金沟河引水枢纽工程整体水工模型造床平衡试验研究

马 军 冉建西 范勇锋

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆流域内大部分河流具有洪水过程集中、泥沙含量大等突出特点，1949—2000年，新疆大量引进苏联工程建设经验，“费尔干”式引水枢纽在全疆广泛应用，无论推移质为主的北疆河道，还是悬移质多见的南疆，都建设了大量“费尔干”式引水枢纽，如乌鲁木齐市三屯河西干渠渠首、呼图壁河呼图壁渠首、叶尔羌河喀群枢纽、巴音河渠首等。原金沟河引水枢纽也采用了此种模式。“费尔干”式引水枢纽的引进对处理新疆多泥沙河流的引水具有积极意义，但一种引水形式不可能解决所有河道的全部问题，每种引水枢纽要取得好的效果，都有其特定的前置条件。“费尔干”枢纽首先应有天然或人工修建的有一定曲率的河流弯道，以便形成横向环流，且河道主要为下切河道，坡陡流急，有排沙条件处，长期有一定冲沙流量。

金沟河主要以冰川积雪的消融补给为主，历年最大洪峰流量多发生在7—8月，其余时段河道流量较小，原金沟河引水枢纽受到两岸山体影响，上游弯道半径较大，河道较宽，且在极高引水比情况下，原渠首泥沙淤积非常严重，本次新建引水枢纽根据洪水、引水比特性以及现场地形条件，最终选择直线型引水渠首，抬高进水闸底板高程，进水闸前设置冲沙廊道，小流量引水和中流量冲沙，保证进水闸的门前清，大流量将上游淤积泥沙全部冲至下游的设计方案，围绕新布置方案进行本次水工模型试验，验证工程实际效果，并提出优化思路。

1 工程概况

金沟河引水枢纽工程位于沙湾县城西南方向金沟河中游河段出山口处，属Ⅲ等中型工程。设计洪水标准P=5%(Q=363.4m3/s)，校核洪水标准P=2%(Q=559.0m3/s)。

工程在原址新建，新建方案采用正面泄洪冲沙、侧面引水的布置形式，工程由进水闸、冲沙闸、泄洪闸、沉沙冲沙槽、自溃坝及上下游导流堤等建筑物组成。

进水闸布置在左岸台地，设三孔，单孔净宽3.5m，闸底板高程812.75m，与冲沙闸轴线夹角为30°，右侧与冲沙闸相接。冲沙闸布置在河床的左侧，冲沙闸设两孔，单孔3.5m，闸底板高程为810.05m，冲沙闸前设有长70m、宽8.6m的冲沙沉沙槽，沉沙槽上游始端右侧布置有三孔泄洪闸，单孔净宽6.5m，闸底板高程为810.55m，泄洪闸右侧与上游导流堤相连，泄洪闸右侧导洪堤上游60m处设置自溃坝，坝长60m。工程具体平面布置见图1，对此布置进行造床平衡试验，以此进一步验证设计的合理性。

图1 工程平面布置图

2 模型方案

2.1 模型比尺

根据模型试验的前提条件和设计目标，本试验使用正态模型，按弗劳德相似准则设计，模型比尺1∶40，模型全貌见图2，水闸编号从左至右依次进行。

图2 模型全貌

2.2 造床流量、含沙量、推悬比的选取

经对工程水文、洪水以及泥沙资料的分析研究，本水工模型试验所需要的造床流量选用90%频率的洪水流量，即Q造床=66.4m3/s；多年平均悬移质含沙量为6.31kg/m3；推悬比采用设计值15%。

3 水工模型试验成果分析

3.1 造床平衡试验研究成果

新建的引水枢纽将泄洪闸闸底板高程相对原河床加高1.0m，改变了河道的天然纵坡和水流挟沙能力，新的输沙不平衡将引起河床的变形。为分析工程运行若干年后新的造床平衡形态，以及河床达到平衡后枢纽的运行情况，进行造床平衡试验。

模型沙模拟原始地形，施放66.4m3/s造床流量的同时按62.85kg/s的推移质输沙率加模型沙，并根据清水试验得出的闸门运行方式控制冲沙闸闸门，保持进水闸引45m3/s的流量，若上游冲沙槽内的泥沙淤积到与进水闸前挡沙坎同高时，打开冲沙闸间歇冲沙，当泥沙低于坎高一半时调节冲沙闸开启高度，保持进水闸引45m3/s的流量，如此重复试验，直至达到造床平衡。经过近4个月的造床试验，枢纽基本达到了造床平衡。

3.2 造床平衡后常遇洪水过程线试验研究成果

为了解新建枢纽造床平衡后河道遇常遇洪水时渠首的运行情况，根据2013年7月19—26日的常遇洪水资料，进行了常遇洪水过程的模拟试验。常遇洪水过程线见图3。

图3 常遇洪水过程线

常遇洪水过程试验中考虑模型对洪水完全拟合的难度，以及试验目的是为工程设计和运管中闸门启闭的可操作性提供服务，将相关流量数据进行整合，将其分为8个典型段，如A段典型流量为56m3/s，时长8h，各段流量及时长对应关系见表1。

表1 常遇洪水典型流量与时间对应关系

常遇洪水过程试验情况如下：

a.A段(Q=56m3/s，8h)试验条件下的模拟数据。泄洪及冲沙闸除1号冲沙闸门打开0.4m外，其余闸门全部关闭，泄流11m3/s，进水闸门完全打开，确保进水的闸门引水流量为45m3/s。进水闸门的前水位815.19m。模型上游的河道主流向方位偏向于左侧岸，泄洪闸门的前69m范围里少许壅水，故闸门前泥沙处于几乎没有移动的状态，泄洪闸前水位为815.27m，闸前泥沙基本不动，模型上游段的冲沙槽范围内的水流较为平缓，携带泥沙较少，试验中进水闸无泥沙进入。

b.B段(Q=42m3/s，12h)试验条件下的模拟数据。进水闸全开，其余闸门全关，全部用以引水。模型的上游河道主流方向依然是偏向左侧岸，泥沙的流动较为缓慢，闸口前的水流较平缓稳定，试验的进水闸口没有泥沙进入。

c.C段(Q=78m3/s，8h)试验条件下的模拟数据。进水闸全开引进45m3/s，1号泄洪闸和1号冲沙闸分别开启0.16m、0.96m，其余全关，泄流25m3/s。上游主流河道偏左侧岸，冲沙槽中进入部分泥沙，经过76min泥沙已冲运到进水闸挡沙坎前，淤积高度与进水闸底板高度一致，部分泥沙跃至挡沙坎之上，为阻止泥沙进一步被冲运到进水闸，打开冲沙闸，进行间歇性冲沙，大量泥沙被携带至闸后，经过48min便将1号冲沙闸门前约1/3区域内的泥沙冲带走，因间歇性冲沙时上游水位很低，故冲沙槽内泥沙持续带入，经60min后，冲沙槽中泥沙已不超过进水闸前挡沙坎的高度，再调整冲沙闸门开度，确保进水闸引水45m3/s，上游水流平稳，进水闸无泥沙进入。

d.D段(Q=50m3/s，8h)试验条件下的模拟数据。泄洪闸全关、冲沙闸1号开启0.2m、2号完全关闭，泄流5m3/s，进水闸全开，确保进水闸引水流量为45m3/s。泄洪闸前100m范围内略有壅水，闸前泥沙不动，进水闸无泥沙进入。

e.E段(Q=36m3/s，8h)试验条件下的模拟数据。泄洪以及冲沙闸门全部完全关闭，进水闸门完全打开，引水36m3/s。河道上下游同A段试验情况。

f.F段(Q=91m3/s，6h)试验条件下的模拟数据。大量泥沙进入冲沙槽，很快到达进水闸挡沙坎前，打开冲沙闸间歇冲沙，经60min后，挡沙坎前泥沙低于挡沙坎的高度。2号、3号完全关闭，1号泄洪闸开启0.28m，泄洪21m3/s；1号冲沙闸开启0.96m、2号全关，泄流25m3/s，进水闸全开，引水45m3/s。试验发现依然有泥沙冲运到了冲沙槽，进水闸不进沙，泄洪闸前水位815.47m。

g.G段(Q=70m3/s，5h)试验条件下的模拟数据。由于之前的洪水已把泥沙带入进水闸挡沙坎前，因此打开冲沙闸间歇冲沙，经60min后，挡沙坎前泥沙低于挡沙坎的高度。泄洪及冲沙闸仅1号冲沙闸开启0.96m，泄流25m3/s，进水闸引水45m3/s。部分泥沙冲运到了冲沙槽，历时144min，泥沙又再度被冲运到进水闸挡沙坎前，打开冲沙闸间歇性冲沙，进水闸不进沙，历时60min，泥沙低于挡沙坎高度。调节闸门进水闸引水45m3/s。泄洪闸前水位815.35m。

h.H段(Q=50m3/s，9h)试验条件下的模拟数据。进水闸引水45m3/s。1号冲沙闸开启0.2m，其余泄洪冲沙闸全关，泄流5m3/s。上游河道由原左岸摆向中间，闸前又偏向左岸。上游水流平稳，进水闸不进沙。

常遇洪水过程中各控制点水位见表2。

表2 常遇洪水各控制点水位 单位：m

注试验中根据A段反馈情况，对控制点水位进行了适当调整，本表中选取B～H段完整数据进行统计分析。

从试验情况看，当上游来水小于造床流量66.4m3/s时，上游河道流速小，泄洪闸前水位略有壅高，带入上游冲沙槽的泥沙少，当上游来水大于造床流量时，河道挟沙能力逐渐增大，特别是当流量大于70m3/s时，泄洪闸局开，闸前流速增大，泄洪闸由于局开，排沙很少，大量泥沙带入冲沙槽，当泥沙到达进水闸挡沙坎前，且淤积高度与挡沙坎同高时需打开冲沙闸，间歇冲沙。整个洪水过程模拟64h，上游共加沙1945t，排沙量820.67t，排沙率42%，大部分泥沙淤积在上游河道，进水闸不进沙。

3.3 造床平衡后典型流量试验研究成果

通过对常遇洪水过程线选取典型段，对各控制点水位及泥沙淤积情况进行了完整研究，获得了所需研究成果数据，对工程布置及闸门启闭提供了具体数据支撑。试验后续继续分析造床平衡后，对设计洪水标准P=5%和校核洪水标准P=2%对应Q=363.4m3/s、Q=559.0m3/s，以及校核洪水标准下冲沙槽有无侧堰情况分别进行试验研究，获取控制点水位及泄洪槽下游冲刷形态数据结果。

a.Q=363.5m3/s(设计洪水洪峰流量)典型研究。施放Q=363.5m3/s设计流量，分两种工况：工况1为自然分水，工况2为冲沙闸控制运行。

工况1：泄洪闸、冲沙闸及进水闸全开，自然分水，Q进=13.92m3/s，Q冲=115.53m3/s，Q泄=234.05m3/s。上游河道水流平顺，主流偏左，流速较快，泄洪闸前明显产生横向比降，冲沙槽中不进沙，但冲沙槽内水面波动较大，大量泥沙从泄洪闸排往下游，排沙顺畅。进水闸关闭，泄洪闸和冲沙闸全开，Q冲=117.83m3/s，Q泄=245.67m3/s。上游冲沙槽内水深明显高于自然分水时水深，水面波动较大，水位814.67～815.73m。

工况2：进水闸全关，调节冲沙闸开度，1号开启1.84m，2号开启1.68m，保证冲沙槽过流70m3/s，泄洪闸全开，泄流293.5m3/s。由于冲沙闸限制运行，所以上游冲沙槽内水位明显壅高，最高水位位于冲沙闸前，泄洪闸前水位也相应壅高，冲沙槽入口水位815.63m，原因主要是平衡后的上游地形比原始地形坡降大，流速快。上游水流偏向左岸，冲沙槽和1号泄洪闸不进沙，大量泥沙从2号、3号泄洪闸排往下游，排沙顺畅。下游河床主流偏左，右岸齿墙后有回流，齿墙后最大冲深高程802.342m，冲刷地形见图4。

整个典型洪水流量模拟3h10min，加沙量619.3t，排沙量486.74t，排沙率78.6%，泄洪闸排沙效果非常好，冲沙槽不进沙。

b.Q=559m3/s(校核洪水洪峰流量)+冲沙槽无侧堰的典型研究。施放Q=559m3/s校核流量，分两种工况：工况1为自然分水，工况2为冲沙闸控制运行。

工况1：泄洪闸、冲沙闸及进水闸全开，自然分水，Q进=26.98m3/s，Q冲=131.15m3/s，Q泄=400.87m3/s。水流流态及排沙效果与363.5m3/s时基本一致。

工况2：进水闸全关，调节冲沙闸开度，1号开启2.24m，2号开启2.08m，限制冲沙槽过流90m3/s，泄洪闸全开，泄流469m3/s。水流流态及排沙效果与363.5m3/s时基本一致，齿墙后最大冲深高程798.462m，冲刷地形见图5。

图5 Q=559m3/s典型流量历时3h10min后泄洪槽下游冲刷形态

整个典型洪水流量模拟3h10min，加沙量952.4t，排沙量1113.12t，排沙率116.9%，泄洪闸排沙效果非常好，冲沙槽、进水闸不进沙。

c.Q=559m3/s(校核洪水洪峰流量)+冲沙槽设侧堰的典型研究。鉴于造床平衡后试验实测校核洪水位较高，因此，将冲沙闸前10～41.5m范围左侧冲沙槽边墙改为侧堰，侧堰底高程与设计洪水位同为815.224m，以增大下泄流量，降低上游水位，并且方便管理。

重复工况2试验：进水闸全关，调节冲沙闸开度，1号开启2.24m，2号开启2.08m，保证冲沙槽过流90m3/s，泄洪闸全开，侧堰和泄洪闸共同泄流469m3/s。由于侧堰增加了冲沙槽的泄流量，减少了泄洪闸的泄洪压力，因此泄洪闸前及上游冲沙槽内水位明显降低，水位差0.48m。由于侧堰加大了上游冲沙槽的行近流速，因此冲沙闸2号闸前水位最高。上游水流偏向左岸，冲沙槽和泄洪闸1号闸不进沙，大量泥沙从2号、3号泄洪闸排往下游，排沙顺畅。泄洪闸后泄水槽上游直线段水流均匀，弯道以下水流稍偏左岸，左右岸水面差0.12～1.80m。

4 结论和建议

新建金沟河引水枢纽采用直线式沉沙槽布置方案，通过水工模型造床平衡试验研究证明工程总体布置基本合理，达到了小流量减少泥沙进入引水渠，提高引水比；中流量束水冲沙，保证引水闸门前清；大流量宣泄上游淤积泥沙，保持引水枢纽长期有效运行的目标。为多泥沙、大洪量、短历时的河流排沙引水提供了新的解决思路。通过本次模型试验，对直线式沉沙槽布置方案提出如下结论和建议：

a.经过造床平衡后洪水过程线及典型洪水流量试验验证，正确使用闸门运行方式，可保证进水闸不进沙。

b.下游冲沙槽矩形段排沙顺畅，几乎没有泥沙积滞堆积现象，表明设计的纵坡尺寸合理，但闸后渐变段存在泥沙淤积，需依靠闸门部分开启排出闸门后方积堵的泥沙。

c.泄洪槽后齿墙抛填铅丝笼，防冲效果明显好于抛石，但应加大、加深防护范围。

d.枢纽遇设计及校核洪水时，由于上游河道坡度大，流速增大，主流偏向左侧岸，造成冲沙槽水位壅高进一步加剧，建议加高闸墩及上游冲沙槽高度。