塔尔郎渠首水工模型试验研究

戚印鑫，耿凡坤

(新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049)

塔尔郎渠首水工模型试验研究

戚印鑫，耿凡坤

(新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049)

渠首各建筑物位置设计时，要综合考虑泄洪、排沙、引水三者之间的制约关系。在满足引水条件下，尽量避免泥沙进入引水渠道；防止闸前、后出现冲淤现象。解决好上述问题的关键，是合理确定各建筑物的高程及相互之间的平面位置。为了验证塔尔郎渠首工程各建筑物的相对位置是否满足设计要求，进行了模型试验。成果表明：渠首引水闸底板高程偏低，闸室进沙量较大；渠首泄洪排沙闸在校核流量下，闸墩及闸门顶高程偏低；泄洪槽末端出口处的冲坑深度大于设计值。因此，对引水闸进口底板及平面结构进行了调整。经两次优化后，渠首工程引水防沙满足设计要求。为了减少泄洪排沙闸及泄洪槽的淤积，提升引水质量，提出了各种工况下的闸前壅水运行调度方案。

渠首；模型试验；泄洪冲沙；闸底板高程；运行调度

塔尔朗渠首位于吐鲁番市境内，该渠首是塔尔朗河流域唯一的地表水引水枢纽。该工程始建于20世纪70年代，初建为底栏栅式拦河引水枢纽，由泄洪冲沙闸、底栏栅堰及上、下游导流堤组成，为三等中型工程。山口以上河长50 km，集水面积467 km2，水文站以上控制面积为548 km2，河长为53.5 km，多年平均年径流量0.7429×108m3[1-2]。

塔尔朗引水渠首校核洪峰(P=2%)流量为410 m3/s，设计洪峰(P=5%)流量为282 m3/s。

塔尔朗河属天山南坡山溪性河流，洪水成因多为暴雨所致，且多以局地性暴雨引发洪水为主。洪水具有突发性，短历时，陡涨陡落，破坏性极大的特点。

改建后的塔尔郎渠首，为全拦河闸型式。主要由引水闸、泄洪冲沙闸、泄洪冲沙槽等组成。其中：泄洪冲沙闸三孔，单孔净宽7 m，闸底板高程为1 156.00 m，闸墩顶高程1 161.25 m(墩高为5.25 m)；单孔引水闸、净宽3 m，底板高程为1 157.00 m，闸墩高4.25 m。进水闸与泄洪冲沙闸夹角32°。

塔尔郎河为多泥沙河流，悬移质多年平均输沙量5.96万t，推移质输沙量1.45万t。塔尔郎渠首引水比达到80%以上，河道纵坡陡、洪水期含沙量大，冲沙水量少。

合理确定渠首平面布置及各闸室底板高程是渠首运行成功的关键[3-4]。因此，对渠首进行水工模型试验，确定建筑物参数，提出合理运行调度方案。

1 模型设计制作

根据试验任务书的内容和要求，本次模型选用1∶30比尺。

流量比尺：LQ=Lr2.5=302.5=4929.503；

流速比尺：Lv=Lr0.5=300.5=5.477；

时间比尺：Lt=Lr0.5=300.5=5.477；

糙率比尺：Ln=Lr1/6=301/6=1.763；

泥沙比重比尺：LG=Lr=1(使用天然沙)；

泥沙粒径比尺：LG=Lr1=301=30.00；

长(高)度比尺：LG=Lr1=301=30.00；

体积比尺：LV=Lr3=303=27000.00；

输沙率比尺：LW=Lr2.5=302.5=

4929.503[5-6]；

整体模型(含引水渠)主体占地面积：长×宽=15.13 m×6.78 m=102.6 m2。

塔尔郎渠首模型试验平面布置见图1。

图1 塔尔郎渠首原设计模型平面布置图

2 原设计方案试验

2.1 试验成果及分析

通过试验，验证在特征洪水工况下(按设计方案确定的引水、泄洪、排沙、消能等运行情况)，泄洪冲沙闸的冲沙效果、泄槽内水流条件及排沙效果，建筑物各部位尺寸能否满足挡水要求。根据模型比尺及试验任务，确定试验工况见表1。

表1 塔尔郎渠首运行工况及历时

说明：设计洪水(5%)和校核洪水(2%)工况下，引水闸全部关闭。

按表1运行工况进行试验，为确保引水流量，在P≥10%洪水工况下，泄洪冲沙闸采用闸孔控制出流方式，在P≤5%洪水工况下引水闸关闭。

上游冲刷主要表现在洪水对闸前铺盖及挡沙坎的齿墙冲淘破坏。在洪水频率P≥20%的条件下运行时，闸前均有淤积覆盖；在洪水频率P=10%的条件下运行时，闸前铺盖及挡沙坎运行正常；在洪水频率P=5%～2%的条件下运行时，闸前铺盖及挡沙坎的齿墙部分区域冲淘严重。

下游冲刷在洪水频率P=2%的条件下运行时，泄洪冲沙槽末尾0+160断面处最大冲坑深度7.81 m，大于设计的齿墙埋深5.50 m。

上游淤积主要是洪水对泄洪冲沙闸闸前及引水闸进口底板产生的淤积。成果表明，在P≥20%的洪水工况下，泄洪冲沙闸闸前及引水进口底板开始产生淤积。随着来水不断减小，相应引水比增大。此时，通过引水闸的泥沙不断增大；在P=80%时，最大过沙量达16.65 m3/h。在P≤10%的洪水工况下，闸前铺盖及挡沙坎运行正常；随着洪量的增加，闸前冲刷逐渐加重。

流速在泄洪闸都开启的情况下，泄槽内流速(0-025断面—0+160断面)由4.23 m/s逐渐增加到10.46 m/s；槽内整体流速没有大的波动，其分布规律为：左右两侧沿程流速、流态基本相同，中间沿程流速大于边缘沿程流速，属于正态分布。

建筑物设计高程在校核洪水(P=2%)的工况下，泄洪冲沙闸三孔全开(闸前水位达1 161.40 m，高出墩顶0.15 m)，此时洪水漫顶；上游导流堤也有过水现象；泄槽内边墙最大超高为2.25 m，最小超高为0.66 m，边墙高程满足设计要求。

2.2 设计方案存在的问题

成果表明在校核洪水(P=2%)的工况下，建筑物设计高程不能满足工程安全要求。主要表现在，泄洪冲沙闸墩顶和导流堤顶高程偏低；泄洪槽末端齿墙埋设深度不够等问题。在P≥20%的洪水条件下运行时，引水闸开始有泥沙进入，并且洪水越小，引水闸过沙量越大。

3 首次优化设计试验研究

3.1 进水闸结构尺寸优化

针对以上问题，在试验中对原设计方案进行以下修改：① 引水闸进水口原设计为双侧扩散喇叭口，改为下游单侧扩散喇叭口(即：将原设计上游侧扩散导流墙，改成与进水闸中线平行的直线型导流墙)；② 抬高引水闸底板高程；③ 对泄洪冲沙闸采用不同的调度运行方式[7]。

根据以上原则，将引水闸上游左侧的导流墙进行了改造；并将引水闸底板高程抬高了1.5 m(其高程为：1 158.50 m)，比泄洪冲沙闸底板高2.5 m[8]；为保证闸后水流平顺，进水闸后扭面长度由10 m增加到15 m。进水闸优化布置图见图2。

图2 进水闸首次优化布置图

3.2 试验成果分析

3.2.1 流速及流态

在P≤20%特征洪水工况下，泄洪冲沙闸闸前0-010断面，左岸流速大于右岸流速，左岸最高流速为7.16 m/s；在P≥30%时，左岸流速小于右岸流速；因此，在大洪水时，泄洪冲沙闸前左岸主要为冲刷区。在P≤30%时泄槽末端0+160断面左侧流速小于右侧流速，右侧最高流速为11.31 m/s；在P≥50%时，左侧流速大于右侧流速。

在泄洪闸门全部开启情况下，泄槽内无局部漩流，水流顺畅无淤积产生，符合泄槽流态分布的一般规律。在闸门局部开启情况下，泄槽内沿程均有折冲水流现象发生，洪水越大表现出来的折冲水流越明显。

3.2.2 上游淤积及引水闸过沙情况

在P≥50%洪水运行工况下，泄洪冲沙闸闸前底板及引水闸进口底板未产生淤积；闸前铺盖运行正常。

在P=30%洪水运行工况下，泄洪冲沙闸闸前底板未产生淤积；引水闸进口底板开始有淤积产生，引水渠内有部分泥沙进入，其输沙率为0.27 m3/h。

在P=10%洪水运行工况下，引水渠输沙率最大，其值为1.079 m3/h。

3.2.3 泄槽末端冲刷及建筑物高程

在P=2%洪水运行工况下，泄洪冲沙槽下游0+160断面处的最大冲坑深度为8.01 m，该处设计的齿墙埋深为5.50 m，齿墙底设计高程为1 145.38 m。

在P=2%洪水运行工况下，泄洪冲沙闸闸墩最大波浪爬高达0.75 m，发生在右中墩，其高程为1 162.00 m。

3.2.4 综合小结

通过第一次试验优化，进水闸前泥沙淤积明显减少。在P=30%洪水运行工况下，进水闸前才发生淤积现象，有部分泥沙进入引水渠。由于运行调度方式不同，泄洪槽内流速不均匀，发生较大的折冲水流。泄槽末端齿墙埋深不够，冲沙槽深度大于设计要求，泄洪闸闸墩超高依然不满足设计要求。

针对引水闸过沙问题，试验中又进行了二次优化。

4 二次优化设计试验研究

4.1 进水闸前设置挡沙坎

分析首次优化后的试验成果，引水闸过沙问题仍然没有完全解决。所以，对优化后的结构需要再次优化。本次优化是在引水闸底板前缘增设1.0 m高的挡沙坎，坎顶高程1 159.50 m，挡沙坎长度是进口底板前缘的2/3长度(靠近下游1/3未设置挡沙坎)，采用直角梯形断面。这种型式可以增强引水能力，同时又防止泥沙进入引水闸[9]。其布置图见图3。

4.2 试验成果分析

4.2.1 上游淤积及引水闸过沙情况

经二次优化后，引水闸挡沙坎前缘最大淤积高程为1 159.28 m，低于挡沙坎顶高程0.22 m，泥沙未进入引水渠道。

采用综合运行方式，在满足引水情况下，各特征洪水均未见泥沙进入引水闸，渠首运行达到了引水防沙的目的。

图3 进水闸二次优化布置图

4.2.2 运行调度方案确定

由于引水闸底板比泄洪闸底板高2.5 m，因此在中小洪水流量下，需要泄洪闸门局部开启，在闸前形成壅水，只有这样运行才能满足设计的引水流量。为了防止引水闸过沙，尽量减小泄洪闸的闸前淤积，试验中进行了各种闸门组合开启方式[10]，最后确定如下运行调度方案，见表2。

当洪水重现期P≥50%时，采用运行调度方式1，即“左闸优先”按左、中、右顺序开启运行；当洪水重现期P<50%时，采用运行调度方式2，即“中闸优先”按中、右、左顺序开启运行。

表2 泄洪冲沙闸调度运行方案表

说明：表格中“√”表示该孔闸门全开，“×”表示闸门全关，“数字”表示闸门开启高度。

4.2.3 泄洪冲沙槽内流速分布

最优运行调度方案下，泄槽内的流速分布情况见表3。

成果表明：泄槽内最大流速为11.09 m/s，在泄槽末端中部，设计中需要考虑高速水流对建筑材料的影响。整个泄槽内流速都大于零，不存在气蚀影响。当P≥30%时，泄洪闸门局部开启，表3中不同断面的流速也反映出存在折冲水流，洪水越小折冲水流越弱。

表3 特征洪水下泄槽内流速分布表

注：调度方式2下洪水频率为2%、5%、10%、20%；调度方式1下洪水频率为30%、50%、60%、80%。

5 结 论

为了验证塔尔郎渠首工程各建筑物的相对位置是否满足设计要求，进行了模型试验。成果表明：渠首引水闸底板高程偏低，闸室进沙量较大；渠首泄洪排沙闸在校核流量下，闸墩及闸门顶高程偏低；泄洪槽末端出口处的冲坑深度大于设计值。因此，对引水闸进口底板及平面结构进行了调整。经两次优化后，渠首工程引水防沙满足设计要求。为了减少泄洪排沙闸及泄洪槽的淤积，提升引水质量，提出了各种工况下的闸前壅水运行调度方案。

[1] 祖力皮亚·热西提，史 珍.吐鲁番市塔尔朗引水渠首工程水文分析计算[R].吐鲁番：新疆吐鲁番水文水资源勘测局，2013：4-6.[2] 卢朝霞，李立军，曹 健.底栏栅式引水枢纽在三工河上的应用[J].水利与建筑工程学报，2006，4(3)：52-53，73.[3] 孙 丽.金沟河引水渠首泥沙处理的设计[J].中国水运，2016，16(6)：232-233.[4] 王 忠，谢富明，栾 文，等.新疆金沟河渠首解决泥沙入渠的措施及效果[J].中国农村水利水电，2006(10)：7-8.

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Model Tests of Head Works Water Project in Tal Lang Channel

QI Yinxin, GENG Fankun

(XinjiangResearchInstituteofWaterResourcesandHydroeltetricScience,Urumqi,Xinjiang830049,China)

During the head work design process the relationships between the flood discharge, sediment, drinking water should be carefully considered. Under the conditions of water diversion, it should avoid mud enter into the channel. The key to solve this problem is to determine the height of each building and the plan position. In this paper the model was tested to verify the projects positions in the plan. The results show that the height of the bottom of the sluice gate was on the low side which could result in a large amount of sand in the chamber; headworks sluice flood discharge sand’s height of the gate and gate was low under check flow; and at the end of the flood discharge trough at the outlet of the scour depth is greater than the design value. So, the inlet bottom plate and the plane structure of the diversion gate was adjusted. After two optimization water diversion and sand control could meet the design requirements. In order to reduce flood discharge sluice and spillway trough silt sand and improve pilotage quality, the scheduling scheme is proposed under various conditions of gate backwater before operation.

head works; model test; flood and sediment discharging; the elevation of water diversion sluice floor; operation scheduling

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.028

2017-02-10

2017-03-08

戚印鑫(1975—)，男，新疆乌鲁木齐人，工程硕士，高级工程师，主要从事水利工程规划设计和水工模型试验研究。 E-mail:376112812@qq.com

TV93

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1672—1144(2017)03—0138—04