郝 麗

（阿克蘇塔河源勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 阿克蘇843000）

0 引言

物理模型試驗(yàn)是分析、驗(yàn)證、優(yōu)化水利工程設(shè)計(jì)方案的重要手段，尤其是面對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行工況，借助理論計(jì)算并結(jié)合物理模型試驗(yàn)非常必要［1-2］。五團(tuán)灌區(qū)采取的原址除險(xiǎn)加固方案涉及面廣，各主要建筑物運(yùn)行工況復(fù)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(yàn)證以化解風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況及加固方案

1.1 引水樞紐現(xiàn)狀

五團(tuán)引水樞紐建成于1968年，建成至今經(jīng)過(guò)多次的改建、擴(kuò)建。目前該樞紐由五團(tuán)總干渠進(jìn)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(dǎo)流堤和溢流側(cè)堰等組成。引水樞紐存在的泄洪能力不足，主體結(jié)構(gòu)不利于抗震，結(jié)構(gòu)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(wèn)題，結(jié)合本工程水閘安全鑒定結(jié)論，必須進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1.2 除險(xiǎn)加固方案

除險(xiǎn)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(xiàn)狀工程的前提下，采用將原泄洪閘左側(cè)2孔底板保留作為泄洪閘后護(hù)坦，拆除閘墩，采用全攔河閘式（方案一）和閘堰結(jié)合式（方案二）兩個(gè)方案進(jìn)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(dān)泄洪沖沙任務(wù)，進(jìn)水閘位于泄洪沖沙閘右側(cè)，為3孔5 m寬開敞式水閘。

1.2.2 閘堰結(jié)合式引水樞紐

本方案進(jìn)水閘及沖沙閘布置型式同方案一，泄洪任務(wù)由泄洪沖沙閘和側(cè)堰共同承擔(dān)。泄洪閘為6孔6 m開敞式水閘，沖沙閘為1孔4 m，閘室結(jié)構(gòu)型式同方案一。側(cè)堰長(zhǎng)60 m，采用曲線型實(shí)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(yùn)行管理等方面對(duì)上述兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 方案比選表

經(jīng)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(yùn)行管理、工程投資等方面均較方案一具有一定的優(yōu)勢(shì)，且通過(guò)對(duì)原五團(tuán)引水樞紐進(jìn)行分析，原樞紐上游河道有輕微淤積現(xiàn)象，下游導(dǎo)流堤受沖蝕破壞嚴(yán)重，主要原因是閘孔凈寬不足，單寬流量過(guò)大導(dǎo)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(jié)構(gòu)型式，閘后單寬流量較小，在滿足泄洪要求的同時(shí)，兼顧樞紐的沖沙及閘后消能防沖問(wèn)題。因此，初步判定采用方案二即閘堰結(jié)合式引水樞紐方案是合理的。

2 方案驗(yàn)證

通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究五團(tuán)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(jìn)水閘的過(guò)流能力、泄水閘及溢流堰下游消能防沖建筑物設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 模型設(shè)計(jì)

2.1.1 模型設(shè)計(jì)相似準(zhǔn)則

五團(tuán)龍口引水樞紐工程水工模型設(shè)計(jì)為正態(tài)模型，按照重力相似、阻力相似準(zhǔn)則及水流連續(xù)性，水流流速比尺為糙率比尺為；水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺為；流量比尺為

根據(jù)任務(wù)要求，試驗(yàn)要對(duì)過(guò)水建筑物下游局部沖刷問(wèn)題進(jìn)行研究，所以泥沙運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則應(yīng)滿足起動(dòng)相似。起動(dòng)流速比尺為：λV0=λV。

2.1.2 模型比尺確定

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求和水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［1］，幾何比尺取1∶40。根據(jù)模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則，模型主要比尺計(jì)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(duì)定床模型密實(shí)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(shù)，不同學(xué)者根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)資料得出系數(shù)值各不相同，例如張有齡取c1=0.0166；Strickler取c1=0.015。根據(jù)黃委會(huì)水科院張紅武進(jìn)行定床模型的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)算加糙石子的粒徑：

由上式求得河床加糙粒徑d=2.74 mm。

過(guò)水建筑物采用有機(jī)玻璃制作，其糙率為0.009，相當(dāng)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(jì)。

2.1.3 模型制作

模型制作主要包括樞紐泄洪閘、沖砂閘、進(jìn)水閘等建筑物主體及上下游河道部分，模擬范圍上游庫(kù)區(qū)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(jìn)水閘及溢流堰細(xì)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(jìn)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(jìn)水閘等樞紐建筑物采用有機(jī)玻璃制作，壩前640 m庫(kù)區(qū)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(dòng)床模型。

模型安裝，平面導(dǎo)線方位用經(jīng)緯儀控制、水準(zhǔn)基點(diǎn)和模型高程用水準(zhǔn)儀控制、模型地形制作采用斷面板法。模型流量進(jìn)口由變頻器頻率控制水泵輸出，按電磁流量計(jì)讀數(shù)控制，出口利用量水堰校核引水閘流量。庫(kù)水位用測(cè)針量測(cè)，流速采用LS-401型式螺旋流速儀測(cè)讀，采用攝像技術(shù)進(jìn)行流態(tài)、流場(chǎng)描述。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論

（1）6孔泄洪閘和1孔沖砂閘聯(lián)合泄洪時(shí)，試驗(yàn)量測(cè)泄洪閘閘前水位為1506.12 m時(shí)，流量為665 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算600 m3/s大10.8%；校核水位1506.74 m，流量為915 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算768 m3/s大19.1%，滿足設(shè)計(jì)泄洪要求。

（2）試驗(yàn)量測(cè)泄洪閘設(shè)計(jì)水位下溢流堰過(guò)流流量195 m3/s，比設(shè)計(jì)計(jì)算133 m3/s大46.6%，校核水位下溢流堰過(guò)流流量350 m3/s，比設(shè)計(jì)流量265 m3/s大32.1%，滿足設(shè)計(jì)泄洪要求。

（3）泄洪閘、沖砂閘、溢流堰聯(lián)合運(yùn)用時(shí)，試驗(yàn)量測(cè)泄洪閘閘前水位為1506.12 m時(shí)，流量為860 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算733 m3/s大17.3%；泄洪閘閘前水位為1506.74 m時(shí)，流量為915 m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算1033 m3/s大22.5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）各級(jí)特征洪水時(shí)，泄洪閘各閘墩頭部均產(chǎn)生較大的水冠，特別是靠近右岸第2號(hào)閘墩（墩厚1.6 m）前水冠高度最高，設(shè)計(jì)洪水時(shí)水冠高程達(dá)到1058.2 m，校核洪水時(shí)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(shí)增加閘室高度。

（5）在校核洪水時(shí)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(yàn)量測(cè)泄洪沖砂閘和溢流堰聯(lián)合運(yùn)用時(shí)，閘前水位分別為設(shè)計(jì)水位1506.12 m和1506.74 m時(shí)對(duì)應(yīng)的河道中心沿程水面線和左右岸水面線。

（7）沖刷試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)水位1506.12 m和校核水位1506.74 m兩種工況進(jìn)行。在設(shè)計(jì)水位工況下，泄洪閘和溢流堰下游防沖槽內(nèi)和地形均未發(fā)生明顯沖刷。在校核水位工況運(yùn)行19 h（模型3 h）后：泄洪閘下游消力池內(nèi)和防沖槽發(fā)生沖刷，右側(cè)拋石大部分被沖出，左側(cè)有少許拋石殘留，下游河床未發(fā)生明顯沖刷；溢流堰下游防沖槽拋石未發(fā)生明顯沖刷，但防沖槽下游右側(cè)地形發(fā)生沖刷并出現(xiàn)沖刷溝。建議將泄洪閘下游消力池加深加長(zhǎng)，對(duì)溢流堰下游右側(cè)河床進(jìn)行一定防護(hù)工程。

3 結(jié)語(yǔ)

在大型樞紐工程建設(shè)或加固中，泄水建筑物的過(guò)流能力，防洪性能、閘門型式及體型優(yōu)化、下游效能設(shè)施的防沖性能等各方面僅僅依靠理論計(jì)算和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(fù)雜工況下的運(yùn)行情況得出的結(jié)論是可信的。實(shí)踐證明：物理模型對(duì)水利樞紐除險(xiǎn)加固方案的優(yōu)化具有明顯的促進(jìn)作用。