拋石防沖槽消能特性試驗(yàn)研究

李江峰，李 娟，尹 輝，買買提江·買斯德克，玉山江·坎吉,2

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆阿克蘇地區(qū)渭干河流域管理局， 新疆 庫車 842000)

水工建筑物的消能防沖是水利專業(yè)技術(shù)人員研究的主題之一。它關(guān)系到水工建筑物自身的安全和上下游河道的穩(wěn)定，還直接影響到水工建筑物的水流條件。這類泄水建筑物多具有水頭低、單寬流量大、弗勞德數(shù)低、尾水深等特點(diǎn)[1]。新疆境內(nèi)河流大多為山溪性高含沙河流。往往因?yàn)樗そㄖ锏男藿?，束窄了河道、改變了河道的水沙特點(diǎn)，通過水工建筑物的含沙水流，常常具有較大的動(dòng)能，且水流紊動(dòng)，給水工建筑物本身和下游河床造成較大的破壞，表現(xiàn)為河床淘刷、邊坡坍塌、建筑物結(jié)構(gòu)損壞。有效的解決辦法就是設(shè)置相應(yīng)的消能防沖結(jié)構(gòu)設(shè)施，以消減水能、防止或減輕沖刷，底流消能是常見的消能方式[2]。在新疆等山溪性河流地區(qū)的引水樞紐工程中，閘后消能防沖型式大多數(shù)采用底流消能[3-4]。 在引水渠首下游設(shè)置拋石防沖槽就是一種經(jīng)濟(jì)、簡便、有效的底流式消能防沖結(jié)構(gòu)。防沖槽是泄水建筑物下游海漫末端所設(shè)置的挖槽拋石形成的防沖棱體[5]，也就是拋石防沖槽。拋石可以是石塊、卵石，新疆河流河灘上卵石眾多，多以拋填卵石為主。

水工建筑物的運(yùn)行穩(wěn)定與否，消能防沖設(shè)計(jì)是一大關(guān)鍵[6]。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。

根據(jù)調(diào)查，拋石防沖槽結(jié)構(gòu)在國內(nèi)水利工程中多有應(yīng)用[7-11]，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。四川省某水電站閘室后護(hù)坦末端設(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。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)。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。黃河水利委員會(huì)的勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和水利科學(xué)研究院在黃河小浪底工程消力塘防沖槽設(shè)計(jì)中，在護(hù)坦的下游布置了拋石防沖槽，塊石粒徑30 cm～80 cm，中值粒徑60 cm，較好的解決了1號消力塘施工期、運(yùn)用期泄洪時(shí)的下游沖刷問題。拋石防沖槽在重點(diǎn)大中型水利工程中的成功應(yīng)用再一次證明了這種消能防護(hù)型式的實(shí)用性和重要性。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，見表1[12]。

這類引水渠首工程結(jié)構(gòu)往往包括上游連接段、閘室、護(hù)坦(海漫)和防沖槽，這類設(shè)置在多泥沙河流引水渠首下游的防沖槽，同時(shí)起到了消力池的作用，而且不會(huì)因河砂淤堵使之失去作用，反而隨著水流可向下游輸送泥沙；而且這種結(jié)構(gòu)還兼顧了防沖和消能，只要拋填卵石粒徑適當(dāng)，防沖槽只會(huì)產(chǎn)生可控制的沖刷和能量消減，能夠節(jié)省較多的工程量和工程投資，也大大縮短了建筑物順?biāo)鞯拈L度。閘下消能防沖關(guān)系到水閘結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性以及閘下河道、堤防的安全[13]，即使在引水渠首閘后設(shè)置了拋石防沖槽，也往往出現(xiàn)防沖槽被沖毀、破壞的情況。究其原因，有防沖槽尺寸過小、長度過短、深度偏淺，更多的是因?yàn)閽伿竭x擇的隨意性，導(dǎo)致拋石被沖走，高能水流直接作用于防沖槽，產(chǎn)生了沖刷破壞。有研究表明，防沖槽拋石粒徑不是越大越好。那么，拋填多大粒徑的卵石效果較好，在不同來水來沙條件、不同粒徑拋石組合狀況下，拋石防沖槽消能特性如何？專門的研究很少。如果能夠掌握拋石防沖槽的消能特性和消能規(guī)律，那么，將此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于引水渠首等水工建筑物的消能防沖，將會(huì)得到事半功倍的效果。

通過建立標(biāo)準(zhǔn)斷面的水工模型，我們開展了這方面的研究。

表1 新疆引水渠首設(shè)置拋石防沖槽特性表

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

在確定同一地質(zhì)條件、同等邊界、同等結(jié)構(gòu)尺寸條件下，通過防沖槽內(nèi)拋填卵石模型試驗(yàn)，收集各種工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究各自水力特性，測量記錄防沖槽內(nèi)不同位置的流態(tài)、水位和流速分布，組合三種不同流量、三種來沙條件、不同卵石粒徑(20 cm、30 cm、60 cm)觀測水流在防沖槽內(nèi)的漩滾特點(diǎn)27組次；探尋防沖槽內(nèi)的消能特性和最佳的卵石拋填粒徑。模型試驗(yàn)方案見表2。

1.2 模型設(shè)計(jì)和制作

(1) 模型比尺：1∶30。

(2) 模型范圍：以引水渠首閘后防沖槽為基準(zhǔn)進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)斷面模型。

① 上、下游布置：上游布置引水渠及穩(wěn)水池；下游布置退水渠。

表2 拋石防沖槽模型試驗(yàn)方案

② 主體分部長度：綜合以上大多數(shù)設(shè)置了防沖槽的引水渠首，模擬閘樞紐總長度78.32 m，其中閘前連接段+閘室+護(hù)坦長度45 m，防沖槽長度33.32 m；下游河床段45 m。具有這類工程結(jié)構(gòu)的普遍性和代表性。后接沉砂池段、量水堰段。

③ 左、右岸寬度：模擬主體段凈寬27 m。見圖1。

圖1 模型試驗(yàn)平剖面布置圖

(3) 模型主體設(shè)計(jì)制作。河道及防沖槽模型采用定床和動(dòng)床兩部分模擬。閘樞紐及岸坡定床采用有機(jī)玻璃模擬制作；防沖槽內(nèi)部及下游河道地形，采用動(dòng)床形式分別用設(shè)計(jì)模型砂按照設(shè)計(jì)圖示縱坡進(jìn)行精確鋪填模擬。

(4) 模型砂的選取。模型砂，用天然砂模擬。有資料表明，新疆的山溪性多泥沙河流年均含沙量介于0.18 kg/m3～223 kg/m3，大多河流年均含沙量為1.06 kg/m3～6.89 kg/m3之間，本次分別選取河流年均含沙量為2.18 kg/m3、6.89 kg/m3、3.3 kg/m3(年輸沙率分別為63.8 kg/h、53.3 kg/h、18.3 kg/h)的三種河砂條件，具有一定的代表性與合理性。本次模型試驗(yàn)主要采取三種不同來沙條件進(jìn)行篩制、配制模型砂(見顆粒分布圖2)。河床砂根據(jù)山溪性河流河床天然砂，模擬出模型砂。

1.3 試驗(yàn)典型流量選取

設(shè)計(jì)流量：全疆共有大小河流570條，其中年徑流量0.74×108m3～2.39×108m3的河流有百余條，這些河流上修建的引水渠首泄洪單寬流量為8.21 m3/(s·m)～17.52 m3/(s·m)(見表1)，而且這些渠首有很多都采用了拋石防沖槽的防沖結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合試驗(yàn)場地條件，本次研究選取典型單寬流量分別為8.15 m3/(s·m)、11.11 m3/(s·m)、14.81 m3/(s·m)[14]，有其代表性與合理性。

表3 試驗(yàn)典型流量

圖2 1型～3型河流含沙顆分曲線圖

2 試驗(yàn)研究

本次拋石防沖槽的消能特性主要研究不同拋石粒徑情況下，拋石防沖槽水躍位置的變化(能量輸送的遠(yuǎn)近)、流速的消減、能量的消減(消能率的大小)等幾方面的特征和規(guī)律。以下分別就測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2.1 水躍位置的變化

通過施放不同來沙水流、不同流量、拋填不同粒徑卵石的試驗(yàn)，得出各工況下防沖槽內(nèi)水躍的位置，見表4。

表4 水躍位置及躍長統(tǒng)計(jì)表

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在拋石粒徑相同、同類型河砂條件下，隨著流量的遞增，躍后斷面也后移，躍長也逐漸遞增，但躍前斷面位置變化幅度較小且不規(guī)律，來沙條件對于水躍位置及躍長的影響無明顯規(guī)律。盡管如此，由于防沖槽是按照建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)因躍后斷面的后移和躍長的遞增影響到該防沖槽末端墻的穩(wěn)定性，防沖槽的長度總能將水躍包納于防沖槽內(nèi)，試驗(yàn)中反映出躍長與防沖槽長度的比值為15.6%～41.7%。

試驗(yàn)說明：在拋石粒徑相同、同類型河砂條件下，躍后斷面位置與流量之間存在正相關(guān)關(guān)系，即隨著流量的遞增，3種河砂條件下，躍長分別由5.2 m～7.6 m延長到10.9 m～13.9 m，也反映出在流量增幅為33.3%～36.3%條件下，水躍躍長增加幅度為9.2%～69.2%，消散能量的位置也逐漸后移，但躍前斷面位置與流量之間無明顯相關(guān)關(guān)系。

躍前斷面的位置忽前忽后，雖然前后位置偏差不大，但也說明了拋石和槽內(nèi)沖刷對其位置存在一定的影響，試驗(yàn)邊界條件也是躍前斷面位置不規(guī)律的影響因素之一。

防沖槽內(nèi)部分拋石已經(jīng)被水流沖走后形成一種凹型坑，從此種情形可以看出，拋石防沖槽這種體型也具備一定改變水流結(jié)構(gòu)的作用。為了在消能作用的測試分析中區(qū)分該作用與拋石消能作用，我們也進(jìn)行了上述三種流量的清水無拋石試驗(yàn)，即將防沖槽看作一個(gè)防沖消力池。通過清水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，防沖槽中水躍躍前斷面位置與躍后斷面位置均比拋石來砂試驗(yàn)后移12 m左右，而且隨著流量的遞增，躍前斷面位置與躍后斷面位置卻逐漸前移，但躍長基本不變，僅為4.2m，躍長占防沖槽的比值僅為12.6%。也就是說，拋石防沖槽結(jié)構(gòu)的確起到了改變水流結(jié)構(gòu)的作用，防沖槽內(nèi)拋石使得水躍前移36%，躍長增加23.8%～230%。與清水試驗(yàn)對比，拋石防沖槽結(jié)構(gòu)縮短了水流流程，可有效縮短防沖槽長度達(dá)1/3強(qiáng)，這是對改變水流結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)；由于拋石防沖槽結(jié)構(gòu)躍長增加幅度達(dá)2倍有余，也說明這種結(jié)構(gòu)將消散水能的順?biāo)飨蚩臻g距離拉長了，單位長度上的消能量大大降低了，這是在拋石消能方面的貢獻(xiàn)。綜合而言，拋石防沖槽結(jié)構(gòu)可以大大縮短消能建筑物長度，并且充分利用消能空間，盡可能的使水能在防沖槽內(nèi)消散、擴(kuò)散均勻。

2.2 流速的消減

通過施放不同來沙水流、不同流量、拋填不同粒徑卵石的試驗(yàn)，得出各工況下防沖槽內(nèi)水躍前、躍后斷面流速的變化，見表5。

表5 水躍前后斷面流速變化統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：無論在何種試驗(yàn)工況條件下，躍后斷面流速都明顯比躍前流速減小很多，說明在防沖槽內(nèi)水躍消除水流動(dòng)能還是很顯著的。在1型河砂條件下，拋填卵石粒徑30 cm時(shí)，施放不同流量下，流速消減率較大并且較為穩(wěn)定；在2型河砂條件下，拋填不同粒徑的卵石時(shí)，施放Q=300 m3/s流量下，流速消減率較大并且隨著拋石粒徑遞增流速消減率越大；在3型河砂條件下，拋填卵石粒徑30 cm時(shí)，施放不同流量下，流速消減率較大但不夠穩(wěn)定。

試驗(yàn)說明：來沙條件對于拋石防沖槽內(nèi)的流速消減存在一定的影響；在本試驗(yàn)各種工況下，流速消減率介于15.7%～56.7%，最小值發(fā)生在最小流量、最大粒徑組合，最大值發(fā)生在最小流量、30 cm粒徑卵石組合；綜合來看，拋石粒徑為30 cm時(shí)，流速消減率數(shù)值較大、在各種流量下流速消減率較為均衡。拋石防沖槽作為水工建筑物的消能防沖設(shè)施，消除水流動(dòng)能是主要任務(wù)，而動(dòng)能的消除主要反映在流速的消減方面。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，該試驗(yàn)條件下，拋石粒徑為30 cm時(shí)，流速消減率總體呈現(xiàn)較大，該拋石粒徑較優(yōu)。

2.3 能量的消減

能量的消減直觀反映在防沖槽的水流流態(tài)方面，量化的體現(xiàn)就是消能率的變化，衡量消能工優(yōu)劣的一個(gè)很重要的指標(biāo)是消能率。影響消能率的因素有躍前水深、躍后水深及其相應(yīng)的流速大小、流速分布的均勻程度等。有研究表明：消能工的消能率和速度水頭與總水頭的比值呈線性關(guān)系[15]。防沖槽消能率計(jì)算公式見式(1)，示意見圖3。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

式中：E1為防沖槽進(jìn)口總能量，m；h1為防沖槽進(jìn)口水深，m；v1為防沖槽進(jìn)口流速，m/s；h2為防沖槽出口水深，m；v2為防沖槽出口流速，m/s；α為動(dòng)能修正系數(shù)，此處取1.0；g為重力加速度，此處取9.81 m/s2。

圖3 防沖槽示意圖

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水躍能夠完整地呈現(xiàn)于防沖槽內(nèi)，大部分的能量消減能夠在防沖槽內(nèi)完成，就減輕了下游河床的消能壓力；水流在進(jìn)入防沖槽后即有一個(gè)明顯的躍升，隨后以平穩(wěn)的流態(tài)流向下游。在本試驗(yàn)各種工況下，隨著流量的遞增，防沖槽內(nèi)水流流態(tài)越趨不穩(wěn)定，水花越大，水流沖力越大、流速越大；在1型河砂條件下，防沖槽消能率較高，在2型河砂條件下，防沖槽消能率總體次之，在3型河砂條件下，防沖槽消能率總體再次之；防沖槽中水躍躍前弗勞德數(shù)范圍為1.73～2.71，基本在同一個(gè)數(shù)量級，與防沖槽消能率沒有明顯的相關(guān)關(guān)系；在本試驗(yàn)條件下，防沖槽消能率范圍為5.9%～50.2%，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，在河砂條件相同、拋填卵石粒徑相同情況下，往往消能率最大值發(fā)生在中、低流量，小流量發(fā)生大消能率的幾率更多，大流量情況下反而消能率較低，這應(yīng)該是一個(gè)正常情況，也可以說，大流量情況下消能空間會(huì)小，小流量情況下消能空間會(huì)大；防沖槽消能率最大的兩個(gè)值均發(fā)生在拋填30 cm粒徑卵石情況下，防沖槽消能率最小的兩個(gè)值分別發(fā)生在拋填20 cm和60 cm粒徑卵石情況下。詳見圖4。

注：為了縮小各組數(shù)據(jù)的直觀差距，圖中流量單位采用10-3 m3/s，躍前弗勞德數(shù)數(shù)量級采用10-1。

由圖4說明：來水流量與水流挾帶的能量呈正相關(guān)，隨著來水流量的增大，水流流態(tài)趨于復(fù)雜、不穩(wěn)定；從1至3型河砂，輸沙率逐漸降低，防沖槽消能率也逐漸遞減，本試驗(yàn)初步表明，河流輸沙率與防沖槽消能率也存在正相關(guān)關(guān)系，也就是說，河水?dāng)y帶的泥砂，在一定程度上對于防沖槽能夠起到輔助消能的作用，但要有充分的證明，還有待于繼續(xù)深入研究；由于低弗氏數(shù)條件下消能率低[16]，在水躍躍前弗勞德數(shù)介于1.7

3 結(jié) 論

(1) 拋石防沖槽結(jié)構(gòu)可以大大縮短消能建筑物長度達(dá)1/3強(qiáng)，順?biāo)飨虻南荛L度最大增加了2倍有余，大大降低了單位長度上的消能量，并且充分利用消能空間，盡可能的使水能在防沖槽內(nèi)消散、擴(kuò)散均勻。

(2) 來沙條件對于拋石防沖槽內(nèi)的流速消減存在一定的影響，是防沖槽消能特性的影響因素之一；在本試驗(yàn)各種工況下，拋石粒徑為30 cm時(shí)，流速消減率總體呈現(xiàn)較大，該拋石粒徑較優(yōu)。

(3) 來水流量與水流挾帶的能量呈現(xiàn)正相關(guān)；河流輸沙率與防沖槽消能率也存在正相關(guān)關(guān)系，也就是說，河水?dāng)y帶的泥砂，在一定程度上對于防沖槽能夠起到輔助消能的作用，但要有充分的證明，還有待于繼續(xù)深入研究。