低水頭水利樞紐泄水閘閘前沖刷研究

方森松，劉曉平，吳國(guó)君，周千凱，乾東岳

低水頭水利樞紐泄水閘閘前沖刷研究

方森松，劉曉平，吳國(guó)君，周千凱，乾東岳

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076）

針對(duì)低水頭水利樞紐壩前附近的沖刷問(wèn)題，建立了用于研究閘前三元流的泄水閘物理及數(shù)學(xué)模型，利用動(dòng)床物理模型觀測(cè)了閘前沖坑發(fā)展過(guò)程，然后采用定床物理模型和三維數(shù)學(xué)模型研究了閘前沖刷初始時(shí)刻、中期時(shí)刻及穩(wěn)定時(shí)刻的三維流場(chǎng)。結(jié)果表明：沖刷初期水流受擋水閘阻水作用，在閘前近壁區(qū)水流下潛形成漩渦，閘前呈現(xiàn)復(fù)雜的三元流流態(tài)，從而造成閘前床面泥沙大量啟動(dòng)，迅速形成沖坑。在沖刷中后期，下潛水流流速在沖坑內(nèi)部沿水深方向逐漸減弱，漩渦現(xiàn)象不明顯，沖坑發(fā)展變緩，最終達(dá)到平衡。

低水頭；泄水閘；沖坑；下潛水流

1 問(wèn)題的提出

低水頭水利樞紐是集航運(yùn)、發(fā)電于一體的水工建筑物，在實(shí)際生活中發(fā)揮了巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。由于以往建壩時(shí)對(duì)上游沖刷問(wèn)題不夠重視，在閘壩運(yùn)行多年后，壩前局部區(qū)域容易發(fā)生沖刷和淘刷現(xiàn)象［1，2］，甚至危及到水工建筑物的安全。例如，某低水頭水利樞紐建成運(yùn)行多年后，閘壩上游河床發(fā)生局部沖刷，在壩前一定范圍內(nèi)形成沖坑，地形如圖1所示，對(duì)建筑物的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。因此，研究壩前水流結(jié)構(gòu)及沖刷機(jī)理對(duì)于進(jìn)一步采取改善措施是非常有必要的。

圖1 低水頭閘壩壩前沖刷示意圖Fig.1 Sketch of scouring pit of low-head sluice

現(xiàn)階段對(duì)沖刷問(wèn)題研究的手段［3］主要包括原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬4個(gè)方面。對(duì)于水工建筑物上游河床局部沖刷問(wèn)題的研究，人們更多地關(guān)注高壩中泄洪洞和排沙孔進(jìn)口的沖刷現(xiàn)象［4，5］，但是，對(duì)于低水頭閘壩上游的沖刷問(wèn)題研究較少，由于其壩前水流結(jié)構(gòu)特征與高壩相比有很大差異，產(chǎn)生沖坑的機(jī)理不同。因此，本文將利用數(shù)學(xué)模型（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)模）與物理模型（簡(jiǎn)稱(chēng)物模）相結(jié)合的方法對(duì)壩前沖刷坑形態(tài)及壩前三維流場(chǎng)進(jìn)行研究分析。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)模型建立

2.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在長(zhǎng)為30 m、寬為1.6 m的玻璃水槽中進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地條件，概化模型共設(shè)7孔泄水閘，單孔凈寬0.2 m，1號(hào)和7號(hào)單孔凈寬0.18 m，6個(gè)閘墩，每個(gè)閘墩寬0.04 m，墩頭和墩尾均為半圓形，堰面形式為WES實(shí)用堰型，材料采用PVC板，如圖2所示。

動(dòng)床試驗(yàn)中，在閘前鋪設(shè)中值粒徑D50為1 mm的模型沙床面，觀測(cè)了閘前沖刷中期（5 min）時(shí)刻以及沖坑穩(wěn)定時(shí)刻的沖坑地形。并根據(jù)不同時(shí)刻沖坑形狀采用素混凝土固定沖刷坑，利用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（NDV）觀測(cè)閘前局部流場(chǎng)?？紤]到模型的對(duì)稱(chēng)性，取水槽半側(cè)（沿水流方向）部分進(jìn)行研究。試驗(yàn)流量為0.045 m3／s，對(duì)應(yīng)水閘上游水位為0.25 m，下游水位為0.10 m，試驗(yàn)觀測(cè)流場(chǎng)時(shí)將中間一孔泄水閘（4號(hào)閘孔）全開(kāi)泄流，其他為擋水閘孔。

圖2 物理模型平面布置圖及立視圖Fig.2 Plan and elevation view of the physical model

模型坐標(biāo)系選取以順?biāo)鞣较颍v向）為x方向，y方向?yàn)榇怪彼圻叡诜较颍M向），z方向?yàn)榇怪毕蛏戏较颍ù瓜颍?，坐?biāo)原點(diǎn)位于床面水槽中軸線(xiàn)與上游閘墩外邊緣線(xiàn)的交點(diǎn)上。試驗(yàn)主要觀測(cè)了擋水閘（3號(hào)閘）、過(guò)水閘（4號(hào)閘）前的縱斷面流場(chǎng)，即圖中y＝－0.20 m，y＝－0.06 m處的縱斷面流場(chǎng)，以及閘前x＝－0.05 m處的橫斷面流場(chǎng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

流場(chǎng)計(jì)算采用RNG k-ε紊流模型，自由液面采用VOF方法進(jìn)行捕捉，采用有限體積法對(duì)偏微分方程進(jìn)行離散［6］，控制方程如下：

連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)方程

k方程

ε方程以上各式中：t為時(shí)間；ui，uj為速度分量；xi，xj為坐標(biāo)分量；ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)平均密度和分子黏性系數(shù)；p為壓力；Bi為單位體積的體積力；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的紊動(dòng)能項(xiàng)；μt＝ρvt為紊流黏性系數(shù)，其中vt為紊流運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，它由式 vt＝0.085 k2／ε求出；經(jīng)驗(yàn)系數(shù) C2ε＝1.68，σk＝σε＝0.717 9；系數(shù) C1ε按下式計(jì)算：

其中 η0＝4.38，β＝0.012，S為切應(yīng)力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果分析

3.1 物理模型閘前沖坑地形分析

圖3 各時(shí)刻閘前沖坑地形 （單位：m）Fig.3 Terrain of the scouring pit at different moments

3.2 擋水閘前縱向截面流場(chǎng)

由沖坑形態(tài)發(fā)展過(guò)程可知，沖坑主要集中在與過(guò)水閘相鄰的擋水閘前，故可推知沖坑的產(chǎn)生與擋水閘前的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，利用物理模型試驗(yàn)觀測(cè)及數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得的擋水閘前y＝－0.20 m處各時(shí)刻順?biāo)鞣较蛄⒚媪鲌?chǎng)如圖4。初始時(shí)刻，如圖4（a），數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果顯示在閘前近壁區(qū)形成一順時(shí)針環(huán)流。物理模型觀測(cè)得到在閘前近壁區(qū)－0.06 mx－0.03 m、z0.04 m范圍內(nèi)，存在與上游來(lái)流方向相反的回流，由于物理模型沒(méi)有觀測(cè)擋水閘前－0.03 mx0 m范圍內(nèi)流場(chǎng)，故物模沒(méi)有完整反映該順時(shí)針環(huán)流。對(duì)比所觀測(cè)范圍內(nèi)的物模與數(shù)模，流態(tài)基本一致。因此綜合比較分析物模與數(shù)模結(jié)果可知，擋水閘前水流受到阻水作用，在擋水閘前近壁區(qū)縱向流速與來(lái)流相反，形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)高錳酸鉀示蹤劑，同樣可觀察到閘前水流在近壁區(qū)流向與上游來(lái)流相反，此區(qū)域存在明顯的紊動(dòng)現(xiàn)象。分析原因?yàn)椋河捎趽跛l前上游來(lái)流水受到阻擋，縱向流速值減小，水流動(dòng)能在閘前轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，沿水深方向形成壓力差，致使閘前近壁區(qū)水流在重力與上層壓力的作用下，形成下潛水流，同時(shí)下潛水流向下運(yùn)動(dòng)遇到床面之后，一方面與床面泥沙顆粒碰撞產(chǎn)生動(dòng)量交換，另一方面部分水流流向折向上游，與來(lái)流相互作用在近壁區(qū)縱向立面上形成環(huán)流漩渦，使床面產(chǎn)生局部淘刷。

圖4 各時(shí)刻擋水閘前縱斷面流場(chǎng)（y＝－0.20 m立面）Fig.4 Flow field in vertical section in front of closed sluice gate at different moments（y＝－0.20 m）

沖刷中期時(shí)刻，如圖4（b），物模與數(shù)模結(jié)果均表明：擋水閘前近壁區(qū)水流在z≈0.04 m處開(kāi)始下潛，流入沖坑內(nèi)部，近壁區(qū)沒(méi)有形成明顯的漩渦。下潛水流隨著沖坑深度的增加流速逐漸減小。沖刷穩(wěn)定時(shí)刻，如圖4（c），擋水閘前近壁區(qū)水流主要集中在z≈0.02 m處開(kāi)始下潛，流入沖坑內(nèi)部，在沖坑底層，下潛水流流速減小至最小。

綜上所述，閘前近壁區(qū)及沖刷坑內(nèi)的流場(chǎng)具有較強(qiáng)的三維特性，初始時(shí)刻近壁區(qū)環(huán)流漩渦淘刷強(qiáng)度最強(qiáng)，泥沙大量啟動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)形成沖坑。沖刷中后期，沖刷坑坑底對(duì)應(yīng)的垂向范圍內(nèi)，水流沿垂向下潛至坑底對(duì)其進(jìn)行淘刷，而在沖坑邊坡范圍內(nèi)，水流主要順著邊坡流入沖坑內(nèi)部，邊坡上的泥沙顆粒在水流拖曳力及重力作用下啟動(dòng)，從而使邊坡進(jìn)一步向上游發(fā)展。當(dāng)沖刷穩(wěn)定后，到達(dá)沖坑底部的下潛水流強(qiáng)度已減小至最小，以至不足以形成對(duì)床面的沖刷。

3.3 過(guò)水閘前縱向斷面流場(chǎng)

利用物理模型，觀測(cè)了過(guò)水閘前y＝－0.06 m處各時(shí)刻順?biāo)鞣较驍嗝媪鲌?chǎng)（如圖5）。

圖5 各時(shí)刻過(guò)水閘前縱斷面流場(chǎng)（y＝－0.06 m立面）Fig.5 Flow field in vertical section in front of opening sluice gate at different moments（y＝－0.06 m）

初始時(shí)刻圖5（a），在過(guò)水閘前，流速沿水深分布較均勻，沿水流方向流速值逐漸增大，但初始時(shí)刻該區(qū)域并未觀察到明顯的泥沙啟動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)近壁區(qū)水平底流速并非閘前泥沙啟動(dòng)的主要原因。沖刷中后期圖5（b）、圖5（c），在近壁區(qū)沖坑處水流從上游沿沖坑邊坡流入沖坑，隨后順著沖坑地形流向下游。沿水深方向，沖坑外部流速分布較均勻，但在沖坑內(nèi)部，流速隨水深增加而減小。

3.4 閘前橫斷面流場(chǎng)分析

物理模型所測(cè)閘前x＝－0.05 m橫斷面處各時(shí)刻的流場(chǎng)如圖6。

圖6 各時(shí)刻閘前橫斷面流場(chǎng)（x＝－0.05 m立面）Fig.6 Flow field in cross section in front of sluice at different moments（x＝－0.05 m）

沖刷各個(gè)時(shí)刻，近壁區(qū)橫向流速在擋水閘前y≈－0.1～－0.2 m范圍內(nèi)達(dá)到最大。而此區(qū)間在初始時(shí)刻存在環(huán)流漩渦，因此，由漩渦淘刷引起啟動(dòng)的泥沙顆粒在較大的橫向流速作用下被迅速攜帶向下游。從而造成前期沖坑坑深迅速增加，且最深點(diǎn)位于擋水閘前。在沖刷坑中后期，沿沖坑深度下潛水流的強(qiáng)度逐漸減弱，沖坑沿深度方向變化放緩。閘前水流沿著沖坑坡面流入沖坑內(nèi)部，坡面上的泥沙顆粒在水流拖曳力和重力作用下啟動(dòng)，使沖坑沿水平方向的范圍進(jìn)一步增大。

3.5 閘前近壁面平面流場(chǎng)

圖7為物理模型所測(cè)閘前距離床面0.03 m平面處不同時(shí)刻的流場(chǎng)分布。閘前水流急劇束窄，使擋水閘前水流流向由縱向逐漸過(guò)渡為橫向，沿縱向方向的動(dòng)水壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，閘前的水流駐點(diǎn)壓力增大。

圖7 各時(shí)期閘前近壁面平面流場(chǎng)分布（z＝0.03 m立面）Fig.7 Flow field in near-wall plane in front of sluice at different moments（z＝0.03 m）

4 閘門(mén)開(kāi)啟方式對(duì)閘前三元流強(qiáng)度影響分析

由以上分析可知，可通過(guò)減小閘前三元流強(qiáng)度，避免擋水閘前近壁區(qū)形成環(huán)流漩渦的方法減輕閘前床面的淘刷。試驗(yàn)觀察到將過(guò)水閘相鄰的擋水閘開(kāi)啟一定開(kāi)度后，閘前沖刷程度大大減小。采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算了單孔全開(kāi)并開(kāi)啟相鄰閘門(mén)0.1開(kāi)度工況的流場(chǎng)。將此種工況與單孔全開(kāi)工況中距床面0.03 m的近壁區(qū)平面流線(xiàn)取出進(jìn)行對(duì)比，如圖8、圖9所示。

圖8 單孔全開(kāi)時(shí)閘前近壁面流線(xiàn)Fig.8 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully

單孔全開(kāi)閘門(mén)時(shí)，擋水閘前水流流向由縱向過(guò)渡為橫向過(guò)程中，在擋水閘前下潛形成環(huán)流漩渦，閘前水流呈現(xiàn)較強(qiáng)的三維特性。而將擋水閘開(kāi)啟0.1開(kāi)度后，部分水流通過(guò)該閘孔下泄，水流流向過(guò)渡較為平緩，從而沒(méi)有形成近壁區(qū)的漩渦，水流以沿水平面的二維運(yùn)動(dòng)為主，減輕了閘前的淘刷。

圖9 單孔全開(kāi)及相鄰閘門(mén)0.1開(kāi)度時(shí)閘前近壁面流線(xiàn)Fig.9 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully and the adjacent gate opened at 0.1 degree

5 結(jié) 論

低水頭泄水閘在運(yùn)行過(guò)程中，閘前易發(fā)生沖刷淘刷現(xiàn)象。研究觀測(cè)閘前三元流水流結(jié)構(gòu)，分析其引起沖刷的機(jī)理，對(duì)低水頭水利樞紐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理有著重要的參考意義，通過(guò)以上試驗(yàn)分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）模型試驗(yàn)中，閘前沖坑在沖刷前期時(shí)間內(nèi)沖坑發(fā)展較快。因此，反映到實(shí)際運(yùn)行中，若某一運(yùn)行工況下閘前形成強(qiáng)度較大的三元流而發(fā)生沖刷，則沖坑將迅速發(fā)展形成。

（2）當(dāng)部分閘門(mén)開(kāi)啟泄水時(shí)，初始時(shí)刻泥沙啟動(dòng)區(qū)并未發(fā)生在流速較大的過(guò)水閘前區(qū)域，而是在相鄰的擋水閘閘前區(qū)域。主要原因?yàn)椋哼^(guò)水閘泄水時(shí)，相鄰擋水閘閘前水流受到阻擋，流速由縱向過(guò)渡為橫向，從而在閘前近壁區(qū)水流下潛，形成漩渦，水流呈現(xiàn)復(fù)雜的三元流流態(tài)，紊動(dòng)強(qiáng)度增大。從而造成床面泥沙大量啟動(dòng)，迅速形成沖坑。隨著沖坑的發(fā)展，近壁區(qū)下潛水流在沖坑內(nèi)部逐漸減弱，漩渦消失，最終達(dá)到?jīng)_坑穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）考慮到一般低水頭水利樞紐泄水閘閘孔數(shù)量較多，流量與水位變化范圍大，運(yùn)行條件復(fù)雜，若調(diào)度不當(dāng)極有可能在閘前形成較強(qiáng)的三元流現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)造成沖刷破壞。因此，當(dāng)運(yùn)行期出現(xiàn)部分閘門(mén)全開(kāi)導(dǎo)致水流較為集中泄流情況時(shí)，也應(yīng)使與其相鄰的閘門(mén)具有一定的開(kāi)度，減小閘前單寬流量，避免閘前形成強(qiáng)度較高的三元流。

［1］ 唐 敏，張高虎.馬跡塘水電站大壩上游沖刷坑處理措施［J］.湖南水利水電，2004，（2）：8－9.（TANG Min，ZHANG Gao-hu，Scouring Hole Treatment Measures at Upstream of Majitang Hydropower Dam.Hydraulic and Hydroelectric Engineering of Hunan Province，2004，（2）：8－9.（in Chinese））

［2］ 毛昶熙.閘壩泄流局部沖刷問(wèn)題［J］.人民黃河，1989，（6）：64－67.（MAO Chang-xi.Local Scouring Problems of Sluice Discharge［J］.Yellow River，1989，（6）：64－67.（in Chinese））

［3］ 錢(qián) 寧，萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1991.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Mechanics of Sediment Transport［M］.Beijing：Science Press，1991.（in Chinese））

［4］ 郭志學(xué)，劉興年，曹叔尤.水庫(kù)沖刷漏斗試驗(yàn)研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2004，34（5）：1－5.

（GUO Zhi-xue，LIU Xing-nian，CAO Shu-you.Experimental Study on Reservoir Scour Funnel of Baoshi Water Power Station.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2004，34（5）：1－5.（in Chinese））

［5］ 蘆綺玲，鄭幫明，趙明登，等.水庫(kù)沖刷漏斗的三維數(shù)值模擬［J］.水動(dòng)力研究與進(jìn)展（A輯），2007，22（2）：

254－259.（LU Qi-ling，ZHENG Bang-min，ZHAO Ming-deng，et al.Three-Dimensional Numerical Simulation on the Scouring Funnel in Front of the Sand-Flash Channel for Reservoir.Journal of Hydrodynamics（Ser.A），2007，22（2）：254－259.（in Chinese））

［6］ 林建忠，阮曉東，陳邦國(guó)，等.流體力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.（LIN Jian-zhong，RUAN Xiaodong，CHEN Bang-guo，et al.Fluid Mechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2005.（in Chinese） ）

Scouring Mechanism in Front of the Sluice of Low-Head Hydro-Projects

FANG Sen-song，LIU Xiao-ping，WU Guo-jun，ZHOU Qian-kai，QIAN Dong-yue
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410076，China）

To elaborate on the river bed scouring in front of the sluice of low-head hydro-projects，physical and mathematical models are built to study the three dimensional flow in front of the sluice.Movable bed physical model is used to observe the development process of the scouring pit.Furthermore，fixed bed physical model and three-

dimensional turbulence model are employed to simulate the 3-D flow field at the initial，middle and steady period of the scouring.The main conclusion is obtained as follows：at the beginning of scouring，as the flow is obstructed by the sluice，vortexes are formed by the diving flow and a complicated three dimensional flow is generated，thereby causing a large amount of sediment activating in front of the sluice structures.Accordingly，it results in scouring in front of sluice structures rapidly.During the middle and later period，the diving flow in the scouring pit is gradually weakened along the water depth direction，hence the vortex disappears，and the development of the scouring pit slows down and finally reaches equilibrium.

low-head hydro-project；sluice；scouring pit；diving flow

TV131.61

A

1001－5485（2011）06－0025－05

2010-07-21

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）

方森松（1985-），男，河南開(kāi)封人，碩士研究生，主要從事港口航道及近海工程研究，（電話(huà)）0731-82309694（電子信箱）fangsensong＠163.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）