淺析底流式消能設(shè)施下游河床沖刷深度計(jì)算方法
——以都江堰平原灌區(qū)低水頭泄水建筑物為例

(四川省都江堰勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 都江堰，611830)

1 引言

低水頭泄水建筑物消能多為底流式，一般采用消力池結(jié)合海漫防沖齒槽(或防沖墻)；在山區(qū)、丘陵區(qū)河道比降較大的河流，也有采用護(hù)坦防沖齒槽(或防沖墻)。都江堰平原灌區(qū)泄水建筑物屬低水頭，消能多采用消力池結(jié)合海漫防沖墻或護(hù)坦防沖墻的消能型式，運(yùn)行幾年后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在護(hù)坦海漫防沖墻末端都會(huì)形成深淺不一的凹坑。據(jù)實(shí)測(cè)資料，都江堰渠首外江泄洪閘護(hù)坦防沖齒墻后沖坑達(dá)1.0m深；飛沙堰工業(yè)攔水閘達(dá)0.3m～0.7m；發(fā)生2011年“8·13”、2013年“7·14”、2018年“8·10”等特大暴雨時(shí)，西河、青白江、石亭江等上分布的很多修建于20世紀(jì)五、六十年代的閘壩型引水樞紐均遭受不同程度損毀，有些工程甚至完全報(bào)廢，大部分是因下游河床沖刷深度大于消能防沖墻埋置深度，使防沖墻外露處于懸空狀態(tài)而失穩(wěn)被沖毀，進(jìn)而危及主體建筑。防沖齒墻能否安全運(yùn)行，直接關(guān)系到主體工程的安全與否，特別是河道難以斷流時(shí)對(duì)消能設(shè)施無(wú)法進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。防沖墻的深度是根據(jù)該處河床的沖刷深度來(lái)設(shè)置，因此，研究消能設(shè)施下游河道的沖刷深度非常必要。

2 護(hù)坦海漫末端沖刷深度計(jì)算

2.1 計(jì)算條件及公式

護(hù)坦海漫末端沖刷深度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式很多。

文獻(xiàn)[1]提出護(hù)坦海漫末端的沖刷深度可按下式(1)計(jì)算：

(1)

式中：dm——護(hù)坦海漫末端河床沖刷深度m；qm——護(hù)坦海漫末端單寬流量，m3/(s·m)；[ν0]——河床土質(zhì)允許的不沖流速，m/s，根據(jù)工程具體情況并參照類似工程資料研究確定；hm——護(hù)坦海漫末端河床水深，m。

文獻(xiàn)[2]提出護(hù)坦海漫末端的沖刷深度可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：T——沖刷坑在水面以下深度，m；q——護(hù)坦海漫末端的單寬流量，m3/(s·m)；h——護(hù)坦海漫末端水深，m；y——護(hù)坦海漫末端垂直流速分布的最大值距底面的高度，m；a——流速分布不均勻性的動(dòng)量修正系數(shù)，一般取a=1.0～1.5；d——沖刷河床的松散體顆粒直徑，m；s——土質(zhì)密度，kg/m3。

根據(jù)試驗(yàn)研究資料，如果底流式消能設(shè)施設(shè)計(jì)得當(dāng)，可消殺水流全部動(dòng)能的40%～70%，其剩余的動(dòng)能對(duì)池后河床還可能造成沖刷?？梢?jiàn)下游河床沖刷深度除與單寬流量、下游水深及河床地質(zhì)條件有關(guān)外，還與上下游水位差有關(guān)。因此，其沖刷深度可參照文獻(xiàn)[1]中護(hù)坦厚度、海漫長(zhǎng)度及巖基上挑流沖刷深度計(jì)算公式，建立起下游沖刷深度與單寬流量、下游水深、河床地質(zhì)條件及上下游水位差的數(shù)學(xué)關(guān)系式，如下式(3)：

t=Kq0.5Z0.25

(3)

式中：t——下游水面至坑底的最大水墊深度，m；

q——護(hù)坦海漫末端的單寬流量，m3/s·m；

Z——上、下游水位差；

K——沖刷系數(shù)，與河床的地質(zhì)條件有關(guān)。

都江堰平原灌區(qū)的工程，地基為中、下更新統(tǒng)(fglQ1-2)強(qiáng)風(fēng)化泥礫層、砂礫石層或上更新統(tǒng)(fglQ3)冰水堆積卵礫石夾砂質(zhì)粘土或弱風(fēng)化微膠結(jié)泥砂卵礫石層或全新統(tǒng)(Q4)：沖洪積層(al+plQ4)砂卵礫石層。防沖齒墻一般置于稍密的地層上，根據(jù)地基承載力和抗沖流速類比，該層沖刷系數(shù)可按文獻(xiàn)[2]中易沖性基巖K值取值，綜合比較取1.5～2.0的平均值即為1.8。

2.2 算例

青白江上團(tuán)結(jié)堰引水樞紐，擋水建筑物為全溢流壩，壩長(zhǎng)142m，Ⅳ等4級(jí)建筑物，消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年，相應(yīng)洪水流量1650m3/s，上游水位475.96m，下游水位473.85m，下游水深2.15m，根據(jù)地勘資料河床的砂礫石顆粒直徑為48mm。

石亭江上前進(jìn)渠樞紐，擋水建筑物為全溢流壩，壩長(zhǎng)87m，Ⅲ等3級(jí)建筑物，消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年，相應(yīng)洪水流量2200m3/s，上游水位704.72m，下游水位699.86m，下游水深5.86m，根據(jù)地勘資料河床的砂礫石顆粒直徑為86mm。

采用上述三種方法，計(jì)算出下游防沖沖刷深度如下表1。

表1團(tuán)結(jié)堰及前進(jìn)渠護(hù)坦末端沖刷深度計(jì)算成果

項(xiàng)目名稱消能防沖標(biāo)準(zhǔn)流量(m3/s)壩長(zhǎng)(m)單寬流量(m3/s)地基粒徑(mm)上下游水位差(m)下游水深(m)式(1)(m) 式(2)(m) 式(3)(m)團(tuán)結(jié)堰20165014211.6482.112.153.96.46.7前進(jìn)渠2022008725.3864.865.862.87.27.6

由表1可見(jiàn)，式(1)計(jì)算的沖刷深度最小，因河床土質(zhì)允許的不沖流速是引用文獻(xiàn)[3]中表2-2-13中“無(wú)黏性土的允許的不沖流速”，該表中允許不沖流速是隨水深增加而增大，故計(jì)算的沖刷深度偏小。

式(2)計(jì)算出的沖刷深度與采用式(3)的結(jié)果基本接近。如假設(shè)算例中團(tuán)結(jié)堰樞紐上下游水位差由2.11m3變?yōu)?.5m3，變幅為208%，其余參數(shù)不變，采用式(3)計(jì)算出的沖刷深度為7.6m3，與式(2)計(jì)算出的6.4m3差異較大，變幅達(dá)19%。上下游水位差，對(duì)沖刷深度計(jì)算結(jié)果影響較大。為保證工程安全，建議按式(3)計(jì)算更趨合理。

2.3 沖刷系數(shù)

式(3)中的沖刷系數(shù)主要與河道工程地質(zhì)條件有關(guān)，當(dāng)然最準(zhǔn)確是根據(jù)工程模型試驗(yàn)來(lái)確定，但對(duì)中小型工程沒(méi)有條件作模型試驗(yàn)，可采取工程類比法和類似地質(zhì)條件的工程現(xiàn)場(chǎng)沖刷觀測(cè)資料分析而得。

由文獻(xiàn)[3]中“無(wú)黏性土的允許的不沖流速”和“石渠的允許的不沖流速”表可見(jiàn)，當(dāng)砂礫石粒徑d>40mm，砂礫石允許的不沖流速基本接近軟巖的允許的不沖流速。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，易沖性基巖沖刷系數(shù)為1.5～2.0，類比出砂礫石粒徑d>40mm的地基，其沖刷深度計(jì)算系數(shù)可為1.5～2.0。文獻(xiàn)[3]提供的山西省部分工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軟基(散粒體、粘土)河床K值可取1.5。文中兩個(gè)算例也驗(yàn)證了沖刷系數(shù)的合理性。

根據(jù)已有類似地質(zhì)條件的工程發(fā)生沖刷的實(shí)測(cè)資料，通過(guò)公式(3)推算。洪水采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)洪痕和鄰近水文站實(shí)測(cè)資料分析計(jì)算，沖坑實(shí)測(cè)河床地形圖。如2013年青白江上北四支引水樞紐水毀，實(shí)測(cè)下游河床沖坑高程為485.74m～496.8m，平均高程491.27m，河床高程497.20m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)洪痕推算洪水流量為1500m3/s，下游水位499.60m，上游水位505.00m，壩長(zhǎng)162m，推算出K值1.79。

3 結(jié)論

底流式消能設(shè)施下游河床沖刷深度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式較多，其計(jì)算結(jié)果也有差異，主要受各系數(shù)取值影響。本文探討了計(jì)入上下游水位差的影響，建立類似底流消能中護(hù)坦厚度、海漫長(zhǎng)度及巖基上挑流沖刷的公式計(jì)算砂礫石地基上的沖刷深度，跟其它公式相比較，顯得更趨合理。沖刷系數(shù)的取值，在中小型無(wú)條件作模型實(shí)驗(yàn)的條件下，通過(guò)類比和類似地質(zhì)條件的工程現(xiàn)場(chǎng)沖刷觀測(cè)資料分析獲得。該方法在采用合理的沖刷系數(shù)情況下，適用各種地質(zhì)條件下的底流式消能防沖末端的沖刷深度計(jì)算，特別適用護(hù)坦防沖斜墻式的消能沖刷深度計(jì)算。該方法在都江堰平原灌區(qū)天然河道上引水樞紐續(xù)建配套、災(zāi)后重建、水毀修復(fù)加固中設(shè)計(jì)了大部分工程的防沖齒墻及岸坡基礎(chǔ)，工程至今運(yùn)行安全。