多泥沙河流覆蓋層基礎(chǔ)上的水閘消能工研究

張彥輝　于海龍　劉春玉

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，湖北 宜昌　443000;2.中南勘測設(shè)計研究院，湖北 宜昌　443000)

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多泥沙河流覆蓋層基礎(chǔ)上的水閘消能工研究

張彥輝1于海龍2劉春玉1

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，湖北 宜昌443000;2.中南勘測設(shè)計研究院，湖北 宜昌443000)

【摘要】水閘是一種利用閘門擋水和泄水的低水頭水工建筑物，在水利工程中有十分廣泛的應(yīng)用[1]。目前很多水閘建在多泥沙河流覆蓋層地基上，水閘在泄流時，盡管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，而土基的抗沖能力較低，可能引起水閘下游的沖刷，威脅水閘安全。本文結(jié)合宜昌市公益類科技項目“鄂西地區(qū)多泥沙河流覆蓋層基礎(chǔ)上的水閘消能工研究”，根據(jù)多泥沙河流的特點，將四川省甘孜州得榮縣門扎水電站水閘及其所在河段地形條件按一定比例縮小制成模型進行試驗，對閘孔全開和單孔局開下泄各級流量的動床模型的沖坑位置、沖坑深度及沖刷范圍進行比較，提出對消能建筑物的優(yōu)化方案，為類似工程提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水閘；斜坡護坦；海漫；模型試驗

1　工程概況

四川省甘孜州得榮縣門扎水電站工程樞紐由攔河壩、左岸引水系統(tǒng)、左岸岸邊式地面廠房等建筑物組成。攔河壩由左、右岸擋水壩段及河床泄水壩段組成，左、右岸擋水壩壩型均為混凝土重力壩；河床泄水壩段由1孔泄洪沖沙閘及2孔泄洪閘組成，孔口尺寸均為10.0m×7.5m(寬×高)。泄洪(沖沙)閘下游接斜坡護坦及混凝土四面體海漫，攔河壩最大壩高14.5m，壩基均坐落在覆蓋層上。水電站水庫正常蓄水位2270.00m，相應(yīng)庫容19.46萬m3，設(shè)計洪水位2269.72m，校核洪水位2271.86m，總庫容32.28萬m3，死水位2269.00m，調(diào)節(jié)庫容4.88萬m3。電站裝機2臺，額定引用流量77.8m3/s，總裝機容量90MW；屬Ⅲ等中型工程。

由于電站庫容較小，庫沙比小于1，屬泥沙問題嚴(yán)重類別，傳統(tǒng)的消力池消能方式在泄洪沖沙時砂礫石在消力池內(nèi)旋滾磨損消力池底板混凝土，會對消力池底板造成嚴(yán)重的沖刷磨損，因此將該水閘及其所在河段地形條件按一定的比例縮小制成模型進行試驗，對閘孔全開和單孔局開下泄各級流量的動床模型的沖坑位置、沖坑深度及沖刷范圍進行比較，提出對消能建筑物的優(yōu)化方案，確定斜坡護坦末端防淘槽及海漫末端防沖槽深度、混凝土四面體海漫的長度及混凝土四面體的重量，以及下游河道及岸坡的防護范圍等[2-3]。

2　模型制作

試驗?zāi)Ｐ鸵罁?jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型比尺1∶40，引用規(guī)范為《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL 155—95)[4-5]。模型模擬河道總長1000m，其中上游300m，下游700m，河道地形根據(jù)1∶500地形圖用水泥砂漿抹制，泄水建筑物用有機玻璃制作。模型上、下游水位測點分別布置于樁號壩0-100.000、壩0+450.000處，上、下游水位用固定測針施測。閘室水面線高程采用鋼直尺測量，流速用光纖式旋槳流速儀測讀，河道水面線和沖刷坑形態(tài)用活動測針測讀。

下游河道動床鋪設(shè)范圍為樁號0+047.000～0+140.000，依據(jù)該河床抗沖流速(v=2.00m/s)，選用平均粒徑4mm左右的河砂作為模型沖刷材料，樁號0+047.000～0+100.000動床平均鋪沙高程2262.00m，樁號0+100.000～0+140.000動床按原河床地形鋪設(shè)。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1　試驗?zāi)Ｐ?/p>

3　研究過程

采用水工整體模型試驗對該工程消能工進行研究，通過對消能方式的不斷調(diào)整和優(yōu)化，最終確定最優(yōu)方案。試驗組次見表1[6]。

表1　試驗組次

3.1方案Ⅰ

泄洪沖沙閘下游接斜坡式護坦，護坦長27.00m，縱坡i=1.852%，以樁號壩0+044.207為起點，在護坦末端增設(shè)坡比為1∶4的斜坎，坎頂高程2262.50m，坎頂寬度1m，護坦后接鋼筋石籠海漫長48.00m，頂部高程2262.00m，見圖2。

圖2　方案Ⅰ泄洪沖沙閘縱剖面

通過試驗得出方案Ⅰ下游沖坑特征值和沖坑情況，見表2和圖3～圖4。

表2　方案Ⅰ沖坑特征值

注橫距為測點距③孔中線距離(左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù))，動床鋪沙高程2262.00m，護坦末端樁號0+47.00。

圖3　方案Ⅰ工況1沖坑示意圖

圖4　方案Ⅰ工況2沖坑示意圖

工況1、工況2泄洪沖沙閘局開運行時，動床沖刷較為明顯，主沖坑基本位于③孔中心線方向，工況1沖坑最深點高程為2257.26m(樁號0+062.6000)，沖坑深4.74m，工況2沖坑最深點高程為2254.96m(樁號0+070.600)，沖坑深7.04m，樁號0+047.000～樁號0+110.000段動床沿左側(cè)邊坡坡腳下切深度均在2m以上，工況1最大下切深度為 3.26m，工況2最大下切深度達到了7.04m，且距離沖坑最深點較近，不利于邊坡的防護與穩(wěn)定。

工況3①、②號泄洪閘局開運行時，動床雖然有沖坑形成，但沖刷深度有限，工況1～工況3護坦末端(樁號0+047.000)沖刷深度均小于1.30m；三孔全開泄洪時，由于過閘水流水頭差較小，護坦末端臨底流速降低，下泄水流對下游動床沖刷輕微，且無明顯沖坑形成，因此，在本次方案及后續(xù)修改方案試驗過程中，將不再對工況4～工況6進行施測，重點圍繞閘門局部開啟運行下泄中小流量上、下游水位差較大的不利工況進行試驗。

3.2方案Ⅱ

泄洪沖沙閘下游接斜坡式護坦，護坦長27.00m，縱坡i=1.852%，護坦后樁號壩0+047.000～壩0+051.000增設(shè)4.00m長的防沖跌坎，坎頂高程2261.00m，見圖5。

圖5　方案Ⅱ泄洪沖沙閘縱剖面

通過試驗得出方案Ⅱ下游沖坑特征值和沖坑情況，見表3和圖6～圖7。

表3　修改方案Ⅱ沖坑特征值

注橫距為測點距③孔中線距離(左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù))，動床鋪沙高程2262.00m，護坦末端樁號為0+47.00m。

圖6　方案Ⅱ工況1沖坑示意圖

圖7　方案Ⅱ工況2沖坑示意圖

工況1最大沖坑深度4.48m，左邊坡坡腳下切深度為3.10m，護坦末端沖坑深度為2.10m；工況2最大沖坑深度6.88m，左邊坡坡腳下切深度為6.88m，護坦末端沖坑深度為2.90m。與方案Ⅰ相比，工況3變化不大，工況1、工況2在沖坑深度及左邊坡下切深度上均有不同程度的減小，但護坦末端沖刷深度有顯著增大，故此方案防沖效果不理想。

3.3方案Ⅲ

泄洪沖沙閘下游接斜坡式護坦，護坦長27.00m，縱坡i=1.852%，護坦后接鋼筋石籠海漫長48.00m，頂部高程2262.00m，見圖8。

圖8　方案Ⅲ泄洪沖沙閘縱剖面

通過試驗得出方案Ⅲ下游沖坑特征值和沖坑情況，見表4和圖9～圖10。

表4　方案Ⅲ沖坑特征值

注橫距為測點距③孔中線距離(左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù))，動床鋪沙高程2262.00m，護坦末端樁號0+47.00。

圖9　方案Ⅲ工況1沖坑示意圖

圖10　方案Ⅲ工況2沖坑示意圖

從試驗成果可以看出，工況1、工況2在沖坑深度及左邊坡下切深度上均比方案Ⅰ、方案Ⅱ減??；工況1～工況3護坦末端沖刷深度小于1.30m，坡度比小于1∶2.5，故下游沖坑不會對泄洪建筑物安全構(gòu)成威脅，由此得出方案Ⅲ的防滲效果最好。但工況1、工況2泄洪沖沙閘局開運行時，最大沖坑深度分別為4.45m和6.80m，左側(cè)邊坡坡腳最大下切深度分別為 2.28m和 5.52m，且距離沖坑最深點較近，不利于邊坡的防護與穩(wěn)定；針對泄洪沖沙閘局開運行所引起的左岸邊坡防護與穩(wěn)定問題，采取工程措施(如閘室末端采用護坦+混凝土四面體海漫等型式)減輕下泄水流對河床的沖刷，將工況1泄洪沖沙閘單開泄洪時下游河床的沖坑深度控制在3m左右。

3.4方案Ⅳ

在方案Ⅲ的基礎(chǔ)上，對護坦后樁號壩0+047.000～壩0+067.000段河床采用重約2t(棱長a=1.96m)的四面體海漫進行防護(四面體按單層規(guī)則擺放，頂部高程2262.00m)，見圖11。

圖11　方案Ⅳ泄洪沖沙閘縱剖面

采用四面體海漫進行防護后，工況1海漫段主流流速并沒有迅速減小，①、②孔后樁號0+47.000～0+105.000之間的回流區(qū)對主流的擠壓較方案Ⅲ更為明顯，主流順著左側(cè)邊坡直接沖刷坡腳，見圖12。沖刷時間持續(xù)45min后(相當(dāng)于原型時間4.7h)，水流陸續(xù)將部分四面體沖走，并散落在沖坑內(nèi)靠左側(cè)邊坡坡腳一帶，沖坑最深點與左邊坡最大下切深度位置均在樁號0+082.200處，高程為2259.24m，沖坑深度為2.76m，見圖13；只有少部分重約2t的四面體滯留在沖刷坑內(nèi)，動床的抗沖刷能力提高有限 。

圖12　方案Ⅳ工況1 (Q=100m3/s)流態(tài)

圖13　方案Ⅳ工況1 (Q=100m3/s)下游沖刷

3.5方案Ⅴ

在方案Ⅳ基礎(chǔ)上，將四面體重量增大至6t左右(棱長a=2.80m)，護坦后海漫防護長度由樁號壩0+067.000延伸至樁號壩0+077.000(四面體按單層規(guī)則擺放，頂部高程2262.00m)，見圖14。

圖14　修改方案Ⅴ泄洪沖沙閘縱剖面

工況1(Q=100m3/s)泄洪沖沙閘局開運行時初期，四面體防護層無失穩(wěn)流失現(xiàn)象，護坦末端(0+047.000)臨底流速為8.91m/s，海漫末端主沖坑形成后，末排四面體有較少滑動，見圖15。沖坑最深點位于樁號0+077.000③孔中線附近，高程為2259.54m，沖坑深度為2.46m，樁號0+085.400處左邊坡最大下切深度為1.64m，測點高程為2260.36m，見圖16。從工況1沖刷試驗數(shù)據(jù)可以看出，動床最大沖坑深度和左岸邊坡最大下切深度均小于3m，基本達到了預(yù)期的防沖效果。

圖15　方案Ⅴ工況1 (Q=100m3/s)流態(tài)

圖16　方案Ⅴ工況1 (Q=100m3/s)下游沖刷

工況2 (Q=200m3/s)(he=1.00m，上游水位2269.47m)流量時，三孔下泄水流均以遠驅(qū)水躍形式與下游水面銜接。①、②號孔水躍躍首在閘墩末端

樁號0+020.000～0+028.000之間，呈“八”字狀，③號孔水躍躍首在樁號0+020.000～0+025.000之間來回震蕩，見圖17。試驗對②孔中線方向沿程流速進行了施測，海漫段流速在0.50～2.15m/s之間，動床無沖刷現(xiàn)象，見圖18。

圖17　方案Ⅴ工況2 (Q=200m3/s)流態(tài)

圖18　方案Ⅴ工況2 (Q=200m3/s)下游沖刷

工況3(Q=200m3/s)① 、②孔局開(he=1.34m，上游水位2270.17m)運行時，下游流態(tài)與流量Q=100m3/s基本相似，見圖19，但遠驅(qū)水躍躍首位置發(fā)生變化，在樁號0+047.000～0+49.000之間。樁號0+075.000處底部流速為3.56m/s，四面體海漫末端動床沖刷輕微，無明顯沖坑形成，見圖20。

圖19　方案Ⅴ工況3 (Q=200m3/s)流態(tài)

圖20　方案Ⅴ工況3 (Q=200m3/s)下游沖刷

4　結(jié)　論

a.所有的方案在工況4～工況6三孔全開運行時，下游動床沖刷輕微。

b.對于下游護坦方案，方案Ⅲ流速和下游沖坑深度較方案Ⅰ和方案Ⅱ小很多，故此方案Ⅲ防沖效果相對較好。

c.方案Ⅲ工況1(Q=100m3/s)沖坑最深點高程為2257.55m，沖坑深度為4.45m，左岸邊坡最大下切深度為2.28m。工況2(Q=200m3/s)沖坑最深點高程為2255.20m，沖坑深6.80m，左邊坡坡腳下切深度達到5.52m。工況1、工況2泄洪沖沙閘局開運行時，護坦末端(樁號0+047.000)沖刷深度均小于1.30m，但左岸邊坡處動床下切深度均在2m以上，且距離沖坑最深點較近，不利于邊坡的防護與穩(wěn)定。工況3(①、②泄洪閘局開1.34m)下泄200m3/s流量時，沖坑最深點高程為2259.85m，沖坑深2.15m，右岸邊坡坡腳下切深度僅為0.72m，較工況2有明顯改善。

d.方案Ⅲ工況1～工況3運行時，從流速分布試驗成果可以看出，護坦沿程底部流速在7.65～10.55m/s之間，遠大于2m/s的河床抗沖流速，如縮短護坦長度，會導(dǎo)致護坦末端流速增大，對下游河床防沖和邊坡防護帶來負(fù)面影響。針對泄洪沖沙閘局開運行所引起的左岸邊坡防護與穩(wěn)定問題，采取工程措施(如閘室末端采用護坦+混凝土四面體海漫等型式)減輕下泄水流對河床的沖刷，將工況1泄洪沖沙閘單開泄洪時下游河床的沖坑深度控制在3m左右。

e.方案Ⅳ在樁號壩0+047.000～壩0+067.000段河床采用重約2t(棱長a=1.96m)的四面體海漫進行防護，水流陸續(xù)將部分四面體沖走，并散落在沖坑內(nèi)靠左側(cè)邊坡坡腳一帶，只有少部分重約2t的四面體滯留在沖刷坑內(nèi)，動床的抗沖刷能力提高有限。

f.方案Ⅴ在方案Ⅳ的基礎(chǔ)上將海漫增大至6t，通過試驗分析得出工況1～工況3的動床最大沖坑深度和左岸邊坡最大下切深度均小于3m，且流速降低很多，對下游無明顯沖刷，達到了預(yù)期的防沖效果。

由此得出該工程消能方式采用泄洪沖沙閘下游接斜坡式護坦，護坦長27.00m，縱坡i=1.852%，護坦后接重6t左右的混凝土四面體海漫(棱長a=2.80m)，海漫防護長度由樁號壩0+067.000延伸至樁號壩0+077.000。

5　展　望

應(yīng)在本試驗的基礎(chǔ)上，研究不同的下泄流量對下游沖刷的影響，確定泄洪沖沙閘局開運行的流量區(qū)間；綜合方案Ⅴ各閘門開啟工況沖刷試驗成果，提出泄洪調(diào)度方式。

參考文獻

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DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.017

中圖分類號：TV653

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8241(2016)07- 0054- 08

Research on water gate energy dissipater on foundation sediment river coverage layer

ZHANG Yanhui1, YU Hailong2, LIU Chunyu1

(1.HubeiThreeGorgesPolytechic,Yichang443000,China;2.ZhongnanEngineeringCorporationLimited,Yichang443000,China)

Abstract:Water gate is a low head hydraulic structure for retaining and sluicing by gates. It is applied widely in water conservancy projects[1]. Currently, many water gates are constructed on sediment river coverage layer foundation. The flow velocity is low during the sluicing of water gates, but water flow still has certain residual energy. The anti-scouring ability of earth base is lower, which may cause the downstream scouring of water gates, and threaten the safety of water gates. In the paper, Yichang public technology project—‘research on water gate energy dissipater on sediment river coverage layer foundation in Western Hubei’is combined. The water gate and corresponding river terrain conditions of Sichuan Ganzi Derong Menzha Hydropower Station are zoomed to produce models for test according to certain proportion on the basis of characteristics of sediment rivers. Shifting bed model scouring pit position, scouring pit depth and scouring scope at all sluicing flow rates are compared under sluice hole whole opening and single hole sect1ial opening. The optimization plan of energy dissipation buildings are proposed, thereby proposing basis for similar projects.

Key words:water gate; slope apron; sea apron; model test