巴音沟河渠首泄洪闸冲刷模型试验研究

于旭永

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 石河子832000）

1 引言

巴音沟河引水枢纽建成于1957年，是巴音沟河灌区最重要的骨干工程之一，是以灌溉为主，兼顾发电为一体的综合性水利工程。巴音沟河渠首引水枢纽建成至今历经多次改建、扩建，历史演变过程较为复杂，但一直没有解决好渠首引水与排砂的矛盾。为了改变目前渠首引水防沙条件，防止大量泥沙进入下游工程而造成危害，以保证第八师安集海灌区和沙湾县安集海镇农业用水安全，确保下游水利工程安全运行并充分发挥效益，必须对巴音沟河渠首进行除险加固。由于巴音沟河渠首引水枢纽工程的引水与防沙矛盾突出，其泄洪排沙建筑物布置及工程运行调度是否合理直接影响枢纽引水与防沙功能的正常使用。采用模型试验来对设计方案进行优化是目前工程中广泛采用的方法。因为通过模型试验，研究泄洪闸过流能力，可以探索枢纽最佳设计方案，为工程规划设计提供技术支撑。

2 工程概况

巴音沟河引水枢纽位于巴音沟河出山口处，该河段上至三道沟，全长约33km，河谷两岸基岩裸露，植被稀疏。工程区地理坐标为东经85°12′～85°17′，北纬44°10′～44°41″。采用内外库式布置，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。主要建筑物设计洪水标准为30a一遇洪水（P=3.33%）；校核洪水标准为100a一遇洪水（P=1%）。内库正常蓄水位871.0m，对应库容9.34×105m3；引水闸设计引水流量35.5m3/s，加大引水流量42.6m3/s；外库设计洪水位872.17m，校核洪水位873.10m，正常引水位871.75m；泄洪冲砂闸869m高程以下不淤泥时，设计泄量（P=3.33%）322m3/s，校核泄量（P=1%）471m3/s，考虑下游的消能防冲时，1#、2#泄洪冲砂闸最不利的情况就是其他闸孔关闭，设计水位872.17m时，流量264.2m3/s，校核水位873.1m时，流量338.6m3/s，3#、4#、5#泄洪冲砂闸，最不利情况是设计水位872.17m时，流量64.4m3/s，校核水位873.1m时，流量94.2m3/s；溢流堰设计流量42.6m3/s。

泄洪冲砂闸位于主河道，现状闸址上游约105m处。左侧通过冬季引水闸与溢流堰相连，右侧与护岸连接。泄洪冲砂闸共设5孔，左岸1#、2#为冲砂闸，右岸3#、4#、5#为泄洪闸，均采用开敞式平底闸，孔宽7m，闸室总长20m，为钢筋混凝土整体结构；1#、2#冲砂闸底板高程867.0m，3#、4#、5#泄洪闸底板高程869.0m，闸顶高程均为875m；为增强冲砂能力，1#、2#冲砂闸闸前设400m长、坡降i=0.015的浆砌石铺盖为冲砂槽，槽底宽为20m，闸室下游接防冲槽及泄洪输砂道，下游总长900m，底宽15.7m；3#～5#泄洪闸闸室下游总长235.9m。

3 模型试验准备

3.1 模型设计

根据水工模型试验规范及水力学知识【1～5】，模型几何比尺取40。考虑到工程水沙特点和具体情况，流向内库的泥沙以悬移运动为主，模型主要考虑泥沙沉降相似。确定模型泥沙运动相似的基本条件是：沉降和悬浮相似、挟沙能力相似。

3.2 模型沙选择

由于由外库进入内库的泥沙以悬移质为主，悬沙粒径较细，所以，需要选用密度和凝聚力较小的轻质沙。因此，试验选用郑州热电厂粉煤灰作为本模型的模型沙，是较为理想的材料。

3.3 试验情况

5孔泄洪冲砂闸全开的试验中，分别对设计流量322m3/s，校核流量471m3/s 2种工况下的流速及水深进行量测，下游水位按照设计提供的泄洪输砂道出口水位进行控制。

4 模型试验结果分析

4.1 水面线分析

试验量测了设计洪水和校核洪水时外库水面高程，结果表明，设计洪水时（流量322m3/s）内库上坝（坝顶高程876.2m）坝前水面高程875.7m较坝顶低0.5m，在校核洪水时，坝前水面高于坝顶出现漫溢，建议加高内库上坝高度。

加高上坝段坝顶高程后，试验量测了5孔全开时的水面线，结果见图1。设计流量322m3/s工况下，上坝段水面高程可达875.7m；校核流量471m3/s工况下，上坝段水面高程可达876.28m。由于上游来流入外库后，冲砂槽内水深沿程减小，至槽0～73.60m后，受闸孔阻水影响，水深沿程增大，水流进入闸室后，受到侧向收缩影响，水深减小。出闸室后受菱形冲击波的影响，水面起伏较大，经过消力池、防冲槽及海漫的调整后，1#、2#闸后输砂道内水深沿程减小。

图1 不同工况下上游水面线（单位：m）

4.2 下游冲刷

试验分别对设计流量322m3/s和校核流量471m3/s 2种工况下5孔泄洪冲砂闸全开时进行了冲刷试验量测。冲刷试验前按照原始河床地形进行铺沙，范围为3#～5#泄洪冲砂闸防冲槽后至距离泄洪输砂道末端下游120m处。每组试验冲刷时间为25.28h（模型4h）冲刷坑基本趋于稳定。

图2为设计流量322m3/s工况下3#～5#泄洪冲砂闸闸后冲刷坑形态，可以看出3#～5#闸下冲刷坑范围主要在防冲槽末端9m范围以内，冲刷坑最深点高程为855.05m，最大冲刷深度约为5m，最深点距防冲槽末端2.2m，在防冲槽下游河道靠近左侧输砂道隔墩形成1条冲刷沟。校核流量471m3/s工况下，3#～5#泄洪冲砂闸闸后冲刷坑形态与设计流量322m3/s工况下的形态一致，如图2b所示，只是冲刷坑范围较设计流量322m3/s时有扩展，在防冲槽末端局部最大冲刷深度约为8.5m，最深点距防冲槽末端3.2m，防冲槽下游河道靠近左侧冲沙槽墙墩形成1条冲刷沟，冲刷沟长为664m，宽24～69.6m，沟槽起始点高程为854.44m，末端高程为850.12m。

图3分别为设计流量322m3/s及校核流量471m3/s工况下泄洪输砂道下游冲刷坑形态，冲刷坑范围主要在泄洪输砂道出口向下游约70m范围以内。设计流量322m3/s时冲刷坑最深点高程为846.16m，最大冲刷深度为6.6m，最深点距泄洪输砂道右侧导墙末端22.10m，校核流量471m3/s时冲刷坑最深点高程为843.44m，最大冲刷深度为9.32m，最深点距泄洪输砂道右侧导墙末端34.80m。

图2 防冲槽及下游冲刷情况

图3 输砂道下游冲刷情况

5 结语

1）设计洪水时（流量322m3/s）内库上坝（坝顶高程876.2m）坝前水面高程875.7m，较坝顶低0.5m，在校核洪水时，坝前水面高于坝顶出现漫溢，建议加高内库上坝高度。

2）2种工况下冲刷坑基本趋于稳定。