河床下切對閘壩泄洪消能的破壞及對策

李艷富,韓昌海,楊 宇

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210029)

河床下切對閘壩泄洪消能的破壞及對策

李艷富,韓昌海,楊 宇

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210029)

河床下切導(dǎo)致的閘壩下游水位降低,上下游水位差增大,造成原有消能工不能滿足消能要求,甚至大洪水時發(fā)生嚴(yán)重破壞。小埠東橡膠壩工程采用一、二級消力池聯(lián)合消能工設(shè)計,由于下游河道連續(xù)多年采砂超量,河床急劇下切,導(dǎo)致消能工多次毀壞,嚴(yán)重危及閘壩安全且?guī)砭薮髶p失。通過水力學(xué)模型模擬了小埠東樞紐消能工消能效果,分析了破壞原因。結(jié)合多個消能工優(yōu)化方案的消能試驗,提出的推薦方案一、二級消力池均能產(chǎn)生穩(wěn)定的水躍,滿足校核洪水消能要求。通過變動樞紐下游水位的消能試驗,研究了消能工推薦方案下游河道允許下切極限。工程實際應(yīng)用表明,推薦的消能工結(jié)構(gòu)遭遇大洪水時未發(fā)生破壞,研究提出的因河床下切造成的消能破壞加固理念和對策可為類似工程借鑒參考。

河床下切;消能工;二級消能;消能試驗;允許河床下切極限

閘壩攔蓄及超量采砂等活動造成河流泥沙大量減少,導(dǎo)致江河中下游段及沿海地區(qū)河床普遍下切[1-2]。河床下切導(dǎo)致閘壩下游水位降低,上下游水位差增大,當(dāng)超過安全值,消能工無法滿足消能要求時[3-4],應(yīng)及時采取工程措施避免造成破壞[5]。當(dāng)河床水位下降后,根據(jù)下切原因以及工程特征采取相應(yīng)的消能工改造方案[6-12]。小埠東樞紐建成蓄水后,人為超量采挖河床砂現(xiàn)象嚴(yán)重,造成河床連續(xù)多年急劇下切,消能工多次毀壞又多次加固。反復(fù)地加固和破壞過程不僅危及攔河閘壩的安全,而且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失,迫切需要從根本上改造和加固消能設(shè)施。本文結(jié)合小埠東樞紐水力學(xué)模型試驗,研究了消能工破壞原因及加固對策,為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

小埠東橡膠壩攔河樞紐工程壩長1 135 m,是世界上最長的橡膠壩工程。主體工程包括橡膠壩16節(jié)、東西兩岸調(diào)節(jié)閘各5孔,東西引水閘以及東西兩岸泵站及橋頭堡。橡膠壩下游消能工采用二級消能結(jié)構(gòu),由一級、二級消力池及其中間斜坡連接段組成。設(shè)計正常蓄水位65.5 m。壩址控制流域面積10 287 km2,河床比降約1/2 000。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,設(shè)計流量16 000 m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,校核流量為19 000 m3/s。

工程于1997年建成蓄水,運(yùn)行至2008年期間經(jīng)歷多次洪水考驗,消能設(shè)施發(fā)生5次毀壞并5次加固。2009年2月第5次消能工加固后,一級消力池長9 m,底高程60.30 m,二級消力池長15 m,底高程56.5 m。一、二級消力池相距26 m,通過一級消力池下游平臺、1:4的斜坡段和二級消力池上游平臺連接,其中一級消力池下游平臺長6 m,頂高程61.2 m,二級消力池下游平臺長6 m,頂高程58.3 m,結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。2009年汛期先后經(jīng)歷7月過壩洪水5 640 m3/s和8月過壩洪水3 120 m3/s后,橡膠壩一級消力池下游加固部分發(fā)生嚴(yán)重毀壞,下游平臺最上層部分基本呈現(xiàn)整體漂移破壞,平臺下游斜坡段發(fā)生裂縫和沖毀狀況,見圖2和3。

圖1 2009年第5次加固消能工斷面布置(單位:m)Fig.1 Section of flood releasing structure after the fifth reinforcement in 2009(unit:m)

圖2 汛期橡膠壩泄流下游破壞流態(tài)Fig.2 Discharge flow in the downstream of rubber dam during flood season

圖3 一級消力池下游破壞情況Fig.3 Destruction of the first step stilling pool

2 消能工毀壞原因分析

根據(jù)工程資料和現(xiàn)場勘察,壩下消能工毀壞主要有2方面原因:

(1)下游河床超量采砂,河床連續(xù)多年急劇下切,造成上下游水頭差增大,消能工已不再滿足消能要求。1996年施工時河床平均高程為61.0 m,2005年河床平均高程僅約為57.5 m,河床下降了3.5 m,并且河床還有繼續(xù)下降的趨勢,導(dǎo)致水位差增大,消能防沖設(shè)施不再滿足消能要求。

(2)2009年加固處理未從根本上解決問題。主要表現(xiàn)在:①壩下呈現(xiàn)復(fù)雜多變的流態(tài),二級消能機(jī)理復(fù)雜,又由于缺乏統(tǒng)一的二級消能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范要求,一旦消能工布置型式及尺寸未能滿足消能要求即導(dǎo)致消能工破壞。②加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。二級消能格局對兩級消力池及連接段平臺、斜坡段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高,一旦強(qiáng)度不足,止水不到位,必然導(dǎo)致加固混凝土整塊被掀起,甚至產(chǎn)生整體漂移破壞。

3 消能方案試驗研究

3.1 模型設(shè)計

采用比尺為1:40的正態(tài)模型,滿足重力相似準(zhǔn)則。試驗?zāi)M范圍充分反映一跨完整橡膠壩和兩側(cè)相鄰橡膠壩的主體部分及消能工布置,下游河床具有足夠的沖刷和防護(hù)試驗段,以保證上下游水流相似性。模型上游安裝量水堰測量控制樞紐流量,采用標(biāo)準(zhǔn)測針讀取上下游水位,精度為0.1 mm,誤差為±0.05 mm。采用南京水利科學(xué)研究院自行研制的光電式旋槳流速儀測量流速,起動流速為1 cm/s,儀器型號LS-Ⅱ、精度為0.01 cm/s,誤差為±0.01 cm/s。

3.2 2009年第5次加固方案的消能試驗

模型模擬了2009年第5次消能工加固方案。結(jié)合工程洪水標(biāo)準(zhǔn)以及2009年橡膠壩運(yùn)行水文數(shù)據(jù)確定試驗工況,從2 627 m3/s到校核洪水19 000 m3/s的7個試驗工況見表1。通過模型試驗觀測了水流流態(tài),各級洪水條件下實測水流條件見表1,流量為8 000 m3/s時的流速分布見圖4。試驗結(jié)果表明,各級洪水條件下,一級消力池和二級消力池內(nèi)均形成穩(wěn)定水躍,躍首在斜坡段,隨著流量和下游水位升高,水躍躍首逐漸上移。但在小流量2 627 m3/s時水流以挑流的形式流入二級消力池,未能形成二級水躍消能。

表1 原方案實測水流條件參數(shù)Tab.1 The measured flow parameters of every flow condition

圖4 流量為8 000 m3/s的二級消力池內(nèi)流速分布(單位:m/s)Fig.4 Flow velocity distribution in the downstream of rubber dam having discharge of 8 000 m3/s(unit:m/s)

兩級消力池連接段平臺及斜坡段水流為急流狀態(tài),平臺上流速較大,流量為4 500 m3/s時流速約為4.1 m/s,流量為8 000 m3/s時流速達(dá)到4.8 m/s左右。最大流速發(fā)生在一、二級消力池之間的斜坡段,流量為4 500 m3/s時流速約為6.4 m/s,流量為8 000 m3/s時流速則達(dá)到7.3 m/s左右,最小壓強(qiáng)值為0.16 m水柱。

采用C-C斷面地面高程56.0 m為基準(zhǔn)面(如圖1)計算一、二級消力池消能率。其中,根據(jù)A-A斷面和B-B斷面的水流條件參數(shù)計算一級消力池消能率,即總水頭之差占A-A斷面總水頭的比例。根據(jù)B-B斷面和C-C斷面的水流條件參數(shù)計算二級消力池消能率,即總水頭之差占B-B斷面總水頭的比例。各斷面水流條件以及一、二級消能率計算結(jié)果見表2?？梢?一級消力池消能率過低,僅為10%左右,導(dǎo)致出池流速較高,一級消力池下游平臺和斜坡段為急流。

表2 原方案消力池消能率Tab.2 Energy dissipation rate of every step of stilling pool

可見,在二級消能工結(jié)構(gòu)中,各級洪水上下游水位差為3.54～5.00 m,一級消力池和二級消力池內(nèi)底流速均較小,而兩級消力池連接段平臺和斜坡段的流速大,是加固的重點(diǎn)部位。一旦加固結(jié)構(gòu)不合理、強(qiáng)度不足或止水不足,水流流入縫隙即可產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀壞。這可以解釋工程實際運(yùn)行中一級消力池下游加固部分易發(fā)生嚴(yán)重毀壞的狀況。

此外,當(dāng)下游河床持續(xù)下切,上下游水位差逐漸增大,一級消力池消能有限,導(dǎo)致急流區(qū)流速增大,仍威脅消能工安全。小流量條件下二級消力池?zé)o法形成水躍消能,加速下游河道沖刷下切。因此,本文考慮優(yōu)化工程消能工結(jié)構(gòu)與尺寸,從水流機(jī)理上改善消能工屢修屢毀現(xiàn)狀。

3.3 優(yōu)化加固方案確定

考慮一級消力池的安全直接關(guān)系大壩安全,而二級消力池消能效果較好,因此,一、二級消力池的結(jié)構(gòu)和尺寸保持不變。連接段平臺和斜坡流速大,是發(fā)生破壞的主要部位,擬通過優(yōu)化連接段布置改善消能工底流消能效果。

方案1:取消連接段平臺(頂高程61.2 m),并縮短斜坡段,改為消力池布置,形成了三級消能布置方案。試驗表明,當(dāng)泄流量達(dá)到8 000 m3/s及以上,下游水位頂托作用不足,導(dǎo)致一級消力池內(nèi)不能形成水躍,所以該方案不能成立,仍應(yīng)選擇二級消能方式。

方案2:保持原方案連接段平臺(頂高程61.2 m)不變,取消二級消力池前平臺(頂高程58.3 m),將一二級斜坡段坡度1:4改為1:7,直接與二級消力池前端齒坎頂端相連。試驗表明,與原方案類似,小流量時水流以挑流的形式流入二級消力池,未能形成二級水躍消能。該方案不成立。

方案3:延長原方案連接段平臺(頂高程61.2 m)長度3.6 m,頂高程降低0.2 m至61.0 m;取消二級消力池前端平臺(頂高程58.3 m)和齒坎,將連接段1:4斜坡直接與二級消力池底板(高程56.5 m)相接。試驗表明,各級洪水條件下,水流進(jìn)入二級消力池后主流貼近池底,在二級消力池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍,符合底流消能規(guī)律。而一級消力池在流量小于16 000 m3/s時形成穩(wěn)定水躍,流量增大后就不能產(chǎn)生水躍消能。

方案4:在方案3的基礎(chǔ)上,連接段平臺(頂高程61.0 m)末端增設(shè)一道坎,經(jīng)過多個方案試驗論證,最終取為高0.6 m、寬0.5 m的小坎。試驗表明,各級洪水條件下,一、二級消力池均形成良好的消能水躍。該方案是較為理想的消能工布置方案之一。

方案5:延長原方案連接段平臺(頂高程61.2 m)長度2.08 m,頂高程增高0.2 m為61.4 m;取消二級消力池前端平臺(頂高程58.3 m)和齒坎,將連接段1:4斜坡直接與二級消力池底板(高程56.5 m)相接。試驗表明,各級洪水條件下,一、二級消力池均形成穩(wěn)定水躍,具有良好的底流消能效果(見圖5)。該方案是較為理想的消能工布置方案之一。

圖5 優(yōu)化加固方案5的消能工斷面布置(單位:m)Fig.5 Section of flood releasing structure of the fifth optimized reinforcement scheme(unit:m)

對比5種消能工優(yōu)化方案,連接段平臺(頂高程61.2 m)和斜坡布置直接影響一級消力池內(nèi)流態(tài),當(dāng)平臺高程降低或斜坡變緩均導(dǎo)致大流量時一級消力池內(nèi)不形成水躍,而方案4平臺設(shè)小坎和方案5平臺增高均保證一級消力池內(nèi)形成穩(wěn)定消能水躍,在保證二級消力池內(nèi)仍有良好流態(tài)的前提下發(fā)揮最大的消能效果。

二級消力池前端平臺(頂高程58.3 m)和齒坎直接影響二級消力池內(nèi)流態(tài),原方案、方案1和方案2中保留平臺和齒坎均導(dǎo)致小流量時水流挑流進(jìn)入二級消力池,甚至在二級消力池內(nèi)不形成水躍,方案4和方案5中去掉平臺和齒坎均保證二級消力池內(nèi)形成穩(wěn)定消能水躍,水流進(jìn)入二級消力池后主流貼近池底,符合底流消能規(guī)律。

因此,推薦方案4和方案5作為優(yōu)化加固方案。同時建議加大加固連接段平臺和斜坡段強(qiáng)度,且止水和排水設(shè)施齊全。在運(yùn)行中加強(qiáng)觀測,控制下游河道水位下切,并特別關(guān)注可能產(chǎn)生的裂縫、止排水效果和板塊間縫隙的防滲和止水問題,確保工程長期運(yùn)行安全。

小埠東橡膠壩下游消能工實際采用了方案5,經(jīng)過2010年加固實施后,在2012年遭遇8 000 m3/s以上洪水未產(chǎn)生破壞,說明應(yīng)對策略正確,扭轉(zhuǎn)了消能工屢修屢壞的局面,達(dá)到了預(yù)期目的。

4 下游河床下切控制

下游河床由砂礫組成,中值粒徑約為1.3 mm,工程運(yùn)行中易發(fā)生沖蝕下切。在下游水位持續(xù)下降過程中,二級消力池下游會產(chǎn)生明顯的水跌或二次水躍,甚至不能形成水躍,水流將以挑流的形式流入下游河道,這將會對下游河道產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷,進(jìn)而危及消能工安全。

試驗觀測了因下游水位下降,推薦消能工結(jié)構(gòu)二級消力池內(nèi)產(chǎn)生明顯水跌或二次水躍的下游臨界水位,試驗結(jié)果見表3。在8 000 m3/s以上流量情況下,下游水位降到一定程度,二級消力池不再產(chǎn)生水躍,水流以挑流的方式流入下游河道(見圖6),將對下游造成嚴(yán)重沖刷并危及消能工的安全。下游河道河床下切的允許值隨流量的增大而增大(表3),為了滿足各級洪水條件下推薦消能工對下游水位的要求,下游河道下切的極限不宜超過1.0 m。

此外,動床試驗表明,下游河床鋪設(shè)粒徑為13 mm的礫石即可達(dá)到保護(hù)砂礫河床的作用,在4 500 m3/s以下,下游河道無明顯沖刷;在8 000 m3/s以上,沖深也顯著減小。因此在工程中,建議采用廢舊混凝土石料進(jìn)行下游防護(hù)以取得較好的防護(hù)效果。

表3 各級洪水下游極限水位和河床極限下切深度Tab.3 Downstream limit water level and limit riverbed incision depth under flood conditions

圖6 超過水位下切極限后水流以挑流方式流入下游河道Fig.6 Discharging flow into the downstream channel in the form of ski-jump

5 結(jié) 語

閘壩下游河床下切導(dǎo)致水位降低,原有消能工不滿足消能要求,危及工程安全。本文以小埠東橡膠壩兩級消力池聯(lián)合消能工為例研究了應(yīng)對策略,并在實際應(yīng)用中取得了預(yù)期效果,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)一、二級消力池連接段平臺和斜坡為急流區(qū),是加固的重點(diǎn)部位。建議增大加固強(qiáng)度,且止水和排水設(shè)施齊全。

(2)當(dāng)一級消力池尾部平臺高程降低或斜坡變緩時,大流量條件下一級消力池內(nèi)不形成水躍,但在平臺設(shè)小坎或平臺增高后,一級消力池內(nèi)形成穩(wěn)定消能水躍,在保證二級消力池內(nèi)仍有良好流態(tài)的前提下發(fā)揮最大的消能作用。

(3)二級消力池前端平臺和齒坎導(dǎo)致小流量水流挑流進(jìn)入二級消力池,不形成水躍,當(dāng)去掉平臺和齒坎后,主流貼近池底并形成穩(wěn)定水躍,符合底流消能規(guī)律。

(4)本工程河床下切不宜超過1.0 m,建議采用廢舊混凝土石料對下游河床進(jìn)行防護(hù)。

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Riverbed incision damagable to hydraulic structure and its countermeasures

LI Yan-fu,HAN Chang-hai,YANG Yu
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

Riverbed incision at the downstream of the dam would induce fall in water level and water level fluctuation.As a result,the original energy dissipater of the dam can not be able to dissipate water power completely.Rising water power will destroy the energy dissipation structure.An energy dissipation structure having two steps is used in the Xiaobudong rubber dam.Due to excessive sand mining,the riverbed was sharply incised for successive years,the energy dissipation structure was thus destructed.The structure was reinforced many times, but during a heavy flood the energy dissipation structure between the first stilling pool and the second still pool was destroyed around the whole dam line,which brought huge economic losses and threat to the Xiaobudong rubber dam.In this study,based on hydraulic experiments,the failure of the energy dissipator of the Xiaobudong dam is analyzed.The connection section between the first and second energy dissipaters has been re-designed,and as a result,in the first and second stilling basins,stable hydraulic jump is formed,and the energy dissipator is found in good condition.Besides,the limit depth of riverbed incision is also studied.After reinforcement measures are actually implemented,the energy dissipator of the dam is able to dissipate the water power completely,and the energy dissipation structure suffers no damage again.The ideas and measures of the reinforcement in this study can provide a reference for other energy dissipators facing the similar threat caused by riverbed incision.

riverbed incision;energy dissipation structure;energy dissipater having two steps;hydraulic experiment for energy dissipation;limit riverbed incision depth

TV653

A

1009-640X(2014)06-0058-07

2014-06-10

李艷富(1983-),女,黑龍江鶴崗人,工程師,博士,主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail:yfli@nhri.cn