南津渡水庫閘壩下游河床沖刷問題的試驗(yàn)研究

劉曉平，侯 斌，潘宣何，方森松，吳國君

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410076）

南津渡水庫閘壩下游河床沖刷問題的試驗(yàn)研究

劉曉平，侯 斌，潘宣何，方森松，吳國君

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410076）

通過物理模型試驗(yàn)，利用NDV對(duì)泄水閘下泄水流右側(cè)區(qū)域的三維流速進(jìn)行測量，重點(diǎn)分析尾坎下游主泄流區(qū)和回流區(qū)的的水流特性，研究水流對(duì)河床的影響，分析南津渡水庫閘壩下游河床沖刷破壞的原因。試驗(yàn)研究表明，造成南津渡水庫下游回流區(qū)河床沖刷的主要原因是流速的分布特點(diǎn)，而造成主泄流區(qū)河床沖刷的主要原因是下泄水流所攜帶的紊動(dòng)能。

河床沖刷；泄水閘；模型試驗(yàn)；水流特性

1 問題的提出

南津渡水庫位于永州零陵區(qū)，水庫主要由攔河大壩、引水式電站，以及1，2，3號(hào)副壩和升船機(jī)等建筑物所組成，本工程于1991年11月投產(chǎn)。由于水庫已運(yùn)行多年，閘壩下游河床遭受了嚴(yán)重的沖刷，如圖1所示，下游河床不僅在主泄流區(qū)出現(xiàn)較大沖刷，還在回流區(qū)產(chǎn)生了深度更大的沖刷坑。

目前，很多水利樞紐中已經(jīng)出現(xiàn)閘壩下游河床沖刷問題，據(jù)作者已收集的資料：馬跡塘水利樞紐和青山副壩等低水頭水利樞紐，閘壩下游河床都出現(xiàn)較大的沖刷坑，對(duì)消能設(shè)施造成了不同程度的破壞。而目前對(duì)回流區(qū)河床沖刷的原因分析較少，本試驗(yàn)研究分別從水流三維特性、近壁區(qū)水流流速及紊動(dòng)能3個(gè)方面，對(duì)尾坎下游主泄流區(qū)和回流區(qū)的河床影響進(jìn)行研究，分析南津渡水庫閘壩下游河床沖刷的原因。

圖1 南津渡水庫沖刷坑地形高程示意圖（單位：m）Fig.1 Sketch of the scour terrain elevation in Nanjindu Reservoir（unit in m）

2 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，為正態(tài)整體模型，幾何比尺為50，根據(jù)南津渡水庫工程實(shí)際情況縮制而成。模型布有7孔泄水閘，以及梯型墩和T型墩等下游消能設(shè)施。本試驗(yàn)首先進(jìn)行動(dòng)床模型試驗(yàn)，按照河床質(zhì)的抗沖流速，通過相似準(zhǔn)則，換算的模型粒徑為0.6～2.5 mm。為反映下泄水流的三維水流特征，試驗(yàn)選取僅開啟4號(hào)閘孔的工況。

在動(dòng)床模型試驗(yàn)的下游河床沖刷發(fā)展過程中，沖刷歷時(shí)15 min時(shí)河床變形較為明顯，歷時(shí)180 min時(shí)河床變形基本穩(wěn)定。為分析下泄水流的三維水流特征變化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，將動(dòng)床模型試驗(yàn)過程分解為t＝0 min（初始時(shí)刻），t＝15 min，t＝180 min 3個(gè)不同時(shí)刻，分別進(jìn)行定床模型試驗(yàn)。本試驗(yàn)對(duì)尾坎下游右側(cè)800 mm×800 mm的流場區(qū)域進(jìn)行三維流速、地形和水面線測量，測點(diǎn)布置如圖2。

圖2 模型尺寸及測點(diǎn)布置圖Fig.2 M odel size and measuring points arrangement

3 數(shù)據(jù)處理方法

本試驗(yàn)利用聲學(xué)多普勒流速儀（NDV）對(duì)下游測點(diǎn)區(qū)域的三維流場進(jìn)行測量，得出平均流速與脈動(dòng)流速，然后計(jì)算紊動(dòng)強(qiáng)度和紊動(dòng)能。由N-S方程出發(fā)推導(dǎo)Reynolds時(shí)，首先定義時(shí)間平均流速為［1，2］

在非恒定流中，T相對(duì)于宏觀物理量的變化周期仍取為有限時(shí)段，從而使宏觀物理量時(shí)均值仍隨時(shí)間變化。再將瞬時(shí)流速Ut分解為時(shí)均流速ˉU和脈動(dòng)流速u之和［3，4］

紊動(dòng)水流采用脈動(dòng)流速的均方根作為紊動(dòng)強(qiáng)度［5，6］，即：

縱向紊動(dòng)強(qiáng)度

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在僅開啟4號(hào)閘孔試驗(yàn)工況下，圖2所示測試區(qū)域，y＝1～13區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)，y＝14～17區(qū)域?yàn)橹餍沽鲄^(qū)。

4.1 回流區(qū)成果分析

4.1.1 三維水流流速流態(tài)

閘壩下泄水流運(yùn)動(dòng)具有明顯三維特性，為研究分析水流特性對(duì)閘壩下游河床沖刷的影響，試驗(yàn)對(duì)回流區(qū)布置測點(diǎn)的三維流速進(jìn)行較為系統(tǒng)的測量。

t＝0 min時(shí)刻回流區(qū)流速以縱向?yàn)橹?，在河床底面靠近邊壁處，部分水流回流到消力池?nèi)。隨著時(shí)間的增加，回流區(qū)尾坎后部泥沙逐漸被回流水流沖刷帶走，致使河床高程逐漸降低，在尾坎后部，中上部的水流流向下游，而底部的水流流向上游，形成了橫軸漩渦的水流，對(duì)尾坎造成了明顯的淘刷；同時(shí)下游水流有明顯的立軸漩渦水流產(chǎn)生，如圖3（b）黑線部位。隨著沖深增大，水深增加，水流相互剪切作用逐漸減弱，回流范圍及強(qiáng)度逐漸增大，如圖3（c）所示。由于漩渦水流對(duì)尾坎形成反復(fù)的淘刷，造成尾坎后部的沖刷坑深度逐漸增大，導(dǎo)致消力池底部被淘空［8，9］。

分析三維水流流態(tài)可知，當(dāng)沖刷發(fā)展到一定階段，受主泄流區(qū)高速水流影響，在回流區(qū)產(chǎn)生立軸渦流。泥沙在立軸漩渦水流的作用下，變得更加容易起動(dòng)，并摻混在水體當(dāng)中被帶向下游。

4.1.2 回流區(qū)河床近壁區(qū)分析

下游河床近壁區(qū)流速分布圖見圖4，流速測點(diǎn)距河床的位置為1 cm左右。

圖3 下泄水流三維流速圖Fig.3 3D velocity field of discharge flow of the dam

圖4 下游河床近壁平面流速圖Fig.4 Velocity field of near-wall of downstream riverbed

t＝0 min時(shí)刻，河床表面為一平面，河床面對(duì)水流的干擾較小，回流區(qū)流速較小，尤其邊壁和靠近主泄流區(qū)流速較大，邊壁流速流向上游，隨著沖刷坑的形成，沖刷坑內(nèi)水流回流逐漸得到發(fā)展，如圖4（b）所示，在尾坎后形成了小范圍的立軸漩渦。隨著沖刷坑深度和范圍逐漸增加，水深增大，近壁面的回流流態(tài)逐漸穩(wěn)定，當(dāng)沖刷坑深度和范圍達(dá)到一定程度后，水流流態(tài)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，在近壁面形成了較為明顯的回流，如圖4（c）所示。

4.1.3 t＝15 min時(shí)刻x＝4號(hào)斷面三維流速分析

在沖刷發(fā)展15 min時(shí)，回流區(qū)x＝4號(hào)斷面地形變化發(fā)展較快，泥沙起動(dòng)明顯。在圖4（b）中也可以看出水流流速變化較大，故對(duì)t＝15 min時(shí)刻x＝4號(hào)斷面三維流速進(jìn)行分析，縱向流速以從上游流向下游為正，橫向流速以向左為正，垂向以向上為正。

（1）縱向流速分析：縱向流速分布如圖5（a）所示，在y＝7～8中出現(xiàn)縱向流速為零值的點(diǎn)，隨后縱向流速向正負(fù)兩極發(fā)展，縱向流速分布呈現(xiàn)出∽形狀，在靠近河床面流速變化尤為明顯，試驗(yàn)中在x＝4號(hào)斷面河床斷面縱向流速正向最大達(dá)到0.175 m／s，負(fù)向最大達(dá)到-0.236 m／s，在y＝7與y＝8之間流速出現(xiàn)零值，這種流速分布規(guī)律導(dǎo)致立軸漩渦的產(chǎn)生，造成河床泥沙大范圍起動(dòng)。

（2）橫向流速分析：橫向流速分布如圖5（b）所示，大部分測點(diǎn)橫向流速為正值，床面橫向流速最大達(dá)到0.207 m／s，橫向流速大致從邊壁向主泄流區(qū)逐漸增大，大部分泥沙通過橫向輸移，將泥沙帶往回流區(qū)左側(cè)，通過縱向水流將泥沙帶往下游。

（3）垂向流速分析：垂向流速分布如圖5（c）所示，垂向流速較大不利于懸移質(zhì)泥沙的沉降，而有利于泥沙的起動(dòng)和輸移。在y＝5靠近邊壁，垂向流速較??；在y＝5靠近主泄流區(qū)，垂向流速波動(dòng)越來越大，床面最大流速達(dá)到-0.045 3 m／s，說明該區(qū)域垂向流速不穩(wěn)定，有利于泥沙的起動(dòng)和輸移［10，11］。

圖5 x＝4號(hào)斷面流速圖Fig.5 Velocity field at cross-section x＝4

4.1.4 回流區(qū)下游河床分析

試驗(yàn)中是根據(jù)動(dòng)床模型的發(fā)展過程，確立了3種典型地形的定床模型：t＝0 min時(shí)刻地形與尾坎平齊，t＝15min與t＝180min時(shí)刻的地形圖，如圖6所示，各點(diǎn)位置與圖2中測點(diǎn)位置一致。

圖6 沖刷深度地形圖（單位：cm）Fig.6 Scoingur depth terrain m ap（unit in cm）

試驗(yàn)表明，回流區(qū)河床雖然不是最先發(fā)生沖刷的區(qū)域，但卻是河床地形變化較快區(qū)域。t＝0 min時(shí)刻由于河床高程高于消力池底板的高程，回流范圍和強(qiáng)度都較小，很難產(chǎn)生立軸漩渦，泥沙起動(dòng)為小范圍單顆粒起動(dòng)，地形變化較緩。隨著時(shí)間和流速的增加，河床高程降低，回流范圍和強(qiáng)度加大，泥沙起動(dòng)的范圍擴(kuò)大，速率加快，地形變化加快，沖刷深度迅速達(dá)到4.58 cm（圖6（a））。部分泥沙在水流回流的作用下被帶向消力池內(nèi)，另一部分則摻混在水體中被帶向下游，并在回流中心位置逐漸形成沖刷坑。當(dāng)沖刷坑深度達(dá)到8.46 cm時(shí)（圖6（b）），形成較為穩(wěn)定的回流區(qū)域，此時(shí)河床水深較大，回流對(duì)河床泥沙的影響不能導(dǎo)致泥沙起動(dòng)，河床逐漸穩(wěn)定下來。

4.2 主泄流區(qū)水流特性分析

4.2.1 三維流速流態(tài)分析

t＝0 min時(shí)刻三維流速圖如圖3（a）所示，下游河床面和尾坎平齊，主泄流區(qū)流速多為平直向下，橫向流速不明顯。下泄水流在消力池內(nèi)經(jīng)歷了劇烈碰撞，使得出池水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，引起河床面出現(xiàn)迅速變形，主泄流區(qū)沖刷坑的深度和范圍加大，水流經(jīng)歷一次跌落后迅速調(diào)整為平順狀態(tài)，如圖3（c）所示。隨著水流對(duì)河床的沖刷繼續(xù)發(fā)展，主泄流區(qū)沖刷坑深度和范圍變化速度逐漸減緩，水流跌落的最低點(diǎn)也隨之后移，主泄流區(qū)流態(tài)無較大變化。

4.2.2 主泄流區(qū)下游近壁區(qū)縱向水流流速分析

由于在主流區(qū)近壁區(qū)內(nèi)，縱向流速發(fā)展變化明顯，而橫向和垂向流速變化不大，故仍需對(duì)縱向流速進(jìn)行分析。通過對(duì)圖7中（a），（b），（c）3張圖比較分析可知：隨著沖刷歷時(shí)的增加，縱向流速逐漸減緩，t＝0 min時(shí)刻縱向流速最大達(dá)到0.6 m／s，而當(dāng)沖刷基本穩(wěn)定時(shí)縱向流速不足0.16 m／s。消力池水流受到尾坎高程影響，形成水躍，而出池水躍底部縱向流速較小，而后逐漸增大，在水躍末端，縱向流速加大，由于在試驗(yàn)觀測中，主流區(qū)出池后河床泥沙首先起動(dòng)，故認(rèn)為縱向流速不是造成主泄流區(qū)沖刷主要的因素。

圖7 近壁區(qū)縱向時(shí)均流速圖（單位：m／s）Fig.7 Longitudinal velocity field at near-wall region（unit in m／s）

4.2.3 主泄流區(qū)下游河床近壁區(qū)紊動(dòng)動(dòng)能分析

水流在消力池內(nèi)與消能設(shè)施發(fā)生劇烈碰撞，出池水流帶有較大的紊動(dòng)能，斷面平均紊動(dòng)能達(dá)到0.22 J，而在t＝0 min時(shí)刻，河床邊界為一平面，對(duì)水流的干擾比較小，水流所攜帶較大的紊動(dòng)能只能通過水流之間的擴(kuò)散而逐漸削減，而在主泄流區(qū)尾坎后部紊動(dòng)能最大，該處也是下游河床泥沙最先起動(dòng)的位置，如圖8（a）所示。隨著主泄流區(qū)河床沖刷繼續(xù)發(fā)展，沖刷坑深度和范圍加大，出池水流所攜帶的較大紊動(dòng)能通過水體自身紊動(dòng)消散和擴(kuò)散得到緩解，對(duì)河床的作用逐漸減小，直至整個(gè)主泄流區(qū)紊動(dòng)能減小到無法造成泥沙起動(dòng)，如圖8（c）所示。

圖8 近壁區(qū)紊動(dòng)能圖Fig.8 Turbulent energy at near-wall region

4.2.4 主泄流區(qū)地形分析

通過試驗(yàn)觀測可知，在主泄流區(qū)，即y＝13至y＝17之間位置，水流在出尾坎后會(huì)有一個(gè)跌落過程，形成了對(duì)河床的俯沖，泥沙在這種較大的俯沖作用下最先起動(dòng)并帶向下游，并很快形成一道緩坡，深度達(dá)到2.8 cm，如圖6（a）所示；隨著時(shí)間的增加，沖刷坑最深點(diǎn)的位置不斷向下游移動(dòng)，但主泄流區(qū)的沖刷坡度變化不大，地形變化的速度較初始的時(shí)刻明顯減緩，如圖6（b）所示；當(dāng)t＝180 min時(shí)刻沖刷深度達(dá)到3.8 cm時(shí)，水流對(duì)河床的沖刷基本停止，沖刷深度為主泄流區(qū)的河床基本穩(wěn)定。

5 結(jié)論與建議

南津渡水庫在泄流期間，由于下游水深較淺，而下泄水流單寬流量較大，如果消能設(shè)施不完善，將嚴(yán)重影響到下游河床的穩(wěn)定性，甚至危及到消能設(shè)施的安全運(yùn)行，研究下泄水流發(fā)展規(guī)律對(duì)深入理解和處理諸如沖刷問題有著重要的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)際意義，通過上述試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）造成南津渡水庫下游回流區(qū)河床沖刷的主要原因是流速的分布特點(diǎn)，導(dǎo)致立軸漩渦的產(chǎn)生，造成河床泥沙大范圍起動(dòng)，而造成主泄流區(qū)河床沖刷的原因是下泄水流所攜帶的紊動(dòng)能［12］。

（2）紊動(dòng)能對(duì)于主泄流區(qū)河床沖刷起著十分重要的作用，如果消能不充分，將對(duì)主泄流區(qū)河床造成嚴(yán)重沖刷，但對(duì)于回流區(qū)泥沙起動(dòng)影響不大。

（3）比較主泄流區(qū)和回流區(qū)的泥沙起動(dòng)規(guī)律可知：主泄流區(qū)泥沙是從t＝0 min時(shí)刻大范圍大量起動(dòng)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾》秶饎?dòng)，泥沙起動(dòng)速度逐漸減緩；而回流區(qū)泥沙從t＝0 min時(shí)刻的小范圍單顆粒起動(dòng)，逐漸轉(zhuǎn)變成大范圍起動(dòng)，泥沙起動(dòng)速度逐漸加快，達(dá)到一定程度后泥沙起動(dòng)減緩。兩者的區(qū)別說明主泄流區(qū)和回流區(qū)導(dǎo)致泥沙的原因并不一樣。

（4）由于尾坎后部的沖刷坑深度較大，回流水流會(huì)對(duì)尾坎進(jìn)行反復(fù)的淘刷，造成消能設(shè)施破壞和消力池底部被淘空。

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Experimental Research on Downstream River-bed Scouring on Nanjindu Reservoir

LIU Xiao-ping，HOU Bin，PAN Xuan-he，F(xiàn)ANG Sen-song，WU Guo-jun
（Changsha University of Science Technology，Changsha 410076，China）

Through physicalmodel experiment and considering the characteristic of themain discharge area and return flow zone，the authorsmainly analysed the influence of flow characteristic on the river bed and the reason of scouring on downstream river bed of Nanjindu Reservoir.In this experiment，the NDV was used tomeasure three dimensional flow velocities in the right region.The results show that the characteristics of flow velocity distribution is themain reason that causes scouring in the return flow area of river bed while turbulentenergy is themain reason that causes scouring in main discharge area of river-bed.

river bed scour；sluice；model test；flow characteristics

TV131.61

A

1001-5485（2010）04-0011-05

2009-04-29

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（04JJ3036）；湖南省交通廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目（200732）

劉曉平（1956-），男，江蘇泰州人，教授，主要從事港口、航道及近海工程研究，（電話）0731-82309694（電子信箱）lxplyt＠163.com。