山區(qū)河道護(hù)坦式消能工的試驗(yàn)對(duì)比研究

涂書豪，夏玉梅，奉紫岑，楊 慶

(1. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

0 引 言

山區(qū)河流上的閘壩工程，由于河道比降大，下游水位變幅大，排沙運(yùn)行頻繁等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)消力池方案，消力池可能會(huì)被淤塞或消能設(shè)施被磨損[1]。規(guī)范[2]規(guī)定，夾有較大礫石的多泥沙河流上的水閘，不宜設(shè)消力池，可采用護(hù)坦式消能工，護(hù)坦末端不設(shè)消力坎，以急流方式與下游河道銜接。目前工程上應(yīng)用斜護(hù)坦形式較多，關(guān)于斜坡護(hù)坦與消力池的對(duì)比試驗(yàn)及其與下游河道銜接已進(jìn)行了大量的研究工作[3-7]，同時(shí)也有不少斜坡護(hù)坦與其他輔助消能設(shè)施結(jié)合的改進(jìn)方案，如賈棲[8]等提出了可應(yīng)用于深厚覆蓋層閘壩的“斜坡護(hù)坦+底流銜接+柔性消力池+局部防護(hù)”的泄洪消能模式，張彥輝等[9]、楊玲等[10]對(duì)于斜坡護(hù)坦后接斜挑坎、海漫、深隔墻和裙板等也進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比研究。相關(guān)的研究中閘后消能設(shè)施大多采用斜護(hù)坦體型，對(duì)反弧型護(hù)坦的研究較少，本文依托某水電站工程的模型試驗(yàn)，對(duì)比閘后反弧護(hù)坦和斜坡護(hù)坦兩種體型進(jìn)行研究。

1 工程概況

某水電站為Ⅲ等中型工程，設(shè)計(jì)洪水為100年一遇，相應(yīng)流量為1 560 m3/s，校核洪水為1 000 年一遇，相應(yīng)流量為1 969 m3/s，消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，相應(yīng)流量為1 332 m3/s。

水電站泄水建筑物采用泄洪沖砂閘，位于主河床，共3孔，閘孔單孔凈寬為6.00 m，凈高為6.5 m，閘底板頂高程3 008.0 m。閘孔出口下游需對(duì)兩種不同的護(hù)坦形式進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選。反弧護(hù)坦：閘孔出口下游采用1∶6斜坡銜接后，再采用半徑為90.0 m的弧形銜接，末端出口處為1∶4反坡；直線斜坡護(hù)坦：閘孔出口下游采用1∶15斜坡銜接。在消力池出口后下游河道另設(shè)30 m長(zhǎng)護(hù)坦，護(hù)坦頂高程為3 000.00 m。剖面布置圖見圖1。

圖1 樞紐剖面布置Fig.1 Flat layout of the project

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r

2.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，選用正態(tài)模型，模型比尺為1∶45。下游河道參照當(dāng)?shù)睾恿骱哟布?jí)配，結(jié)合現(xiàn)狀河道，擬定下游河床級(jí)配如表1所示。按相似原理，下游河道動(dòng)床部分模擬河床厚度約20 m(模型約45 cm)，其中表層覆蓋層約5.4 m(模型12 cm)，高程至2 995.0 m；弱風(fēng)化層約13.5 m(模型30 cm)，高程至2 981.0 m。模型溢流壩段、消力池均采用有機(jī)玻璃制作。模型上游入口流量采用薄壁堰控制。流速采用南京水科院研制的旋槳式流速儀。

表1 下游河道動(dòng)床級(jí)配擬定Tab.1 Downstream river moving bed grading

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)擬定研究工況見表2，重點(diǎn)研究?jī)煞N不同護(hù)坦形式下的水面流態(tài)、流速、沖坑等各水力學(xué)指標(biāo)，以此對(duì)比分析兩種不同護(hù)坦式消能工的優(yōu)劣。

表2 試驗(yàn)工況表Tab.2 Test condition

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 水流流態(tài)

各工況下下游水流流態(tài)可見圖2-5。兩種護(hù)坦形式在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工況下，均以水躍形式與下游河道銜接，護(hù)坦范圍內(nèi)水流流態(tài)整體穩(wěn)定。對(duì)于反弧護(hù)坦，水躍躍首基本穩(wěn)定于閘孔中墩附近(壩下0+045.00)，護(hù)坦出口部位的水流流態(tài)也整體均勻，未出現(xiàn)回流等流態(tài)。受護(hù)坦出口的上挑作用，在護(hù)坦與河道銜接范圍內(nèi)，局部水面波動(dòng)相對(duì)較大，且隨著下泄流量的增大，水面波動(dòng)影響范圍也越大，波動(dòng)也越明顯。在局開工況下，出閘水流在反弧段護(hù)坦范圍內(nèi)均呈急流流態(tài)，再以挑射流的形式與下游水流銜接。

圖2 P=3.3%兩種護(hù)坦體型下游水流流態(tài)Fig.2 P=3.3% downstream flow pattern of two types of apron

圖3 P=1%兩種護(hù)坦體型下游水流流態(tài)Fig.3 P=1% downstream flow pattern of two types of apron

圖4 P=0.1%兩種護(hù)坦體型下游水流流態(tài)Fig.4 P=0.1% downstream flow pattern of two types of apron

圖5 局開3 m兩種護(hù)坦體型下游水流流態(tài)Fig.5 Valve partially open 3 m downstream flow pattern of two types of apron

對(duì)于斜坡護(hù)坦，水躍躍首位置基本穩(wěn)定于壩下0+056.14以后；護(hù)坦后部水流下潛趨勢(shì)較為明顯，因下游河道兩岸不對(duì)稱，表層水體向上游形成不對(duì)稱回壅，主要位于擴(kuò)散寬度較大的左側(cè)，故在護(hù)坦左側(cè)形成了回流區(qū)并會(huì)擠壓上游來流，致使主流偏向護(hù)坦右側(cè)。在局開工況下，出閘水流在護(hù)坦范圍內(nèi)呈急流流態(tài)，護(hù)坦后水流流態(tài)與敞泄工況下類似，回流現(xiàn)象要更加顯著。

3.2 流速分布

試驗(yàn)測(cè)量?jī)煞N體型不同工況下游河道各斷面的流速，各工況下表面流速分布見圖6～圖9，圖中Y值較小對(duì)應(yīng)河道右岸，較大對(duì)應(yīng)河道左岸。在下游水位較高時(shí)，比如在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工況下，斜坡護(hù)坦在壩0+090.00至壩0+0160.00左側(cè)區(qū)域形成回流區(qū)，主流偏移向右側(cè)河道，致使斜坡護(hù)坦下游流速分布更不均勻，即右岸流速較大，左岸流速較小，而反弧護(hù)坦整體水流平穩(wěn)，無回流區(qū)影響，岸邊流速基本相當(dāng)。在下游水位較低時(shí)，如工況三，反弧護(hù)坦右岸最大流速為12.8 m/s，斜坡護(hù)坦右岸最大流速為11.9 m/s，且反弧護(hù)坦的右岸高流速區(qū)范圍也較斜坡護(hù)坦大，整體上，反弧護(hù)坦右岸岸邊流速平均增加12.5%。但是在該工況下，由于下游水位較低，水流以較大流速直接沖擊右岸山體，若右岸巖石裂隙發(fā)育，必須對(duì)水面以下的巖體進(jìn)行混凝土貼坡防護(hù)。本工程右岸山體基巖裸露，裂隙有一定發(fā)育，但由于小開度運(yùn)行時(shí)，岸邊流速較大，此時(shí)建議在3013.00 m水位以下時(shí)，左、右岸山體必須進(jìn)行混凝土護(hù)坡保護(hù)。

圖6 P=3.3%兩種護(hù)坦體型下游表面流速分布圖Fig.6 P=3.3% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖7 P=1%兩種護(hù)坦體型下游表面流速分布圖Fig.7 P=1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖8 P=0.1%兩種護(hù)坦體型下游表面流速分布圖Fig.8 P=0.1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖9 局開3 m兩種護(hù)坦體型下游表面流速分布圖Fig.9 Valve partially open 3m flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

3.3 下游河床沖刷

典型下游河道沖刷地形等值線圖見圖10，不同試驗(yàn)工況下的下游沖刷深度對(duì)比可見表3，不同試驗(yàn)工況下典型沖坑橫剖面和縱剖面見圖11-14。

表3 各試驗(yàn)工況下護(hù)坦下游沖刷情況Tab.3 Downstream scour under various test case

由圖表數(shù)據(jù)可知，兩種體型護(hù)坦由于主流均偏向右岸，右岸沖刷深度均大于左岸，但反弧護(hù)坦左右兩岸沖刷深度相差不大，而斜坡護(hù)坦右岸沖刷深度遠(yuǎn)大于左岸。從下游河床的沖刷范圍及整體的沖刷深度來看，反弧護(hù)坦要優(yōu)于斜坡護(hù)坦，相對(duì)于斜坡護(hù)坦，其最大沖刷深度平均減少38%。整體上，兩種體型下游沖刷情況與各自流速分布規(guī)律相匹配。

分析認(rèn)為，兩種形式護(hù)坦沖刷情況差異巨大的主要原因?yàn)椋孩傩逼伦o(hù)坦內(nèi)，水流始終呈下潛的趨勢(shì)，較容易沖刷河床，為由主流引起的河床沖刷；弧形護(hù)坦出口水流在邊界約束下呈上挑趨勢(shì)，河床沖刷主要由發(fā)生于護(hù)坦挑坎下游的水平旋滾導(dǎo)致，屬于由副流引起的河床沖刷。②斜坡護(hù)坦內(nèi)左側(cè)的平面回流增大了右側(cè)的單寬流量，較容易引起河床局部沖刷增大。

圖10 P=3.3%兩種護(hù)坦體型下游沖刷地形圖Fig.10 P=3.3% topographic map of downstream scour of two types of apron

圖11 P=3.3%最大沖深斷面橫剖面圖Fig.11 Cross-section of P=3.3% maximum drawing depth

圖12 局開3 m最大沖深斷面橫剖面圖Fig.12 Cross section of maximum drawing depth under the case of valve partially open 3 m

圖13 P=3.3%中泓線縱剖面圖Fig.13 P=3.3% midrange longitudinal profile

圖14 局開3 m中泓線縱剖面圖Fig.14 Midrange longitudinal profile under the case of valve partially open 3 m

4 結(jié) 語(yǔ)

通過以上模型試驗(yàn)，對(duì)反弧護(hù)坦和斜坡護(hù)坦的水流流態(tài)、流場(chǎng)分布和下游河床沖刷等方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：反弧護(hù)坦流態(tài)整體比較平穩(wěn)，但在護(hù)坦末端局部水面波動(dòng)較大，對(duì)岸坡穩(wěn)定有一定影響；斜坡護(hù)坦下游河道內(nèi)水面波動(dòng)相對(duì)較小，但水流下潛，存在回流區(qū)。反弧護(hù)坦流速分布各斷面基本均勻，斜坡護(hù)坦流速分布不均，但在下游水位較低時(shí)，反弧護(hù)坦岸邊流速較大。由于水流下潛，斜坡護(hù)坦下游沖刷更明顯。整體而言，反弧形護(hù)坦在水流流態(tài)和下游沖刷方面明顯優(yōu)于斜坡護(hù)坦。

在山區(qū)河道上修建水閘時(shí)，若兩岸山體較為完整，下游河床岸坡地質(zhì)條件較好，抗沖能力較強(qiáng)，反弧護(hù)坦和斜坡護(hù)坦均可采用，若采用反弧護(hù)坦可取得更好的工程效果，但應(yīng)注意由于護(hù)坦出口上挑所引起的水流上涌對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響，同時(shí)需對(duì)水閘的運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此外關(guān)于反弧護(hù)坦的反弧半徑、出口挑角、下游河道水深、河道沖刷之間的互相關(guān)系還需進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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