新疆某水利枢纽工程泄洪闸水工模型试验研究

周旭锐

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某水利枢纽位于新疆阿勒泰地区布尔津河冲乎尔电站厂房尾水下游约1.1 km 处，枢纽工程主要由泄洪闸、WES 溢流堰、生态闸、二期引水闸、岸边仿生鱼道组成。工程等别为Ⅰ等大（1）型，拦河引水枢纽建筑物均为1 级建筑物。拦河引水枢纽设计洪水标准按100 年一遇，洪峰流量Q 为2340 m3/s，设计洪水位704.030 m；校核洪水标准按300 年一遇，洪峰流量Q 为2550 m3/s，校核洪水位704.326 m。

泄洪闸布置于左侧主河床，泄洪闸为开敞式，闸底板高程697.20 m，闸顶高程707.00 m。泄洪闸设置6 孔，单孔净宽11 m，闸高9.8 m，闸室长25 m。下游消能采用底流消能，消力池长30 m，池深1.5 m，泄洪闸与溢流堰后共同消能，消力池净宽148.5 m，消力池后顺接混凝土海漫，海漫长90 m，两岸护岸为贴坡式混凝土衬砌。

2 模型设计

2.1 模型比尺

模型设计遵循重力相似准则，采用正态模型，模型试验的长度比尺λL为30。流量比尺λQ为4929.5，流速比尺λv为5.477，糙率比尺λn为1.763，时间比尺λt为5.477。

2.2 模型设计

模型模拟范围为溢流堰、泄洪闸、生态闸、引水闸以及溢流堰、泄洪闸和生态闸之后的消力池。纵向试验范围为闸轴线上游200 m、消力池向下游200 m，总长约400 m 左右。

为使模型试验能够较真实地反映原型的水流情况，在选择模型材料时必须考虑材料的糙率要求，模型中建筑物材料选用有机玻璃。

整体水工模型安装见图1，枢纽布置模型尺寸大约为13.5 m×5.7 m（长×宽）。

图1 某拦河引水枢纽水工模型图

2.3 模型量测设备

流速采用南京水科院研制便携式流速仪测量，水位采用水位测针和直尺测量，流量采用矩形量水堰。

整体模型试验设计、模型制作安装、测试仪器和测试方法等按照SL 155-2013《水工（常规）模型试验规程》要求执行。

2.4 试验内容

1）通过水工模型试验对泄洪闸的布置及水力学性能作出评价，并提出改善措施。

2）通过试验确定不同工况下泄洪闸的水位～流量关系曲线。

3）对泄洪闸下游消能情况作出评价，并提出改善措施及护岸工程措施建议。

3 试验成果

3.1 泄流能力

试验测定698.944 m～701.9 m 等20 种不同洪水位时泄洪闸的下泄流量，因上游水位超过701.9 m 时溢流堰会溢流，故仅测定上游水位低于701.9 m 时的工况。试验中引水闸、生态闸全关，仅泄洪闸过流。测得的各典型洪水位时泄洪闸的下泄流量见表1。

表1 泄洪闸水位流量关系表

试验测定泄洪闸与溢流堰联合过流时的下泄流量，设计洪水位时，泄洪闸与溢流堰过流能力之和为2340 m3/s，大于100年一遇的洪峰流量，满足泄洪要求；校核洪水位时，泄洪闸与溢流堰过流能力之和为2550 m3/s，大于300 年一遇的洪峰流量，满足泄洪要求。

3.2 水流流态

1）正常工况及小流量工况时泄洪闸的流态较好，门槽处流态平稳，水面线平顺，见图2～图3。从流量系数来看，泄洪闸体型比较合理，泄洪能力充分。但是泄洪闸的消能率普遍不高，尤其是小流量时消能率尚未达到20%。

图2 正常工况下泄洪闸闸门全开水流流态

图3 小流量工况下泄洪闸闸门全开水流流态

2）设计工况和校核工况下，水流流态均比较相似，见图4～图7。下泄水流在消力池形成远驱水跃，底部射流间歇地往上窜，漩滚较不稳定，消能不充分，设计工况消能率为36%，校核工况消能率为33%。

图4 设计工况下泄洪闸、溢流堰整体流态

图5 设计工况下泄洪闸下游流态

图6 校核工况下泄洪闸、溢流堰整体流态

图7 校核工况下泄洪闸下游流态

由图2～图7 知，不同流量下枢纽整体流态和泄洪闸流态比较好，门槽处水流流态较好，水面线均较为平顺。但泄洪闸消能率普遍偏低，尤其是小流量工况，泄洪闸消能率仅20%，建议进一步优化泄洪闸消能设施，如适当增加消力池深度、长度等。

4 优化方案及试验成果

4.1 优化方案

为增大消能率，对泄洪闸的模型进行优化，见图8。优化方案为：

1）泄洪闸下游消力池加深1 m，加长15 m。

2）泄洪闸闸室出口的闸墩由方形墩头变为圆形墩头。

图8 优化方案泄洪闸平面布置图（除高程单位以m 计外，其余均以mm 计）

4.2 试验结果

通过模型试验观测，典型洪水位时优化方案泄洪闸的水流流态情况如下：

1）正常工况及小流量工况时泄洪闸的流态较好，门槽处水流平稳，水面线平顺。优化方案下，泄洪闸的消能率提高较多，尤其是小流量工况下，消能率由20%提高到51%，提高幅度很大。其他流量工况的消能率均有不等幅度的提高。可见，加深消力池能提高消能率，见图9～图10。

图9 正常工况下泄洪闸闸门全开水流流态

图10 小流量工况下泄洪闸闸门全开水流流态

2）设计工况和校核工况泄洪时，采用优化方案消能率普遍有所提高，水流在消力池内形成强烈漩滚，紊动强烈，消能充分，设计工况消能率为43%，校核工况消能率为42%，见图11～图14。

图11 设计工况下泄洪闸、溢流堰整体流态

图12 设计工况下泄洪闸下游流态

图13 校核工况下泄洪闸、溢流堰整体流态

图14 校核工况下泄洪闸下游流态

5 结论

通过水工模型试验可知，枢纽及泄洪闸流态平稳，门槽处水流流态较好，水面线平顺，下泄流量达到要求。优化后的泄洪闸下游消力池消能效果良好，消能率在33%～53%，平均消能率为43%。通过试验得出的水位流量关系曲线，为今后制定调度运行计划提供依据，为工程后期设计提供试验支持。