烏牛新閘下游沖刷模型試驗及經驗公式適用性

田小平,王 斌,陳 劍

(1.溫州市水利電力勘測設計院,浙江溫州 325009;2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

烏牛新閘下游沖刷模型試驗及經驗公式適用性

田小平1,王 斌2,陳 劍1

(1.溫州市水利電力勘測設計院,浙江溫州 325009;2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

針對烏牛新閘閘下沖刷問題,建立水閘物理模型并觀測閘下沖刷坑的形成及發(fā)展過程,研究沖刷坑位置及深度隨時間的變化規(guī)律,并將試驗成果與兩種常用的沖刷公式計算結果進行對比分析,探索了沖刷公式在平原地區(qū)淤泥土質中的適用性。結果表明:當下游潮位較低時,過閘水流在防沖槽末端形成跌流,水流翻滾劇烈,對下游河道沖刷明顯;隨著匯合口河道地形的長期沖刷,匯合口附近的水躍逐漸消失;隨著時間加長,沖刷坑位置整體有所下移,沖刷深度從快速增大逐漸趨于穩(wěn)定;在平原地區(qū)淤泥土質中,毛昶熙公式計算的閘下最大沖刷深度與試驗成果較為一致,具有較好的適用性。

烏牛新閘;閘下潮位;沖刷坑;最大沖刷深度;典型潮位過程;動床試驗;經驗公式

平原地區(qū)河道斷面往往寬而淺,水閘建成后常常存在單寬流量大、閘下局部流速大、水流流態(tài)復雜、水流對河床的沖刷力大等問題,因此水閘下游沖刷一直是水閘工程的重點和難點。

研究水閘下游沖刷的方法主要有現場觀測、模型試驗、理論分析和數值模擬。史斌等[1]通過曹娥江樞紐閘下沖刷模型試驗,提出了采用臺級法模擬非恒定過程,探討了洪峰流量和沖刷歷時對沖刷坑深度的影響,并得出了較為合理的沖刷坑深度。王斌等[2]采用三維數值模擬軟件Flow-3D對烏牛新閘的水動力和閘下沖刷情況進行了模擬,結果表明該軟件對低水頭閘下三維水流數值模擬和沖刷研究具有較好的適用性。

本文建立水閘物理模型,觀測烏牛新閘下沖刷坑的形成及發(fā)展過程,研究沖刷坑的位置及深度隨時間的變化規(guī)律,并將模型試驗成果與兩種常用的沖刷公式計算結果進行對比分析,探索沖刷公式在平原地區(qū)淤泥土質的適用性,進而為水閘工程建設提供科學依據。

1 工程布置

烏牛新閘位于浙江省溫州市烏牛溪流域下游與甌江匯合處,為中型排水及擋潮閘,承擔著烏牛溪流域的防洪擋潮和排澇任務,設計排水標準為20年一遇,擋潮標準為50年一遇[3]。烏牛溪流域集水面積86.0 km2,上、中游為山區(qū)和丘陵,下游為平原和低丘區(qū)。水閘上游河道寬 70.0 m,下游引河長約110.0 m。閘址處為深厚軟土地基,河床表層以下依次為淤泥及淤泥質黏土,其中淤泥層厚度18～24m,淤泥質黏土層厚度8～11 m。淤泥層泥沙中值粒徑d50在0.0019～0.0034mm之間,平均值為0.0023 mm; d60在0.0028～0.0060mm之間,平均值為0.0038mm。

烏牛新閘閘室為5孔,每孔凈寬8.0 m,中間的隔離墩將閘室劃分為左側3孔(1～3號孔)和右側2孔(4、5號孔),閘檻高程為-1.0 m,設計流量776.0 m3/s。從上游至下游,水閘工程主要包括上游護底段、閘室段、下游消能防沖段、下游兩側接線堤等幾部分,水閘縱剖面如圖1所示。

烏牛新閘的設計特征水位和潮位是:①閘上正常蓄水位2.70m,閘上設計洪水位4.26m,閘上設計低水位-1.00 m;②閘下設計高潮位5.35 m,設計低潮位-2.87 m。

烏牛新閘控制運行工況的技術條件是:①當閘上水位高于閘下潮位且超過正常蓄水位時,開啟水閘進行排水;當閘上水位低于閘下潮位或降低至正常蓄水位時,關閉水閘。②盡量在閘上水位超過正常蓄水位且比閘下潮位高0.2～0.3 m時開閘排水,避免在閘下無水時開閘。

圖1 水閘縱剖面圖(單位:m)

圖2 動床試驗的典型潮位過程線

2 模型試驗

2.1 試驗設計

模型試驗按照重力相似準則設計[4],為正態(tài)模型,幾何比尺為1∶40,模型范圍上游取至閘上260m,下游取至閘下400 m,閘下河道與甌江匯合口橫向寬度約280 m。選取模型沙首要考慮泥沙的起動相似準則,其次考慮水下休止角的相似準則。根據烏牛新閘閘下河道及甌江匯合口附近的地質資料,河床表層以下依次為淤泥及淤泥質黏土。采用沙玉清[5]和張瑞瑾等[6]泥沙起動流速公式計算,按比尺換算后,所需模型沙的中值粒徑約為0.44 mm,因此模型沙可采用天然沙,且該材質能直觀地反映閘下泥沙的水下休止角,可以較好地模擬沖刷坑形態(tài),滿足烏牛新閘閘下局部沖刷試驗的要求。

動床試驗主要模擬閘下最大沖刷深度及沖刷坑形態(tài),閘上水位為固定值,閘下潮位考慮甌江典型潮位過程和固定潮位兩種控制方式,甌江典型潮位過程中的最高潮位4.04 m,最低潮位-2.37 m,為2年一遇設計潮型;多年平均潮位0.47m,多年平均低潮位-1.64 m。上、下游水位、潮位采用自動水位和流量尾門控制系統實時調控,通過電腦及機械控制達到水位、潮位變化的目的。試驗共有6組方案,試驗方案詳見表1。

動床試驗的典型潮位過程線如圖2所示,當閘上水位為正常蓄水位、閘下潮位接近2.00 m時,模型沙基本沒有起動,因此沒有模擬閘下潮位高于2.00 m的情況。

2.2 試驗結果與分析

表2為甌江典型潮位過程中兩種工況在不同沖刷時間的最大沖刷深度。從表2可以看出,正常蓄水位工況的沖刷形態(tài)與設計洪水位工況較接近,僅量值較小,隨著時間的增長,沖刷坑位置整體有所下移,沖刷深度從快速增大逐漸趨于穩(wěn)定。

閘下沖刷后的地形等高線如圖3所示,閘下右岸堤腳在不同位置的沖刷深度如圖4所示。

從表2和圖3、圖4可以看出:①當下游潮位較高時,閘下流態(tài)整體較為平順,泥沙起動較少;當下游潮位較低時,過閘水流在防沖槽末端形成跌流,水流翻滾劇烈,對下游河道造成明顯沖刷,大量泥沙被帶入下游河道,隨著匯合口河道地形沖刷變深,匯合口附近水躍逐漸消失。②受模型沙沉降速度不相似影響,閘下局部起動的泥沙迅速在下游河道落淤,因此閘下游130 m以外河道的沖刷深度相對偏小,通過經驗公式計算平均沖深約4.8 m。

另外,通過試驗還觀測了甌江潮位為多年平均潮位0.47m以及多年平均低潮位-1.64m這兩組特征潮位工況的沖刷坑形態(tài),其與甌江典型潮位過程的沖刷結果基本接近。當下游潮位為多年平均潮位0.47 m時,閘下流態(tài)整體較為平順,沖坑相對較淺,最大沖刷深度約為5.1 m;當下游潮位為多年平均低潮位-1.64 m時,水流在防沖槽末端形成跌流,流態(tài)與典型潮位過程的低潮位時刻相似,最大沖深為10.6 m,沖刷坑位置較典型潮位過程更靠近防沖槽末端。

表1 動床試驗方案

表2 典型潮位過程的最大沖刷深度

圖3 閘下沖刷后的地形等高線(單位:m)

圖4 閘下右岸堤腳在不同位置的沖刷深度

3 沖刷公式及計算結果

3.1 沖刷公式

目前,計算最大沖刷深度的公式較多,常用的是SL265—2001《水閘設計規(guī)范》[7]中推薦的公式和南京水利科學研究院毛昶熙[8]公式,其中 SL 265—2001《水閘設計規(guī)范》推薦的公式為

式中:dm為海漫末端河床沖刷深度,m;qm為海漫末端單寬流量,m3/(s·m);v0為河床土質允許不沖流速,m/s;hm為海漫末端河床水深,m。毛昶熙公式為

式中:tp為河床沖刷深度,m;q為河床單寬流量, m3/(s·m);ε為流速分布不均勻性的動量修正系數,取1.1;d為河床土粒直徑,取0.0038 mm;s為土粒質量與水質量的比值,取2.65;g為重力加速度, m/s2;h為水深,m;y為最大流速的位置高度,m。

對比式(1)和式(2)可以看出,前者形式較為簡單,考慮的因素較少,而后者考慮了河床土質、水流擴散和水深等因素,形式較復雜。

3.2 沖刷計算

利用式(1)和式(2)計算烏牛新閘最大沖刷深度,計算結果見表3。

表3 最大沖刷深度計算結果

由表3可知,正常蓄水位工況時,式(1)計算結果較式(2)小3.3 m,兩者的比值為56.0%;設計洪水位工況時,式(1)計算結果較式(2)小5.5 m,兩者的比值約為 57.4%。總之,式(1)計算結果比式(2)偏小。

將計算結果和試驗結果進行比較發(fā)現,在正常蓄水位工況和設計洪水位工況下,式(2)計算的沖刷深度分別為7.5 m和12.9 m,試驗得到的沖刷深度分別為8.7 m和12.9 m,兩者的結果比較接近,由此說明在平原地區(qū)淤泥土質條件下,采用毛昶熙公式計算水閘沖刷深度是合適的,而SL265—2001《水閘設計規(guī)范》推薦的公式計算結果偏差較大。

4 結 論

a.在正常蓄水位和設計洪水位工況下,當下游潮位較高時,水閘下游流態(tài)整體較為平順,泥沙起動較少;當下游潮位較高時,過閘水流在防沖槽末端形成跌流,水流翻滾劇烈,對下游河道造成明顯沖刷,沖刷坑位置靠近防沖槽末端,最大沖刷深度分別為8.7 m、12.9 m;隨著時間增長,沖刷坑位置整體有所下移,沖刷深度從快速增大逐漸趨于穩(wěn)定;水閘下游局部起動的泥沙迅速在下游130 m以外河道落淤,沖刷深度也相對偏小。

b.在正常蓄水位和設計洪水位工況下,毛昶熙公式的計算結果與試驗結果較為一致,說明在平原地區(qū)淤泥土質條件下,采用毛昶熙公式計算水閘沖刷深度是合適的,而SL265—2001《水閘設計規(guī)范》推薦公式計算結果偏差較大。

[1]史斌,包中進,陸芳春.曹娥江樞紐閘下沖刷試驗研究[J].浙江水利科技,2004(6):32-34.(SHI Bin,BAO Zhongjin,LU fangchun.Experimental research on scour of Cao'e Sluice[J].Zhejiang Hydrotechnics,2004(6):32-34.(in Chinese))

[2]王斌,王月華,包中進.浙江烏牛新閘閘下三維水流沖刷數值模擬研究[J].人民長江,2013,44(13):55-57. (WANG Bin,WANG Yuehua,BAO Zhongjin.Numerical simulation research on downstream three-dimensional flow and scouring of new Wuniu Sluice in Zhejiang Province [J].Yangtze River,2013,44(13):55-57.(in Chinese))

[3]田小平.溫州市烏牛新閘工程初步設計[R].溫州:溫州市水利電力勘測設計院,2010.

[4]王斌.永嘉縣烏牛新閘水工模型試驗研究報告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[5]沙玉清.泥沙運動學引論[M].北京:中國工業(yè)出版社, 1965.

[6]張瑞瑾,謝鑒衡,陳文彪.河流動力學[M].北京:中國工業(yè)出版社,1961.

[7]SL265—2001 水閘設計規(guī)范[S].

[8]毛昶熙.水工建筑物下游局部沖刷綜合研究[M].北京:水利電力出版社,1959.

Model experiment and adaptability of empirical formula research on downstream flow and scouring of new Wuniu sluice//

TIAN Xiaoping1,WANG Bin2,CHEN Jian1
(1.Wenzhou Institute of Hydraulic Design,Wenzhou 325009,China;2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020,China)

Elaborate on the downstream scouring problem,a physical model is established to observe the formation and development process of the scouring pit.Furthermore,the scouring pit location and depth variation with time is studied. Additionally,the results of physical model experiment and the empirical formula are compared and analyzed to explore the adaptability of the empirical formula in the plains of silt soil.The main conclusion of this work is that during low tide of the downstream,the lockage water forms drop flow in the scour stone cages causing significant erosion on the downstream.With the long-term erosion at the confluence of river terrain,the hydraulic jump near the confluence disappears gradually in the fixed bed physical model.With longer time,the scouring pit location shifts downward and the scouring pit depth increases from fast to a stable state.Moreover,in the plains of silt soil,the maximum scouring pit depth calculated from the Mao Chang-xu empirical formula of Nanjing Hydraulic Research Institute(NHRI)is consistent with the results of the physical model experiment,which means that the formula can be applied in practice.

new Wuniu sluice;downstream tide level;scouring pit;maximum scouring pit depth;typical tidal process; movable-bed experiment;empirical formula

TV653

:A

:1006-7647(2014)04-0075-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.016

2013-0929 編輯:周紅梅)

田小平(1974—),男,重慶開縣人,高級工程師,主要從事水利工程規(guī)劃設計工作。E-mail:370643181@qq.com