浅析底流式消能设施下游河床冲刷深度计算方法——以都江堰平原灌区低水头泄水建筑物为例

(四川省都江堰勘测设计院，四川 都江堰，611830)

1 引言

低水头泄水建筑物消能多为底流式，一般采用消力池结合海漫防冲齿槽(或防冲墙)；在山区、丘陵区河道比降较大的河流，也有采用护坦防冲齿槽(或防冲墙)。都江堰平原灌区泄水建筑物属低水头，消能多采用消力池结合海漫防冲墙或护坦防冲墙的消能型式，运行几年后现场观测，在护坦海漫防冲墙末端都会形成深浅不一的凹坑。据实测资料，都江堰渠首外江泄洪闸护坦防冲齿墙后冲坑达1.0m深；飞沙堰工业拦水闸达0.3m～0.7m；发生2011年“8·13”、2013年“7·14”、2018年“8·10”等特大暴雨时，西河、青白江、石亭江等上分布的很多修建于20世纪五、六十年代的闸坝型引水枢纽均遭受不同程度损毁，有些工程甚至完全报废，大部分是因下游河床冲刷深度大于消能防冲墙埋置深度，使防冲墙外露处于悬空状态而失稳被冲毁，进而危及主体建筑。防冲齿墙能否安全运行，直接关系到主体工程的安全与否，特别是河道难以断流时对消能设施无法进行及时修复。防冲墙的深度是根据该处河床的冲刷深度来设置，因此，研究消能设施下游河道的冲刷深度非常必要。

2 护坦海漫末端冲刷深度计算

2.1 计算条件及公式

护坦海漫末端冲刷深度计算的经验公式很多。

文献[1]提出护坦海漫末端的冲刷深度可按下式(1)计算：

(1)

式中：dm——护坦海漫末端河床冲刷深度m；qm——护坦海漫末端单宽流量，m3/(s·m)；[ν0]——河床土质允许的不冲流速，m/s，根据工程具体情况并参照类似工程资料研究确定；hm——护坦海漫末端河床水深，m。

文献[2]提出护坦海漫末端的冲刷深度可按式(2)计算：

(2)

式中：T——冲刷坑在水面以下深度，m；q——护坦海漫末端的单宽流量，m3/(s·m)；h——护坦海漫末端水深，m；y——护坦海漫末端垂直流速分布的最大值距底面的高度，m；a——流速分布不均匀性的动量修正系数，一般取a=1.0～1.5；d——冲刷河床的松散体颗粒直径，m；s——土质密度，kg/m3。

根据试验研究资料，如果底流式消能设施设计得当，可消杀水流全部动能的40%～70%，其剩余的动能对池后河床还可能造成冲刷。可见下游河床冲刷深度除与单宽流量、下游水深及河床地质条件有关外，还与上下游水位差有关。因此，其冲刷深度可参照文献[1]中护坦厚度、海漫长度及岩基上挑流冲刷深度计算公式，建立起下游冲刷深度与单宽流量、下游水深、河床地质条件及上下游水位差的数学关系式，如下式(3)：

t=Kq0.5Z0.25

(3)

式中：t——下游水面至坑底的最大水垫深度，m；

q——护坦海漫末端的单宽流量，m3/s·m；

Z——上、下游水位差；

K——冲刷系数，与河床的地质条件有关。

都江堰平原灌区的工程，地基为中、下更新统(fglQ1-2)强风化泥砾层、砂砾石层或上更新统(fglQ3)冰水堆积卵砾石夹砂质粘土或弱风化微胶结泥砂卵砾石层或全新统(Q4)：冲洪积层(al+plQ4)砂卵砾石层。防冲齿墙一般置于稍密的地层上，根据地基承载力和抗冲流速类比，该层冲刷系数可按文献[2]中易冲性基岩K值取值，综合比较取1.5～2.0的平均值即为1.8。

2.2 算例

青白江上团结堰引水枢纽，挡水建筑物为全溢流坝，坝长142m，Ⅳ等4级建筑物，消能防冲设计标准为20年，相应洪水流量1650m3/s，上游水位475.96m，下游水位473.85m，下游水深2.15m，根据地勘资料河床的砂砾石颗粒直径为48mm。

石亭江上前进渠枢纽，挡水建筑物为全溢流坝，坝长87m，Ⅲ等3级建筑物，消能防冲设计标准为30年，相应洪水流量2200m3/s，上游水位704.72m，下游水位699.86m，下游水深5.86m，根据地勘资料河床的砂砾石颗粒直径为86mm。

采用上述三种方法，计算出下游防冲冲刷深度如下表1。

表1团结堰及前进渠护坦末端冲刷深度计算成果

项目名称消能防冲标准流量(m3/s)坝长(m)单宽流量(m3/s)地基粒径(mm)上下游水位差(m)下游水深(m)式(1)(m) 式(2)(m) 式(3)(m)团结堰20165014211.6482.112.153.96.46.7前进渠2022008725.3864.865.862.87.27.6

由表1可见，式(1)计算的冲刷深度最小，因河床土质允许的不冲流速是引用文献[3]中表2-2-13中“无黏性土的允许的不冲流速”，该表中允许不冲流速是随水深增加而增大，故计算的冲刷深度偏小。

式(2)计算出的冲刷深度与采用式(3)的结果基本接近。如假设算例中团结堰枢纽上下游水位差由2.11m3变为6.5m3，变幅为208%，其余参数不变，采用式(3)计算出的冲刷深度为7.6m3，与式(2)计算出的6.4m3差异较大，变幅达19%。上下游水位差，对冲刷深度计算结果影响较大。为保证工程安全，建议按式(3)计算更趋合理。

2.3 冲刷系数

式(3)中的冲刷系数主要与河道工程地质条件有关，当然最准确是根据工程模型试验来确定，但对中小型工程没有条件作模型试验，可采取工程类比法和类似地质条件的工程现场冲刷观测资料分析而得。

由文献[3]中“无黏性土的允许的不冲流速”和“石渠的允许的不冲流速”表可见，当砂砾石粒径d>40mm，砂砾石允许的不冲流速基本接近软岩的允许的不冲流速。根据文献[2]，易冲性基岩冲刷系数为1.5～2.0，类比出砂砾石粒径d>40mm的地基，其冲刷深度计算系数可为1.5～2.0。文献[3]提供的山西省部分工程经验，对软基(散粒体、粘土)河床K值可取1.5。文中两个算例也验证了冲刷系数的合理性。

根据已有类似地质条件的工程发生冲刷的实测资料，通过公式(3)推算。洪水采用现场实测洪痕和邻近水文站实测资料分析计算，冲坑实测河床地形图。如2013年青白江上北四支引水枢纽水毁，实测下游河床冲坑高程为485.74m～496.8m，平均高程491.27m，河床高程497.20m，现场实测洪痕推算洪水流量为1500m3/s，下游水位499.60m，上游水位505.00m，坝长162m，推算出K值1.79。

3 结论

底流式消能设施下游河床冲刷深度计算的经验公式较多，其计算结果也有差异，主要受各系数取值影响。本文探讨了计入上下游水位差的影响，建立类似底流消能中护坦厚度、海漫长度及岩基上挑流冲刷的公式计算砂砾石地基上的冲刷深度，跟其它公式相比较，显得更趋合理。冲刷系数的取值，在中小型无条件作模型实验的条件下，通过类比和类似地质条件的工程现场冲刷观测资料分析获得。该方法在采用合理的冲刷系数情况下，适用各种地质条件下的底流式消能防冲末端的冲刷深度计算，特别适用护坦防冲斜墙式的消能冲刷深度计算。该方法在都江堰平原灌区天然河道上引水枢纽续建配套、灾后重建、水毁修复加固中设计了大部分工程的防冲齿墙及岸坡基础，工程至今运行安全。