库木巴克引水枢纽工程闸前冲淤演变试验研究

郭秀吉，陈 立，侯素珍，王 平

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州450003；2.武汉大学资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引 言

新疆平原区多沙河流，由于河流冲积层较厚且河床质偏细，河床抗能力较差，边界条件复杂多变，修建拦河枢纽后将对原河道冲淤特性带来巨大影响，水流对边界条件的改变也更加敏感，这些都对枢纽工程的设计以及调度提出较大考验。在新疆地区已建的400 多座引水渠首中，绝大多数分布在河流出山口的丘陵区，在平原区细沙河段修建的工程较少，因此对于新疆平原区细沙河流引水枢纽工程的典型案例研究也较少。

目前通过平衡断面河相关系法、动床数学模型及动床河工模型等三种方法［1］，以优化设计方案为目标，针对局部引水排沙措施和建筑物布置的研究已有很多，如俞健［2］、柯春光［3］等通过模型试验对新疆金沟河引水枢纽调度方案进行了优化，有效解决了引水防沙难题。张明义［4］等通过模型试验对叶尔羌河引水枢纽“一”字型拦河闸、闸堰结合及闸坝结合三种布置方案进行了优化比选。但针对工程建设前后闸前河床演变过程的研究较少。鉴于此，本文以新疆玉龙喀什河下游细沙河段拟建的库木巴克引水枢纽为例，采用动床河工模型着重分析闸前水面线、流速、流态及断面形态对建闸的响应过程。

1 试验河道

1.1 河道概况

玉龙喀什河（简称玉河）发源于昆仑山北坡，经高山区、中低山区、山口堆积平原、沙漠区，与喀拉喀什河汇合后称为和田河，之后，经塔克拉玛干沙漠汇入塔里木河，全长504 km。

试验河段位于玉河出山口后的堆积平原中部，河道两岸地势平坦，河床组成以沙质为主，结构松散，具有大水冲刷小水淤积的基本特征［5］。闸址断面河槽床沙中值粒径为0.25 mm，滩地床沙组成与河槽接近，滩地表面为落水期沉积的冲泻质，组成较细，中值粒径约为0.04 mm。

1.2 水文特征

试验河段水沙主要来自玉河上游干流，其中高山区是径流主要形成区，中低山区和前山丘陵区为主要产沙区。根据河段干流同古孜洛克水文站1957-2013年实测资料统计，其多年平均径流量为22.43 亿m3，多年平均悬移质输沙量1 038.8 万t，水沙年内分配不均，主要集中在夏季6-8月，根据场次洪水统计结果，洪峰流量大于1 000 m3/s 共9 次，最大洪峰流量为1 460 m3/s（1978年），多数为洪峰流量在600～900 m3/s 的中常洪水，由于水沙异源，造成洪峰与沙峰具有明显的异步特征。

2 模型设计与验证

2.1 模型设计

模型选定试验河段长约7 km，其中闸址上游约6 km，下游约1 km，模拟范围见图1。模拟河段平面形态为上宽下窄，主槽宽度变幅约150～1 200 m，河道水面比降约0.56‰，共布设31个大断面，平均间距200 m，其中CS1、CS4、CS5、CS6、CS10、CS15、CS20、CS26 为固定水位观测断面，CS2、CS5 为测流断面。为进一步观测闸前不同位置的流态、流速分布以及地形冲淤变化情况，在闸前70 m 与125 m 处分别布置加测断面CS1+1 和CS1+2，见图2。

图1 模型模拟河段断面布置Fig.1 The cross-section layout of simulated river

图2 闸前加测断面布置Fig.2 The layout of additional survey section in front of sluice

模型按照几何形态相似、水流运动相似、泥沙输移相似、河床变形相似等准则设计［6-8］，平面比尺为180，垂直比尺为25。由于原型中悬沙和床沙的粒径差异较大，因此考虑用不同的材料分别模拟悬沙与床沙［9-11］。模型悬沙选用郑州热电厂粉煤灰为原料，床沙采用天然沙，经分选配比后得到满足级配要求的模型沙［12-14］。

2.2 模型验证

由于试验河段缺乏水位、流速及河床冲淤等历史实测资料，因此采用2012年洪痕进行沿程水面线验证（见图3）。可以看出，试验流量为900 m3/s 时水面线与原型河道同级流量水面线吻合良好，其他水面线与900 m3/s水面坡度变化基本一致，在闸址上游约1.9 km（CS10）的位置受河道断面形态变化的影响均存在统一的转折点，水面比降上陡下缓。由此说明实体模型可以较好模拟试验河段水位变化，试验结果的冲淤变化与原型接近。

图3 不同流量级模型验证水位试验值与实测值对比Fig.3 The comparison of water level test values and measured values for different discharge levels

2.3 试验条件及方案

选择30年一遇的设计洪水过程和常遇洪水过程，洪峰流量分别为1 355 和800 m3/s，以现状河道和建闸后两种情况为地形边界条件，组合形成4 组方案（见表1）。以同古孜洛克水文站1978年实测洪水过程为基础，同倍比放大后得到模型进口水沙过程；出口水位，建闸前依据闸址处天然水位流量关系确定［15］，建闸后按照工程设计的枢纽调度运用原则控制。

表1 试验方案及工况Tab.1 The test schemes and working conditions

3 试验结果

3.1 建闸对河道演变的影响

3.1.1 冲淤量及沿程变化

四组方案试验河段全部表现为沿程冲刷，且上段（CS18～CS30）冲刷量显著大于下段（CS1～CS18）。建闸后，设计洪水条件下，闸址以上冲刷量为392.06 万m3；常遇洪水条件下，闸址以上冲刷量为235.68 万m3；较现状河道条件相应洪水冲刷量分别减少41.06和22.31 万m3。

图4 和图5 为试验前后平均河底高程的变化，与初始地形比较，洪水后河底高程有显著下降。设计洪水时，建闸前后河底高程平均下降值分别为1.53 和1.30 m，闸前河段建闸后下降值减小，约2 km（CS9断面）范围内平均减少0.42 m，2 km以上差异较小，至CS16断面以上两方案河底高程基本接近。对于常遇洪水，建闸前后河底高程平均下降值分别为0.99和0.84 m，闸前河段建闸后下降值也有所减小，约2 km 范围内平均减少0.21 m，在CS14 以上两方案河底平均高程比较接近。可见，建闸后受闸底板固定边界的影响，侵蚀基准面抬高，冲刷受到一定限制，闸前2 km 之内受工程影响较大，不同洪水时影响程度和范围存在差异。

图4 建闸前后设计洪水沿程平均河底高程Fig.4 The average river bottom elevation of design flood before and after sluice construction

图5 建闸前后常遇洪水沿程平均河底高程Fig.5 The average river bottom elevation of frequent flood before and after sluice construction

3.1.2 闸前断面形态调整

建闸后，闸前河床形态的变化不仅受来流条件和初始地形的影响，还受闸前工程布置、控制水位和闸门启闭等因素的影响。由图6可以看出：

图6 工程建设前后闸前断面形态变化Fig.6 The change of cross-section shape in front of sluice before and after construction

（1）建闸后闸前河段断面形态变化较大。自然条件下闸前断面冲刷为深“V”型河槽，建闸后边界条件发生变化，拦河闸形成了坚固的侵蚀基准面，向上游延伸的导流墙不仅起到分割水流的作用，对水流的挤压产生一定绕流，在导流墙上端和两侧形成冲刷坑（见图2）。两岸的引水和冲沙闸泄流增大了导流墙两侧岸边的流速，加强了相应部位的冲刷。当来水流量小于800 m3/s 时控制水位1 296.6 m 运用，保证引水的前提下以冲沙为主，从试验结果看，常遇洪水冲刷后河槽呈“W”型，即两侧的引水和冲沙闸前区域河床冲刷程度较大。当来水超过800 m3/s时，泄洪闸全部开启，泄流相对均匀，从设计洪水试验结果看，冲刷后闸前河床形态相对平整，河底高程起伏变化较小，河槽呈深“U”型。

（2）建闸后不同调度方式闸前最低点位置分布存在差异。对于设计洪水，CS1+1 和CS1+2 断面河床最低点位于泄洪闸前方，较泄洪闸底板高程1 295.0 m 偏低1.11 m 和0.99 m。对于常遇洪水，受导流墙绕流局部冲刷影响，CS1+1和CS1+2断面河床最低点位于导流墙附近冲刷坑内，高程分别为1 293.59 和1 293.86 m，较冲沙闸底板高程1 294.5 m偏低0.91和0.64 m。

（3）建闸后闸前断面不同部位冲刷强度差异较大。建闸前后洪水期导流堤范围内河床均表现为冲刷，但不同洪水时泄洪闸和冲沙闸运行方式不同，对河床不同部位的冲刷影响程度也不同（见表2）。与自然条件相比，建闸后中间的泄洪闸前河道冲刷减少，两侧的冲沙闸和引水闸前河床冲刷强度增加。

表2 建闸前后CS1+1与CS1+2断面不同区段平均河底高程统计Tab.2 The statistics of average river bottom elevation in different regions of CS1+1 and CS1+2 sections before and after sluice construction

3.2 洪水位变化和壅水范围

由图7 和图8 可以看出，由于建闸产生壅水，沿程水位出现不同程度的抬升。设计洪水时，与现状河道相比闸前水位抬升幅度最大为0.47 m，闸前壅水影响范围在CS15～CS20 断面之间。常遇洪水时，闸前最大壅水高度为0.30 m，其壅水影响范围在CS10～CS15之间。

图7 建闸前后设计洪水沿程水面线Fig.7 The water surface profile of design flood before and after sluice construction

图8 建闸前后常遇洪水沿程水面线Fig.8 The water surface profile of of frequent flood before and after sluice construction

综合水位变化与闸前冲刷调整范围，可以确定设计洪水时壅水影响范围大致在CS18 断面（闸址上游约3 660 m）；常遇洪水时壅水影响范围大致在CS14断面（闸址上游约2 820 m）。

3.3 闸前流态与流速分布

3.3.1 闸前流态

建闸后，闸址断面由原来的冲淤变幅巨大的床面，转变为闸底板固定界面，河床在闸址位置的冲刷受到限制，再加上壅水的影响，河道在自然情况下主流基本居中的流态发生变化。当流量小于800 m3/s时，控制闸前水位1 296.6 m，除满足灌溉引水外优先使用冲沙闸，泄洪闸部分开启，泄洪闸上游水流平稳，两侧水流流速较大，在导流墙上游迎水面产生绕流，导流墙两侧形成明显的蜗旋。当流量大于800 m3/s时，泄洪闸全部开启，随着来流量的继续增大，闸墩阻水导致闸前水位抬高，当闸前水位抬升至高于正常运用水位1 296.6 m 时，导流墙淹没，闸前水流较小流量时趋于平缓。

3.3.2 流速分布

由图9 和图10 可知，建闸后，受壅水的影响，闸前水位抬高，水面展宽，流速减小。由于试验河段两岸属第四纪巨厚松散堆积物，稳定性较差，受长时间洪水漫滩浸泡和侵蚀作用，CS2断面右岸及CS5断面左岸均出现不同程度的塌岸。

图9 建闸前后设计洪水CS2、CS5断面流速及水深分布Fig.9 The velocity and depth distribution of CS2 and CS5 section of design flood before and after sluice construction

4 结 论

本文利用动床模型试验研究了库木巴克引水枢纽建设前后闸前河床形态调整规律，分析了闸前水位、流态、断面形态与枢纽运用的响应关系，得出以下主要结论。

（1）工程的建设并没有改变试验河段大水冲刷小水淤积的基本特性，洪水期试验河段主要表现为洪峰量级越大冲刷强度越大，上游宽浅河段冲刷强度始终大于下游窄深河段的规律，工程的建设只能减弱上游约2 km范围内窄深河段的冲刷强度，2 km以上的宽浅河段基本不受工程影响。

（2）工程的建设以及调度方式会造成闸前断面形态、最低点位置分布产生较大差异，闸前断面形态主要表现为天然情况下，由浅“U”转变为深“V”型（常遇及设计洪水后），而建闸后则由浅“U”型向“W”型（常遇洪水后）再向深“U”型（设计洪水后）过渡的规律；建闸后，当流量小于800 m3/s 时，闸前断面最低点位于导流墙绕流冲刷坑内，当流量大于800 m3/s时，最低点位于泄洪闸前。

（3）工程建设后，受壅水及枢纽抬高水位的影响，洪水漫滩机率增加，闸前河段河岸的抗冲性降低，发生洪水时塌岸后退的可能性增大。 □