山区河道护坦式消能工的试验对比研究

涂书豪，夏玉梅，奉紫岑，杨 庆

(1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2. 浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

0 引 言

山区河流上的闸坝工程，由于河道比降大，下游水位变幅大，排沙运行频繁等特点，采用传统消力池方案，消力池可能会被淤塞或消能设施被磨损[1]。规范[2]规定，夹有较大砾石的多泥沙河流上的水闸，不宜设消力池，可采用护坦式消能工，护坦末端不设消力坎，以急流方式与下游河道衔接。目前工程上应用斜护坦形式较多，关于斜坡护坦与消力池的对比试验及其与下游河道衔接已进行了大量的研究工作[3-7]，同时也有不少斜坡护坦与其他辅助消能设施结合的改进方案，如贾栖[8]等提出了可应用于深厚覆盖层闸坝的“斜坡护坦+底流衔接+柔性消力池+局部防护”的泄洪消能模式，张彦辉等[9]、杨玲等[10]对于斜坡护坦后接斜挑坎、海漫、深隔墙和裙板等也进行了试验对比研究。相关的研究中闸后消能设施大多采用斜护坦体型，对反弧型护坦的研究较少，本文依托某水电站工程的模型试验，对比闸后反弧护坦和斜坡护坦两种体型进行研究。

1 工程概况

某水电站为Ⅲ等中型工程，设计洪水为100年一遇，相应流量为1 560 m3/s，校核洪水为1 000 年一遇，相应流量为1 969 m3/s，消能防冲建筑物洪水标准为30年一遇，相应流量为1 332 m3/s。

水电站泄水建筑物采用泄洪冲砂闸，位于主河床，共3孔，闸孔单孔净宽为6.00 m，净高为6.5 m，闸底板顶高程3 008.0 m。闸孔出口下游需对两种不同的护坦形式进行对比优选。反弧护坦：闸孔出口下游采用1∶6斜坡衔接后，再采用半径为90.0 m的弧形衔接，末端出口处为1∶4反坡；直线斜坡护坦：闸孔出口下游采用1∶15斜坡衔接。在消力池出口后下游河道另设30 m长护坦，护坦顶高程为3 000.00 m。剖面布置图见图1。

图1 枢纽剖面布置Fig.1 Flat layout of the project

2 试验模型及工况

2.1 模型设计

试验模型按重力相似准则设计，选用正态模型，模型比尺为1∶45。下游河道参照当地河流河床级配，结合现状河道，拟定下游河床级配如表1所示。按相似原理，下游河道动床部分模拟河床厚度约20 m(模型约45 cm)，其中表层覆盖层约5.4 m(模型12 cm)，高程至2 995.0 m；弱风化层约13.5 m(模型30 cm)，高程至2 981.0 m。模型溢流坝段、消力池均采用有机玻璃制作。模型上游入口流量采用薄壁堰控制。流速采用南京水科院研制的旋桨式流速仪。

表1 下游河道动床级配拟定Tab.1 Downstream river moving bed grading

2.2 试验工况

试验拟定研究工况见表2，重点研究两种不同护坦形式下的水面流态、流速、冲坑等各水力学指标，以此对比分析两种不同护坦式消能工的优劣。

表2 试验工况表Tab.2 Test condition

3 试验结果对比

3.1 水流流态

各工况下下游水流流态可见图2-5。两种护坦形式在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工况下，均以水跃形式与下游河道衔接，护坦范围内水流流态整体稳定。对于反弧护坦，水跃跃首基本稳定于闸孔中墩附近(坝下0+045.00)，护坦出口部位的水流流态也整体均匀，未出现回流等流态。受护坦出口的上挑作用，在护坦与河道衔接范围内，局部水面波动相对较大，且随着下泄流量的增大，水面波动影响范围也越大，波动也越明显。在局开工况下，出闸水流在反弧段护坦范围内均呈急流流态，再以挑射流的形式与下游水流衔接。

图2 P=3.3%两种护坦体型下游水流流态Fig.2 P=3.3% downstream flow pattern of two types of apron

图3 P=1%两种护坦体型下游水流流态Fig.3 P=1% downstream flow pattern of two types of apron

图4 P=0.1%两种护坦体型下游水流流态Fig.4 P=0.1% downstream flow pattern of two types of apron

图5 局开3 m两种护坦体型下游水流流态Fig.5 Valve partially open 3 m downstream flow pattern of two types of apron

对于斜坡护坦，水跃跃首位置基本稳定于坝下0+056.14以后；护坦后部水流下潜趋势较为明显，因下游河道两岸不对称，表层水体向上游形成不对称回壅，主要位于扩散宽度较大的左侧，故在护坦左侧形成了回流区并会挤压上游来流，致使主流偏向护坦右侧。在局开工况下，出闸水流在护坦范围内呈急流流态，护坦后水流流态与敞泄工况下类似，回流现象要更加显著。

3.2 流速分布

试验测量两种体型不同工况下游河道各断面的流速，各工况下表面流速分布见图6～图9，图中Y值较小对应河道右岸，较大对应河道左岸。在下游水位较高时，比如在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工况下，斜坡护坦在坝0+090.00至坝0+0160.00左侧区域形成回流区，主流偏移向右侧河道，致使斜坡护坦下游流速分布更不均匀，即右岸流速较大，左岸流速较小，而反弧护坦整体水流平稳，无回流区影响，岸边流速基本相当。在下游水位较低时，如工况三，反弧护坦右岸最大流速为12.8 m/s，斜坡护坦右岸最大流速为11.9 m/s，且反弧护坦的右岸高流速区范围也较斜坡护坦大，整体上，反弧护坦右岸岸边流速平均增加12.5%。但是在该工况下，由于下游水位较低，水流以较大流速直接冲击右岸山体，若右岸岩石裂隙发育，必须对水面以下的岩体进行混凝土贴坡防护。本工程右岸山体基岩裸露，裂隙有一定发育，但由于小开度运行时，岸边流速较大，此时建议在3013.00 m水位以下时，左、右岸山体必须进行混凝土护坡保护。

图6 P=3.3%两种护坦体型下游表面流速分布图Fig.6 P=3.3% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

图7 P=1%两种护坦体型下游表面流速分布图Fig.7 P=1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

图8 P=0.1%两种护坦体型下游表面流速分布图Fig.8 P=0.1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

图9 局开3 m两种护坦体型下游表面流速分布图Fig.9 Valve partially open 3m flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

3.3 下游河床冲刷

典型下游河道冲刷地形等值线图见图10，不同试验工况下的下游冲刷深度对比可见表3，不同试验工况下典型冲坑横剖面和纵剖面见图11-14。

表3 各试验工况下护坦下游冲刷情况Tab.3 Downstream scour under various test case

由图表数据可知，两种体型护坦由于主流均偏向右岸，右岸冲刷深度均大于左岸，但反弧护坦左右两岸冲刷深度相差不大，而斜坡护坦右岸冲刷深度远大于左岸。从下游河床的冲刷范围及整体的冲刷深度来看，反弧护坦要优于斜坡护坦，相对于斜坡护坦，其最大冲刷深度平均减少38%。整体上，两种体型下游冲刷情况与各自流速分布规律相匹配。

分析认为，两种形式护坦冲刷情况差异巨大的主要原因为：①斜坡护坦内，水流始终呈下潜的趋势，较容易冲刷河床，为由主流引起的河床冲刷；弧形护坦出口水流在边界约束下呈上挑趋势，河床冲刷主要由发生于护坦挑坎下游的水平旋滚导致，属于由副流引起的河床冲刷。②斜坡护坦内左侧的平面回流增大了右侧的单宽流量，较容易引起河床局部冲刷增大。

图10 P=3.3%两种护坦体型下游冲刷地形图Fig.10 P=3.3% topographic map of downstream scour of two types of apron

图11 P=3.3%最大冲深断面横剖面图Fig.11 Cross-section of P=3.3% maximum drawing depth

图12 局开3 m最大冲深断面横剖面图Fig.12 Cross section of maximum drawing depth under the case of valve partially open 3 m

图13 P=3.3%中泓线纵剖面图Fig.13 P=3.3% midrange longitudinal profile

图14 局开3 m中泓线纵剖面图Fig.14 Midrange longitudinal profile under the case of valve partially open 3 m

4 结 语

通过以上模型试验，对反弧护坦和斜坡护坦的水流流态、流场分布和下游河床冲刷等方面进行对比，结果表明：反弧护坦流态整体比较平稳，但在护坦末端局部水面波动较大，对岸坡稳定有一定影响；斜坡护坦下游河道内水面波动相对较小，但水流下潜，存在回流区。反弧护坦流速分布各断面基本均匀，斜坡护坦流速分布不均，但在下游水位较低时，反弧护坦岸边流速较大。由于水流下潜，斜坡护坦下游冲刷更明显。整体而言，反弧形护坦在水流流态和下游冲刷方面明显优于斜坡护坦。

在山区河道上修建水闸时，若两岸山体较为完整，下游河床岸坡地质条件较好，抗冲能力较强，反弧护坦和斜坡护坦均可采用，若采用反弧护坦可取得更好的工程效果，但应注意由于护坦出口上挑所引起的水流上涌对岸坡稳定的影响，同时需对水闸的运行方式进行试验验证。此外关于反弧护坦的反弧半径、出口挑角、下游河道水深、河道冲刷之间的互相关系还需进行系统研究。

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