勿甫引水枢纽工程泄洪闸水工模型试验分析

李佳雨桐

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 前言

勿甫引水枢纽是叶尔羌河第二级引水渠首工程，勿甫渠首工程等别为Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物级别为2 级，次要建筑物为3 级。设计洪水标准为30 a 一遇，洪峰流量为5350.00 m3/s；校核洪水标准为100 a 一遇，洪峰流量为7400.00 m3/s。地处莎车县孜热甫夏提乡境内，勿甫引水枢纽，年引水量5.00 亿m3～7.00 亿m3，改善了苏库恰克水库灌区巴楚县、莎车、麦盖提、岳普湖部分乡镇及农三师、公安系统的有关团场共80.00 万亩灌溉面积的灌溉条件，发挥了良好的社会和经济效益[1]。

本次工程任务是在原闸址处建设新引水枢纽，需建设泄洪闸、引水闸、冲沙闸、溢流堰等。本文通过水工模型试验，对泄洪闸进行建模分析，观测水利运动规律，验证泄洪闸过流能力，为枢纽方案布置的确定以及泄水建筑物合理运用方式的选择提供科学依据。

1 渠首及模型设计

1.1 渠首设计

1.1.1 总体设计方案

枢纽重建工程任务是在原闸址处建设新引水枢纽，需建设泄洪闸、人工弯道、引水闸、冲沙闸、溢流堰、上下游导流堤、引水渠等。

顺水流方向，由河床左岸至右岸，依次布置：人工弯道（末端接进水闸、冲沙闸）、泄洪闸及溢流堰。

人工弯道是进水、冲沙闸前的整治段，弯道首部呈喇叭口形式，喇叭口凸岸一侧与泄洪闸相接，凹岸一侧与原左岸上游导流堤相接，人工弯道末端布置引水闸（正面引水）以及冲沙闸（左侧与引水闸相连）；泄洪闸布置于人工弯道右侧（与弯道中心轴线成45°夹角），正对河道主流方向；溢流堰轴线与泄洪闸轴线平行，布置于泄洪闸右侧，通过分流墩与泄洪闸相连；上、下游河道整治段均采用导流堤形式。

1.1.2 泄洪闸设计

泄洪闸布置于人工弯道右侧（与弯道中心轴线成45°夹角），正对河道主流方向。泄洪闸单孔净宽10.00 m，共布置11孔，闸室总宽度127.00 m。泄洪闸底板高程1327.10 m，闸顶高程1334.00 m[2]。

1.2 模型设计

1.2.1 模型比尺

根据试验内容及场地条件，确定模型为正态模型，几何比尺为αt=αh=40。水流运动主要作用力是重力，因此模型按重力相似准则设计，保持原型、模型佛汝德数相等。根据重力相似准则，相应的流量比尺、流速比尺、糙率比尺和时间比尺如下：

1.2.2 模型范围

考虑上、下游的水流相似，模型范围为：截取原型泄洪闸闸室上游长420.00 m、下游长514.00 m、宽度433.00 m。

1.2.3 模型制作及依据

模型制作及模型试验依据《水工（常规）模型试验规程》（SL155-2012）[3]及《河工模型试验规程》（SL99-2012）[4]进行。

模型糙率模拟：渠道原型糙率为0.0275；泄洪闸、引水闸、冲沙闸闸室段及泄洪闸、冲沙闸下游防冲槽前原型糙率为0.018。要求模型糙率分别为0.0149 和0.00973，故模型上、下游渠道采用水泥抹面；闸室段及泄洪闸、冲沙闸下游防冲槽前采用有机玻璃加工而成。模型糙率可以满足试验要求。

1.2.4 测量方法

流量采用电磁流量计量测，精度为±0.5%；水位采用固定测针、活动测针和水准仪量测，精度为±0.1 mm；水面线采用活动测针（水准仪）进行量测，精度为±0.3 mm；流速采用旋浆式流速仪量测，精度为2%～3%。

2 实验及成果分析

2.1 泄流能力实验

试验对泄洪闸闸门敞泄时的过流能力进行观测，即控制下游水位对不同流量进行试验，泄洪闸上游水位与流量之间的关系曲线见图1。当上游水位为1329.70 m 时，实测流量为792.14 m3/s。

图1 泄洪闸上游水位与流量关系曲线

2.2 下泄流态

在不计库区行近流速情况下，泄洪闸综合流量系数按下列公式计算[5]：

式中：Q 为泄流量；m0为泄洪闸综合流量系数；b 为泄洪闸单孔净宽；e 为泄洪闸闸门开度；g 为重力加速度。

控制上游水位1329.70 m，闸门敞泄，控制下游水位为1328.45 m，当上下游水位稳定后，实测流量为792.14 m3/s。泄洪闸综合流量系数m0=0.41。

当上游水位为1329.70 m 时，水流平稳，水流均匀进入闸室，闸前最大流速为3.13 m/s，闸后最大流速为4.38 m/s。水流为自由出流，在闸室内形成菱形波，水流出闸后沿斜坡流向防冲槽，水流在防冲槽前的流速为4.37 m/s，防冲槽后流速为1.37 m/s。泄洪闸水面线及流速分布见图2，泄洪闸水流流态见图3。

图2 泄洪闸水面线及流速分布图（Q=792m3/s,H 上=1329.70 m）

图3 泄洪闸水流流态（H 上=1329.70m）

2.3 闸门控制实验

闸门控泄工况下，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，分别对闸门开度为 0 .50 m、0.80 m、1.00 m、1.20 m、1.50 m 进行试验，测量闸门开度与流量的关系，闸门开度与流量关系曲线见图4。此时实测明满过渡时泄洪闸闸门开度为1.51 m。

泄洪闸闸门运用方式：泄洪闸在实际运行时，闸门如需部分开启，应遵循偶数、对称、同步的原则进行开启。

图4 泄洪闸闸门开度与流量关系曲线

3 结论与讨论

1）泄洪闸的泄流能力均满足设计要求。

2）泄洪闸控泄时，控制上游水位1329.70 m 及下游水位1328.45 m，闸门运用方式见开度与流量关系曲线。泄洪闸明满过渡时闸门开度为1.51 m。

根据水工模型试验所呈现的结果，泄洪冲沙闸的水力学计算满足过流要求，设计的闸室孔口尺寸满足泄流时的开度要求，设计基本合理。

水工模型实验很好的给实际设计提供了指导，通过等比模型的实验，能够验证设计的合理性，给设计提供指导和建议，该项目仍然可建立更加全面的模型试验，将整个引水枢纽纳入其中，提供联合泄流能力、输砂能力以及冲刷情况的等方面的设计指导。