水电站冲刷漏斗的坡度研究

洪 振 国

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

水电站冲刷漏斗的坡度研究

洪 振 国

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

冲刷漏斗的成因十分复杂，目前试验技术尚无严格相似，冲刷漏斗的坡度尚无成熟方法可依。通过水电站冲刷漏斗的坡度经验公式计算、模型试验和原型观测3种方法对比分析，结果表明：经验公式计算得到漏斗坡的坡度与模型试验值基本接近，原型观测冲刷漏斗的坡度普遍比经验公式计算和模型试验值偏缓。冲沙底孔流量增大，相应底孔流速增大，形成的冲刷漏斗坡度更平缓，对水电站进水口门前清和正常发电更为有利。

水电工程；冲刷漏斗的坡度；经验公式计算；模型试验；原型观测

在多沙河流上修建水库时，经常发生严重的泥沙淤积，为保持有效库容及满足水电站取水口引水含沙浓度和粒径的要求，通常需要设置冲沙底孔适时进行冲沙。洪水期在冲沙底孔的拉沙作用下，在淤积三角洲前缘一般会形成一个冲刷漏斗，蓄水运行时，大部份的危害泥沙在冲刷漏斗范围内落淤，不再进入水轮机机组，既保证了电站进水口门前清，又保证了正常水位下的发电效益。因此冲沙漏斗对水电站正常发电有重要作用。

目前国内学者对此进行了有益的探索。比如：董年虎[1]认为水电站前漏斗形态受多种因素影响，其中边界条件对其影响是一个不可忽略的因素；王广月[2]在已建水库实测地形资料的基础上，将坝前冲刷漏斗分成大漏斗与小漏斗，分析了实测大、小漏斗的坡度、漏斗范围，并根据回归分析得出了漏斗的经验公式；王英伟[3]根据黄河水利枢纽水电站排沙的试研究，对影响坝前冲刷漏斗形态的水库运行方式、坝区地形、坝前淤积泥沙组成及性质等因素进行了归纳分析：认为冲刷漏斗坡度和冲刷深度是决定冲沙底孔高程的主要因素；严镜海等[4]、万兆惠[5]、吕秀贞[6]和武汉水利水电学院[7]等相关学者和单位收集了大量原型资料，并导出了相应的经验公式或经验关系曲线。

针对上述冲刷漏斗的坡度尚无成熟方法可依，笔者先介绍了应用冲刷漏斗的坡度经验公式计算、模型试验和原型观测这3个方面对比论证。论证了水电站冲刷漏斗的坡度合理性，这对水电站进水口门前清和正常发电具有重要意义。

1 工程概述

等壳水电站位于云南省保山龙江中下游，等壳水电站的开发任务为单一水力发电，电站装机电量120 MW，保证出力19.456 MW，多年平均发电量5.204 4×108kW·h，年利用小时4 337 h。等壳水电站主要建筑物包括拦河大坝和坝后式发电厂房等。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 022.40 m，最大坝高76.4 m，坝顶长度294 m。设置溢流表孔共3孔，堰顶高程1 008.80 m，单孔尺寸宽×高=7.5 m×10.2 m，溢流总净宽3×7.5=22.5 m。等壳水库坝前正常蓄水位1 019.0 m，水库运用最高水位为校核水位1 021.47 m。

2 经验公式计算分析

通过对水库冲刷漏斗的原型观测和分析，文献[5-8]提出了大量的计算冲刷漏斗的经验公式或曲线关系。这种经验关系式一般均与流量与孔前流速有关或者在此基础上引入淤积厚度，孔前平均水深等参数。其中最有代表是夏毓常等[8]根据原第十一工程局设计队的原型观测资料建立的冲刷漏斗的坡度关系。其关系经验公式为：

(1)

(2)

式中：J，J′分别为冲刷漏斗纵、横向坡度；Q为孔口流量，m3/s；v为孔口流速，m/s；v0为水深1 m时冲刷漏斗床面泥沙起动流速，m/s；z冲刷漏斗外围淤积厚度，m。

等壳水电站冲刷漏斗孔口流量Q=1 030 m3/s；孔口流速v=24.5 m/s；漏斗外围淤积厚度z=25 m。经以上经验公式计算得到正常蓄水位下的冲刷漏斗纵向坡度J=1∶2.25；横向坡度J′=1∶2.2～2.43；校核水位下冲沙漏斗的纵向坡度J=1∶2.4；横向坡度J′=1∶2.3～2.43。

3 模型试验

等壳水电站冲刷漏斗的模型试验在水利枢纽整体正态模型上进行，模型水平比尺λl=50，垂直比尺λH=50。模型悬移质按沉降相似设计，对冲刷漏斗而言，汛期拉沙、淤积物受到冲刷，满足休止角相似和扬动相似，非汛期拦沙、泥沙淤积模型满足沉降相似。因此，模型设计满足冲刷漏斗相似要求。

3.1 模型试验参数

等壳水电站为满足发电要求，水库大坝设三孔取水口，取水口底板高程995 m。为保障水电站正常取水要求，在取水口左侧布置冲沙底孔1孔，进口高程为970 m，孔口尺寸宽×高=6 m×7 m。等壳水库坝前正常蓄水位1 019 m，校核水位1 021.47 m。水电站大坝水库多年平均过来的悬移质输沙量为236.2×104t，推移质沙量按悬移质沙量20%计算，所以多年平均输沙总量为283.4×104t，多年平均悬移质含沙量为0.453 kg/m3[9-14]。

3.2 试验设计

考虑到水库库容一般较大，淤积平衡时间长，如果按正常的试验方法进行来沙过程施放泥沙，试验周期过长，困此在试验中首先预铺近坝段淤积三角洲地形，然后在其基础上进行近坝段水库淤积试验。由于试验主要关注底孔冲刷漏斗对水电站进口的保护情况，因此初铺沙高度以电站进水口底板高程为准，初始铺沙至995 m。

试验设计中考虑到水库泥沙粒径较小，近坝段泥沙粒径更细，因此必须考虑采用轻质沙进行模拟，经过比选，最后采用粉煤灰作为模型沙，模拟库内淤积沙。但进行冲刷漏斗试验时发现，由于粉煤灰颗粒过细，在试验结束后，充分饱水的粉煤灰漏斗随着水流排出，在渗透压力作用下，本身形状发生将改变，很难形成稳定的漏斗形态，必须采取措施对冲刷漏斗进行保护。在1 019 m水位下，打开冲沙底孔泄水冲沙。根据以往试验经验，一般认为从底孔下泄的水流由浑到清之后，再保持水位放水10 min后，漏斗形态稳定。

3.3 试验结果分析

为分析漏斗对水电站取水的保护情况，对模型漏斗成果进行了分析，主要分析了在坝面位置漏斗横向变化及顺水流向的纵坡变化。正常蓄水位下的冲刷漏斗形态见纵横剖面如图1；校核水位下的冲刷漏斗形态见图2。冲刷漏斗纵剖面图1(a)、图2(a)中坐标0点为坝轴线位置；冲刷漏斗横剖图1(b)、图2(b)中横轴线为坝轴线位置，坐标0点为底孔中心线。

图1 正常蓄水位的冲刷漏斗纵剖面和横剖面Fig.1 Longitudinal profile and cross section of scouring funnel of normal water storage level

图2 校核水位的冲刷漏斗纵剖面Fig.2 Longitudinal profile and cross section of scouring funnel at checked water level

3.4 与其它水库模型试验比较

水库冲刷漏斗的坡度形成是一个多种因素综合作用结果，包括入库水流条件、入库泥沙量及级配、泥沙粒径及淤积量、库区地形、地貌、枢纽泄流规模及布置高程和位置等。因此，每一个水库的冲刷漏斗的坡度都不可能与另一个水库完全相同。但是，笔者可通过大量水库的对比分析，对等壳水库冲刷漏斗的坡度试验结果进行判断。

表1为等壳、三峡、小浪底、紫坪铺、宝石和观音岩等6个水库冲刷漏斗主要参数的试验结果。

从表1可知：三峡、小浪底、紫坪铺、宝石和观音岩等5个水库的底孔流量为220～1 400 m3/s，底孔前流速为12.2～24.7 m/s，底孔前水深为26.6～85 m，底孔前淤积厚度为24.6～65 m，冲刷漏斗纵向坡度为1∶13.8～1∶2.2，横向坡度为1∶5.1～1∶2.3。等壳水库的底孔流量为1 030 m3/s，底孔前流速为24.5 m/s，底孔前水深为51.5 m，底孔前淤积厚度为25 m，冲刷漏斗纵坡为1∶2.2～2.4，横坡为1∶2.4～2.6。因此等壳水库冲刷漏斗主要参数在三峡、小浪底、紫坪铺、宝石和观音岩等5个水库范围内，因此说明漏斗试验的坡度结果是合理的。

表1 水库冲刷漏斗主要参数试验结果

3.5 与原型观测的比较

表2为小华山、巴家咀、浍河、汾河、小河口、三门峡、盐锅峡、刘家峡等12个水库观测得到20个冲刷漏斗的实测资料。

由表2可知：①底孔流量为0.25～790 m3/s，底孔流速为0.52～10.4 m/s，中值粒径d50为0.012～0.06 mm，底孔前水深为12～39.7 m，底孔前淤积厚度为1.6～21 m，冲刷漏斗纵向坡度为1∶70～1∶3，横向坡度为1∶18～1∶1.2。等壳水库底孔前流量、孔前淤积厚度、淤积物中值粒径等指标均基本处于表2的20个漏斗资料范围，试验所得漏斗纵、横坡度基本处于表2中范围；可见等壳水库冲沙底孔满足水电站正常取水的发电要求。②底孔流量增大，相应底孔流速增大，形成的冲刷漏斗的坡度更平缓，对水电站取水安全更为有利。③原型观测冲刷漏斗的坡度与入库水流条件、入库泥沙量及级配、泥沙粒径、库区地形、地貌、枢纽泄流规模及布置高程和位置等有关，冲刷漏斗的成因十分复杂，现有试验技术尚无严格相似，因此原型观测冲刷漏斗的坡度普遍比经验公式计算和模型试验值往往偏缓。

表2 冲刷漏斗实测资料

4 结 论

通过对水电站水库冲刷漏斗的坡度经验公式计算、模型试验和原型观测3个方面对比分析，得到如下结论：

2)原型观测冲刷漏斗的坡度与入库水流条件、入库泥沙量及级配、泥沙粒径、库区地形、地貌、枢纽泄流规模及布置高程和位置等有关，冲刷漏斗的成因十分复杂，现有试验技术尚无严格相似，因此原型观测冲刷漏斗坡度普遍比经验公式计算和模型试验值往往偏缓。

3)底孔流量增大，相应底孔流速增大，形成的冲刷漏斗坡度更平缓，对保护取水口取水安全更为有利。

4)今后需进一步加强对水电站水库冲刷漏斗坡度经验公式计算方法、数值模拟、模型试验和原型观测研究，更有效地模拟水库水流泥沙运动规律，解决现有冲刷漏斗试验技术中尚无严格相似难题。

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(责任编辑 刘 韬)

Scouring Funnel Slope Study for Hydroelectric Station

HONG Zhenguo

(Yunnan Water and Hydropower Engineering Investigation, Design and Research Institute, Kunming 650021, Yunnan, P.R.China)

The cause of the scour funnel is very complicated, and there is no strictly similar and matured method to used for scouring funnel of slope. Through comparison and analysis of three methods of empirical formula calculation, model test and prototype observation of the scour funnel induced slope in the hydropower station, the results show that the slope of empirical formula calculation generated results similar to that of the model test, and the slope of the prototype observation is gentler than slope by the empirical formula calculation and model test. The increased flushing bottom outlet flow rate, increased corresponding bottom outlet velocity , formation of the gentler scour funnel slop facilitate more clear water at inlet and normal power generation for hydroelectric station.

hydropower engineering; slope of scouring funnel; theoretical calculation; model test; prototype observation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.12

2015-10-20；

2016-04-27

洪振国(1976—)，男(白族)，云南洱源人，高级工程师，主要从事水工建筑物设计方面的研究。E-mail：402897694@qq.com。

TV141+.1

A

1674-0696(2017)02- 067- 05