张玉仁

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

在天然河流建设引水工程，用以供水、通航、灌溉或发电是水资源开发的重要途径。然而会在一定程度改变河势中泥沙和水流的运动规律，导致下游河床抬升淤垫，进而影响水工枢纽的引水防沙功能[1- 2]。因此，不同水沙条件下如何正确设计水工建筑物尺寸，合理地布置引水枢纽方案，成为枢纽发挥渠首功能的关键。国内学者针对天然河道中引水枢纽消能防冲及冲淤演变状况做了大量研究，刘攀[3]对新疆某长距离引水隧洞工程设计方案进行了水工模型试验，并给出了闸门的合理运行方式；倪硕[4]通过模型试验研究了不同冲沙槽深度对引水工程水流流态的影响，并提出了优化方案。基于此，本文对甘肃某引水工程的布置方案进行了优化，以期为实际水利枢纽的施工设计提供借鉴。

1 工程概况

供水工程位于甘肃省平川区、靖远县与海源县接壤，西北紧邻腾格里沙漠，中间平坦广阔的盆地。海拔高程1360～2280m，相对高差一般小于500m。本工程骨干工程包括：调蓄水池、供水管线、总干渠、支渠工程，其中总干渠1条，长28.684km；干渠3条，长108.426km；分干渠4条，长43.318km；支干渠1条长5.4km；支渠29条总长126.343km；调蓄水池3座。主要建筑物包括泵站、明渠、暗渠、隧洞、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡、水闸、管道、车桥、涵洞、排洪渡槽等各类渠系建筑物。本工程拟发展灌溉面积30万亩，全部采用高效节水灌溉，其中管灌配套7.05万亩、大田微灌配套21.75万亩、温室微灌配套1.20万亩。发展面积中现状已平整配套的面积7.34万亩，含微灌配套2.18万亩、管灌配套2.69万亩、渠灌配套2.08万亩，未配套渠系种植0.38万亩。故本次需新配套高效节灌面积25.13万亩，其中管灌配套4.36万亩、大田微灌配套19.57万亩、温室微灌配套1.20万亩。

区内地表水系主要以黄河水为主，其径流量大，水质好，从河流两侧汇入黄河的其它地表水体，水量与黄河水相比极小，对河水水质影响不大。黄河上游洪水主要由暴雨形成，6—10月均有年最大流量出现，但以7—9月出现的次数最多，其它月份虽仍有暴雨出现，但量级不大或次数不多。每年9月份龙羊峡、刘家峡水库开始蓄水，至10月份库水位接近正常蓄水位，若出现洪水过程，常常只能全部下泄，因此10月份单独划分为汛末过渡期。一般情况下11—次年6月水库除机组发电流量外，基本无弃水，因此，将11—次年6月划为非汛期。

2 试验方案

2.1 模型设计

原方案枢纽整治段水流流态混乱，左岸水流被导向右岸和中轴线，局部壅高形成回流区。 当河道来水量小于设计洪水流量时，闸前淤积高程增加，不满足防沙排沙要求[5- 6]。河道发生校核洪水时顶部高程不满足设计泄洪要求。泄洪冲沙槽底板高程较高，下游水位相对较低，枢纽布置形式冲沙极为不利。为此，将引水闸进口喇叭口修改为45°；引水闸闸底板高程提高至1159.50m，且增设1m高的挡砂坎；引水渠闸后渐变段修改为15.0m；将泄洪冲砂闸门修改至与原闸墩顶等高。在综合考虑模拟范围、试验条件等因素的基础上，结合SL 155—2012《水工模型试验规程》，采用正态模型模拟河道原型，相应的模型比尺见表1。

2.2试验测量方法

流量观测：模型流量供给通过量水堰进行控制，流量观测采用恒定流试验法。具体布置为：分别安装矩形量水堰于枢纽上下游出口，用于测量河道来流量和下游出流量；在左岸和右岸进水闸后均安装三角形量水堰来测量分流量的大小。水位观测采用钢尺、方格网、水准仪、水位测针等，精度为0.1mm，基于试验BM点高程计算冲淤高程和河道水位。流速、水面线观测方法如下：①在研究区域设置了11个断面，每个相邻断面的距离为20m。②每个断面布置左、中、右测点来量测其水位，其中边界测点间距8m。③通过智能流速仪对河道流速进行测量，不同河道来流量条件下，分别在断面左、中和右岸布置垂线，测点位于断面平均水深的2/3处进行测量。根据试验需要，典型流量工况及历时见表2。

表1 模型比尺

表2 工况及历时

3 结果与分析

3.1流态及水面线

不同流量条件下冲沙槽水边线变化趋势，如图1所示。可以看出，冲沙槽边墙水位差值较小，槽内菱形波数量明显减小，主要是因为引水闸口角度减小使得偏转角发生改变，加之流速略有降低使得槽内菱形波消失水流扰动降低，回流区面积及流速有所减小。增加挡沙坎、减小引水闸进口角度后，闸前水流平顺，河道水流流态有了较大改善；闸后坡度变陡且加长渐变段，使得泥沙通过速度明显加快。由于断面突缩导致闸前水位有所升高，但水流入槽未出现较大波动。在设计洪水和校核洪水条件下闸前水位基本一致，而泄洪冲沙槽内菱形水面减少，水面平稳且左右岸水面高程几乎相同。

3.2流速分布分析

修改方案后，各流量下特征断面水深变化与流速分布基本一致。修改方案将引水闸进口喇叭口角度由67°减小为45°，闸底板高程提高至1159.50m且增设1m挡沙坎，虽然增大了过流难度，但能够阻止泥沙进入。泄洪冲沙闸使得河段流速急剧减小，减幅高达37%左右，来流量较小时闸前流速降低了20%，槽内流速无明显变化，流速左右对称且分布均匀，更有利于排沙。来流量比较大时，泄洪冲沙闸对水流速度影响较小，水位与流速变化相互对应。校核流量下流速略小于原方案，槽内出口左岸流速略小于右岸流速，中间流速大于边缘流速，表明水流呈对称分布。

3.3冲淤地形变化分析

引水渠挟沙量及闸前淤积对比见表3。可以看出，修改方案引水渠内进沙量大大减少，其中来流量小于43.13m3/s时进沙量为0，河道来流量为193.92m3/s时进沙量减少了约78%。来流量为29.9、43.13m3/s时，引水进口平台与闸前平台未发现淤积。河道来流量为116.15m3/s时，挡沙坎边缘已有砂石靠近，引水闸到泥沙的距离为1.80 m，闸前平台产生悬移质沉淀，未发现泥沙流经闸室。河道来流量为193.92m3/s时，闸前铺盖淤积未进入至闸室。河道来流量为设计流量284.82m3/s时关闭引水闸，大部分泥沙被带至冲砂槽，平台仅有少量细砂。主要是底板高程抬高和喇叭口角度减小。河道来流量为校核洪水414.10m3/s时，洪水已把闸前部分淤积物带走，挡砂坎前缘最大淤积低于挡砂坎顶高程0.35m，由于挡沙坎的存在使得泥沙难以进入引水闸。按引水比例分析，洪水期对上游排沙有利，上游河道不易淤积，拉沙效果比较理想。

表3 引水渠挟沙量及闸前淤积高程对比

设计和校核洪水时冲击地形中大颗粒十分明显，表明泥沙向下游输移增多。下游河道冲坑深度见表4。发生设计洪水时，冲坑深度为5.29m，冲坑深度为1146.65m；发生校核洪水时，冲坑深度为1144.45m，而冲沙槽下游齿墙深度为7.21m，显然需增加齿墙深度。此外，进水闸闸后最大流速为4.57m/s闸后消能防冲满足要求。

表4 修改方案下游冲坑深度

4 结语

对甘肃某引水工程引水闸进行了不同水沙工况下的模型试验，并得到以下结论：①枢纽水流流态得到改善，回流流速和回流区面积减小，水流流态更加平稳。虽然在闸前水位升高，但水流入槽平稳，流速分布均匀，左右对称，流速更平顺，更有助于排沙。②泄洪冲沙闸与引水闸轴线夹角调整至45°，引水闸底板高于冲沙闸底板2.5m，形成斜向引水、正面排沙，能够满足泄流要求，结构布置较为合理。③增加挡沙坎后，引水渠进沙量减少了90%。