渠首闸后防冲槽的抛石粒径与消能试验研究

李江峰，耿凡坤，尹 辉，李 娟，依玛木·赛都拉,2

(1.新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆精河县水利管理处， 新疆 精河 833300)

新疆农业是灌溉农业，其灌溉用水约80%[1]取自地表河流，且绝大部分为山溪性多泥沙河流。根据调查，新疆有一些代表性河流引水渠首也采用了抛石防冲槽形式[2]。新疆塔里木河帕满水库在引水闸海漫尾部设置了抛石防冲槽[3]。四川省某水电站闸后护坦末端设置抛石防冲槽，抛石粒径为40 cm～100 cm。设置抛石防冲槽后，冲深比无防护措施时减小了37%～40%，抛石防冲槽明显增强了护坦的安全性[4]。浙江省三溪口水电站泄洪闸下游采用了消力池+护坦+海漫+抛石防冲槽的典型结构[5]。河南省南阳市白河二级橡胶坝水毁修复工程在防冲槽底部铺块石，块石粒径不小于35 cm[6]。

在黄河小浪底工程消力塘防冲槽设计中，在护坦的下游布置了防冲槽，防冲槽内抛填块石，块石粒径30 cm～80 cm，中值粒径60 cm[7]。通过防冲槽的设计及模型试验，结合消力塘尾堰消能工程的设置，较好的解决了1号消力塘泄洪时的下游冲刷问题。

目前，新疆河流上的灌溉引水渠首，所涉及到的消能防冲槽工程，均有相当一部分出现损毁。主要表现在防冲槽内的抛石被冲走，高速水流严重破坏防冲槽的原设计结构，闸后冲刷加剧、冲深加大，消能设施遭到破坏。水闸的运行稳定与否，消能防冲设计是一大关键[8]。考虑到山区河道的冲刷性，设计抛石防冲槽是十分必要的[9]。因此，选择适宜的防冲槽尺寸及槽内抛填合适粒径的卵石，对工程消能防冲至关重要。

1 模型试验

1.1 试验内容和目的

(1) 试验内容。通过对三组(Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s)不同的来水流量进行试验：

① 消能防冲槽内无抛石试验。测试消能防冲槽内不同位置的压力和流速，了解水流在消能防冲槽内的漩滚特点。

② 消能防冲槽内有抛石试验：向消能防冲槽内抛填不同的均匀粒径及不同的混合粒径的卵石进行试验。测试防冲槽内在抛填不同粒径卵石工况下的冲淤情况。分析防冲槽内的冲刷规律，选定适宜的抛填卵石粒径[10]。

(2) 试验目的。分析研究消能防冲槽，在相同地质条件及同等边界条件下的消能防冲的工作规律，确定消能防冲槽的抛填卵石的最佳粒径。

1.2 模型设计和制作

(1) 模型比尺：1∶30。

(2) 模型范围：以闸后防冲槽为基准设计为标准断面模型。包括上游稳水段，闸枢纽含防冲槽，下游沉砂池、量水堰、退水渠等。模型布置见图1。

图1 模型平剖面布置图

1.3 试验工况

本次试验主要分为两大工况：(1) 无抛填卵石试验；(2) 有抛填卵石试验。

文章着重分析有抛石试验的相关成果，论证渠首闸后防冲槽的抛石粒径与消能效果之间的关系。

试验抛填卵石组合工况方案见表1。

1.4 模型试验及其成果

1.4.1 原型典型流量的选择

全疆共有大小河流570条，其中年径流总量在0.74×108m3～2.39×108m3的河流有百余条[11]。在这些河流上，修建的引水渠首来水流量多数在200 m3/s～410 m3/s区间。

表1 消能防冲槽模型试验抛填卵石组合工况方案

本项目，根据目前的工程实际并结合试验条件，最终选取Q=220.0 m3/s、Q=300.0 m3/s、Q=400.0 m3/s，为典型流量，并作为本项目的试验流量。具体情况见表2。

表2 典型(原型)流量及历时

1.4.2 模型砂的配制及选择

模型砂，采用天然砂模拟。根据重力相似准则，按照几何比尺选取模型砂粒径。本项目模拟的中型工程，具有水流湍急、含沙量大，推移质含量多等特点。根据模拟的实际工程环境，对已选定的卵石进行筛选、配制、分组。具体情况见表3。

表3 抛石分组及其占比情况

2 试验研究及分析

收缩断面位置主要取决于闸门开度和泄流量等因素，跃前、跃后断面位置主要取决于跃前流速、水深和跃后水深等，与抛石颗粒粒径关系不大。但抛石粒径对冲刷坑深度、冲刷坑位置及消能效果影响较大。本次试验研究主要针对抛石粒径对冲刷坑位置(影响到跃前、跃后断面位置)、冲刷坑深度及消能效果影响方面进行分析。

2.1 流量与过水收缩断面及跃后断面的位置关系

(1) 消能防冲槽内抛填不同均匀粒径的卵石。在消能防冲槽内抛填不同均匀粒径的卵石，其来水流量与过水收缩断面及跃后断面的位置情况见表4。

表4 抛填不同均匀粒径的卵石来水流量与过水收缩断面及跃后断面位置情况

表4中的成果表明：

① 当槽内抛填不同均匀粒径的卵石时，随着来水量的不断增大，槽内过水收缩断面及跃后断面形成了也不断向下游移动的固有规律，反之也成立。由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变时，槽内抛填不同均匀粒径的卵石，不能改变消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面位置与来水流量之间的固有规律。

② 当槽内来水量一定，向槽内抛填不同的均匀粒径卵石时，其过水收缩断面及跃后断面的位置变化与抛填粒径没有显著的规律。成果表明：对同一个来水流量，当分别抛填400 mm及800 mm的均匀粒径卵石时，其消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面的位置基本相同。这说明，两者的消能效果基本一致。如果单从数学角度比较，抛填粒径为800 mm的卵石略优于抛填粒径为400 mm的卵石。

③ 当抛填卵石粒径为500 mm时，其消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面与抛填卵石粒径为400 mm或800 mm时相较，过水收缩断面及跃后断面的位置更趋向下游。这说明，抛填均匀粒径为500 mm的卵石消能效果，要比抛填均匀粒径为400 mm或800 mm的卵石好些，因为对建筑物的安全更有利。由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变时，总会存在一个最佳消能的抛石粒径。在本项目的抛填均匀卵石试验中，槽内抛填均匀卵石粒径为500mm时，为最佳抛石粒径。

(2) 消能防冲槽内抛填混合粒径的卵石。在消能防冲槽内抛填不同粒径的混合卵石，其来水量与过水收缩断面及跃后断面的位置情况见表5。

表5 抛填不同混合粒径的卵石来水流量与过水收缩断面及跃后断面位置情况

表5中的成果表明：

① 当槽内抛填不同粒径的混合卵石时，随着来水量的不断增大，槽内过水收缩断面及跃后断面形成了也不断向下游移动的固有规律，反之也成立。由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变时，槽内抛填不同粒径的混合卵石，不能改变消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面与来水流量之间的固有规律。

② 当槽内来水量一定，向槽内抛填不同的混合粒径卵石时，其过水收缩断面及跃后断面的位置变化与抛填混合粒径没有显著的规律。成果表明：对同一个来水流量，当分别抛填混合1组(粒径400 mm、600 mm、800 mm混合)或混合3组(粒径400 mm、500 mm、600 mm、800 mm混合)时，消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面的位置基本相同。这说明，两者的消能效果基本一致。如果从工程应用角度比较消能效果，抛填混合3组的卵石略优于抛填混合1组的卵石。

③ 当抛填卵石粒径为混合2组(粒径400 mm、500 mm、800 mm混合)时，其消能防冲槽内的过水收缩断面及跃后断面与抛填卵石粒径为混合1及混合3组相较，混合2组的过水收缩断面及跃后断面的位置有显著的前移。这说明，抛填混合2组的卵石消能效果，要比抛填混合1组或混合3组的卵石差些。由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变，抛填混合粒径卵石时，槽内抛填混合3组相对较为理想。

2.2 消能防冲槽内的水能消减情况

任何运动的物体都遵循能量守恒定律，消能防冲槽内运动的水流也是如此。水流在防冲槽中从某断面流向另一断面，两断面的能量变化是守恒的。也就是说，两断面之间的能量转化遵循如下方程。

即：Ek1+Ep1=Ek2+Ep2+Eδ。

对于本项目的模型试验，其能量公式为：

Eδ=Ek1-Ek2+Ep1-Ep2

式中：Eδ为水流经过消能防冲槽时所消耗的能量；Ek为动能，J；Ep为势能，J。

Ep1-Ep2=mgΔh

Δh= 0.34 m(防冲槽进出口高差)。

试验断面1选取的位置是护坦与防冲槽的交线断面，断面2选取的位置是防冲槽下游出口与河床的交线断面。

在本试验中，根据动能公式Ek=(mν2)/2计算能量损失(即：消能防冲槽的消能效果)。 其中：Ek为动能，J；m为物体的质量，kg；ν为物体运动的速度，m/s。

(1) 抛填均匀粒径。在消能防冲槽内抛填不同粒径的均匀卵石，来水量与槽内消能效果计算成果见表6。

表6成果表明：

当来水量相同，消能防冲槽内抛填均匀粒径卵石时，抛石粒径与消能效果成反比。所以，抛石粒径要满足设计洪水工况，不被来水冲走的最小直径，流速要小于卵石的起动流速[12]。也就是，选择单个卵石越重且直径相对越小，消能效果越好。

本试验选定的均匀粒径抛石中，在抛填粒径为400 mm或粒径为500 mm的均匀卵石时，粒径为400 mm的卵石对小流量来水消能效果较好，粒径为500 mm的卵石对大流量的来水消能效果较好。在实际工程中，多数考虑大流量消能问题。所以，本项目抛填均匀粒径为500 mm的卵石为宜[13]。

由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变时，要选择高密度卵石向槽内进行抛填，以充分利用单个卵石的自重。也可以选择高密度人工石进行抛填。

(2) 抛填混合粒径。在消能防冲槽内抛填不同粒径的混合卵石，其来水量与槽内消能效果计算成果见表7。

表6 抛填不同粒径的均匀卵石与不同来水流量的消能占比

表7 抛填不同粒径的混合卵石与不同来水流量的消能占比

表7成果表明：

当来水量相同，消能防冲槽内抛填混合粒径卵石时，抛石的混合粒径与其消能效果没有明显的规律。也就是说，改变粒径组合，对防冲槽内的消能效果影响不是很大。

在本试验选定的混合粒径抛石中，抛填混合1组或混合3组卵石时，混合1组对小流量来水消能效果较好，混合3组对大流量来水消能效果较好。从工程应用角度出发比较消能效果，抛填混合3组的卵石略优于抛填混合1组的卵石。

由此说明，在渠首闸后防冲槽工程中，当几何结构尺寸不变时，要选择多粒径混合卵石向槽内进行抛填。抛填的最小粒径以不被来水冲走为宜。

2.3 消能防冲槽内的抛石冲刷情况

(1) 抛填不同均匀粒径的卵石。本项目试验，向槽内抛填均匀粒径的卵石分三个组别。也就是在选定试验来水流量工况下分别抛填粒径为400 mm、500 mm、800 mm的卵石。

向消能防冲槽内抛填卵石的目的有二：其一，防止水流破坏防冲槽，延长工程使用寿命；其二，吸收一部分水能，消减水能对下游河床产生的冲刷破坏。本试验向消能防冲槽内抛填均匀粒径卵石，其冲刷试验成果见表8。

表8 抛填不同均匀粒径的卵石对防冲槽产生的冲刷情况

表8成果表明：

① 当来水流量为220 m3/s，消能防冲槽内的最深冲坑达1.73 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游6.39 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径为400 mm。当来水流量为300 m3/s，消能防冲槽内的最深冲坑达2.19 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游9.42 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径为500 mm。当来水流量为400 m3/s，消能防冲槽内的最深冲坑达2.86 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游13.68 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径为400 mm。

综上所述，小流量时的最大(深)冲坑为1.73 m，其抛石粒径为400 mm；大流量时的最大(深)冲坑为2.86 m，其抛石粒径也为400 mm；所以，抛石粒径为400 mm这个方案是相对最差的。

② 当来水流量为220 m3/s，消能防冲槽内的最浅冲坑为0.29 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游2.61 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径为800 mm。当来水流量为300 m3/s，消能防冲槽内的最浅冲坑为0.23 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游24.06 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径也为800 mm。当来水流量为400 m3/s，消能防冲槽内的最浅冲坑为2.34 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游9.71 m处；此时，防冲槽内抛填的均匀卵石粒径为500 mm。

综上所述，小流量时的最小(浅)冲坑为0.29 m，其抛石粒径为800 mm；大流量时的最小(浅)冲坑为2.34 m，其抛石粒径为500 mm；所以，抛石粒径为800 mm这个方案是相对较差的。

③ 根据以上最大(深)及最小(浅)冲坑资料分析，同时考虑冲坑位置等因素，向消能防冲槽内抛填均匀粒径为500 mm的卵石，为最佳选择方案。

(2) 抛填不同混合粒径的卵石。本试验向消能防冲槽内抛填混合粒径卵石，其冲刷试验成果见表9。

表9 抛填不同混合粒径的卵石对防冲槽产生的冲刷情况

表9成果表明：

① 当来水流量为220 m3/s，消能防冲槽内的最大(深)冲坑达2.01 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游8.30 m处；此时，防冲槽 内抛填的卵石为混合2组。当来水流量为300 m3/s，消能防冲槽内的最大(深)冲坑达2.25 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游11.30 m处；此时，防冲槽内抛填的卵石为混合1组。当来水流量为400 m3/s，消能防冲槽内的最大(深)冲坑达3.11 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游10.70 m处；此时，防冲槽内抛填的卵石为混合3组。

综上所述，小流量时的最大(深)冲坑为2.01 m，其抛石粒径为混合2组；大流量时的最大(深)冲坑为3.11 m，其抛石粒径为混合3组。所以，三组混合粒径方案比较而言，抛石粒径为混合1组这个方案是相对最好。

② 当来水流量为220 m3/s，消能防冲槽内的最小(浅)冲坑为1.46 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游8.39 m处；此时，防冲槽内抛填的卵石为混合3组。当来水流量为300 m3/s，消能防冲槽内的最小(浅)冲坑为1.84 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游11.63 m处；此时，防冲槽内抛填的卵石为混合2组。当来水流量为400 m3/s，消能防冲槽内的最小(浅)冲坑为2.72 m；该冲坑，发生在护坦及防冲槽交线断面下游11.14 m处；此时，防冲槽内抛填的卵石也为混合2组。

综上所述，小流量时的最小(浅)冲坑为1.46 m，其抛石粒径为混合3组；大流量时的最小(浅)冲坑为2.72 m，其抛石粒径为混合2组；所以，，三组混合粒径方案比较而言，抛石粒径为混合2组这个方案是相对最好。

③ 针对冲坑资料进行综合分析比较，当来水为300 m3/s时，混合2组及混合3组这两个方案，冲坑深度混合2组比混合3组浅了0.06 m，两者基本接近，但就冲坑距离，混合2组，对建筑物的安全更为有利。所以，向消能防冲槽抛填混合2组卵石是相对较好的选择，有较好级配的抛石对局部冲刷的防护更为有利[14]。

3 结 论

综合以上分析有如下认识：

(1) 消能防冲槽内抛填的卵石，无论其粒径如何变化，槽内过水收缩断面及跃后断面的相对位置将随着来水流量的不断增大而不断地向下游移动，反之也成立。

(2) 当槽内来水流量一定，向槽内抛填不同(均匀或混合)粒径的卵石时，其过水收缩断面及跃后断面的位置变化与抛填的卵石粒径没有显著的规律。有试验研究表明，某一特定水力条件下相应存在一个最优抛石粒径[15]。

(3) 当来水流量相同，消能防冲槽内抛填均匀粒径卵石时，抛石粒径与消能效果成反比。所以，抛填均匀粒径的卵石，其粒径不易过大。