龙口引水枢纽冲沙闸拉沙试验研究

储维刃 刘双喜 潘 丽

(1.新疆生产建设兵团第一师水利工程管理服务中心，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾 832100；3.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

对于水资源匮乏、闸前淤积泥沙较粗的新疆地区来说，多数水库冲沙闸前淤积泥沙无法排出，导致冲沙闸无法发挥作用。因此，通过完善的水工设计，利用有限的水资源及时排出泥沙，对发挥其功能并延长水利枢纽使用寿命至关重要。本文以喀拉玉尔滚河五团龙口引水枢纽冲沙闸拉沙效果为例进行研究，由于拉沙试验是以泥沙运动为研究对象，因此进行动床试验研究是验证该枢纽冲沙闸拉沙效果的有力手段。

喀拉玉尔滚河五团龙口引水枢纽建成于1968年，是以灌溉为主兼顾发电的综合性水利枢纽工程，是五团灌区的生命线。该枢纽工程位于天山支脉哈里克套山南麓，阿克苏地区温宿县城西部，距第一师五团北部约23km。经历了数次大洪水侵袭后，该引水枢纽已经百病缠身，主要存在泄洪能力严重不足、各闸室原设计结构不合理，下游消能防冲设施能力不足、上游导流堤及闸墩超高不足、引水排沙效果不佳以及防洪抢险能力不足等问题，急需进行除险加固。引水枢纽除险加固工程采用闸堰结合式方案进行设计，改建后由进水闸、冲沙闸、泄洪冲沙闸、人工弯道整治段、挑水丁坝、上下游导流堤和溢流侧堰等组成，1孔4m冲沙闸、6孔6m泄洪闸和60m长侧堰共同承担泄洪冲沙任务，进水闸位于泄洪冲沙闸右侧，为3孔5m宽开敞式水闸。布置方案见图1。经洪水复核计算，30年一遇的洪水流量为733m3/s，设计水位1506.12m，100年一遇的校核洪水流量为1030m3/s，设计水位1506.74m。

图1 引水枢纽原设计平面布置方案

1 模型设计

根据试验任务要求和水工(常规)模型试验规程，几何比尺取40。根据模型试验相似准则，模型主要包括枢纽泄洪闸、冲沙闸、进水闸和溢流堰等建筑物主体及上下游河道部分，模拟范围为上游库区700m，坝址下游350m，宽度500m。为满足糙率要求，泄水闸、冲沙闸及进水闸等枢纽建筑物采用有机玻璃制作，坝前700m库区及坝下350m河道采用水泥砂浆制作，并对上游床面进行加糙处理，防冲槽块石按照几何相似采用小石块模拟，防冲槽下游约200m范围采用局部动床模型。泄洪闸、冲沙闸、进水闸及溢流堰局部见图2。

图2 五团龙口引水枢纽模型示意

2 模型制作

五团龙口引水枢纽工程水工模型设计为正态模型，按照重力相似和阻力相似，可以得到以下比尺：

水流流速比尺为

(1)

糙率比尺为

(2)

水流运动时间比尺为

(3)

流量比尺为

(4)

根据任务要求，试验要对过水建筑物下游局部冲刷问题进行研究，所以泥沙运动相似准则应满足起动相似。

起动流速比尺为

λv0=λv

(5)

模型比尺汇总见表1。

表1 模型比尺

按设计部门提供资料河道河床糙率为n=0.035，推算模型糙率为0.019，模型河床采用水泥抹面制作，糙率约为0.014，需要加糙校正。

对于定床模型密实加糙所用石子的粒径可由式(6)反求：

n=c1d1/6

(6)

式中d——颗粒直径，mm；

n——模型的糙率；

c1——系数。

不同学者根据不同的实验资料得出系数值各不相同。根据黄委会水科院张红武的定床模型经验，如果采用d=0.2～20mm的人工碎石加糙，c1=0.016，因而可由式(7)计算加糙石子的粒径：

(7)

由式(7)求得河床加糙粒径d=2.74mm。

过水建筑物采用有机玻璃制作，其糙率为0.009，相当于原型糙率0.0167，略大于原型糙率0.014，由于泄水建筑物所涉及的流段较短，水头损失以局部损失为主，糙率相差对沿程阻力影响可忽略不计。

3 模型沙选择

五团引水枢纽工程位于拱拜孜山盐山口冲洪积倾斜砾质河谷，表层岩性为第四系上更新统—全新统冲洪积物，冲洪积物主要由砂砾层和中粗沙层组成，其下为泥岩。泄洪冲沙闸和溢流堰下游基岩为泥岩层，基岩抗冲流速采用2.5m/s(相对1m水深时抗冲流速)，模型沙粒径采用式(8)、式(9)计算：

(8)

(9)

式中v——抗冲流速，m/s；

D——模型沙粒径，m；

ρs、ρ——岩块和水的容重，t/m3,ρs取2.65，ρ取1；

C——岩块稳定状况的无量纲系数，C=0.86～1.2。

模拟散料平均粒径4～5mm。枢纽所在区域河床冲积物主要由级配不良砾层和级配不良沙(中粗沙)层组成，颗粒级配曲线见图3。

图3 模型沙平均颗粒分配曲线

由级配曲线可以看出，闸前冲泄沙砾粒径主要分布在1～100mm，根据非黏性颗粒起动流速公式，得出床沙粒径比尺为40，冲沙闸拉沙试验选用天然沙模拟，原型中骨料由卵石和砂砾组成，其中充填在卵砾石中的小于1mm的较细泥沙，试验表明对抵抗水流冲刷作用甚小，对拉沙效果影响不大，故在选用模型沙时对细颗粒要求允许有一定偏差，因此依据粒径比尺，拉沙试验采用粒径为0.1～3mm的天然沙模拟。

泄洪冲沙闸和溢流堰下游均设置防冲槽，为保证消力池末端不被洪水冲蚀破坏，在消力坎末端设抛石护底，工程选用的抛石粒径大于40cm。根据粒径比尺，泄洪闸、冲沙闸和溢流堰下游消力池中块石采用中值粒径大于1cm的天然块石模拟，d50=1.5cm。泄洪闸上下游左右岸导墙以及溢流堰下游导墙坡脚处为防止冲刷，均铺设粒径大于40cm的防冲槽，根据粒径比尺，模型防冲槽中块石选用中值粒径大于1cm的天然石子模拟，d50=1.5cm。

4 拉沙试验成果

4.1 初始设计方案

为研究冲沙闸拉沙效果，在定床的基础上铺设模型沙模拟闸前淤积，闸前100m范围铺设模型沙模拟闸前淤积，见图4。按照设计工程运用方式，闸前水位按照进水闸引水水位1504.82m控制，设计进水闸引水流量25m3/s，按照冲沙闸过流时水位流量关系推算引水水位下冲沙闸流量为23m3/s，因此在引水水位下，冲沙闸和进水闸联合运用流量为48m3/s。

图4 冲沙闸拉沙试验原始地形

当铺设沙面高程与拦沙坎坎顶齐平时，开启冲沙闸和进水闸，冲沙闸拉沙时冲沙闸和进水闸闸前流态及地形见图5。冲沙闸开启后闸前淤积泥沙翻越拦沙坎随侧向进流进入进水闸，约13min后，可将冲沙闸前导墙内12～14m范围的泥沙拉走；此后拉沙过程比较缓慢，约32min后，拦沙坎前25m范围的淤沙被拉走；60min后，进水闸拦沙坎上游仍剩余一部分泥沙未被拉走，拉沙效果较差。因此需要进行优化设计以提高拉沙效果。

图5 冲沙闸闸孔前水流流态与地形变化

4.2 隔墩加高方案

将隔墩长度与设计方案保持不变，设计顶高由1504.10m加高至1505.00m，试验按照进水闸闸前水位1504.82m进行控制，淤沙低于拦沙坎，拉沙前地形见图6。

图6 原始地形(淤沙低于拦沙坎)

当淤沙至拦沙坎悬臂梁下沿时，冲沙闸开启后，极少量淤沙翻越拦沙坎，约12.6min后冲沙槽内的泥沙全部被拉走，见图7。

图7 拉沙12.6min后效果(淤沙低于拦沙坎)

当淤沙与拦沙坎齐平时，试验前地形见图8。开启冲沙闸和进水闸后，拉沙初始阶段大量淤沙翻越拦沙坎进入进水闸，泥沙聚集在进水闸闸门口的左侧，约16min后冲沙闸内淤沙全部被拉走，见图9。

图8 原始地形(淤沙与拦沙坎齐平)

图9 拉沙16min后效果(淤沙与拦沙坎齐平)

通过对冲沙闸左侧弯形隔墩的体型对比分析可知，将隔墩的长度保持不变，顶高从1504.10m加高至1505.00m后，拉沙效果显著提高。当拦沙坎前泥沙淤积至拉沙坎顶时，打开冲沙闸开始拉沙，会有大量泥沙翻越拦沙坎进入进水闸，当泥沙淤积至拦沙坎悬臂梁下沿时开启冲沙闸拉沙，可以避免泥沙进入进水闸。因此建议将冲沙闸左侧弯形隔墩顶高加至1505.00m，淤积泥沙至拦沙坎悬臂梁下沿时开闸拉沙。

5 结 语

a.原设计冲沙闸上游隔墩布置形式，冲沙闸经过30min拉沙后可将进水闸前的大部分泥沙排走，拉沙1h后，基本可以将进水闸前的泥沙拉走，但在拦沙坎上游端仍然剩余一部分泥沙不能排出，拉沙效果较差。

b.隔墩加高至1505.00m方案，拉沙效果有所改善，冲沙槽内水流波动不大，可作为最优设计方案。

c.当进水闸拦沙坎前泥沙淤积至拦沙坎坎顶时，打开冲沙闸开始拉沙，会导致泥沙翻越拦沙坎进入进水闸，当淤积泥沙低于拦沙坎坎顶时开始拉沙可以避免泥沙进入进水闸，建议当淤积泥沙低于拦沙坎时开闸拉沙。