南津渡水库闸坝下游河床冲刷问题的试验研究

刘晓平，侯 斌，潘宣何，方森松，吴国君

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410076）

南津渡水库闸坝下游河床冲刷问题的试验研究

刘晓平，侯 斌，潘宣何，方森松，吴国君

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410076）

通过物理模型试验，利用NDV对泄水闸下泄水流右侧区域的三维流速进行测量，重点分析尾坎下游主泄流区和回流区的的水流特性，研究水流对河床的影响，分析南津渡水库闸坝下游河床冲刷破坏的原因。试验研究表明，造成南津渡水库下游回流区河床冲刷的主要原因是流速的分布特点，而造成主泄流区河床冲刷的主要原因是下泄水流所携带的紊动能。

河床冲刷；泄水闸；模型试验；水流特性

1 问题的提出

南津渡水库位于永州零陵区，水库主要由拦河大坝、引水式电站，以及1，2，3号副坝和升船机等建筑物所组成，本工程于1991年11月投产。由于水库已运行多年，闸坝下游河床遭受了严重的冲刷，如图1所示，下游河床不仅在主泄流区出现较大冲刷，还在回流区产生了深度更大的冲刷坑。

目前，很多水利枢纽中已经出现闸坝下游河床冲刷问题，据作者已收集的资料：马迹塘水利枢纽和青山副坝等低水头水利枢纽，闸坝下游河床都出现较大的冲刷坑，对消能设施造成了不同程度的破坏。而目前对回流区河床冲刷的原因分析较少，本试验研究分别从水流三维特性、近壁区水流流速及紊动能3个方面，对尾坎下游主泄流区和回流区的河床影响进行研究，分析南津渡水库闸坝下游河床冲刷的原因。

图1 南津渡水库冲刷坑地形高程示意图（单位：m）Fig.1 Sketch of the scour terrain elevation in Nanjindu Reservoir（unit in m）

2 试验概况

本试验模型按重力相似准则设计，为正态整体模型，几何比尺为50，根据南津渡水库工程实际情况缩制而成。模型布有7孔泄水闸，以及梯型墩和T型墩等下游消能设施。本试验首先进行动床模型试验，按照河床质的抗冲流速，通过相似准则，换算的模型粒径为0.6～2.5 mm。为反映下泄水流的三维水流特征，试验选取仅开启4号闸孔的工况。

在动床模型试验的下游河床冲刷发展过程中，冲刷历时15 min时河床变形较为明显，历时180 min时河床变形基本稳定。为分析下泄水流的三维水流特征变化发展状态，将动床模型试验过程分解为t＝0 min（初始时刻），t＝15 min，t＝180 min 3个不同时刻，分别进行定床模型试验。本试验对尾坎下游右侧800 mm×800 mm的流场区域进行三维流速、地形和水面线测量，测点布置如图2。

图2 模型尺寸及测点布置图Fig.2 M odel size and measuring points arrangement

3 数据处理方法

本试验利用声学多普勒流速仪（NDV）对下游测点区域的三维流场进行测量，得出平均流速与脉动流速，然后计算紊动强度和紊动能。由N-S方程出发推导Reynolds时，首先定义时间平均流速为［1，2］

在非恒定流中，T相对于宏观物理量的变化周期仍取为有限时段，从而使宏观物理量时均值仍随时间变化。再将瞬时流速Ut分解为时均流速¯U和脉动流速u之和［3，4］

紊动水流采用脉动流速的均方根作为紊动强度［5，6］，即：

纵向紊动强度

4 试验结果分析

在仅开启4号闸孔试验工况下，图2所示测试区域，y＝1～13区域为回流区，y＝14～17区域为主泄流区。

4.1 回流区成果分析

4.1.1 三维水流流速流态

闸坝下泄水流运动具有明显三维特性，为研究分析水流特性对闸坝下游河床冲刷的影响，试验对回流区布置测点的三维流速进行较为系统的测量。

t＝0 min时刻回流区流速以纵向为主，在河床底面靠近边壁处，部分水流回流到消力池内。随着时间的增加，回流区尾坎后部泥沙逐渐被回流水流冲刷带走，致使河床高程逐渐降低，在尾坎后部，中上部的水流流向下游，而底部的水流流向上游，形成了横轴漩涡的水流，对尾坎造成了明显的淘刷；同时下游水流有明显的立轴漩涡水流产生，如图3（b）黑线部位。随着冲深增大，水深增加，水流相互剪切作用逐渐减弱，回流范围及强度逐渐增大，如图3（c）所示。由于漩涡水流对尾坎形成反复的淘刷，造成尾坎后部的冲刷坑深度逐渐增大，导致消力池底部被淘空［8，9］。

分析三维水流流态可知，当冲刷发展到一定阶段，受主泄流区高速水流影响，在回流区产生立轴涡流。泥沙在立轴漩涡水流的作用下，变得更加容易起动，并掺混在水体当中被带向下游。

4.1.2 回流区河床近壁区分析

下游河床近壁区流速分布图见图4，流速测点距河床的位置为1 cm左右。

图3 下泄水流三维流速图Fig.3 3D velocity field of discharge flow of the dam

图4 下游河床近壁平面流速图Fig.4 Velocity field of near-wall of downstream riverbed

t＝0 min时刻，河床表面为一平面，河床面对水流的干扰较小，回流区流速较小，尤其边壁和靠近主泄流区流速较大，边壁流速流向上游，随着冲刷坑的形成，冲刷坑内水流回流逐渐得到发展，如图4（b）所示，在尾坎后形成了小范围的立轴漩涡。随着冲刷坑深度和范围逐渐增加，水深增大，近壁面的回流流态逐渐稳定，当冲刷坑深度和范围达到一定程度后，水流流态基本处于稳定状态，在近壁面形成了较为明显的回流，如图4（c）所示。

4.1.3 t＝15 min时刻x＝4号断面三维流速分析

在冲刷发展15 min时，回流区x＝4号断面地形变化发展较快，泥沙起动明显。在图4（b）中也可以看出水流流速变化较大，故对t＝15 min时刻x＝4号断面三维流速进行分析，纵向流速以从上游流向下游为正，横向流速以向左为正，垂向以向上为正。

（1）纵向流速分析：纵向流速分布如图5（a）所示，在y＝7～8中出现纵向流速为零值的点，随后纵向流速向正负两极发展，纵向流速分布呈现出∽形状，在靠近河床面流速变化尤为明显，试验中在x＝4号断面河床断面纵向流速正向最大达到0.175 m／s，负向最大达到-0.236 m／s，在y＝7与y＝8之间流速出现零值，这种流速分布规律导致立轴漩涡的产生，造成河床泥沙大范围起动。

（2）横向流速分析：横向流速分布如图5（b）所示，大部分测点横向流速为正值，床面横向流速最大达到0.207 m／s，横向流速大致从边壁向主泄流区逐渐增大，大部分泥沙通过横向输移，将泥沙带往回流区左侧，通过纵向水流将泥沙带往下游。

（3）垂向流速分析：垂向流速分布如图5（c）所示，垂向流速较大不利于悬移质泥沙的沉降，而有利于泥沙的起动和输移。在y＝5靠近边壁，垂向流速较小；在y＝5靠近主泄流区，垂向流速波动越来越大，床面最大流速达到-0.045 3 m／s，说明该区域垂向流速不稳定，有利于泥沙的起动和输移［10，11］。

图5 x＝4号断面流速图Fig.5 Velocity field at cross-section x＝4

4.1.4 回流区下游河床分析

试验中是根据动床模型的发展过程，确立了3种典型地形的定床模型：t＝0 min时刻地形与尾坎平齐，t＝15min与t＝180min时刻的地形图，如图6所示，各点位置与图2中测点位置一致。

图6 冲刷深度地形图（单位：cm）Fig.6 Scoingur depth terrain m ap（unit in cm）

试验表明，回流区河床虽然不是最先发生冲刷的区域，但却是河床地形变化较快区域。t＝0 min时刻由于河床高程高于消力池底板的高程，回流范围和强度都较小，很难产生立轴漩涡，泥沙起动为小范围单颗粒起动，地形变化较缓。随着时间和流速的增加，河床高程降低，回流范围和强度加大，泥沙起动的范围扩大，速率加快，地形变化加快，冲刷深度迅速达到4.58 cm（图6（a））。部分泥沙在水流回流的作用下被带向消力池内，另一部分则掺混在水体中被带向下游，并在回流中心位置逐渐形成冲刷坑。当冲刷坑深度达到8.46 cm时（图6（b）），形成较为稳定的回流区域，此时河床水深较大，回流对河床泥沙的影响不能导致泥沙起动，河床逐渐稳定下来。

4.2 主泄流区水流特性分析

4.2.1 三维流速流态分析

t＝0 min时刻三维流速图如图3（a）所示，下游河床面和尾坎平齐，主泄流区流速多为平直向下，横向流速不明显。下泄水流在消力池内经历了剧烈碰撞，使得出池水流紊动强烈，引起河床面出现迅速变形，主泄流区冲刷坑的深度和范围加大，水流经历一次跌落后迅速调整为平顺状态，如图3（c）所示。随着水流对河床的冲刷继续发展，主泄流区冲刷坑深度和范围变化速度逐渐减缓，水流跌落的最低点也随之后移，主泄流区流态无较大变化。

4.2.2 主泄流区下游近壁区纵向水流流速分析

由于在主流区近壁区内，纵向流速发展变化明显，而横向和垂向流速变化不大，故仍需对纵向流速进行分析。通过对图7中（a），（b），（c）3张图比较分析可知：随着冲刷历时的增加，纵向流速逐渐减缓，t＝0 min时刻纵向流速最大达到0.6 m／s，而当冲刷基本稳定时纵向流速不足0.16 m／s。消力池水流受到尾坎高程影响，形成水跃，而出池水跃底部纵向流速较小，而后逐渐增大，在水跃末端，纵向流速加大，由于在试验观测中，主流区出池后河床泥沙首先起动，故认为纵向流速不是造成主泄流区冲刷主要的因素。

图7 近壁区纵向时均流速图（单位：m／s）Fig.7 Longitudinal velocity field at near-wall region（unit in m／s）

4.2.3 主泄流区下游河床近壁区紊动动能分析

水流在消力池内与消能设施发生剧烈碰撞，出池水流带有较大的紊动能，断面平均紊动能达到0.22 J，而在t＝0 min时刻，河床边界为一平面，对水流的干扰比较小，水流所携带较大的紊动能只能通过水流之间的扩散而逐渐削减，而在主泄流区尾坎后部紊动能最大，该处也是下游河床泥沙最先起动的位置，如图8（a）所示。随着主泄流区河床冲刷继续发展，冲刷坑深度和范围加大，出池水流所携带的较大紊动能通过水体自身紊动消散和扩散得到缓解，对河床的作用逐渐减小，直至整个主泄流区紊动能减小到无法造成泥沙起动，如图8（c）所示。

图8 近壁区紊动能图Fig.8 Turbulent energy at near-wall region

4.2.4 主泄流区地形分析

通过试验观测可知，在主泄流区，即y＝13至y＝17之间位置，水流在出尾坎后会有一个跌落过程，形成了对河床的俯冲，泥沙在这种较大的俯冲作用下最先起动并带向下游，并很快形成一道缓坡，深度达到2.8 cm，如图6（a）所示；随着时间的增加，冲刷坑最深点的位置不断向下游移动，但主泄流区的冲刷坡度变化不大，地形变化的速度较初始的时刻明显减缓，如图6（b）所示；当t＝180 min时刻冲刷深度达到3.8 cm时，水流对河床的冲刷基本停止，冲刷深度为主泄流区的河床基本稳定。

5 结论与建议

南津渡水库在泄流期间，由于下游水深较浅，而下泄水流单宽流量较大，如果消能设施不完善，将严重影响到下游河床的稳定性，甚至危及到消能设施的安全运行，研究下泄水流发展规律对深入理解和处理诸如冲刷问题有着重要的应用价值与实际意义，通过上述试验，可以得出以下结论：

（1）造成南津渡水库下游回流区河床冲刷的主要原因是流速的分布特点，导致立轴漩涡的产生，造成河床泥沙大范围起动，而造成主泄流区河床冲刷的原因是下泄水流所携带的紊动能［12］。

（2）紊动能对于主泄流区河床冲刷起着十分重要的作用，如果消能不充分，将对主泄流区河床造成严重冲刷，但对于回流区泥沙起动影响不大。

（3）比较主泄流区和回流区的泥沙起动规律可知：主泄流区泥沙是从t＝0 min时刻大范围大量起动，逐渐转变为小范围起动，泥沙起动速度逐渐减缓；而回流区泥沙从t＝0 min时刻的小范围单颗粒起动，逐渐转变成大范围起动，泥沙起动速度逐渐加快，达到一定程度后泥沙起动减缓。两者的区别说明主泄流区和回流区导致泥沙的原因并不一样。

（4）由于尾坎后部的冲刷坑深度较大，回流水流会对尾坎进行反复的淘刷，造成消能设施破坏和消力池底部被淘空。

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（编辑：刘运飞）

Experimental Research on Downstream River-bed Scouring on Nanjindu Reservoir

LIU Xiao-ping，HOU Bin，PAN Xuan-he，FANG Sen-song，WU Guo-jun
（Changsha University of Science Technology，Changsha 410076，China）

Through physicalmodel experiment and considering the characteristic of themain discharge area and return flow zone，the authorsmainly analysed the influence of flow characteristic on the river bed and the reason of scouring on downstream river bed of Nanjindu Reservoir.In this experiment，the NDV was used tomeasure three dimensional flow velocities in the right region.The results show that the characteristics of flow velocity distribution is themain reason that causes scouring in the return flow area of river bed while turbulentenergy is themain reason that causes scouring in main discharge area of river-bed.

river bed scour；sluice；model test；flow characteristics

TV131.61

A

1001-5485（2010）04-0011-05

2009-04-29

湖南省自然科学基金项目（04JJ3036）；湖南省交通厅科技创新项目（200732）

刘晓平（1956-），男，江苏泰州人，教授，主要从事港口、航道及近海工程研究，（电话）0731-82309694（电子信箱）lxplyt＠163.com。