)工況和校核工況下，水流流態(tài)均比較相似，見(jiàn)圖4～圖7。下泄水流在消力池形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，底部射流間歇地往上竄，漩滾較不穩(wěn)定，消能不充分，設(shè)計(jì)工況消能率為36%，校核工況消能率為33%。

圖4 設(shè)計(jì)工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖5 設(shè)計(jì)工況下泄洪閘下游流態(tài)

圖6 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖7 校核工況下泄洪閘下游流態(tài)

由圖2～圖7 知，不同流量下樞紐整體流態(tài)和泄洪閘流態(tài)比較好，門(mén)槽處水流流態(tài)較好，水面線(xiàn)均較為平順。但泄洪閘消能率普遍偏低，尤其是小流量工況，泄洪閘消能率僅20%，建議進(jìn)一步優(yōu)化泄洪閘消能設(shè)施，如適當(dāng)增加消力池深度、長(zhǎng)度等。

4 優(yōu)化方案及試驗(yàn)成果

4.1 優(yōu)化方案

為增大消能率，對(duì)泄洪閘的模型進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)圖8。優(yōu)化方案為：

1）泄洪閘下游消力池加深1 m，加長(zhǎng)15 m。

2）泄洪閘閘室出口的閘墩由方形墩頭變?yōu)閳A形墩頭。

圖8 優(yōu)化方案泄洪閘平面布置圖（除高程單位以m 計(jì)外，其余均以mm 計(jì)）

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)，典型洪水位時(shí)優(yōu)化方案泄洪閘的水流流態(tài)情況如下：

1）正常工況及小流量工況時(shí)泄洪閘的流態(tài)較好，門(mén)槽處水流平穩(wěn)，水面線(xiàn)平順。優(yōu)化方案下，泄洪閘的消能率提高較多，尤其是小流量工況下，消能率由20%提高到51%，提高幅度很大。其他流量工況的消能率均有不等幅度的提高。可見(jiàn)，加深消力池能提高消能率，見(jiàn)圖9～圖10。

圖9 正常工況下泄洪閘閘門(mén)全開(kāi)水流流態(tài)

圖10 小流量工況下泄洪閘閘門(mén)全開(kāi)水流流態(tài)

2）設(shè)計(jì)工況和校核工況泄洪時(shí)，采用優(yōu)化方案消能率普遍有所提高，水流在消力池內(nèi)形成強(qiáng)烈漩滾，紊動(dòng)強(qiáng)烈，消能充分，設(shè)計(jì)工況消能率為43%，校核工況消能率為42%，見(jiàn)圖11～圖14。

圖11 設(shè)計(jì)工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖12 設(shè)計(jì)工況下泄洪閘下游流態(tài)

圖13 校核工況下泄洪閘、溢流堰整體流態(tài)

圖14 校核工況下泄洪閘下游流態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)水工模型試驗(yàn)可知，樞紐及泄洪閘流態(tài)平穩(wěn)，門(mén)槽處水流流態(tài)較好，水面線(xiàn)平順，下泄流量達(dá)到要求。優(yōu)化后的泄洪閘下游消力池消能效果良好，消能率在33%～53%，平均消能率為43%。通過(guò)試驗(yàn)得出的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，為今后制定調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃提供依據(jù)，為工程后期設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支持。