劉雙喜

(新疆金溝河流域管理局，新疆沙灣832100)

引水工程泄洪閘消能需要將閘前的高水頭、高勢能、低流速水流，泄流為低水頭、低勢能、高流速水流，對壩體及下游河渠造成沖刷磨損。通過摩擦、沖擊、旋滾、挑流、擴散、摻氣等方式使水流發(fā)生強烈的紊流和摻混，把動能轉(zhuǎn)變成熱能。在新疆等山溪性河流地區(qū)的引水樞紐工程中，閘后消能防沖型式大多數(shù)采用底流消能、斜坡式護坦+四面體消能等方式[1-2]。

徐曼等通過桐壩水利樞紐的水工模型試驗，研究了消力池及輔助消能工的布置型式，提出了優(yōu)化方案，解決了該工程的消能防沖問題[3]；彭睿通過水工模型試驗，對某河床式水電站消力池進行了優(yōu)化試驗研究，結果表明優(yōu)化后的消力池內(nèi)流態(tài)明顯改善、水躍長度減小、躍后水深降低、下游沖刷深度減小、消能率提高[4]；鄭慧洋等結合具體工程實例，探討了消力池內(nèi)布設輔助消能工對水躍消能效率的影響及輔助消能工的消能規(guī)律[5]；王均星等結合龍口水利樞紐工程進行了低水頭消能防沖的模型試驗，通過對消力池體型的修改，使消力池內(nèi)水流流態(tài)、流速分布及消能效果得到改善[6]。楊聿等根據(jù)水流與弧門支撐梁的碰撞情況及消力池內(nèi)塊石的運動軌跡分析驗證了消能防沖方案可能存在的問題，同時提出了最優(yōu)的消能形式確定了最優(yōu)的消能參數(shù)[7]。張金明等采用物理模型的試驗方法，對消能防沖設計方案進行了合理的驗證，提出了優(yōu)化措施[8]。汪文萍等通過對泄水閘的消力池等寬矩形方案及單側(cè)漸擴方案的消能進行了數(shù)值模擬，同時分析了消力池內(nèi)流場的變化及壓力的分布[9]。近年來，隨著民生建設的不斷發(fā)展，水利堤壩防護工程的修筑也會不斷增多，鋼筋石籠以其良好的經(jīng)濟和防護性能，對堤壩護腳的保護意義重大[10]。

金溝河引水樞紐除險加固工程位于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)的金溝河上，是金溝河上重要的攔河引水工程。原金溝河引水樞紐工程是一座以灌溉為主的費爾干式引水樞紐工程，引水樞紐始建于1959年，1962年竣工后投入運行，1988年和2001年分別進行了引水樞紐底板加高，兩次底板加高均因引水樞紐處河流泥沙淤積，嚴重影響運行安全及引水保證。為了分析泄洪閘閘后消能方式效果，通過水工模型試驗，對泄洪沖砂閘、內(nèi)庫進水閘、內(nèi)庫引水閘過流能力、水流流態(tài)、沖刷情況進行驗證。測定各典型流量下典型斷面的水位、水深和流速分布。優(yōu)化樞紐的結構布置形式和各建筑物的主要結構尺寸、高程等，為進一步工程設計提供可靠的技術數(shù)據(jù)。

1 工程概況

金溝河引水樞紐除險加固工程是一座以灌溉為主的水利樞紐工程，工程等級均為Ⅲ等中型工程，永久水工建筑物級別為 3 級。引水樞紐由泄洪沖砂閘、內(nèi)庫進水閘、內(nèi)庫引水閘、上游擋水墻、下壩等建筑組成。內(nèi)庫進水閘及內(nèi)庫引水閘設計流量為 45 m3/ s，泄洪沖砂閘設計洪水流量(P= 5% ) 為 355. 3 m3/ s，校核洪水流量(P= 2% ) 為 546. 3 m3/s[1]。

金溝河渠首位于北疆經(jīng)濟帶沙灣縣境內(nèi)的金溝河上，是金溝河上重要的攔河引水工程，為內(nèi)外庫閘壩結合式攔河引水樞紐，樞紐控制灌溉面積為3.53萬hm2，屬Ⅲ等中型工程。防洪設計標準為20年一遇，洪峰流量Q=355.3 m3/s；校核標準為50年一遇，洪峰流量Q=546.3 m3/s。

工程由順水流方向的鋼筋混凝土扶壁墻將河道分為內(nèi)庫和外庫，在扶壁墻上設置進水閘，將外庫的渾水引入內(nèi)庫，內(nèi)庫下壩中部設置引水閘，將內(nèi)庫的清水引入灌區(qū)渠道(圖1)。

泄洪閘位于主河床右側(cè)，為3孔開敞式平底閘，主要由閘前鋪蓋、閘室段、泄洪道段組成。閘底板高程815.0 m，閘頂高程823.0 m。下游泄洪道包括短護坦段、混凝土四面體防沖段、彎道段。閘后護坦段長20 m，呈擴散狀布置，擴散角為6°，寬22.5～26.7 m，護坦末端接重力式鋼筋混凝土防沖墻，深9.5 m。四面體鋪設長度為30 m，寬26.7～33.0 m，為C25混凝土結構，單塊重6 t，四面體頂部和底部采用鋼纜相互連接。泄洪閘布置見圖2、3。

為明確泄洪閘閘后消能方式，從底流消能和斜坡式護坦+四面體消能2種消能方式中，根據(jù)消能效果、推沙能力、沖刷情況等綜合選擇最佳消能形式，在不同工況下驗證水流情況、沖坑位置等對過洪建筑物的影響，優(yōu)化下游防沖設施布置。

2 模型設計計算

金溝河引水樞紐工程水工模型設計為正態(tài)模型[11-14]，流速場與流態(tài)試驗按照重力相似、阻力相似準則及水流連續(xù)性，采用佛汝德(Froude)數(shù)相似條件，可以得到：

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(jù)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)

根據(jù)試驗任務要求和《水工建筑物模型試驗規(guī)范》(以下簡稱為《規(guī)范》)，模型按佛汝德相似定律設計為正態(tài)，模型幾何比尺取1∶40，各比尺參數(shù)見表1。

根據(jù)模型設計結果，模型長約22 m，寬8 m，庫區(qū)部分高0.5 m。進水閘、引水閘、泄洪閘全部用有機玻璃制作，外庫庫區(qū)及泄洪閘下游模擬成動床，原型沙作為模型沙，內(nèi)庫及引水閘下游河道地形采用水泥沙漿粉制，嚴格按建筑物尺寸控制，制作精度為0.1 mm。流量用電磁流量計控制，庫水位用測針量測，流速用畢托管及旋槳流速儀測讀，人工觀測流態(tài)及攝像機錄制結合進行。

表1 模型主要比尺

3 泄洪閘消能防沖模型試驗結果及分析

3.1 設計方案流態(tài)與流速分布

首先放水量測了設計洪水流量355.3 m3/s和校核洪水546.3 m3/s時泄洪閘上下游流態(tài)與流速分布，試驗表明，上游來流入外庫時，沿內(nèi)庫弧段擋水墻平順進入，受擋水墻束縛，過水斷面突然收縮，水流流速逐漸增大， 0+172.376 m斷面在設計及校核洪水下最大流速Vmax達到2.37、2.62 m/s，平均流速V分別為2.1、2.2 m/s，沿程流速逐漸增加，至閘前Vmax為3.59 m/s。水流出閘后在護坦上呈急流狀態(tài)，護坦上Vmax達到12.2、13.27 m/s。水流進入四面體防沖段后，呈現(xiàn)波狀水躍，至防沖段末端V降至4.0、4.75 m/s。由于護坦后所填塊石和四面體堆積在彎道段，導致彎道段水面升高，滿溢。

3.2 原設計方案泄洪閘上下游沖刷

3.2.1上游沖刷

試驗表明，設計和校核工況下，閘前外庫河床存在普遍沖刷，受外庫右岸突出山體影響，在左岸擋水墻樁號0+353至進水閘段產(chǎn)生較嚴重的沖刷。校核洪水時，左岸擋水墻坡腳沖刷最深點位置在樁號0+382 m斷面附近，最深點高程為810.2 m，沖溝長度128 m，最大寬度12 m，最深點高程810.8 m。各級洪水時泄洪閘上游右岸擋水墻段沿程產(chǎn)生不同程度的沖刷，各級洪水時在外庫上游右岸突出山體坡腳處產(chǎn)生沖刷。

3.2.2下游沖刷

四面體未連接成整體時，設計(校核)洪水沖刷試驗22 h(模型3.5 h)后，沖刷坑基本趨于穩(wěn)定，經(jīng)設計洪水后，最后一排四面體留在原位置，其他大部分四面體和塊石被沖走，堆積在護坦下30～60 m范圍內(nèi)，在護坦下游30 m范圍內(nèi)形成沖坑，沖坑最深點高程806.52 m(校核時805 m，超過此處扶壁墻基礎深度)。同時在下游彎道導流堤左岸坡0+120～0+150 m范圍內(nèi)形成沖刷坑，左岸岸坡坡腳最大沖刷深度達9.58 m(校核達10.62 m，低于該處扶壁墻底板基礎)。

四面體連接成整體時，在原位置未被沖起，下段塊石部分被帶入下游渠道，但從彎道段中部開始至下游渠道靠左渠堤岸坡形成一道沖溝：泄0+140～0+228 m，寬約14 m，沖溝最深點高程802.52 m(校核時801.68 m)，比該處導流堤基礎深3 m以上。

為減輕下游沖刷，對下游增加了防護措施：①將扭面段20 m過流面改為拋石回填防沖，拋石防沖范圍增至30 m；②將下游導流堤0+120～0+180 m段右岸坡腳鋪設鉛絲石籠進行防護。試驗分別進行了10年一遇、設計及校核洪水3種工況條件下運行22 h(模型3.5 h)后泄洪閘下游地形變化情況，因四面體相互連接，未被沖起，下段塊石部分被帶入下游渠道，與無鉛絲籠防護時的塊石沖刷基本一致。在水流沖擊作用下鉛絲籠右岸泄0+124～0+210 m有沖溝形成。10年一遇、設計及校核洪水沖溝最深點高程分別為806.32、805.00、803.48 m。

3.3 泄洪閘下游擴寬左岸導流堤

為減輕下游彎道左岸沖刷破壞，將下游導流堤左岸岸坡反弧半徑增大[15]。彎道段半徑由112 m增至299 m，弧長相應增加，右岸導流堤體型未變，下游渠道相應擴寬，見圖4、5。

水流經(jīng)過四面體防沖段后，呈波狀水躍，泄0+70～0+100 m之間塊石大部分被帶入下游。試驗對該體型進行了設計及校核洪水2種工況的沖刷觀測。流速分布情況見表2。

因四面體相互連接，未被沖起，下游左岸岸坡形成不同程度的沖溝，校核洪水時，沖坑最深點高程799.16 m，遠超基礎深度。泄洪閘下游導流堤左岸擴寬后能有效減小水流沖刷影響，沖溝范圍有所減小。若采用該方案，建議對左岸岸坡的堤0+80 m～左堤0+136 m范圍坡腳增設防護措施。

表2 流速分布 單位：m/s

3.4 泄洪閘下游降低護坦高程

為減輕下游沖刷破壞，對護坦以下四面體防護范圍和形式做了相應調(diào)整[2]，在護坦末端，四面體首部降低2.5 m，防護段加長10 m, 防護末端0+80 m高程為811 m。0+80～0+100 m之間采用鋼筋石籠防護，坡度1.5%。試驗對該體型進行了設計、校核洪水2種工況的沖刷觀測。

試驗表明：設計洪水，出閘水流經(jīng)過護坦在四面體防沖段形成水躍，水流經(jīng)過四面體和鋼筋石籠防護段后，在鋼筋石籠防護段下游產(chǎn)生波狀水躍，彎道末端(左堤0+164.0 m)斷面，流速從12.1 m/s降至6.3 m/s，左岸岸坡沖刷嚴重。

設計及校核洪水工況下，因四面體相互連接未被沖起，下段鋼筋石籠部分塊石被帶入下游渠道。左岸岸坡均形成不同程度的沖溝，沖坑最深點位于左堤0+70.9 m，高程為800.44 m。

校核洪水工況條件下，沖溝寬約22 m，范圍為左堤0+046～0+138 m，最深點位于左堤0+102 m，高程為798.4 m。右岸岸坡出現(xiàn)一條沖溝，長38 m，最深點高程806.04 m。

3.5 泄洪閘下游坡腳鋼筋石籠防護

在下游左右岸彎道坡腳處分別增加了鋼筋石籠進行防護，左岸坡腳處防護寬度22 m，長度164.8 m，右岸防護寬度10 m，長度55 m。試驗表明：設計工況下，出閘水流經(jīng)過護坦在四面體防沖段形成水躍，經(jīng)四面體和鋼筋石籠泄0+80～0+100 m防護段后，在石籠防護段下游產(chǎn)生波狀水躍，因彎道環(huán)流作用，左岸流速大于右岸，左岸沖刷嚴重。流速分布見表3。

設計(校核)洪水工況下運行25 h(模型4 h)后，四面體相互連接未被沖起。彎道左岸坡腳處設22 m寬鋼筋石籠防護，石籠防護邊沿形成不同程度的沖溝，設計洪水時沖溝范圍為：左堤0+000～0+100 m，寬約10 m，左堤0+50 m，高程802.6 m。

校核洪水工況下，石籠防護邊沿沖溝寬度增至17.6 m，長度增加20 m，最深點高程802.1 m。也就是說，雖然左岸新增鋼筋石籠防護，坡腳沖溝深度減小了，但仍存在明顯沖溝，下游彎道段依舊存在沖刷破壞。

表3 下游左右岸流速分布

3.6 泄洪閘下游增設左岸丁壩

為了減少人工彎道進口前的泥沙淤積，試將靠近河道右岸的泥沙輸沙通道移至河道中部，經(jīng)反復優(yōu)化最終在距泄洪閘增設一道潛水丁壩[16]。整治段丁壩的存在改善了彎道進口前泥沙淤積嚴重現(xiàn)象，在丁壩末端至泄洪閘前形成了較穩(wěn)定的主流區(qū)，大量泥沙由改變后的輸移方向經(jīng)泄洪閘下泄，使進入彎道內(nèi)的沙量減少，在設計流量泄洪后，沖沙閘及進水閘閘前基本可以達到“門前清”[17]。

為將主流導向彎道中部，減輕左岸岸坡沖刷，在下游左岸坡角增設兩道挑流丁壩。分別對丁壩壩頂高程為811.6、812.6、813.6 m進行了試驗，試驗表明丁壩壩頂高程為813.6 m時，下游防沖效果最好。

校核洪水工況下，受丁壩作用，主流遠離左岸岸坡，除了第一道丁壩上游左岸岸坡沖刷嚴重外，其他部位沖坑均遠離左岸岸坡，但是兩道丁壩的迎水面坡腳沖刷較嚴重，沖坑高程一般802～803 m，最深點為800.6 m。鋼筋籠內(nèi)的部分塊石被沖至下游，散落在沖坑內(nèi)。由此可見，在渠道內(nèi)設置丁壩，可將主流導向渠道中部，減輕左岸岸坡沖刷，但丁壩必須抗沖，且需進行防護。說明雖然設置了丁壩及防護措施，但消能效果仍不明顯，下游彎道存在沖刷破壞隱患。

4 消能防沖方式效果對比

4.1 泄洪閘下游消力池方案

為了達到消能效果，將泄洪閘護坦下游的四面體防護段調(diào)整為消力池消能形式，將護坦末端0+40～0+80 m設置消力池，消力池池底高程807 m，池長20 m，池下游采用1∶5反坡與鋼筋石籠護坡段相連，反坡段長度20 m，鋼筋石籠護坡段長20 m，坡度為1.5%，鋼筋石籠護坡段首段高程811.0 m，末端高程810.7 m。

試驗表明，泄洪閘下泄水流經(jīng)過護坦進入消力池內(nèi)，在池內(nèi)形成水躍，消力池中部(樁號0+50.0 m)斷面流速分布均為底部流速遠遠大于表面流速，消力池底部流速在5.50～11.23 m/s，表面流速在0.70～1.39 m/s,垂線平均最大流速為6.42 m/s。下泄水流遇到第一道丁壩后在壩前產(chǎn)生壅水，壩頂部約2/3壩長過水，第二道丁壩在壩頭部約1/4壩長漫水，由于丁壩導流作用，主流位于渠道中部。泄洪閘下游改為消力池后下游渠道內(nèi)各斷面流速與修改前相比流速略有減小。

校核洪水工況條件下運行25 h(模型4 h)后，該體型下，下泄洪水仍然在第二道丁壩下游渠道中部形成一個較大范圍的沖坑，但沖坑最深點高程由四面體防護方案的800.00 m增加至802.36 m，即沖坑最大深度減小了2.36 m。但第一道丁壩迎水面坡腳處以及左岸護堤0+000～0+030 m坡腳沖刷較深，最深點高程為802.84 m，建議對第一道丁壩上游迎水面及此段岸坡采用鋼筋石籠減小防護。第二道丁壩周圍無明顯沖刷。

4.2 丁壩周圍增設鋼筋石籠防護形式

右岸岸坡鋼筋石籠護坡寬度由10 m調(diào)整為5 m，鋼筋石籠深度0.5 m，防護長度不變?nèi)詾?5 m，左岸1號壩前岸坡防護寬度為8 m，兩個壩頭圓弧段防護寬度仍然為10 m，并在鋼筋石籠下鋪設深0.5 m，粒徑為40 cm的塊石，寬度與鋼筋石籠寬度一致。

4.2.1泄洪閘下游水流流態(tài)與流速分布

設計洪水試驗結果表明，泄洪閘下泄水流經(jīng)過護坦進入消力池內(nèi)，在池內(nèi)形成水躍，消力池中部(樁號0+50.0 m)斷面流速分布均為底部流速大于表面流速，垂線平均最大流速為4.82 m/s。下泄洪水在第一道丁壩壩跟向下游渠道中部形成一個較大范圍的沖坑，沖坑最深點高程為802.92 m。校核洪水試驗結果表明，垂線平均最大流速為5.31 m/s。兩道丁壩附近沖坑變化不大，右岸岸坡沖坑最深點高程為802.88 m(圖6)。

4.2.2泄洪閘下游沖刷試驗

設計洪水、校核洪水工況條件下運行25 h(模型4 h)后泄洪閘下游地形見圖7。該體型下，同時又將0+80～0+100 m段鋪設的鋼筋石籠進行加工，使石籠中石塊不會出石籠，由于水流淘刷左岸岸坡鋼筋石籠與岸坡的銜接縫隙，在第一道丁壩上游左岸鋼筋石籠護坡仍然滑落至河底，由于沒有石塊護底，相同水流條件下，下游沖坑深度較方案一變深。第一道丁壩壩前左岸岸坡坡腳處最深點高程為804.40 m，壩上游迎水面坡腳處最深點高程802.44 m，壩頭坡腳處最深點高程為801.36 m，第二道丁壩壩頭坡腳處最深點高程為800.96 m。

5 結論

a) 為了改善下游水流流態(tài)，減輕水流對左岸彎道的沖刷，本文采取了改變左岸護堤形式，擴寬下游渠道、降低護坦高程、坡腳增加鋼筋石籠防護、泄洪閘下游消力池方案、下游渠道增設兩道丁壩等措施，經(jīng)過試驗比較，泄洪閘下游消力池方案，并在下游渠道增設兩道丁壩，丁壩周圍采用鋼筋石籠防護形式效果相對較好，建議設計采用。

b) 在設計和校核洪水時，泄洪閘進流平順，上游來流進入外庫后流速沿程逐漸增加，至閘前最大流速增大至3.59 m/s。水流出閘后在護坦上呈現(xiàn)急流狀態(tài)，護坦上最大流速達到13.27 m/s。水流進入混凝土四面體防沖段后，呈現(xiàn)波狀水躍，至防沖段末端流速降至4.75 m/s。

c) 上游來設計和校核洪水時，泄洪閘閘前外庫河床均存在普遍沖刷。其中，左岸擋水墻樁號0+353～0+463 m段、右岸擋水墻段及上游右岸突出山體等三處沖刷較嚴重。校核洪水時，三處沖刷最深點高程分別為810.20、810.80、813.12 m。建議設計根據(jù)最深點對此三部分加強防護。

d) 原設計泄洪閘下游單個四面體防護以及將下游四面體相互連接成整體防護，各級洪水時，在下游新建彎道導流堤左岸坡均產(chǎn)生較嚴重的沖刷，校核洪水時，左岸岸坡坡腳最大沖刷深度達到10.62 m，沖坑最深點高程798.88 m。