乌鲁木齐河分洪工程渠首枢纽水工模型试验研究

张 玲

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

乌鲁木齐河分洪工程位于天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，属大（2）型Ⅱ等工程，主要任务为防洪，由分洪渠首、分洪渠道及渠系建筑物等组成。分洪渠首布置型式采用拦河闸布置，渠首主河道布置泄洪及挡水建筑物，右岸布置分洪闸。分洪渠首泄洪建筑物由3孔引洪闸、1孔冲沙闸和4孔泄洪闸组成，分洪渠首设计洪水标准为200年一遇，洪峰流量Q=147.2 m3/s；校核洪水标准为1000年一遇，洪峰流量Q=641.2 m3/s；消能防冲建筑物洪水标准为50年一遇，洪峰流量Q=132.9 m3/s。

水工模型是解决水利水电工程复杂水力学问题的重要手段，通过水工模型试验可以预演原型中复杂的水流现象，检验设计方案的可靠性和准确性。分洪渠首是乌鲁木齐河分洪工程的关键部位，其方案布局是否合理，需要通过模型试验检验。

2 模型试验主要研究内容

通过模型试验，分析研究建筑物布置方案合理性，验证4 孔泄洪闸、3 孔分洪闸和1 孔冲沙闸等过水建筑物的泄流能力、建筑物体型设计的合理性、下游消能防冲设计的合理性等，根据试验成果对设计中存在的问题提出相应的解决措施，提出优化建议，为工程规划设计提供技术支撑。

3 模型的设计与制作

根据试验要求及弗劳德重力相似及阻力相似准则设计模型，模型几何比尺为Lp/Lm=λL=40.00，渠首枢纽模型工程包括分洪工程拦河引水枢纽的上游300 m河道、下游300 m河道、引洪闸、泄洪闸、冲沙闸等。其中引洪闸、泄洪闸、冲沙闸等全部用有机玻璃制作，上下游河道、渠道采用水泥砂浆制作，下游河道局部制作成动床，动床模型沙根据抗冲流速相似法选择。模型安装，平面导线方位用经纬仪控制、水准基点和模型高程用水准仪控制、模型地形制作采用断面板法。

4 枢纽布局优化研究

枢纽各泄洪闸和冲沙闸进口流态是否均匀是判断枢纽布局是否合理的重要因素，原设计为了改善各闸孔进流流态分别在4孔泄洪闸中部以及泄洪闸与冲沙闸之间设置40 m长的直导墙，另外在泄洪坝段与挡水坝段设置一个长度为50 m的直导墙。试验结果表明：在各级洪水条件下，上游来流均受泄洪坝段与挡水坝段之间导墙影响，导致靠近左侧两孔泄洪闸闸前水位明显低于右侧闸孔，右侧闸孔前水流沿泄洪闸中部导墙翻入左侧闸前，在校核洪水条件下，闸前水位相差1.6 m（见图1），导致4孔泄洪闸过流不均匀，尤其左侧两孔过流远小于右侧两孔。

图1 校核洪水闸前左导墙附近流态

为了改善闸前流态将闸前左侧直导墙调整为圆弧型，导墙圆弧半径80 m，圆心角45°，导墙高程1 261.5 m，同时将泄洪闸单孔闸孔宽度由7.5 m 减小至7.0 m，其他闸孔尺寸不变。试验结果表明：导墙改为圆弧型后闸前绕流现象得到改善，但是由于导墙高程低于水位，挡水坝段水面高于闸前水面，部分水流从导墙翻越至闸前，导致闸前形成侧向波状水流，不利于泄洪闸泄流。在次体型的基础上将导墙高度加高，闸前流态得到改善，虽然消除水流翻越现象，但闸前水面波动剧烈。在左导墙加高优化体型的基础上将左导墙改为双弧型，在圆弧段上游增加一段半径为15 m，圆心角为60°的圆弧（见图2）。试验表明在各级洪水条件下，闸前流态得到明显改善。

图2 导墙优化体型

5 枢纽泄洪排沙建筑物泄洪能力

在闸前左导墙体型改为双弧段导墙后，对泄洪闸、冲沙闸及分洪闸的泄流能力进行了量测。表1为特征库水位下泄洪冲沙闸流量设计计算值和模型试验量测值，校核洪水时，泄洪闸和冲沙闸总泄量为615 m3/s 较设计值大12%，满足设计要求。试验量测3 孔分洪闸闸孔全开，闸前水位为正常水位1 261.22 m 时，闸孔过流为127 m3/s，大于设计分洪流量100 m3/s，满足设计要求。试验量测了闸前水位达到设计水位和校核水位，分洪闸引100 m3/s 流量对应闸门开度分别为1.385和1.03 m，可供工程调度采用。

表1 特征库水位下泄洪冲沙闸流量统计表

6 枢纽下游冲刷防护研究

原设计泄洪冲沙闸后接20 m长的混凝土护坦，护坦后设底流式消力池，消力池长15 m，消力池内下部为钢筋笼回填，高度为1 m，上部铺设3 m 厚巨石，消力池末端为1∶2.5开挖坡。试验结果表明：特征洪水下，闸下游冲刷均比较严重，校核洪水时最大冲刷深度为7.84 m，池内3 m 厚的块石大部分被冲走，池底部的钢筋笼裸露。将消力池长度由15 m加长至25 m，池深增加1.2 m，试验结果表明：该体型下水流对下游冲刷程度有所改善，最大冲刷深度减小2.68 m。但是由于最大冲深位于左导墙和右岸坡处，有可能危及导墙的安全。为此，取消其下游消力池，护坦末齿墙后采用20 m 长钢筋笼防护段，同时在左右岸坡采用钢筋笼防护，右岸沿护坡防护长度为48 m，宽度为9 m，厚度为1 m；左岸对导墙坡脚采用钢筋笼全范围防护，防护宽度为9 m，厚度为1 m，为试验推荐方案。试验推荐方案校核洪水闸下游的水流流态与冲刷情况见图3，水流较原设计方案平顺，冲坑最深点位于河道中部，远离建筑物。

图3 推荐方案校核洪水闸下游流态与冲刷

7 结论

通过乌鲁木齐河分洪工程枢纽水工模型试验研究，认为原设计泄洪坝段与挡水坝段之间采用直导墙不适合本工程，推荐的双圆弧导墙避免了闸前出现不稳定流态。导墙体型优化后，4 孔泄洪闸单孔宽度减小0.5 m后仍然满足设计泄洪要求。通过对下游消能多种体型比较研究，推荐采用钢筋笼防护段消能，可以消除水流对下游导墙与岸坡的冲刷。