錢塘江河口近口段取水口附近河床局部沖刷試驗(yàn)研究

鄭國(guó)誕 ，陳韜霄 ，馬 駿 ，唐子文 ，陳 剛

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；4.杭州市港航管理局，浙江 杭州 310014）

杭州市桐廬縣現(xiàn)狀水廠取水口位于富春江電站下游約5.4 km，現(xiàn)存在取水規(guī)模不能滿足規(guī)劃供水需求及取水保證率不足的問題，擬將桐廬水廠取水口上移0.9 km，至富春江電站下游約4.5 km，具體位置見圖1。取水口的設(shè)置將引起河床局部沖刷，由于取水口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且取水的時(shí)候，還存在局部流態(tài)改變，無法用公式直接計(jì)算局部沖刷值，需利用水槽模型試驗(yàn)研究洪水作用下取水口附近局部沖刷深度。

圖1 取水口位置示意圖

1 概 況

1.1 河段概況

工程處于錢塘江近口段，以徑流為主，近口段的范圍為富春江大壩至聞家堰之間，總長(zhǎng)77.0 km，1960年新安江水庫(kù)建成后，具有明顯的削減洪峰作用，使流量在年內(nèi)的區(qū)域平均分配，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，梅汛期洪峰流量可削減20%左右，枯水期流量可增加22%左右。建庫(kù)后出現(xiàn)最多的洪水為2017年梅汛期洪水，富春江電站最大下泄流量14 900 m3/s，為1968年12月水庫(kù)蓄水以來出現(xiàn)的最大下泄流量，基本達(dá)到10 a一遇，下游之江站實(shí)測(cè)最大流量17 400 m3/s。

1.2 工程概況

取水口設(shè)計(jì)正常取水量15.75萬m3/d（1.82 m3/s），雙管進(jìn)水時(shí)，每個(gè)進(jìn)水口設(shè)計(jì)進(jìn)水量0.91 m3/s；單管進(jìn)水時(shí)，每個(gè)進(jìn)水口進(jìn)水量1.82 m3/s。設(shè)計(jì)最大取水量26.25萬m3/d（3.04 m3/s），雙管進(jìn)水時(shí)，每個(gè)進(jìn)水口設(shè)計(jì)進(jìn)水量1.52 m3/s；單管進(jìn)水時(shí)，每個(gè)進(jìn)水口進(jìn)水量3.04 m3/s。頭部采用樁架固定吸水喇叭口的形式，設(shè)計(jì)2只取水喇叭口；取水管道為2根DN1 200鋼管，直徑為1.20 m，從取水頭部穿過富春江江堤至取水泵房，取水頭部分2格，每格可獨(dú)立運(yùn)行，在頂部和側(cè)面設(shè)進(jìn)水口，并在進(jìn)水口設(shè)置格柵，頭部結(jié)構(gòu)示意見圖2，頭部模型示意見圖3。

圖2 取水口頭部結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型設(shè)計(jì)

由于取水口結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且在工作時(shí)還存在取水工況，局部流態(tài)復(fù)雜，用一般的經(jīng)驗(yàn)公式無法計(jì)算局部沖刷情況，也不適合利用變態(tài)的大比尺物理模型，宜通過小比尺水槽模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最大沖刷深度的研究。

2.1 模型比尺

試驗(yàn)在長(zhǎng)40.00 m，寬3.70 m的水槽中進(jìn)行。綜合考慮模型沙的選擇、取水口的尺寸以及試驗(yàn)場(chǎng)地等情況，確定模型幾何比尺為50。為了能較好地模擬原型水流運(yùn)動(dòng)，除了滿足重力相似、水流連續(xù)相似還滿足河床泥沙起動(dòng)相似以及水下休止角相似[2]。

2.2 模型沙選擇

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料顯示，工程區(qū)域可沖刷河床基本為砂礫卵石，厚8.20 ～ 8.30 m。河床中值粒徑為42.550 0 mm，懸沙中值粒徑在0.018 6 ～ 0.019 0 mm，經(jīng)結(jié)合張瑞瑾起動(dòng)公式和秦榮昱計(jì)算并考慮研究水域的水深情況，在水深為10.00 ～ 20.00 m下，中值粒徑為42.550 0 mm、平均粒徑為11.110 0 mm的泥沙起動(dòng)流速為1.60 ～ 1.95 m/s。按泥沙運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)相似模型率，試驗(yàn)中模型沙起動(dòng)流速應(yīng)為0.23 ～ 0.27 m/s，宜使用原型沙進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過對(duì)多種原型沙的綜合比較，選擇其中值粒徑約為0.300 0 mm，起動(dòng)流速為 0.25 ～ 0.30 m/s（模型水深 20 ～ 40 cm）[3]。

3 試驗(yàn)條件

3.1 水流條件[5]

工程位置靠近富春江電站，以徑流為主，徑流的年際變化較大且具有連續(xù)豐、枯水文年交替出現(xiàn)的情況，上游建庫(kù)以后，具有明顯的削減洪峰作用，使流量在年內(nèi)的分配區(qū)域平均，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，梅汛期洪峰流量可削減20%左右，枯水期流量可增加22%左右，富春江電站100 a一遇洪峰流量為23 100 m3/s，下游的桐廬水文站100 a一遇水位為15.25 m，根據(jù)并行化的平面二維數(shù)學(xué)模型[4]計(jì)算可知，取水口100 a一遇水位為17.40 m，取水口處最大流速為2.75 m/s。

3.2 起沖高程

取水口斷面靠右岸江道為航道，較為穩(wěn)定，沖淤幅度不大?？孔蟀督罃嗝嫘螒B(tài)變化較大，整體呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。圖4為2000年以來工程斷面形態(tài)圖，從圖4可知，2004 — 2011年取水口位置河床高程逐年加深，2011年高程接近-1.30 m，2011年以后取水口位置高程穩(wěn)定，2017 —2018年略有淤積，淤積幅度在0.20 m左右。取下包絡(luò)線作為試驗(yàn)的起沖高程，取水口位置高程為-1.30 m。

圖4 取水口歷年斷面形態(tài)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)工況

試驗(yàn)之前先進(jìn)行水流條件調(diào)試，試驗(yàn)段水流條件嚴(yán)格按照相似比尺轉(zhuǎn)化為模型水流條件進(jìn)行控制。水槽模型上、下游邊界采用水位控制，首先控制試驗(yàn)斷面水位至設(shè)計(jì)條件，然后調(diào)整上下游水位過程，最終使試驗(yàn)斷面水深和流速過程與模型所需值相符。實(shí)驗(yàn)工況共5組，分別為：?jiǎn)慰兹∷?.04 m3/s、單孔取水1.82 m3/s、雙孔取水3.04 m3/s、雙孔取水1.82 m3/s以及不取水。取水口設(shè)計(jì)流量的大小，按照相似比尺換算，選用配有流量計(jì)的水泵控制確保取水過程的相似性。

4 試驗(yàn)成果

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見，取水口鋼管樁附近有明顯的局部沖刷坑形成，主要由于鋼管樁等阻水建筑物的建設(shè)，來流受阻后部分轉(zhuǎn)向河底，產(chǎn)生下降水流，并在近河床處形成一橫軸反向旋流，此旋流和來自上游底部集中的縱向水流結(jié)合在一起，形成繞樁靠近河底流向下游的馬蹄形旋渦，在馬蹄形旋渦的作用下，樁周圍河床上的泥沙被沖起帶向背流側(cè)，形成沖刷坑，表現(xiàn)為樁基兩側(cè)以及群樁內(nèi)部區(qū)域沖刷后高程較低，上下游區(qū)域高程略高的形態(tài)。當(dāng)取水口工作時(shí)，四周流態(tài)更加復(fù)雜，繞流、環(huán)流和上升流等多種流態(tài)并存[6]，馬蹄形旋渦強(qiáng)度加強(qiáng)，則沖刷坑深度越深，形態(tài)越大。

4.1 沖刷過程分析

從各種實(shí)驗(yàn)工況的沖刷過程看，雖然取水口取水流量有所不同，但是其沖刷坑的形成、發(fā)展至最終的相對(duì)平衡過程往往類似。沖刷實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)樁基附近河床高程的監(jiān)測(cè)表明，初期樁基附近河床快速下切形成沖刷坑，但隨著沖刷的發(fā)展，水深加大，流速降低，水流的挾沙能力逐漸下降，沖刷坑內(nèi)泥沙運(yùn)移變緩，沖刷率得以迅速減小并漸趨穩(wěn)定，逐漸達(dá)到相對(duì)沖淤平衡，形成相對(duì)穩(wěn)定的沖刷深度，穩(wěn)定的時(shí)間為2.0 ～ 2.5 h，相當(dāng)于洪峰持續(xù)作用18.0 h左右（見圖5）。

4.2 沖刷形態(tài)及沖刷深度分析

圖6為不取水情況下沖刷坑輪廓線示意圖。從圖6可知，取水口周邊受馬蹄形旋渦形成的床面沖刷坑形態(tài)類似于馬蹄形，兩側(cè)深槽向水流方向延伸，樁基底部河床較周邊明顯沖蝕，沖刷坑橫向?qū)挾燃s為2樁基距離的3 ～ 4倍，不同取水方案下的沖刷坑形態(tài)較類似，均為如圖6所示的馬蹄形，只是沖刷坑的橫向?qū)挾扰c縱向?qū)挾炔煌?/p>

圖6 不取水情況下沖刷坑輪廓線示意圖

圖7為不同取水方案下，順?biāo)鞣较蜓赝鈧?cè)樁基的沖刷坑縱剖面圖。從圖7可知，縱剖面圖呈現(xiàn)一個(gè)明顯的沖刷漏斗形態(tài)，前端沖刷坑坡度為1∶1.6 ～ 1∶1.8，坡角接近此泥沙粒徑的水下休止角，形成沖刷坑最深點(diǎn)的最大沖刷深度工況從大到小的依次為：?jiǎn)慰兹∷?.04 m3/s、單孔取水1.82 m3/s、雙孔取水3.04 m3/s、雙孔取水1.82 m3/s以及不取水，最大沖刷深度及沖刷坑范圍見表1。從表1可知，由于取水口的取水效應(yīng)，沖刷深度加強(qiáng)，單孔取水3.04 m3/s時(shí)，取水口內(nèi)流速最大，沖刷深度也最大，為3.12 m，比不取水時(shí)沖刷深了將近1.00 m，且2根輸水管道均裸露，不取水時(shí)，裸露上游側(cè)的輸水管道。圖8和圖9分別為不取水以及單孔取水3.04 m3/s情況下的模型實(shí)驗(yàn)圖。

表1 各工況沖刷結(jié)果綜合表

圖7 沿水流方向的沖刷坑縱剖面圖

圖8 不取水情況下試驗(yàn)圖

圖9 單孔取水3.04 m3/s試驗(yàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

新建桐廬縣水廠取水口位于富春江電站下游4.50 km，屬于錢塘江流域近口段，以徑流為主，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算取水口位置100 a一遇流速的水深情況，并且通過河勢(shì)分析得到取水口位置最低高程作為起沖高程，并在水槽中進(jìn)行沖刷實(shí)驗(yàn)，得到不同工況下取水口局部最大沖刷深度以及沖刷坑范圍，單孔取水3.04 m3/s時(shí)，沖刷深度為所有工況中最大，為3.12 m，比不取水時(shí)沖刷深了將近1.00 m，且2根輸水管道均裸露，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮單孔取水3.04 m3/s為最不利的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。