張玉仁

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

在天然河流建設(shè)引水工程，用以供水、通航、灌溉或發(fā)電是水資源開(kāi)發(fā)的重要途徑。然而會(huì)在一定程度改變河勢(shì)中泥沙和水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)致下游河床抬升淤墊，進(jìn)而影響水工樞紐的引水防沙功能[1- 2]。因此，不同水沙條件下如何正確設(shè)計(jì)水工建筑物尺寸，合理地布置引水樞紐方案，成為樞紐發(fā)揮渠首功能的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)天然河道中引水樞紐消能防沖及沖淤演變狀況做了大量研究，劉攀[3]對(duì)新疆某長(zhǎng)距離引水隧洞工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，并給出了閘門的合理運(yùn)行方式；倪碩[4]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了不同沖沙槽深度對(duì)引水工程水流流態(tài)的影響，并提出了優(yōu)化方案。基于此，本文對(duì)甘肅某引水工程的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化，以期為實(shí)際水利樞紐的施工設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

供水工程位于甘肅省平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣與海源縣接壤，西北緊鄰騰格里沙漠，中間平坦廣闊的盆地。海拔高程1360～2280m，相對(duì)高差一般小于500m。本工程骨干工程包括：調(diào)蓄水池、供水管線、總干渠、支渠工程，其中總干渠1條，長(zhǎng)28.684km；干渠3條，長(zhǎng)108.426km；分干渠4條，長(zhǎng)43.318km；支干渠1條長(zhǎng)5.4km；支渠29條總長(zhǎng)126.343km；調(diào)蓄水池3座。主要建筑物包括泵站、明渠、暗渠、隧洞、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡、水閘、管道、車橋、涵洞、排洪渡槽等各類渠系建筑物。本工程擬發(fā)展灌溉面積30萬(wàn)畝，全部采用高效節(jié)水灌溉，其中管灌配套7.05萬(wàn)畝、大田微灌配套21.75萬(wàn)畝、溫室微灌配套1.20萬(wàn)畝。發(fā)展面積中現(xiàn)狀已平整配套的面積7.34萬(wàn)畝，含微灌配套2.18萬(wàn)畝、管灌配套2.69萬(wàn)畝、渠灌配套2.08萬(wàn)畝，未配套渠系種植0.38萬(wàn)畝。故本次需新配套高效節(jié)灌面積25.13萬(wàn)畝，其中管灌配套4.36萬(wàn)畝、大田微灌配套19.57萬(wàn)畝、溫室微灌配套1.20萬(wàn)畝。

區(qū)內(nèi)地表水系主要以黃河水為主，其徑流量大，水質(zhì)好，從河流兩側(cè)匯入黃河的其它地表水體，水量與黃河水相比極小，對(duì)河水水質(zhì)影響不大。黃河上游洪水主要由暴雨形成，6—10月均有年最大流量出現(xiàn)，但以7—9月出現(xiàn)的次數(shù)最多，其它月份雖仍有暴雨出現(xiàn)，但量級(jí)不大或次數(shù)不多。每年9月份龍羊峽、劉家峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水，至10月份庫(kù)水位接近正常蓄水位，若出現(xiàn)洪水過(guò)程，常常只能全部下泄，因此10月份單獨(dú)劃分為汛末過(guò)渡期。一般情況下11—次年6月水庫(kù)除機(jī)組發(fā)電流量外，基本無(wú)棄水，因此，將11—次年6月劃為非汛期。

2 試驗(yàn)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

原方案樞紐整治段水流流態(tài)混亂，左岸水流被導(dǎo)向右岸和中軸線，局部壅高形成回流區(qū)。 當(dāng)河道來(lái)水量小于設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)，閘前淤積高程增加，不滿足防沙排沙要求[5- 6]。河道發(fā)生校核洪水時(shí)頂部高程不滿足設(shè)計(jì)泄洪要求。泄洪沖沙槽底板高程較高，下游水位相對(duì)較低，樞紐布置形式?jīng)_沙極為不利。為此，將引水閘進(jìn)口喇叭口修改為45°；引水閘閘底板高程提高至1159.50m，且增設(shè)1m高的擋砂坎；引水渠閘后漸變段修改為15.0m；將泄洪沖砂閘門修改至與原閘墩頂?shù)雀?。在綜合考慮模擬范圍、試驗(yàn)條件等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合SL 155—2012《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》，采用正態(tài)模型模擬河道原型，相應(yīng)的模型比尺見(jiàn)表1。

2.2試驗(yàn)測(cè)量方法

流量觀測(cè)：模型流量供給通過(guò)量水堰進(jìn)行控制，流量觀測(cè)采用恒定流試驗(yàn)法。具體布置為：分別安裝矩形量水堰于樞紐上下游出口，用于測(cè)量河道來(lái)流量和下游出流量；在左岸和右岸進(jìn)水閘后均安裝三角形量水堰來(lái)測(cè)量分流量的大小。水位觀測(cè)采用鋼尺、方格網(wǎng)、水準(zhǔn)儀、水位測(cè)針等，精度為0.1mm，基于試驗(yàn)BM點(diǎn)高程計(jì)算沖淤高程和河道水位。流速、水面線觀測(cè)方法如下：①在研究區(qū)域設(shè)置了11個(gè)斷面，每個(gè)相鄰斷面的距離為20m。②每個(gè)斷面布置左、中、右測(cè)點(diǎn)來(lái)量測(cè)其水位，其中邊界測(cè)點(diǎn)間距8m。③通過(guò)智能流速儀對(duì)河道流速進(jìn)行測(cè)量，不同河道來(lái)流量條件下，分別在斷面左、中和右岸布置垂線，測(cè)點(diǎn)位于斷面平均水深的2/3處進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)試驗(yàn)需要，典型流量工況及歷時(shí)見(jiàn)表2。

表1 模型比尺

表2 工況及歷時(shí)

3 結(jié)果與分析

3.1流態(tài)及水面線

不同流量條件下沖沙槽水邊線變化趨勢(shì)，如圖1所示?？梢钥闯觯瑳_沙槽邊墻水位差值較小，槽內(nèi)菱形波數(shù)量明顯減小，主要是因?yàn)橐l口角度減小使得偏轉(zhuǎn)角發(fā)生改變，加之流速略有降低使得槽內(nèi)菱形波消失水流擾動(dòng)降低，回流區(qū)面積及流速有所減小。增加擋沙坎、減小引水閘進(jìn)口角度后，閘前水流平順，河道水流流態(tài)有了較大改善；閘后坡度變陡且加長(zhǎng)漸變段，使得泥沙通過(guò)速度明顯加快。由于斷面突縮導(dǎo)致閘前水位有所升高，但水流入槽未出現(xiàn)較大波動(dòng)。在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水條件下閘前水位基本一致，而泄洪沖沙槽內(nèi)菱形水面減少，水面平穩(wěn)且左右岸水面高程幾乎相同。

3.2流速分布分析

修改方案后，各流量下特征斷面水深變化與流速分布基本一致。修改方案將引水閘進(jìn)口喇叭口角度由67°減小為45°，閘底板高程提高至1159.50m且增設(shè)1m擋沙坎，雖然增大了過(guò)流難度，但能夠阻止泥沙進(jìn)入。泄洪沖沙閘使得河段流速急劇減小，減幅高達(dá)37%左右，來(lái)流量較小時(shí)閘前流速降低了20%，槽內(nèi)流速無(wú)明顯變化，流速左右對(duì)稱且分布均勻，更有利于排沙。來(lái)流量比較大時(shí)，泄洪沖沙閘對(duì)水流速度影響較小，水位與流速變化相互對(duì)應(yīng)。校核流量下流速略小于原方案，槽內(nèi)出口左岸流速略小于右岸流速，中間流速大于邊緣流速，表明水流呈對(duì)稱分布。

3.3沖淤地形變化分析

引水渠挾沙量及閘前淤積對(duì)比見(jiàn)表3。可以看出，修改方案引水渠內(nèi)進(jìn)沙量大大減少，其中來(lái)流量小于43.13m3/s時(shí)進(jìn)沙量為0，河道來(lái)流量為193.92m3/s時(shí)進(jìn)沙量減少了約78%。來(lái)流量為29.9、43.13m3/s時(shí)，引水進(jìn)口平臺(tái)與閘前平臺(tái)未發(fā)現(xiàn)淤積。河道來(lái)流量為116.15m3/s時(shí)，擋沙坎邊緣已有砂石靠近，引水閘到泥沙的距離為1.80 m，閘前平臺(tái)產(chǎn)生懸移質(zhì)沉淀，未發(fā)現(xiàn)泥沙流經(jīng)閘室。河道來(lái)流量為193.92m3/s時(shí)，閘前鋪蓋淤積未進(jìn)入至閘室。河道來(lái)流量為設(shè)計(jì)流量284.82m3/s時(shí)關(guān)閉引水閘，大部分泥沙被帶至沖砂槽，平臺(tái)僅有少量細(xì)砂。主要是底板高程抬高和喇叭口角度減小。河道來(lái)流量為校核洪水414.10m3/s時(shí)，洪水已把閘前部分淤積物帶走，擋砂坎前緣最大淤積低于擋砂坎頂高程0.35m，由于擋沙坎的存在使得泥沙難以進(jìn)入引水閘。按引水比例分析，洪水期對(duì)上游排沙有利，上游河道不易淤積，拉沙效果比較理想。

表3 引水渠挾沙量及閘前淤積高程對(duì)比

設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)沖擊地形中大顆粒十分明顯，表明泥沙向下游輸移增多。下游河道沖坑深度見(jiàn)表4。發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)，沖坑深度為5.29m，沖坑深度為1146.65m；發(fā)生校核洪水時(shí)，沖坑深度為1144.45m，而沖沙槽下游齒墻深度為7.21m，顯然需增加齒墻深度。此外，進(jìn)水閘閘后最大流速為4.57m/s閘后消能防沖滿足要求。

表4 修改方案下游沖坑深度

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)甘肅某引水工程引水閘進(jìn)行了不同水沙工況下的模型試驗(yàn)，并得到以下結(jié)論：①樞紐水流流態(tài)得到改善，回流流速和回流區(qū)面積減小，水流流態(tài)更加平穩(wěn)。雖然在閘前水位升高，但水流入槽平穩(wěn)，流速分布均勻，左右對(duì)稱，流速更平順，更有助于排沙。②泄洪沖沙閘與引水閘軸線夾角調(diào)整至45°，引水閘底板高于沖沙閘底板2.5m，形成斜向引水、正面排沙，能夠滿足泄流要求，結(jié)構(gòu)布置較為合理。③增加擋沙坎后，引水渠進(jìn)沙量減少了90%。