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

1 勿甫引水樞紐工程概況

勿甫渠首位于葉爾羌河流域灌區(qū)莎車縣境內(nèi)，工程主要承擔(dān)著下游補(bǔ)充引水和補(bǔ)充蓄水的任務(wù)，現(xiàn)狀年直接控制灌溉面積504.05 hm2，設(shè)計(jì)總引水流量為100.00 m3/s。工程等別為Ⅱ等大（2）型，工程興建于1979年，1984年正式投入運(yùn)行。勿甫引水樞紐自建成至今已運(yùn)行32年，該工程洪水標(biāo)準(zhǔn)、安全超高、下游消能防沖均不能滿足規(guī)范要求，存在重大隱患，無法安全運(yùn)行，急需除險(xiǎn)加固。

本次勿甫引水樞紐工程除險(xiǎn)加固確定拆除重建，重建后的工程主要建筑物包括導(dǎo)流堤、溢流堰、泄洪閘、泄洪沖砂閘、進(jìn)水閘及引水渠道等，工程的總體設(shè)計(jì)布置見圖1。

新疆地處內(nèi)陸干旱地區(qū)，在洪水季節(jié)河流都以急流狀態(tài)挾帶大量泥沙下泄，對(duì)樞紐危害較大，解決引水排沙的矛盾，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題[1]，在樞紐布置中多采用引水彎道解決引水排沙問題，引水彎道的目的是在于產(chǎn)生橫向環(huán)流，產(chǎn)生離心力將泥沙排向下游[2]，本次依據(jù)模型試驗(yàn)驗(yàn)證引水彎道方案布置的合理性。

引水彎道首端多采用喇叭口形式與天然河道連接[3]，人工彎道布置于進(jìn)水、沖沙閘前的整治段，右側(cè)與泄洪閘相接，左側(cè)與上游導(dǎo)流堤相接，首部軸線與泄洪閘中心線夾角為45°。彎道直線整治段開始段底面寬度為39.48 m，末端底面寬度與彎道底寬相同為30.00 m，彎道采用變曲徑設(shè)計(jì)，中心線總長251.00 m。

圖1 樞紐設(shè)計(jì)方案工程布置圖

人工彎道設(shè)計(jì)引水流量220.00 m3/s，彎道進(jìn)口高程1 328.30 m，較泄洪閘底板高1.20 m，綜合縱坡i=0.003 3。彎道斷面形式為梯形，設(shè)計(jì)邊坡為1∶2.0，凸岸一側(cè)為人工填島，頂高程為1 334.50 m。凹岸堤頂高程1 334.00 m，寬為 6.00 m，堤外邊坡 1∶1.75。

2 模型比尺

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及場地條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為αl=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:

3 模型沙的選擇

模型沙的選擇，應(yīng)同時(shí)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似及泥沙運(yùn)動(dòng)相似。對(duì)于正態(tài)模型，應(yīng)遵循下列相似比尺:

1）水流運(yùn)動(dòng)相似

式中:αv——流速比尺；

αn——糙率比尺。

2）泥沙運(yùn)動(dòng)相似

（1）泥沙起動(dòng)相似

根據(jù)沙莫夫泥沙起動(dòng)流速公式，導(dǎo)出床沙粒徑比尺:

如果模型沙為天然沙，則有αd=αl=40

（2）泥沙沖淤變形時(shí)間相似

由泥沙運(yùn)動(dòng)河床變形方程導(dǎo)出床沙沖淤變形時(shí)間比尺:

試驗(yàn)中選取石英砂作為模型沙。

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 泄流能力試驗(yàn)

在局部模型的條件下，假設(shè)溢流堰不過流且下游無水的最不利工況下，試驗(yàn)對(duì)30年、50年及100年一遇洪水，依據(jù)水文報(bào)告分析成果:Q30年=1 398 m3/s（p=3.33%），Q50年=1 453 m3/s（p=3.33%），Q100年=1 485 m3/s（p=1%）。在泄洪閘、沖沙閘閘門敞泄，引水閘控泄100.00 m3/s及不控制下游水位的條件下進(jìn)行引水彎道試驗(yàn)。

4.1.1 30年一遇洪水工況

試驗(yàn)開始后，人工彎道喇叭口前的擋沙坎下泥沙開始淤積。當(dāng)擋沙坎下泥沙淤滿后，泥沙開始進(jìn)入人工彎道，并在扭面后4.00 m中心線偏左處淤積，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙開始淤積。6.32h后，扭面后4.00 m中心線偏左處泥沙淤積消失，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙淤積范圍為10.40 m×40.00 m。實(shí)測(cè)人工彎道流量為263.90 m3/s，人工彎道流速分布見下圖2。

圖2 30年一遇洪水工況人工彎道流速分布圖 （Q=1 398 m3/s，H上=1 330.53 m）

4.1.2 50年一遇洪水工況

試驗(yàn)開始后，喇叭口前的擋沙坎下泥沙開始淤積。當(dāng)擋沙坎下泥沙淤滿后，泥沙開始進(jìn)入人工彎道，并在扭面后4.00 m中心線偏左處泥沙開始淤積，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙開始淤積。6.32 h后，扭面后4.00 m中心線偏左處的泥沙淤積消失，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙淤積范圍為11.20 m×43.10 m。實(shí)測(cè)人工彎道流量為264.83 m3/s，人工彎道流速分布見下圖3。

圖3 50年一遇洪水工況人工彎道流速分布圖（Q=1 453 m3/s，H上=1 330.66 m）

4.1.3 100年一遇洪水工況

試驗(yàn)開始后，喇叭口前的擋沙坎下泥沙開始淤積。當(dāng)擋沙坎下泥沙淤滿后，泥沙進(jìn)入人工彎道，并在扭面后4.00 m中心線偏左處泥沙淤積，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙開始淤積。6.32 h后，扭面后4.00 m中心線偏左處的泥沙淤積消失，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處凸岸一側(cè)泥沙淤積范圍為12.00m×50.00m。實(shí)測(cè)人工彎道流量為272.70 m3/s，人工彎道流速分布見下圖4。

4.2 人工彎道拉沙試驗(yàn)

研究人工彎道拉沙形態(tài)，試驗(yàn)將人工彎道內(nèi)鋪顆粒粒徑為4～12 mm的石英作為研究對(duì)象砂，鋪沙厚度2 m，引水閘擋沙坎前不鋪沙。這是人工彎道泥沙淤積形態(tài)下拉沙試驗(yàn)最不利的工況。

試驗(yàn)工況為:關(guān)閉引水閘及泄洪閘，流量220.00m3/s是人工彎道設(shè)計(jì)流量，沖沙閘敞泄。

水流進(jìn)入鋪沙的人工彎道，當(dāng)上游水位在沖沙閘前為1 331.55 m時(shí)，將沖沙閘閘門同步開啟敞泄，泥沙隨水流流向下游。開始時(shí)，水流挾帶大量泥沙涌向下游，并在沖沙閘前形成涌沙通道。

圖4 100年一遇洪水工況人工彎道流速分布圖（Q=1 485 m3/s，H上=1 330.68 m）

圖5 拉沙試驗(yàn)人工彎道水面線及流速分布圖（Q=220 m3/s，H上=1 331.55 m）

1 h后人工彎道反弧末端A-A剖面凹岸開始形成拉沙溝槽。

1.5 h后，人工彎道反弧中部切點(diǎn)處B-B剖面開始形成拉沙溝槽。

3 h后，拉沙溝槽逐漸延伸至人工彎道進(jìn)口扭面末端，C-C剖面。

4 h后，人工彎道整體形成拉沙溝槽。隨著時(shí)間的推移，溝槽逐漸明顯，10 h后，人工彎道沖淤基本平衡，實(shí)測(cè)人工彎道內(nèi)斷面泥沙剩余量見表1。

實(shí)測(cè)拉沙量為74.60%，人工彎道內(nèi)水面線及流速分布見下圖5。

5 結(jié)論

1）引水彎道在不同工況下均滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在局部模型的條件下，根據(jù)拉沙試驗(yàn)顯示，關(guān)閉引水閘及泄洪閘，沖沙閘敞泄，人工彎道內(nèi)鋪厚2.00 m，顆粒粒徑為4～12 mm的石英砂，設(shè)計(jì)流量為220.00 m3/s的最不利工況下，隨著時(shí)間的推移，10 h后，人工彎道沖淤基本平衡，實(shí)測(cè)拉沙量為74.60%，拉沙效果較為明顯。

表1 各斷面泥沙剩余量表 單位：m

3）在本次模型試驗(yàn)中，通過水利相似原理和試驗(yàn)結(jié)果，可以驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的合理性，給日后的設(shè)計(jì)提供合理的科學(xué)依據(jù)。但由于泥沙問題的復(fù)雜性以及不確定性，建議工程運(yùn)行期間加強(qiáng)對(duì)引水彎道沖淤形態(tài)的觀測(cè)，以便及時(shí)采取必要的工程防沖減淤優(yōu)化措施，保證引水彎道的過流要求。