郭秀吉，陳 立，侯素珍，王 平

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州450003；2.武漢大學(xué)資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

0 引 言

新疆平原區(qū)多沙河流，由于河流沖積層較厚且河床質(zhì)偏細(xì)，河床抗能力較差，邊界條件復(fù)雜多變，修建攔河樞紐后將對原河道沖淤特性帶來巨大影響，水流對邊界條件的改變也更加敏感，這些都對樞紐工程的設(shè)計(jì)以及調(diào)度提出較大考驗(yàn)。在新疆地區(qū)已建的400 多座引水渠首中，絕大多數(shù)分布在河流出山口的丘陵區(qū)，在平原區(qū)細(xì)沙河段修建的工程較少，因此對于新疆平原區(qū)細(xì)沙河流引水樞紐工程的典型案例研究也較少。

目前通過平衡斷面河相關(guān)系法、動床數(shù)學(xué)模型及動床河工模型等三種方法［1］，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為目標(biāo)，針對局部引水排沙措施和建筑物布置的研究已有很多，如俞健［2］、柯春光［3］等通過模型試驗(yàn)對新疆金溝河引水樞紐調(diào)度方案進(jìn)行了優(yōu)化，有效解決了引水防沙難題。張明義［4］等通過模型試驗(yàn)對葉爾羌河引水樞紐“一”字型攔河閘、閘堰結(jié)合及閘壩結(jié)合三種布置方案進(jìn)行了優(yōu)化比選。但針對工程建設(shè)前后閘前河床演變過程的研究較少。鑒于此，本文以新疆玉龍喀什河下游細(xì)沙河段擬建的庫木巴克引水樞紐為例，采用動床河工模型著重分析閘前水面線、流速、流態(tài)及斷面形態(tài)對建閘的響應(yīng)過程。

1 試驗(yàn)河道

1.1 河道概況

玉龍喀什河（簡稱玉河）發(fā)源于昆侖山北坡，經(jīng)高山區(qū)、中低山區(qū)、山口堆積平原、沙漠區(qū)，與喀拉喀什河匯合后稱為和田河，之后，經(jīng)塔克拉瑪干沙漠匯入塔里木河，全長504 km。

試驗(yàn)河段位于玉河出山口后的堆積平原中部，河道兩岸地勢平坦，河床組成以沙質(zhì)為主，結(jié)構(gòu)松散，具有大水沖刷小水淤積的基本特征［5］。閘址斷面河槽床沙中值粒徑為0.25 mm，灘地床沙組成與河槽接近，灘地表面為落水期沉積的沖瀉質(zhì)，組成較細(xì)，中值粒徑約為0.04 mm。

1.2 水文特征

試驗(yàn)河段水沙主要來自玉河上游干流，其中高山區(qū)是徑流主要形成區(qū)，中低山區(qū)和前山丘陵區(qū)為主要產(chǎn)沙區(qū)。根據(jù)河段干流同古孜洛克水文站1957-2013年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，其多年平均徑流量為22.43 億m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量1 038.8 萬t，水沙年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季6-8月，根據(jù)場次洪水統(tǒng)計(jì)結(jié)果，洪峰流量大于1 000 m3/s 共9 次，最大洪峰流量為1 460 m3/s（1978年），多數(shù)為洪峰流量在600～900 m3/s 的中常洪水，由于水沙異源，造成洪峰與沙峰具有明顯的異步特征。

2 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型選定試驗(yàn)河段長約7 km，其中閘址上游約6 km，下游約1 km，模擬范圍見圖1。模擬河段平面形態(tài)為上寬下窄，主槽寬度變幅約150～1 200 m，河道水面比降約0.56‰，共布設(shè)31個大斷面，平均間距200 m，其中CS1、CS4、CS5、CS6、CS10、CS15、CS20、CS26 為固定水位觀測斷面，CS2、CS5 為測流斷面。為進(jìn)一步觀測閘前不同位置的流態(tài)、流速分布以及地形沖淤變化情況，在閘前70 m 與125 m 處分別布置加測斷面CS1+1 和CS1+2，見圖2。

圖1 模型模擬河段斷面布置Fig.1 The cross-section layout of simulated river

圖2 閘前加測斷面布置Fig.2 The layout of additional survey section in front of sluice

模型按照幾何形態(tài)相似、水流運(yùn)動相似、泥沙輸移相似、河床變形相似等準(zhǔn)則設(shè)計(jì)［6-8］，平面比尺為180，垂直比尺為25。由于原型中懸沙和床沙的粒徑差異較大，因此考慮用不同的材料分別模擬懸沙與床沙［9-11］。模型懸沙選用鄭州熱電廠粉煤灰為原料，床沙采用天然沙，經(jīng)分選配比后得到滿足級配要求的模型沙［12-14］。

2.2 模型驗(yàn)證

由于試驗(yàn)河段缺乏水位、流速及河床沖淤等歷史實(shí)測資料，因此采用2012年洪痕進(jìn)行沿程水面線驗(yàn)證（見圖3）?？梢钥闯觯囼?yàn)流量為900 m3/s 時水面線與原型河道同級流量水面線吻合良好，其他水面線與900 m3/s水面坡度變化基本一致，在閘址上游約1.9 km（CS10）的位置受河道斷面形態(tài)變化的影響均存在統(tǒng)一的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，水面比降上陡下緩。由此說明實(shí)體模型可以較好模擬試驗(yàn)河段水位變化，試驗(yàn)結(jié)果的沖淤變化與原型接近。

圖3 不同流量級模型驗(yàn)證水位試驗(yàn)值與實(shí)測值對比Fig.3 The comparison of water level test values and measured values for different discharge levels

2.3 試驗(yàn)條件及方案

選擇30年一遇的設(shè)計(jì)洪水過程和常遇洪水過程，洪峰流量分別為1 355 和800 m3/s，以現(xiàn)狀河道和建閘后兩種情況為地形邊界條件，組合形成4 組方案（見表1）。以同古孜洛克水文站1978年實(shí)測洪水過程為基礎(chǔ)，同倍比放大后得到模型進(jìn)口水沙過程；出口水位，建閘前依據(jù)閘址處天然水位流量關(guān)系確定［15］，建閘后按照工程設(shè)計(jì)的樞紐調(diào)度運(yùn)用原則控制。

表1 試驗(yàn)方案及工況Tab.1 The test schemes and working conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 建閘對河道演變的影響

3.1.1 沖淤量及沿程變化

四組方案試驗(yàn)河段全部表現(xiàn)為沿程沖刷，且上段（CS18～CS30）沖刷量顯著大于下段（CS1～CS18）。建閘后，設(shè)計(jì)洪水條件下，閘址以上沖刷量為392.06 萬m3；常遇洪水條件下，閘址以上沖刷量為235.68 萬m3；較現(xiàn)狀河道條件相應(yīng)洪水沖刷量分別減少41.06和22.31 萬m3。

圖4 和圖5 為試驗(yàn)前后平均河底高程的變化，與初始地形比較，洪水后河底高程有顯著下降。設(shè)計(jì)洪水時，建閘前后河底高程平均下降值分別為1.53 和1.30 m，閘前河段建閘后下降值減小，約2 km（CS9斷面）范圍內(nèi)平均減少0.42 m，2 km以上差異較小，至CS16斷面以上兩方案河底高程基本接近。對于常遇洪水，建閘前后河底高程平均下降值分別為0.99和0.84 m，閘前河段建閘后下降值也有所減小，約2 km 范圍內(nèi)平均減少0.21 m，在CS14 以上兩方案河底平均高程比較接近?？梢?，建閘后受閘底板固定邊界的影響，侵蝕基準(zhǔn)面抬高，沖刷受到一定限制，閘前2 km 之內(nèi)受工程影響較大，不同洪水時影響程度和范圍存在差異。

圖4 建閘前后設(shè)計(jì)洪水沿程平均河底高程Fig.4 The average river bottom elevation of design flood before and after sluice construction

圖5 建閘前后常遇洪水沿程平均河底高程Fig.5 The average river bottom elevation of frequent flood before and after sluice construction

3.1.2 閘前斷面形態(tài)調(diào)整

建閘后，閘前河床形態(tài)的變化不僅受來流條件和初始地形的影響，還受閘前工程布置、控制水位和閘門啟閉等因素的影響。由圖6可以看出：

圖6 工程建設(shè)前后閘前斷面形態(tài)變化Fig.6 The change of cross-section shape in front of sluice before and after construction

（1）建閘后閘前河段斷面形態(tài)變化較大。自然條件下閘前斷面沖刷為深“V”型河槽，建閘后邊界條件發(fā)生變化，攔河閘形成了堅(jiān)固的侵蝕基準(zhǔn)面，向上游延伸的導(dǎo)流墻不僅起到分割水流的作用，對水流的擠壓產(chǎn)生一定繞流，在導(dǎo)流墻上端和兩側(cè)形成沖刷坑（見圖2）。兩岸的引水和沖沙閘泄流增大了導(dǎo)流墻兩側(cè)岸邊的流速，加強(qiáng)了相應(yīng)部位的沖刷。當(dāng)來水流量小于800 m3/s 時控制水位1 296.6 m 運(yùn)用，保證引水的前提下以沖沙為主，從試驗(yàn)結(jié)果看，常遇洪水沖刷后河槽呈“W”型，即兩側(cè)的引水和沖沙閘前區(qū)域河床沖刷程度較大。當(dāng)來水超過800 m3/s時，泄洪閘全部開啟，泄流相對均勻，從設(shè)計(jì)洪水試驗(yàn)結(jié)果看，沖刷后閘前河床形態(tài)相對平整，河底高程起伏變化較小，河槽呈深“U”型。

（2）建閘后不同調(diào)度方式閘前最低點(diǎn)位置分布存在差異。對于設(shè)計(jì)洪水，CS1+1 和CS1+2 斷面河床最低點(diǎn)位于泄洪閘前方，較泄洪閘底板高程1 295.0 m 偏低1.11 m 和0.99 m。對于常遇洪水，受導(dǎo)流墻繞流局部沖刷影響，CS1+1和CS1+2斷面河床最低點(diǎn)位于導(dǎo)流墻附近沖刷坑內(nèi)，高程分別為1 293.59 和1 293.86 m，較沖沙閘底板高程1 294.5 m偏低0.91和0.64 m。

（3）建閘后閘前斷面不同部位沖刷強(qiáng)度差異較大。建閘前后洪水期導(dǎo)流堤范圍內(nèi)河床均表現(xiàn)為沖刷，但不同洪水時泄洪閘和沖沙閘運(yùn)行方式不同，對河床不同部位的沖刷影響程度也不同（見表2）。與自然條件相比，建閘后中間的泄洪閘前河道沖刷減少，兩側(cè)的沖沙閘和引水閘前河床沖刷強(qiáng)度增加。

表2 建閘前后CS1+1與CS1+2斷面不同區(qū)段平均河底高程統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistics of average river bottom elevation in different regions of CS1+1 and CS1+2 sections before and after sluice construction

3.2 洪水位變化和壅水范圍

由圖7 和圖8 可以看出，由于建閘產(chǎn)生壅水，沿程水位出現(xiàn)不同程度的抬升。設(shè)計(jì)洪水時，與現(xiàn)狀河道相比閘前水位抬升幅度最大為0.47 m，閘前壅水影響范圍在CS15～CS20 斷面之間。常遇洪水時，閘前最大壅水高度為0.30 m，其壅水影響范圍在CS10～CS15之間。

圖7 建閘前后設(shè)計(jì)洪水沿程水面線Fig.7 The water surface profile of design flood before and after sluice construction

圖8 建閘前后常遇洪水沿程水面線Fig.8 The water surface profile of of frequent flood before and after sluice construction

綜合水位變化與閘前沖刷調(diào)整范圍，可以確定設(shè)計(jì)洪水時壅水影響范圍大致在CS18 斷面（閘址上游約3 660 m）；常遇洪水時壅水影響范圍大致在CS14斷面（閘址上游約2 820 m）。

3.3 閘前流態(tài)與流速分布

3.3.1 閘前流態(tài)

建閘后，閘址斷面由原來的沖淤變幅巨大的床面，轉(zhuǎn)變?yōu)殚l底板固定界面，河床在閘址位置的沖刷受到限制，再加上壅水的影響，河道在自然情況下主流基本居中的流態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)流量小于800 m3/s時，控制閘前水位1 296.6 m，除滿足灌溉引水外優(yōu)先使用沖沙閘，泄洪閘部分開啟，泄洪閘上游水流平穩(wěn)，兩側(cè)水流流速較大，在導(dǎo)流墻上游迎水面產(chǎn)生繞流，導(dǎo)流墻兩側(cè)形成明顯的蝸旋。當(dāng)流量大于800 m3/s時，泄洪閘全部開啟，隨著來流量的繼續(xù)增大，閘墩阻水導(dǎo)致閘前水位抬高，當(dāng)閘前水位抬升至高于正常運(yùn)用水位1 296.6 m 時，導(dǎo)流墻淹沒，閘前水流較小流量時趨于平緩。

3.3.2 流速分布

由圖9 和圖10 可知，建閘后，受壅水的影響，閘前水位抬高，水面展寬，流速減小。由于試驗(yàn)河段兩岸屬第四紀(jì)巨厚松散堆積物，穩(wěn)定性較差，受長時間洪水漫灘浸泡和侵蝕作用，CS2斷面右岸及CS5斷面左岸均出現(xiàn)不同程度的塌岸。

圖9 建閘前后設(shè)計(jì)洪水CS2、CS5斷面流速及水深分布Fig.9 The velocity and depth distribution of CS2 and CS5 section of design flood before and after sluice construction

4 結(jié) 論

本文利用動床模型試驗(yàn)研究了庫木巴克引水樞紐建設(shè)前后閘前河床形態(tài)調(diào)整規(guī)律，分析了閘前水位、流態(tài)、斷面形態(tài)與樞紐運(yùn)用的響應(yīng)關(guān)系，得出以下主要結(jié)論。

（1）工程的建設(shè)并沒有改變試驗(yàn)河段大水沖刷小水淤積的基本特性，洪水期試驗(yàn)河段主要表現(xiàn)為洪峰量級越大沖刷強(qiáng)度越大，上游寬淺河段沖刷強(qiáng)度始終大于下游窄深河段的規(guī)律，工程的建設(shè)只能減弱上游約2 km范圍內(nèi)窄深河段的沖刷強(qiáng)度，2 km以上的寬淺河段基本不受工程影響。

（2）工程的建設(shè)以及調(diào)度方式會造成閘前斷面形態(tài)、最低點(diǎn)位置分布產(chǎn)生較大差異，閘前斷面形態(tài)主要表現(xiàn)為天然情況下，由淺“U”轉(zhuǎn)變?yōu)樯睢癡”型（常遇及設(shè)計(jì)洪水后），而建閘后則由淺“U”型向“W”型（常遇洪水后）再向深“U”型（設(shè)計(jì)洪水后）過渡的規(guī)律；建閘后，當(dāng)流量小于800 m3/s 時，閘前斷面最低點(diǎn)位于導(dǎo)流墻繞流沖刷坑內(nèi)，當(dāng)流量大于800 m3/s時，最低點(diǎn)位于泄洪閘前。

（3）工程建設(shè)后，受壅水及樞紐抬高水位的影響，洪水漫灘機(jī)率增加，閘前河段河岸的抗沖性降低，發(fā)生洪水時塌岸后退的可能性增大。 □