渠首閘后防沖槽的拋石粒徑與消能試驗(yàn)研究

李江峰，耿凡坤，尹 輝，李 娟，依瑪木·賽都拉,2

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆精河縣水利管理處， 新疆 精河 833300)

新疆農(nóng)業(yè)是灌溉農(nóng)業(yè)，其灌溉用水約80%[1]取自地表河流，且絕大部分為山溪性多泥沙河流。根據(jù)調(diào)查，新疆有一些代表性河流引水渠首也采用了拋石防沖槽形式[2]。新疆塔里木河帕滿水庫在引水閘海漫尾部設(shè)置了拋石防沖槽[3]。四川省某水電站閘后護(hù)坦末端設(shè)置拋石防沖槽，拋石粒徑為40 cm～100 cm。設(shè)置拋石防沖槽后，沖深比無防護(hù)措施時(shí)減小了37%～40%，拋石防沖槽明顯增強(qiáng)了護(hù)坦的安全性[4]。浙江省三溪口水電站泄洪閘下游采用了消力池+護(hù)坦+海漫+拋石防沖槽的典型結(jié)構(gòu)[5]。河南省南陽市白河二級橡膠壩水毀修復(fù)工程在防沖槽底部鋪塊石，塊石粒徑不小于35 cm[6]。

在黃河小浪底工程消力塘防沖槽設(shè)計(jì)中，在護(hù)坦的下游布置了防沖槽，防沖槽內(nèi)拋填塊石，塊石粒徑30 cm～80 cm，中值粒徑60 cm[7]。通過防沖槽的設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)，結(jié)合消力塘尾堰消能工程的設(shè)置，較好的解決了1號消力塘泄洪時(shí)的下游沖刷問題。

目前，新疆河流上的灌溉引水渠首，所涉及到的消能防沖槽工程，均有相當(dāng)一部分出現(xiàn)損毀。主要表現(xiàn)在防沖槽內(nèi)的拋石被沖走，高速水流嚴(yán)重破壞防沖槽的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，閘后沖刷加劇、沖深加大，消能設(shè)施遭到破壞。水閘的運(yùn)行穩(wěn)定與否，消能防沖設(shè)計(jì)是一大關(guān)鍵[8]。考慮到山區(qū)河道的沖刷性，設(shè)計(jì)拋石防沖槽是十分必要的[9]。因此，選擇適宜的防沖槽尺寸及槽內(nèi)拋填合適粒徑的卵石，對工程消能防沖至關(guān)重要。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容和目的

(1) 試驗(yàn)內(nèi)容。通過對三組(Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s)不同的來水流量進(jìn)行試驗(yàn)：

① 消能防沖槽內(nèi)無拋石試驗(yàn)。測試消能防沖槽內(nèi)不同位置的壓力和流速，了解水流在消能防沖槽內(nèi)的漩滾特點(diǎn)。

② 消能防沖槽內(nèi)有拋石試驗(yàn)：向消能防沖槽內(nèi)拋填不同的均勻粒徑及不同的混合粒徑的卵石進(jìn)行試驗(yàn)。測試防沖槽內(nèi)在拋填不同粒徑卵石工況下的沖淤情況。分析防沖槽內(nèi)的沖刷規(guī)律，選定適宜的拋填卵石粒徑[10]。

(2) 試驗(yàn)?zāi)康?。分析研究消能防沖槽，在相同地質(zhì)條件及同等邊界條件下的消能防沖的工作規(guī)律，確定消能防沖槽的拋填卵石的最佳粒徑。

1.2 模型設(shè)計(jì)和制作

(1) 模型比尺：1∶30。

(2) 模型范圍：以閘后防沖槽為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)斷面模型。包括上游穩(wěn)水段，閘樞紐含防沖槽，下游沉砂池、量水堰、退水渠等。模型布置見圖1。

圖1 模型平剖面布置圖

1.3 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要分為兩大工況：(1) 無拋填卵石試驗(yàn)；(2) 有拋填卵石試驗(yàn)。

文章著重分析有拋石試驗(yàn)的相關(guān)成果，論證渠首閘后防沖槽的拋石粒徑與消能效果之間的關(guān)系。

試驗(yàn)拋填卵石組合工況方案見表1。

1.4 模型試驗(yàn)及其成果

1.4.1 原型典型流量的選擇

全疆共有大小河流570條，其中年徑流總量在0.74×108m3～2.39×108m3的河流有百余條[11]。在這些河流上，修建的引水渠首來水流量多數(shù)在200 m3/s～410 m3/s區(qū)間。

表1 消能防沖槽模型試驗(yàn)拋填卵石組合工況方案

本項(xiàng)目，根據(jù)目前的工程實(shí)際并結(jié)合試驗(yàn)條件，最終選取Q=220.0 m3/s、Q=300.0 m3/s、Q=400.0 m3/s，為典型流量，并作為本項(xiàng)目的試驗(yàn)流量。具體情況見表2。

表2 典型(原型)流量及歷時(shí)

1.4.2 模型砂的配制及選擇

模型砂，采用天然砂模擬。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，按照幾何比尺選取模型砂粒徑。本項(xiàng)目模擬的中型工程，具有水流湍急、含沙量大，推移質(zhì)含量多等特點(diǎn)。根據(jù)模擬的實(shí)際工程環(huán)境，對已選定的卵石進(jìn)行篩選、配制、分組。具體情況見表3。

表3 拋石分組及其占比情況

2 試驗(yàn)研究及分析

收縮斷面位置主要取決于閘門開度和泄流量等因素，躍前、躍后斷面位置主要取決于躍前流速、水深和躍后水深等，與拋石顆粒粒徑關(guān)系不大。但拋石粒徑對沖刷坑深度、沖刷坑位置及消能效果影響較大。本次試驗(yàn)研究主要針對拋石粒徑對沖刷坑位置(影響到躍前、躍后斷面位置)、沖刷坑深度及消能效果影響方面進(jìn)行分析。

2.1 流量與過水收縮斷面及躍后斷面的位置關(guān)系

(1) 消能防沖槽內(nèi)拋填不同均勻粒徑的卵石。在消能防沖槽內(nèi)拋填不同均勻粒徑的卵石，其來水流量與過水收縮斷面及躍后斷面的位置情況見表4。

表4 拋填不同均勻粒徑的卵石來水流量與過水收縮斷面及躍后斷面位置情況

表4中的成果表明：

① 當(dāng)槽內(nèi)拋填不同均勻粒徑的卵石時(shí)，隨著來水量的不斷增大，槽內(nèi)過水收縮斷面及躍后斷面形成了也不斷向下游移動(dòng)的固有規(guī)律，反之也成立。由此說明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，槽內(nèi)拋填不同均勻粒徑的卵石，不能改變消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面位置與來水流量之間的固有規(guī)律。

② 當(dāng)槽內(nèi)來水量一定，向槽內(nèi)拋填不同的均勻粒徑卵石時(shí)，其過水收縮斷面及躍后斷面的位置變化與拋填粒徑?jīng)]有顯著的規(guī)律。成果表明：對同一個(gè)來水流量，當(dāng)分別拋填400 mm及800 mm的均勻粒徑卵石時(shí)，其消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面的位置基本相同。這說明，兩者的消能效果基本一致。如果單從數(shù)學(xué)角度比較，拋填粒徑為800 mm的卵石略優(yōu)于拋填粒徑為400 mm的卵石。

③ 當(dāng)拋填卵石粒徑為500 mm時(shí)，其消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面與拋填卵石粒徑為400 mm或800 mm時(shí)相較，過水收縮斷面及躍后斷面的位置更趨向下游。這說明，拋填均勻粒徑為500 mm的卵石消能效果，要比拋填均勻粒徑為400 mm或800 mm的卵石好些，因?yàn)閷ㄖ锏陌踩欣Ｓ纱苏f明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，總會(huì)存在一個(gè)最佳消能的拋石粒徑。在本項(xiàng)目的拋填均勻卵石試驗(yàn)中，槽內(nèi)拋填均勻卵石粒徑為500mm時(shí)，為最佳拋石粒徑。

(2) 消能防沖槽內(nèi)拋填混合粒徑的卵石。在消能防沖槽內(nèi)拋填不同粒徑的混合卵石，其來水量與過水收縮斷面及躍后斷面的位置情況見表5。

表5 拋填不同混合粒徑的卵石來水流量與過水收縮斷面及躍后斷面位置情況

表5中的成果表明：

① 當(dāng)槽內(nèi)拋填不同粒徑的混合卵石時(shí)，隨著來水量的不斷增大，槽內(nèi)過水收縮斷面及躍后斷面形成了也不斷向下游移動(dòng)的固有規(guī)律，反之也成立。由此說明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，槽內(nèi)拋填不同粒徑的混合卵石，不能改變消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面與來水流量之間的固有規(guī)律。

② 當(dāng)槽內(nèi)來水量一定，向槽內(nèi)拋填不同的混合粒徑卵石時(shí)，其過水收縮斷面及躍后斷面的位置變化與拋填混合粒徑?jīng)]有顯著的規(guī)律。成果表明：對同一個(gè)來水流量，當(dāng)分別拋填混合1組(粒徑400 mm、600 mm、800 mm混合)或混合3組(粒徑400 mm、500 mm、600 mm、800 mm混合)時(shí)，消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面的位置基本相同。這說明，兩者的消能效果基本一致。如果從工程應(yīng)用角度比較消能效果，拋填混合3組的卵石略優(yōu)于拋填混合1組的卵石。

③ 當(dāng)拋填卵石粒徑為混合2組(粒徑400 mm、500 mm、800 mm混合)時(shí)，其消能防沖槽內(nèi)的過水收縮斷面及躍后斷面與拋填卵石粒徑為混合1及混合3組相較，混合2組的過水收縮斷面及躍后斷面的位置有顯著的前移。這說明，拋填混合2組的卵石消能效果，要比拋填混合1組或混合3組的卵石差些。由此說明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變，拋填混合粒徑卵石時(shí)，槽內(nèi)拋填混合3組相對較為理想。

2.2 消能防沖槽內(nèi)的水能消減情況

任何運(yùn)動(dòng)的物體都遵循能量守恒定律，消能防沖槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的水流也是如此。水流在防沖槽中從某斷面流向另一斷面，兩斷面的能量變化是守恒的。也就是說，兩斷面之間的能量轉(zhuǎn)化遵循如下方程。

即：Ek1+Ep1=Ek2+Ep2+Eδ。

對于本項(xiàng)目的模型試驗(yàn)，其能量公式為：

Eδ=Ek1-Ek2+Ep1-Ep2

式中：Eδ為水流經(jīng)過消能防沖槽時(shí)所消耗的能量；Ek為動(dòng)能，J；Ep為勢能，J。

Ep1-Ep2=mgΔh

Δh= 0.34 m(防沖槽進(jìn)出口高差)。

試驗(yàn)斷面1選取的位置是護(hù)坦與防沖槽的交線斷面，斷面2選取的位置是防沖槽下游出口與河床的交線斷面。

在本試驗(yàn)中，根據(jù)動(dòng)能公式Ek=(mν2)/2計(jì)算能量損失(即：消能防沖槽的消能效果)。 其中：Ek為動(dòng)能，J；m為物體的質(zhì)量，kg；ν為物體運(yùn)動(dòng)的速度，m/s。

(1) 拋填均勻粒徑。在消能防沖槽內(nèi)拋填不同粒徑的均勻卵石，來水量與槽內(nèi)消能效果計(jì)算成果見表6。

表6成果表明：

當(dāng)來水量相同，消能防沖槽內(nèi)拋填均勻粒徑卵石時(shí)，拋石粒徑與消能效果成反比。所以，拋石粒徑要滿足設(shè)計(jì)洪水工況，不被來水沖走的最小直徑，流速要小于卵石的起動(dòng)流速[12]。也就是，選擇單個(gè)卵石越重且直徑相對越小，消能效果越好。

本試驗(yàn)選定的均勻粒徑拋石中，在拋填粒徑為400 mm或粒徑為500 mm的均勻卵石時(shí)，粒徑為400 mm的卵石對小流量來水消能效果較好，粒徑為500 mm的卵石對大流量的來水消能效果較好。在實(shí)際工程中，多數(shù)考慮大流量消能問題。所以，本項(xiàng)目拋填均勻粒徑為500 mm的卵石為宜[13]。

由此說明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，要選擇高密度卵石向槽內(nèi)進(jìn)行拋填，以充分利用單個(gè)卵石的自重。也可以選擇高密度人工石進(jìn)行拋填。

(2) 拋填混合粒徑。在消能防沖槽內(nèi)拋填不同粒徑的混合卵石，其來水量與槽內(nèi)消能效果計(jì)算成果見表7。

表6 拋填不同粒徑的均勻卵石與不同來水流量的消能占比

表7 拋填不同粒徑的混合卵石與不同來水流量的消能占比

表7成果表明：

當(dāng)來水量相同，消能防沖槽內(nèi)拋填混合粒徑卵石時(shí)，拋石的混合粒徑與其消能效果沒有明顯的規(guī)律。也就是說，改變粒徑組合，對防沖槽內(nèi)的消能效果影響不是很大。

在本試驗(yàn)選定的混合粒徑拋石中，拋填混合1組或混合3組卵石時(shí)，混合1組對小流量來水消能效果較好，混合3組對大流量來水消能效果較好。從工程應(yīng)用角度出發(fā)比較消能效果，拋填混合3組的卵石略優(yōu)于拋填混合1組的卵石。

由此說明，在渠首閘后防沖槽工程中，當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，要選擇多粒徑混合卵石向槽內(nèi)進(jìn)行拋填。拋填的最小粒徑以不被來水沖走為宜。

2.3 消能防沖槽內(nèi)的拋石沖刷情況

(1) 拋填不同均勻粒徑的卵石。本項(xiàng)目試驗(yàn)，向槽內(nèi)拋填均勻粒徑的卵石分三個(gè)組別。也就是在選定試驗(yàn)來水流量工況下分別拋填粒徑為400 mm、500 mm、800 mm的卵石。

向消能防沖槽內(nèi)拋填卵石的目的有二：其一，防止水流破壞防沖槽，延長工程使用壽命；其二，吸收一部分水能，消減水能對下游河床產(chǎn)生的沖刷破壞。本試驗(yàn)向消能防沖槽內(nèi)拋填均勻粒徑卵石，其沖刷試驗(yàn)成果見表8。

表8 拋填不同均勻粒徑的卵石對防沖槽產(chǎn)生的沖刷情況

表8成果表明：

① 當(dāng)來水流量為220 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最深沖坑達(dá)1.73 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游6.39 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑為400 mm。當(dāng)來水流量為300 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最深沖坑達(dá)2.19 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游9.42 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑為500 mm。當(dāng)來水流量為400 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最深沖坑達(dá)2.86 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游13.68 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑為400 mm。

綜上所述，小流量時(shí)的最大(深)沖坑為1.73 m，其拋石粒徑為400 mm；大流量時(shí)的最大(深)沖坑為2.86 m，其拋石粒徑也為400 mm；所以，拋石粒徑為400 mm這個(gè)方案是相對最差的。

② 當(dāng)來水流量為220 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最淺沖坑為0.29 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游2.61 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑為800 mm。當(dāng)來水流量為300 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最淺沖坑為0.23 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游24.06 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑也為800 mm。當(dāng)來水流量為400 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最淺沖坑為2.34 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游9.71 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的均勻卵石粒徑為500 mm。

綜上所述，小流量時(shí)的最小(淺)沖坑為0.29 m，其拋石粒徑為800 mm；大流量時(shí)的最小(淺)沖坑為2.34 m，其拋石粒徑為500 mm；所以，拋石粒徑為800 mm這個(gè)方案是相對較差的。

③ 根據(jù)以上最大(深)及最小(淺)沖坑資料分析，同時(shí)考慮沖坑位置等因素，向消能防沖槽內(nèi)拋填均勻粒徑為500 mm的卵石，為最佳選擇方案。

(2) 拋填不同混合粒徑的卵石。本試驗(yàn)向消能防沖槽內(nèi)拋填混合粒徑卵石，其沖刷試驗(yàn)成果見表9。

表9 拋填不同混合粒徑的卵石對防沖槽產(chǎn)生的沖刷情況

表9成果表明：

① 當(dāng)來水流量為220 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最大(深)沖坑達(dá)2.01 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游8.30 m處；此時(shí)，防沖槽 內(nèi)拋填的卵石為混合2組。當(dāng)來水流量為300 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最大(深)沖坑達(dá)2.25 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游11.30 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的卵石為混合1組。當(dāng)來水流量為400 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最大(深)沖坑達(dá)3.11 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游10.70 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的卵石為混合3組。

綜上所述，小流量時(shí)的最大(深)沖坑為2.01 m，其拋石粒徑為混合2組；大流量時(shí)的最大(深)沖坑為3.11 m，其拋石粒徑為混合3組。所以，三組混合粒徑方案比較而言，拋石粒徑為混合1組這個(gè)方案是相對最好。

② 當(dāng)來水流量為220 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最小(淺)沖坑為1.46 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游8.39 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的卵石為混合3組。當(dāng)來水流量為300 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最小(淺)沖坑為1.84 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游11.63 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的卵石為混合2組。當(dāng)來水流量為400 m3/s，消能防沖槽內(nèi)的最小(淺)沖坑為2.72 m；該沖坑，發(fā)生在護(hù)坦及防沖槽交線斷面下游11.14 m處；此時(shí)，防沖槽內(nèi)拋填的卵石也為混合2組。

綜上所述，小流量時(shí)的最小(淺)沖坑為1.46 m，其拋石粒徑為混合3組；大流量時(shí)的最小(淺)沖坑為2.72 m，其拋石粒徑為混合2組；所以，，三組混合粒徑方案比較而言，拋石粒徑為混合2組這個(gè)方案是相對最好。

③ 針對沖坑資料進(jìn)行綜合分析比較，當(dāng)來水為300 m3/s時(shí)，混合2組及混合3組這兩個(gè)方案，沖坑深度混合2組比混合3組淺了0.06 m，兩者基本接近，但就沖坑距離，混合2組，對建筑物的安全更為有利。所以，向消能防沖槽拋填混合2組卵石是相對較好的選擇，有較好級配的拋石對局部沖刷的防護(hù)更為有利[14]。

3 結(jié) 論

綜合以上分析有如下認(rèn)識：

(1) 消能防沖槽內(nèi)拋填的卵石，無論其粒徑如何變化，槽內(nèi)過水收縮斷面及躍后斷面的相對位置將隨著來水流量的不斷增大而不斷地向下游移動(dòng)，反之也成立。

(2) 當(dāng)槽內(nèi)來水流量一定，向槽內(nèi)拋填不同(均勻或混合)粒徑的卵石時(shí)，其過水收縮斷面及躍后斷面的位置變化與拋填的卵石粒徑?jīng)]有顯著的規(guī)律。有試驗(yàn)研究表明，某一特定水力條件下相應(yīng)存在一個(gè)最優(yōu)拋石粒徑[15]。

(3) 當(dāng)來水流量相同，消能防沖槽內(nèi)拋填均勻粒徑卵石時(shí)，拋石粒徑與消能效果成反比。所以，拋填均勻粒徑的卵石，其粒徑不易過大。