抛石防冲槽消能特性试验研究

李江峰，李 娟，尹 辉，买买提江·买斯德克，玉山江·坎吉,2

(1.新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆阿克苏地区渭干河流域管理局， 新疆 库车 842000)

水工建筑物的消能防冲是水利专业技术人员研究的主题之一。它关系到水工建筑物自身的安全和上下游河道的稳定，还直接影响到水工建筑物的水流条件。这类泄水建筑物多具有水头低、单宽流量大、弗劳德数低、尾水深等特点[1]。新疆境内河流大多为山溪性高含沙河流。往往因为水工建筑物的修建，束窄了河道、改变了河道的水沙特点，通过水工建筑物的含沙水流，常常具有较大的动能，且水流紊动，给水工建筑物本身和下游河床造成较大的破坏，表现为河床淘刷、边坡坍塌、建筑物结构损坏。有效的解决办法就是设置相应的消能防冲结构设施，以消减水能、防止或减轻冲刷，底流消能是常见的消能方式[2]。在新疆等山溪性河流地区的引水枢纽工程中，闸后消能防冲型式大多数采用底流消能[3-4]。 在引水渠首下游设置抛石防冲槽就是一种经济、简便、有效的底流式消能防冲结构。防冲槽是泄水建筑物下游海漫末端所设置的挖槽抛石形成的防冲棱体[5]，也就是抛石防冲槽。抛石可以是石块、卵石，新疆河流河滩上卵石众多，多以抛填卵石为主。

水工建筑物的运行稳定与否，消能防冲设计是一大关键[6]。考虑到山区河道的冲刷性，设计抛石防冲槽是十分必要的。

根据调查，抛石防冲槽结构在国内水利工程中多有应用[7-11]，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。四川省某水电站闸室后护坦末端设置抛石防冲槽后，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。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。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。黄河水利委员会的勘测规划设计研究院和水利科学研究院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抛石防冲槽，块石粒径30 cm～80 cm，中值粒径60 cm，较好的解决了1号消力塘施工期、运用期泄洪时的下游冲刷问题。抛石防冲槽在重点大中型水利工程中的成功应用再一次证明了这种消能防护型式的实用性和重要性。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，见表1[12]。

这类引水渠首工程结构往往包括上游连接段、闸室、护坦(海漫)和防冲槽，这类设置在多泥沙河流引水渠首下游的防冲槽，同时起到了消力池的作用，而且不会因河砂淤堵使之失去作用，反而随着水流可向下游输送泥沙；而且这种结构还兼顾了防冲和消能，只要抛填卵石粒径适当，防冲槽只会产生可控制的冲刷和能量消减，能够节省较多的工程量和工程投资，也大大缩短了建筑物顺水流的长度。闸下消能防冲关系到水闸结构自身的稳定性以及闸下河道、堤防的安全[13]，即使在引水渠首闸后设置了抛石防冲槽，也往往出现防冲槽被冲毁、破坏的情况。究其原因，有防冲槽尺寸过小、长度过短、深度偏浅，更多的是因为抛石粒径选择的随意性，导致抛石被冲走，高能水流直接作用于防冲槽，产生了冲刷破坏。有研究表明，防冲槽抛石粒径不是越大越好。那么，抛填多大粒径的卵石效果较好，在不同来水来沙条件、不同粒径抛石组合状况下，抛石防冲槽消能特性如何？专门的研究很少。如果能够掌握抛石防冲槽的消能特性和消能规律，那么，将此种结构应用于引水渠首等水工建筑物的消能防冲，将会得到事半功倍的效果。

通过建立标准断面的水工模型，我们开展了这方面的研究。

表1 新疆引水渠首设置抛石防冲槽特性表

1 模型设计与试验

1.1 试验目的和内容

在确定同一地质条件、同等边界、同等结构尺寸条件下，通过防冲槽内抛填卵石模型试验，收集各种工况试验数据，研究各自水力特性，测量记录防冲槽内不同位置的流态、水位和流速分布，组合三种不同流量、三种来沙条件、不同卵石粒径(20 cm、30 cm、60 cm)观测水流在防冲槽内的漩滚特点27组次；探寻防冲槽内的消能特性和最佳的卵石抛填粒径。模型试验方案见表2。

1.2 模型设计和制作

(1) 模型比尺：1∶30。

(2) 模型范围：以引水渠首闸后防冲槽为基准进行确定，设计为标准断面模型。

① 上、下游布置：上游布置引水渠及稳水池；下游布置退水渠。

表2 抛石防冲槽模型试验方案

② 主体分部长度：综合以上大多数设置了防冲槽的引水渠首，模拟闸枢纽总长度78.32 m，其中闸前连接段+闸室+护坦长度45 m，防冲槽长度33.32 m；下游河床段45 m。具有这类工程结构的普遍性和代表性。后接沉砂池段、量水堰段。

③ 左、右岸宽度：模拟主体段净宽27 m。见图1。

图1 模型试验平剖面布置图

(3) 模型主体设计制作。河道及防冲槽模型采用定床和动床两部分模拟。闸枢纽及岸坡定床采用有机玻璃模拟制作；防冲槽内部及下游河道地形，采用动床形式分别用设计模型砂按照设计图示纵坡进行精确铺填模拟。

(4) 模型砂的选取。模型砂，用天然砂模拟。有资料表明，新疆的山溪性多泥沙河流年均含沙量介于0.18 kg/m3～223 kg/m3，大多河流年均含沙量为1.06 kg/m3～6.89 kg/m3之间，本次分别选取河流年均含沙量为2.18 kg/m3、6.89 kg/m3、3.3 kg/m3(年输沙率分别为63.8 kg/h、53.3 kg/h、18.3 kg/h)的三种河砂条件，具有一定的代表性与合理性。本次模型试验主要采取三种不同来沙条件进行筛制、配制模型砂(见颗粒分布图2)。河床砂根据山溪性河流河床天然砂，模拟出模型砂。

1.3 试验典型流量选取

设计流量：全疆共有大小河流570条，其中年径流量0.74×108m3～2.39×108m3的河流有百余条，这些河流上修建的引水渠首泄洪单宽流量为8.21 m3/(s·m)～17.52 m3/(s·m)(见表1)，而且这些渠首有很多都采用了抛石防冲槽的防冲结构。因此，结合试验场地条件，本次研究选取典型单宽流量分别为8.15 m3/(s·m)、11.11 m3/(s·m)、14.81 m3/(s·m)[14]，有其代表性与合理性。

表3 试验典型流量

图2 1型～3型河流含沙颗分曲线图

2 试验研究

本次抛石防冲槽的消能特性主要研究不同抛石粒径情况下，抛石防冲槽水跃位置的变化(能量输送的远近)、流速的消减、能量的消减(消能率的大小)等几方面的特征和规律。以下分别就测试数据进行分析研究。

2.1 水跃位置的变化

通过施放不同来沙水流、不同流量、抛填不同粒径卵石的试验，得出各工况下防冲槽内水跃的位置，见表4。

表4 水跃位置及跃长统计表

由试验发现：在抛石粒径相同、同类型河砂条件下，随着流量的递增，跃后断面也后移，跃长也逐渐递增，但跃前断面位置变化幅度较小且不规律，来沙条件对于水跃位置及跃长的影响无明显规律。尽管如此，由于防冲槽是按照建筑物的设计洪水标准进行设计，在设计范围内，不会因跃后断面的后移和跃长的递增影响到该防冲槽末端墙的稳定性，防冲槽的长度总能将水跃包纳于防冲槽内，试验中反映出跃长与防冲槽长度的比值为15.6%～41.7%。

试验说明：在抛石粒径相同、同类型河砂条件下，跃后断面位置与流量之间存在正相关关系，即随着流量的递增，3种河砂条件下，跃长分别由5.2 m～7.6 m延长到10.9 m～13.9 m，也反映出在流量增幅为33.3%～36.3%条件下，水跃跃长增加幅度为9.2%～69.2%，消散能量的位置也逐渐后移，但跃前断面位置与流量之间无明显相关关系。

跃前断面的位置忽前忽后，虽然前后位置偏差不大，但也说明了抛石和槽内冲刷对其位置存在一定的影响，试验边界条件也是跃前断面位置不规律的影响因素之一。

防冲槽内部分抛石已经被水流冲走后形成一种凹型坑，从此种情形可以看出，抛石防冲槽这种体型也具备一定改变水流结构的作用。为了在消能作用的测试分析中区分该作用与抛石消能作用，我们也进行了上述三种流量的清水无抛石试验，即将防冲槽看作一个防冲消力池。通过清水试验发现，防冲槽中水跃跃前断面位置与跃后断面位置均比抛石来砂试验后移12 m左右，而且随着流量的递增，跃前断面位置与跃后断面位置却逐渐前移，但跃长基本不变，仅为4.2m，跃长占防冲槽的比值仅为12.6%。也就是说，抛石防冲槽结构的确起到了改变水流结构的作用，防冲槽内抛石使得水跃前移36%，跃长增加23.8%～230%。与清水试验对比，抛石防冲槽结构缩短了水流流程，可有效缩短防冲槽长度达1/3强，这是对改变水流结构的贡献；由于抛石防冲槽结构跃长增加幅度达2倍有余，也说明这种结构将消散水能的顺水流向空间距离拉长了，单位长度上的消能量大大降低了，这是在抛石消能方面的贡献。综合而言，抛石防冲槽结构可以大大缩短消能建筑物长度，并且充分利用消能空间，尽可能的使水能在防冲槽内消散、扩散均匀。

2.2 流速的消减

通过施放不同来沙水流、不同流量、抛填不同粒径卵石的试验，得出各工况下防冲槽内水跃前、跃后断面流速的变化，见表5。

表5 水跃前后断面流速变化统计表

经试验发现：无论在何种试验工况条件下，跃后断面流速都明显比跃前流速减小很多，说明在防冲槽内水跃消除水流动能还是很显著的。在1型河砂条件下，抛填卵石粒径30 cm时，施放不同流量下，流速消减率较大并且较为稳定；在2型河砂条件下，抛填不同粒径的卵石时，施放Q=300 m3/s流量下，流速消减率较大并且随着抛石粒径递增流速消减率越大；在3型河砂条件下，抛填卵石粒径30 cm时，施放不同流量下，流速消减率较大但不够稳定。

试验说明：来沙条件对于抛石防冲槽内的流速消减存在一定的影响；在本试验各种工况下，流速消减率介于15.7%～56.7%，最小值发生在最小流量、最大粒径组合，最大值发生在最小流量、30 cm粒径卵石组合；综合来看，抛石粒径为30 cm时，流速消减率数值较大、在各种流量下流速消减率较为均衡。抛石防冲槽作为水工建筑物的消能防冲设施，消除水流动能是主要任务，而动能的消除主要反映在流速的消减方面。由试验数据说明，该试验条件下，抛石粒径为30 cm时，流速消减率总体呈现较大，该抛石粒径较优。

2.3 能量的消减

能量的消减直观反映在防冲槽的水流流态方面，量化的体现就是消能率的变化，衡量消能工优劣的一个很重要的指标是消能率。影响消能率的因素有跃前水深、跃后水深及其相应的流速大小、流速分布的均匀程度等。有研究表明：消能工的消能率和速度水头与总水头的比值呈线性关系[15]。防冲槽消能率计算公式见式(1)，示意见图3。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

式中：E1为防冲槽进口总能量，m；h1为防冲槽进口水深，m；v1为防冲槽进口流速，m/s；h2为防冲槽出口水深，m；v2为防冲槽出口流速，m/s；α为动能修正系数，此处取1.0；g为重力加速度，此处取9.81 m/s2。

图3 防冲槽示意图

通过试验发现：水跃能够完整地呈现于防冲槽内，大部分的能量消减能够在防冲槽内完成，就减轻了下游河床的消能压力；水流在进入防冲槽后即有一个明显的跃升，随后以平稳的流态流向下游。在本试验各种工况下，随着流量的递增，防冲槽内水流流态越趋不稳定，水花越大，水流冲力越大、流速越大；在1型河砂条件下，防冲槽消能率较高，在2型河砂条件下，防冲槽消能率总体次之，在3型河砂条件下，防冲槽消能率总体再次之；防冲槽中水跃跃前弗劳德数范围为1.73～2.71，基本在同一个数量级，与防冲槽消能率没有明显的相关关系；在本试验条件下，防冲槽消能率范围为5.9%～50.2%，从试验数据我们可以发现，在河砂条件相同、抛填卵石粒径相同情况下，往往消能率最大值发生在中、低流量，小流量发生大消能率的几率更多，大流量情况下反而消能率较低，这应该是一个正常情况，也可以说，大流量情况下消能空间会小，小流量情况下消能空间会大；防冲槽消能率最大的两个值均发生在抛填30 cm粒径卵石情况下，防冲槽消能率最小的两个值分别发生在抛填20 cm和60 cm粒径卵石情况下。详见图4。

注：为了缩小各组数据的直观差距，图中流量单位采用10-3 m3/s，跃前弗劳德数数量级采用10-1。

由图4说明：来水流量与水流挟带的能量呈正相关，随着来水流量的增大，水流流态趋于复杂、不稳定；从1至3型河砂，输沙率逐渐降低，防冲槽消能率也逐渐递减，本试验初步表明，河流输沙率与防冲槽消能率也存在正相关关系，也就是说，河水携带的泥砂，在一定程度上对于防冲槽能够起到辅助消能的作用，但要有充分的证明，还有待于继续深入研究；由于低弗氏数条件下消能率低[16]，在水跃跃前弗劳德数介于1.7

3 结 论

(1) 抛石防冲槽结构可以大大缩短消能建筑物长度达1/3强，顺水流向的消能长度最大增加了2倍有余，大大降低了单位长度上的消能量，并且充分利用消能空间，尽可能的使水能在防冲槽内消散、扩散均匀。

(2) 来沙条件对于抛石防冲槽内的流速消减存在一定的影响，是防冲槽消能特性的影响因素之一；在本试验各种工况下，抛石粒径为30 cm时，流速消减率总体呈现较大，该抛石粒径较优。

(3) 来水流量与水流挟带的能量呈现正相关；河流输沙率与防冲槽消能率也存在正相关关系，也就是说，河水携带的泥砂，在一定程度上对于防冲槽能够起到辅助消能的作用，但要有充分的证明，还有待于继续深入研究。