多泥沙河流覆盖层基础上的水闸消能工研究

张彦辉　于海龙　刘春玉

(1.湖北三峡职业技术学院交通工程学院，湖北 宜昌　443000;2.中南勘测设计研究院，湖北 宜昌　443000)



多泥沙河流覆盖层基础上的水闸消能工研究

张彦辉1于海龙2刘春玉1

(1.湖北三峡职业技术学院交通工程学院，湖北 宜昌443000;2.中南勘测设计研究院，湖北 宜昌443000)

【摘要】水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，在水利工程中有十分广泛的应用[1]。目前很多水闸建在多泥沙河流覆盖层地基上，水闸在泄流时，尽管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，而土基的抗冲能力较低，可能引起水闸下游的冲刷，威胁水闸安全。本文结合宜昌市公益类科技项目“鄂西地区多泥沙河流覆盖层基础上的水闸消能工研究”，根据多泥沙河流的特点，将四川省甘孜州得荣县门扎水电站水闸及其所在河段地形条件按一定比例缩小制成模型进行试验，对闸孔全开和单孔局开下泄各级流量的动床模型的冲坑位置、冲坑深度及冲刷范围进行比较，提出对消能建筑物的优化方案，为类似工程提供依据。

【关键词】水闸；斜坡护坦；海漫；模型试验

1　工程概况

四川省甘孜州得荣县门扎水电站工程枢纽由拦河坝、左岸引水系统、左岸岸边式地面厂房等建筑物组成。拦河坝由左、右岸挡水坝段及河床泄水坝段组成，左、右岸挡水坝坝型均为混凝土重力坝；河床泄水坝段由1孔泄洪冲沙闸及2孔泄洪闸组成，孔口尺寸均为10.0m×7.5m(宽×高)。泄洪(冲沙)闸下游接斜坡护坦及混凝土四面体海漫，拦河坝最大坝高14.5m，坝基均坐落在覆盖层上。水电站水库正常蓄水位2270.00m，相应库容19.46万m3，设计洪水位2269.72m，校核洪水位2271.86m，总库容32.28万m3，死水位2269.00m，调节库容4.88万m3。电站装机2台，额定引用流量77.8m3/s，总装机容量90MW；属Ⅲ等中型工程。

由于电站库容较小，库沙比小于1，属泥沙问题严重类别，传统的消力池消能方式在泄洪冲沙时砂砾石在消力池内旋滚磨损消力池底板混凝土，会对消力池底板造成严重的冲刷磨损，因此将该水闸及其所在河段地形条件按一定的比例缩小制成模型进行试验，对闸孔全开和单孔局开下泄各级流量的动床模型的冲坑位置、冲坑深度及冲刷范围进行比较，提出对消能建筑物的优化方案，确定斜坡护坦末端防淘槽及海漫末端防冲槽深度、混凝土四面体海漫的长度及混凝土四面体的重量，以及下游河道及岸坡的防护范围等[2-3]。

2　模型制作

试验模型依据重力相似准则设计，模型比尺1∶40，引用规范为《水工(常规)模型试验规程》(SL 155—95)[4-5]。模型模拟河道总长1000m，其中上游300m，下游700m，河道地形根据1∶500地形图用水泥砂浆抹制，泄水建筑物用有机玻璃制作。模型上、下游水位测点分别布置于桩号坝0-100.000、坝0+450.000处，上、下游水位用固定测针施测。闸室水面线高程采用钢直尺测量，流速用光纤式旋桨流速仪测读，河道水面线和冲刷坑形态用活动测针测读。

下游河道动床铺设范围为桩号0+047.000～0+140.000，依据该河床抗冲流速(v=2.00m/s)，选用平均粒径4mm左右的河砂作为模型冲刷材料，桩号0+047.000～0+100.000动床平均铺沙高程2262.00m，桩号0+100.000～0+140.000动床按原河床地形铺设。试验模型如图1所示。

图1　试验模型

3　研究过程

采用水工整体模型试验对该工程消能工进行研究，通过对消能方式的不断调整和优化，最终确定最优方案。试验组次见表1[6]。

表1　试验组次

3.1方案Ⅰ

泄洪冲沙闸下游接斜坡式护坦，护坦长27.00m，纵坡i=1.852%，以桩号坝0+044.207为起点，在护坦末端增设坡比为1∶4的斜坎，坎顶高程2262.50m，坎顶宽度1m，护坦后接钢筋石笼海漫长48.00m，顶部高程2262.00m，见图2。

图2　方案Ⅰ泄洪冲沙闸纵剖面

通过试验得出方案Ⅰ下游冲坑特征值和冲坑情况，见表2和图3～图4。

表2　方案Ⅰ冲坑特征值

注横距为测点距③孔中线距离(左侧为正，右侧为负)，动床铺沙高程2262.00m，护坦末端桩号0+47.00。

图3　方案Ⅰ工况1冲坑示意图

图4　方案Ⅰ工况2冲坑示意图

工况1、工况2泄洪冲沙闸局开运行时，动床冲刷较为明显，主冲坑基本位于③孔中心线方向，工况1冲坑最深点高程为2257.26m(桩号0+062.6000)，冲坑深4.74m，工况2冲坑最深点高程为2254.96m(桩号0+070.600)，冲坑深7.04m，桩号0+047.000～桩号0+110.000段动床沿左侧边坡坡脚下切深度均在2m以上，工况1最大下切深度为 3.26m，工况2最大下切深度达到了7.04m，且距离冲坑最深点较近，不利于边坡的防护与稳定。

工况3①、②号泄洪闸局开运行时，动床虽然有冲坑形成，但冲刷深度有限，工况1～工况3护坦末端(桩号0+047.000)冲刷深度均小于1.30m；三孔全开泄洪时，由于过闸水流水头差较小，护坦末端临底流速降低，下泄水流对下游动床冲刷轻微，且无明显冲坑形成，因此，在本次方案及后续修改方案试验过程中，将不再对工况4～工况6进行施测，重点围绕闸门局部开启运行下泄中小流量上、下游水位差较大的不利工况进行试验。

3.2方案Ⅱ

泄洪冲沙闸下游接斜坡式护坦，护坦长27.00m，纵坡i=1.852%，护坦后桩号坝0+047.000～坝0+051.000增设4.00m长的防冲跌坎，坎顶高程2261.00m，见图5。

图5　方案Ⅱ泄洪冲沙闸纵剖面

通过试验得出方案Ⅱ下游冲坑特征值和冲坑情况，见表3和图6～图7。

表3　修改方案Ⅱ冲坑特征值

注横距为测点距③孔中线距离(左侧为正，右侧为负)，动床铺沙高程2262.00m，护坦末端桩号为0+47.00m。

图6　方案Ⅱ工况1冲坑示意图

图7　方案Ⅱ工况2冲坑示意图

工况1最大冲坑深度4.48m，左边坡坡脚下切深度为3.10m，护坦末端冲坑深度为2.10m；工况2最大冲坑深度6.88m，左边坡坡脚下切深度为6.88m，护坦末端冲坑深度为2.90m。与方案Ⅰ相比，工况3变化不大，工况1、工况2在冲坑深度及左边坡下切深度上均有不同程度的减小，但护坦末端冲刷深度有显著增大，故此方案防冲效果不理想。

3.3方案Ⅲ

泄洪冲沙闸下游接斜坡式护坦，护坦长27.00m，纵坡i=1.852%，护坦后接钢筋石笼海漫长48.00m，顶部高程2262.00m，见图8。

图8　方案Ⅲ泄洪冲沙闸纵剖面

通过试验得出方案Ⅲ下游冲坑特征值和冲坑情况，见表4和图9～图10。

表4　方案Ⅲ冲坑特征值

注横距为测点距③孔中线距离(左侧为正，右侧为负)，动床铺沙高程2262.00m，护坦末端桩号0+47.00。

图9　方案Ⅲ工况1冲坑示意图

图10　方案Ⅲ工况2冲坑示意图

从试验成果可以看出，工况1、工况2在冲坑深度及左边坡下切深度上均比方案Ⅰ、方案Ⅱ减小；工况1～工况3护坦末端冲刷深度小于1.30m，坡度比小于1∶2.5，故下游冲坑不会对泄洪建筑物安全构成威胁，由此得出方案Ⅲ的防渗效果最好。但工况1、工况2泄洪冲沙闸局开运行时，最大冲坑深度分别为4.45m和6.80m，左侧边坡坡脚最大下切深度分别为 2.28m和 5.52m，且距离冲坑最深点较近，不利于边坡的防护与稳定；针对泄洪冲沙闸局开运行所引起的左岸边坡防护与稳定问题，采取工程措施(如闸室末端采用护坦+混凝土四面体海漫等型式)减轻下泄水流对河床的冲刷，将工况1泄洪冲沙闸单开泄洪时下游河床的冲坑深度控制在3m左右。

3.4方案Ⅳ

在方案Ⅲ的基础上，对护坦后桩号坝0+047.000～坝0+067.000段河床采用重约2t(棱长a=1.96m)的四面体海漫进行防护(四面体按单层规则摆放，顶部高程2262.00m)，见图11。

图11　方案Ⅳ泄洪冲沙闸纵剖面

采用四面体海漫进行防护后，工况1海漫段主流流速并没有迅速减小，①、②孔后桩号0+47.000～0+105.000之间的回流区对主流的挤压较方案Ⅲ更为明显，主流顺着左侧边坡直接冲刷坡脚，见图12。冲刷时间持续45min后(相当于原型时间4.7h)，水流陆续将部分四面体冲走，并散落在冲坑内靠左侧边坡坡脚一带，冲坑最深点与左边坡最大下切深度位置均在桩号0+082.200处，高程为2259.24m，冲坑深度为2.76m，见图13；只有少部分重约2t的四面体滞留在冲刷坑内，动床的抗冲刷能力提高有限 。

图12　方案Ⅳ工况1 (Q=100m3/s)流态

图13　方案Ⅳ工况1 (Q=100m3/s)下游冲刷

3.5方案Ⅴ

在方案Ⅳ基础上，将四面体重量增大至6t左右(棱长a=2.80m)，护坦后海漫防护长度由桩号坝0+067.000延伸至桩号坝0+077.000(四面体按单层规则摆放，顶部高程2262.00m)，见图14。

图14　修改方案Ⅴ泄洪冲沙闸纵剖面

工况1(Q=100m3/s)泄洪冲沙闸局开运行时初期，四面体防护层无失稳流失现象，护坦末端(0+047.000)临底流速为8.91m/s，海漫末端主冲坑形成后，末排四面体有较少滑动，见图15。冲坑最深点位于桩号0+077.000③孔中线附近，高程为2259.54m，冲坑深度为2.46m，桩号0+085.400处左边坡最大下切深度为1.64m，测点高程为2260.36m，见图16。从工况1冲刷试验数据可以看出，动床最大冲坑深度和左岸边坡最大下切深度均小于3m，基本达到了预期的防冲效果。

图15　方案Ⅴ工况1 (Q=100m3/s)流态

图16　方案Ⅴ工况1 (Q=100m3/s)下游冲刷

工况2 (Q=200m3/s)(he=1.00m，上游水位2269.47m)流量时，三孔下泄水流均以远驱水跃形式与下游水面衔接。①、②号孔水跃跃首在闸墩末端

桩号0+020.000～0+028.000之间，呈“八”字状，③号孔水跃跃首在桩号0+020.000～0+025.000之间来回震荡，见图17。试验对②孔中线方向沿程流速进行了施测，海漫段流速在0.50～2.15m/s之间，动床无冲刷现象，见图18。

图17　方案Ⅴ工况2 (Q=200m3/s)流态

图18　方案Ⅴ工况2 (Q=200m3/s)下游冲刷

工况3(Q=200m3/s)① 、②孔局开(he=1.34m，上游水位2270.17m)运行时，下游流态与流量Q=100m3/s基本相似，见图19，但远驱水跃跃首位置发生变化，在桩号0+047.000～0+49.000之间。桩号0+075.000处底部流速为3.56m/s，四面体海漫末端动床冲刷轻微，无明显冲坑形成，见图20。

图19　方案Ⅴ工况3 (Q=200m3/s)流态

图20　方案Ⅴ工况3 (Q=200m3/s)下游冲刷

4　结　论

a.所有的方案在工况4～工况6三孔全开运行时，下游动床冲刷轻微。

b.对于下游护坦方案，方案Ⅲ流速和下游冲坑深度较方案Ⅰ和方案Ⅱ小很多，故此方案Ⅲ防冲效果相对较好。

c.方案Ⅲ工况1(Q=100m3/s)冲坑最深点高程为2257.55m，冲坑深度为4.45m，左岸边坡最大下切深度为2.28m。工况2(Q=200m3/s)冲坑最深点高程为2255.20m，冲坑深6.80m，左边坡坡脚下切深度达到5.52m。工况1、工况2泄洪冲沙闸局开运行时，护坦末端(桩号0+047.000)冲刷深度均小于1.30m，但左岸边坡处动床下切深度均在2m以上，且距离冲坑最深点较近，不利于边坡的防护与稳定。工况3(①、②泄洪闸局开1.34m)下泄200m3/s流量时，冲坑最深点高程为2259.85m，冲坑深2.15m，右岸边坡坡脚下切深度仅为0.72m，较工况2有明显改善。

d.方案Ⅲ工况1～工况3运行时，从流速分布试验成果可以看出，护坦沿程底部流速在7.65～10.55m/s之间，远大于2m/s的河床抗冲流速，如缩短护坦长度，会导致护坦末端流速增大，对下游河床防冲和边坡防护带来负面影响。针对泄洪冲沙闸局开运行所引起的左岸边坡防护与稳定问题，采取工程措施(如闸室末端采用护坦+混凝土四面体海漫等型式)减轻下泄水流对河床的冲刷，将工况1泄洪冲沙闸单开泄洪时下游河床的冲坑深度控制在3m左右。

e.方案Ⅳ在桩号坝0+047.000～坝0+067.000段河床采用重约2t(棱长a=1.96m)的四面体海漫进行防护，水流陆续将部分四面体冲走，并散落在冲坑内靠左侧边坡坡脚一带，只有少部分重约2t的四面体滞留在冲刷坑内，动床的抗冲刷能力提高有限。

f.方案Ⅴ在方案Ⅳ的基础上将海漫增大至6t，通过试验分析得出工况1～工况3的动床最大冲坑深度和左岸边坡最大下切深度均小于3m，且流速降低很多，对下游无明显冲刷，达到了预期的防冲效果。

由此得出该工程消能方式采用泄洪冲沙闸下游接斜坡式护坦，护坦长27.00m，纵坡i=1.852%，护坦后接重6t左右的混凝土四面体海漫(棱长a=2.80m)，海漫防护长度由桩号坝0+067.000延伸至桩号坝0+077.000。

5　展　望

应在本试验的基础上，研究不同的下泄流量对下游冲刷的影响，确定泄洪冲沙闸局开运行的流量区间；综合方案Ⅴ各闸门开启工况冲刷试验成果，提出泄洪调度方式。

参考文献

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DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.017

中图分类号：TV653

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)07- 0054- 08

Research on water gate energy dissipater on foundation sediment river coverage layer

ZHANG Yanhui1, YU Hailong2, LIU Chunyu1

(1.HubeiThreeGorgesPolytechic,Yichang443000,China;2.ZhongnanEngineeringCorporationLimited,Yichang443000,China)

Abstract:Water gate is a low head hydraulic structure for retaining and sluicing by gates. It is applied widely in water conservancy projects[1]. Currently, many water gates are constructed on sediment river coverage layer foundation. The flow velocity is low during the sluicing of water gates, but water flow still has certain residual energy. The anti-scouring ability of earth base is lower, which may cause the downstream scouring of water gates, and threaten the safety of water gates. In the paper, Yichang public technology project—‘research on water gate energy dissipater on sediment river coverage layer foundation in Western Hubei’is combined. The water gate and corresponding river terrain conditions of Sichuan Ganzi Derong Menzha Hydropower Station are zoomed to produce models for test according to certain proportion on the basis of characteristics of sediment rivers. Shifting bed model scouring pit position, scouring pit depth and scouring scope at all sluicing flow rates are compared under sluice hole whole opening and single hole sect1ial opening. The optimization plan of energy dissipation buildings are proposed, thereby proposing basis for similar projects.

Key words:water gate; slope apron; sea apron; model test