柔性海漫與剛性海漫的抗沖效果分析

蘇天宇， 劉曉平， 張　宇， 羅鵬飛， 葉玉康

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙　410076)

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柔性海漫與剛性海漫的抗沖效果分析

蘇天宇， 劉曉平， 張宇， 羅鵬飛， 葉玉康

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙410076)

摘要：針對(duì)海漫后河床沖刷變形問題，結(jié)合某樞紐泄水閘斷面模型進(jìn)行了動(dòng)床試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型分析，結(jié)果表明：經(jīng)水流長(zhǎng)期淘刷河床使海漫后形成沖坑，反淘刷海漫地基，剛性海漫無法適應(yīng)河床沖刷后的變形，引起海漫基礎(chǔ)托空并有海漫被沖毀的風(fēng)險(xiǎn)；而柔性海漫可適應(yīng)河床沖刷后的變形，且糙率較大，消能擴(kuò)散更充分，相比傳統(tǒng)剛性海漫結(jié)構(gòu)有更好的消能防沖效果。

關(guān)鍵詞：柔性海漫； 剛性海漫； 抗沖效果； 紊動(dòng)能

1問題的提出

在水利樞紐泄水閘中，流經(jīng)消力池后的下泄水流，紊動(dòng)現(xiàn)象依然強(qiáng)烈，仍留有一定的剩余能量，會(huì)對(duì)下游河床產(chǎn)生沖刷，為此在消力池或護(hù)坦后的天然河床上鋪設(shè)海漫以抵抗水流長(zhǎng)期沖刷。統(tǒng)計(jì)顯示，103座大中型水利樞紐中，有58座因沖刷和淘刷破壞，占總數(shù)的56.7%[1-3]。如五強(qiáng)溪水電站[4]經(jīng)1996年沅水汛期后，左右消力池均遭受嚴(yán)重沖刷破壞，消力池底板被大面積掀起帶走；柳林水電站溢流壩[5]1981年檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)下游消力池尾坎底有上下游連通的孔道，兩側(cè)護(hù)坦和海漫沖成5～8 m直徑的深坑，1982年洪水過后護(hù)坦和海漫被沖毀面積占總面積的2/3以上，消力池底板處沖坑最深達(dá)4.3 m；在國(guó)外，孟加拉國(guó)的Karnafuli工程[6，7]在泄流中發(fā)現(xiàn)破壞跡象，關(guān)閘后發(fā)現(xiàn)消力池有約180 m寬20 m長(zhǎng)破壞區(qū)域，此類工程事故威脅到大壩及其下游人民的安全。傳統(tǒng)的海漫結(jié)構(gòu)形式采用漿砌石或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛性海漫無法適應(yīng)河床沖刷后的變形，從而引起基底掏空的現(xiàn)象，影響海漫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；而目前出現(xiàn)一種新型柔性海漫——雷諾護(hù)墊[8]運(yùn)用到工程實(shí)際中，取得了較好的工程效果。本文利用物理模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法在同一工況下對(duì)傳統(tǒng)剛性海漫結(jié)構(gòu)與柔性海漫結(jié)構(gòu)的消能防沖效果及變形適應(yīng)程度進(jìn)行對(duì)比研究。

2研究?jī)?nèi)容和方法

2.1物理模型概況

某泄水閘斷面水工模型[9]示意圖如圖1所示。試驗(yàn)在長(zhǎng)為20 m、寬0.8 m的水槽中進(jìn)行。物理模型幾何比尺為1∶50，按幾何相似、重力相似及阻力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，上游河床及護(hù)底長(zhǎng)8 m，閘室與消力池段模型長(zhǎng)度1.24 m，下游海漫及河床長(zhǎng)8 m。設(shè)泄水閘單孔凈寬0.490 m，兩側(cè)閘墩寬0.071 m，堰面選用折線堰形式，材料為PVC板。消力池內(nèi)梯形實(shí)體消力墩的尺寸為上底1 cm，下底6 cm，高5 cm，寬4 cm，消力池末端設(shè)差動(dòng)式尾檻，斜坡坡度1∶1。

圖1　泄水閘斷面圖(單位：高程以m計(jì)，其余均以cm計(jì))

該樞紐的河床覆蓋層主要為粒徑2～4 cm的雜色卵石，依據(jù)模型相似原理用式(1)換算模型沙粒徑為0.44～0.88 mm，故取中值粒徑為0.65 mm的均質(zhì)沙模擬下游河床覆蓋層。采用1 cm厚瓷板模擬0.5 m厚的混凝土海漫；采用柔性分孔均勻的布料分格模擬同樣尺寸的雷諾護(hù)墊，其中填充石塊則按模型比尺進(jìn)行換算并填入1 mm的砂石。

dm=dp/λL

(1)

式中：dm為換算后的模型石和模型沙的粒徑，m；dp為抗沖粒徑，m；λL為模型長(zhǎng)度比尺。

試驗(yàn)一為剛性海漫與柔性海漫在同一水流及邊界條件下的對(duì)比試驗(yàn)，主要分析不同海漫結(jié)構(gòu)形式的抗沖消能效果；試驗(yàn)二為達(dá)到與36 m長(zhǎng)柔性海漫抗沖效果相當(dāng)?shù)膭傂院ＢL(zhǎng)度確定試驗(yàn)。動(dòng)床試驗(yàn)條件由表1給出，泄水閘單寬流量為13.09 m3/(s·m)，觀測(cè)內(nèi)容為：沖刷穩(wěn)定時(shí)的海漫后地形；典型斷面(閘前、海漫入口、海漫出口以及尾水)處的垂線流速分布。

表1 消能防沖試驗(yàn)組次長(zhǎng)度/m厚度/m試驗(yàn)流量/(m3·s-1)閘門開度/m試驗(yàn)一360.521001.43

2.2數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

本節(jié)利用FLUENT建立樞紐泄水閘斷面數(shù)學(xué)模型，計(jì)算沖刷初期及末期時(shí)的水流狀況。流場(chǎng)計(jì)算選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，并用VOF法確定自由液面，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。其中非液面邊界設(shè)為空氣邊界，加設(shè)一個(gè)大氣壓強(qiáng)。為使下泄水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，模型計(jì)算時(shí)間設(shè)定為100 s。在保證計(jì)算精度與計(jì)算量的前提下，對(duì)海漫及下游河床網(wǎng)格劃分進(jìn)行局部加密，模型網(wǎng)格數(shù)約為5萬個(gè)(如圖2所示)。

圖2　局部加密示意圖

將數(shù)學(xué)模型計(jì)算的垂線流速分布與物理模型測(cè)量結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)吻合較好(如圖3所示)，說明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映泄水閘水流特征，可用于進(jìn)一步的流場(chǎng)分析。

圖3　典型斷面流速分布圖

3試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析

3.1海漫后沖坑形態(tài)分析

沖刷試驗(yàn)初期，下泄水流經(jīng)過剛性海漫后流速依然較大，海漫后泥沙最先起動(dòng)并以推移質(zhì)形態(tài)沿床面順?biāo)鳚L向下游，形成一小塊沖刷坑，隨沖刷時(shí)間變長(zhǎng)，泥沙起動(dòng)達(dá)到一定規(guī)模，沖刷坑向下游及兩側(cè)不斷擴(kuò)大。閘門開啟20 min后，海漫后沖刷坑沿深度方向擴(kuò)展速度變得緩慢，沖刷坑坡面上僅少量泥沙顆粒以沿河床面滾動(dòng)，或以跳躍的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使沖刷坑繼續(xù)向下游及兩側(cè)擴(kuò)大。導(dǎo)致海漫基底細(xì)顆粒砂石被逐漸掏空，因剛性海漫柔性不足，無法適應(yīng)河床沖刷后的變形，從而引起海漫基礎(chǔ)托空。而相同時(shí)刻柔性海漫后同樣有泥沙起動(dòng)現(xiàn)象，形成小型沖刷坑，隨著沖刷時(shí)間變長(zhǎng)，由于柔性海漫材料本身自適應(yīng)性很好，自身伴隨河床沖刷后的變形0.18 m，有效地抵抗水流的反淘刷作用，使泥沙不再起動(dòng)，最終沖坑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖4。

圖4　試驗(yàn)一沖坑地形對(duì)比圖

待沖刷穩(wěn)定后，剛性海漫沖刷坑最深點(diǎn)于海漫后5.4 m處，最大沖深點(diǎn)深度為1.44 m，最大坡比為1∶5；柔性沖刷坑最深點(diǎn)出現(xiàn)在海漫后11.25 m處，最大沖深點(diǎn)深度為0.47 m，最大坡比為1∶10，由以上觀測(cè)可知，柔性海漫后形成的沖刷坑坡比更有利于河床的穩(wěn)定且沖深較剛性海漫小0.97 m，說明柔性海漫起到了更好的消能抗沖效果。

3.2流場(chǎng)及紊動(dòng)能分析

利用動(dòng)床試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得剛性海漫周圍水流情況如圖5所示，在沖坑內(nèi)出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，回流區(qū)中心流速較小，但在回流區(qū)內(nèi)的下游河床表面及海漫表面流速較大(速度超過1 m/s)，且最大紊動(dòng)能達(dá)0.7 J，大于河道主流區(qū)內(nèi)紊動(dòng)能，且等值線較為密集，足以使河床表面泥沙起動(dòng)。回流區(qū)內(nèi)水流為順時(shí)針向坡腳運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水流與床面、坡腳發(fā)生摩擦碰撞后，水流通過切應(yīng)力與河床表面靜止的泥沙進(jìn)行能量交換，使回流區(qū)內(nèi)河床表面泥沙不斷起動(dòng)被帶向主流區(qū)再而帶向下游，而該處淘刷方向?yàn)橄蚱履_淘刷，呈現(xiàn)反淘刷現(xiàn)象。且沖坑坡腳淘刷至海漫基礎(chǔ)時(shí)，沖刷坑向剛性海漫基底發(fā)展且繼續(xù)擴(kuò)大。

同時(shí)，在沖刷坑斜坡2/3高度處為主流區(qū)與回流區(qū)交界處，此處流速較小，但在之上主流區(qū)內(nèi)的沖刷坑斜坡處，流速逐漸增大，且大于其上部水流流速，而在斜坡末端的河床表面同時(shí)受到兩個(gè)方向的水流沖刷，且方向都為向下游方向，當(dāng)在兩個(gè)方

圖5　鋪設(shè)剛性海漫時(shí)流線及紊動(dòng)能分布

向的水流與該處河床碰撞摩擦作用下，最大紊動(dòng)能處正好是近壁區(qū)水流下潛形成漩渦的區(qū)域，此處水流混摻作用強(qiáng)，紊動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致該處泥沙易起動(dòng)，并隨水流使沖坑同時(shí)向下游發(fā)展，沖刷坑有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，對(duì)海漫穩(wěn)定性有不利影響。

所得柔性海漫周圍水流情況如圖6所示，海漫末端流速較剛性海漫試驗(yàn)小0.05 m/s，水流流速沿水深均勻分布，紊動(dòng)范圍減小，有利于抵抗水流沖刷保護(hù)河床。沖坑內(nèi)最大紊動(dòng)能小于0.2 J，說明下游河床表面處水流紊動(dòng)不大，較剛性海漫沖坑內(nèi)紊動(dòng)能有大幅度減小，沖坑表面水流較穩(wěn)定，沖刷坑發(fā)展至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　鋪設(shè)柔性海漫時(shí)流線及紊動(dòng)能分布

3.3消能率分析

通過計(jì)算各方案閘前～海漫末端垂線的消能率(如表2所示)，海漫結(jié)構(gòu)主要依靠與水流接觸摩擦作用以及水流在海漫上的擴(kuò)散作用來達(dá)到消能效果，同樣長(zhǎng)度的柔性海漫其消能率比剛性海漫高2%，且海漫末端流速有所減緩。由于柔性海漫為網(wǎng)面內(nèi)部填充塊石結(jié)構(gòu)，其糟率大于剛性海漫；水流接觸的面積大于剛性結(jié)構(gòu)，水流在柔性海漫上的

表2 各方案閘前～海漫末端垂線消能率計(jì)算工況閘前斷面海漫末端斷面Z1/mh1/mv1/(m·s-1)E1/mZ2/mh2/mv2/(m·s-1)E2/m消能率[(E1-E2)/E1]/%方案11613.700.7313.73184.801.856.9749.2方案21613.700.7113.72184.731.806.8750.0方案31613.700.7313.73184.701.856.8750.0

摩擦作用相對(duì)較強(qiáng)。因此，柔性海漫消能效果優(yōu)于傳統(tǒng)剛性海漫。

3.4加長(zhǎng)剛性海漫試驗(yàn)分析

經(jīng)試驗(yàn)確定，將剛性海漫加長(zhǎng)至52 m左右(約為原剛性海漫長(zhǎng)度的144%)后與柔性海漫方案沖刷深度基本相似，沖刷坑最深點(diǎn)出現(xiàn)在海漫后2 m處，最大沖深點(diǎn)深度為0.53 m，最大坡比為1∶10。如圖7。

圖7　試驗(yàn)二沖坑地形對(duì)比圖

4結(jié)論

低水頭水利樞紐在運(yùn)行過程中，海漫后河床易受下泄水流作用發(fā)生沖刷淘刷現(xiàn)象。本文利用動(dòng)床試驗(yàn)觀測(cè)海漫后河床沖刷情況，通過數(shù)學(xué)模型研究分析其消能防沖效果與淘刷機(jī)理，對(duì)海漫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和閘壩消能防沖措施有一定參考價(jià)值。結(jié)果表明：

1) 通過試驗(yàn)比較，剛性海漫無法適應(yīng)河床沖刷后的變形，從而引起海漫基礎(chǔ)托空；但柔性海漫具有良好的自適應(yīng)性，能夠適應(yīng)河床的沖刷后的變形，抑制水流反淘刷作用，維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2) 柔性海漫消能率高于傳統(tǒng)剛性海漫，柔性海漫結(jié)構(gòu)的材料糙率、水流接觸的面積大于剛性海漫結(jié)構(gòu)，水流在柔性海漫上的摩擦作用較強(qiáng)，擴(kuò)散消能更充分。

3) 根據(jù)變長(zhǎng)度剛性海漫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)說明了在同種流量下，選用柔性海漫可以縮短海漫的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，節(jié)省工程造價(jià)和工程量。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0224-04

收稿日期:2016-03-24

基金項(xiàng)目: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)

作者簡(jiǎn)介:蘇天宇( 1991-) ，男，碩士研究生，主要從事港口、航道及近海工程研究。

中圖分類號(hào)：U 64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A