不同水沙条件下防冲槽消能防冲特性对比研究

2022-07-16李江峰

水利规划与设计 2022年7期

李江峰，李娟，尹辉

(新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049)

1 概述

1.1 防冲槽研究背景

新疆大部分河流为山区多泥沙河流。这类河流上的渠首由于泥沙冲淤和消能防冲处理不当，运行过程中大多出现了严重问题，以至于报废。在这类多泥沙河流引水渠首下游修建消力池，则会因为河水携带的泥沙淤满消力池，致使消力池失去功能乃至报废。因此，在此类型河流上修建消能防冲设施，消力池是不妥当的；防冲槽反而有着独特的优势，在多泥沙河流消能防冲设施中多有应用。

如何合理有效设计消能设施，在建筑物水流下泄过程中有效消耗水流能量是重点与难点[1]。水闸的消能防冲设计是水利工程中的一项重要课题[2]，也成为水利水电工程建设中必须要解决的重大技术问题[3]。布置合理的消能工，关乎水利工程运行安全[4]。防冲槽是泄水建筑物下游海漫末端所设置的一道深槽式防冲设施，由挖槽抛石形成的防冲棱体。在既定的消能防冲型式下，防冲槽是经济、简便、常用的消能型式之一，既有利于消能防冲又兼顾了输沙，尤其对于底流消能效果更好。

目前，国内外关于抛石防冲的一些研究，主要都是结合工程消能设施进行的。孙娟等在新疆玛纳斯河一级水电站工程水工模型试验中，通过海漫末端设置抛石防冲槽模型试验验证研究，取得了很好的效果，原设计防冲槽5m深度、卵石粒径30cm不满足消能防冲要求，模型验证的冲刷深度达到了15m以上，及时地纠正了原设计深度不足、卵石粒径偏小的问题。新疆水利水电科学研究院试验团队对于斜护坦+深隔墙的结构形式多有研究，这种结构是根据“海漫+防冲槽”的结构特征及消能防冲原理演化而来[5]。陈卓英在共青河拦河闸坝工程设计中通过增加一级消力池末端左、右两侧尾坎顶高程和在一级消力池尾坎下游两侧斜坡段上设置外凸型阶梯，有效减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，较好地解决了下游河床的消能防冲问题[6]。万玲等在塘澄水库消能工设计中采用了消力池+海漫+防冲槽型式，收效明显[7]。梁发云等在桥墩基础局部冲刷抛石防护试验研究中研究了抛石粒径、抛石层厚度和抛投范围等主要设计参数对抛石防护效果的影响[8]；Chiew等认为较厚的抛石层能在失稳破坏的情况下自我修复[9]；Parker等发现抛石层厚度在2～3倍抛石中值粒径时，防护效果较佳[10]；Melville等的试验结果表明，抛石层厚度从1倍抛石中值粒径增大到3倍时，防护效果得到了显著的提高[11]。

上述成果主要是单方面对防冲槽的抛石粒径、冲刷深度、辅助措施开展了研究，但对于防冲槽消能与冲刷特性的研究鲜有论述。

1.2 防冲槽应用与研究现状

底流消能(水跃消能)具有消能率较高等优点[12]，是水利工程中泄洪消能的主要形式之一。低水头水闸运行特点为泄洪流量大、水位差较小，其泄流消能多采用底流消能方式[13]。辽宁清原下水库采用了底流消能形式，消能效果良好[14]。潘世虎在平原出海闸消能工研究中发现，水闸过流逐渐增大时，下游水跃由淹没式水跃变为远驱式水跃[15]。抛石防冲槽能够适应水跃变化，是底流消能的一种很好的运用形式。

根据调查，抛石防冲槽结构在国内水利工程中多有应用，四川省某水电站闸室后护坦末端设置抛石防冲槽，抛石粒径为40～100cm。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35cm。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通过黄河小浪底工程消力塘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[16]。

本课题组在之前的系列研究中发现，防冲槽抛石粒径不是越大越好，抛石粒径大小与防冲效果成正比，与消能效果、降低水流流速能力成反比，要结合工程布置因地制宜选取合适的抛石粒径[17]。当前的研究成果也没有揭示出不同水沙条件下防冲槽消能与冲刷的规律及两者之间的影响关系。

1.3 本次研究解决的问题

消能防冲是抛石防冲槽的重要功能。文良[18]进行了合金钢网兜块石护面保护抛石防冲槽面层的研究，赵新伟[19]在水库引水改造工程中也开展了抛石防冲槽的研究，韩成银[20]也开展了消能率、水跃参数与弗劳德数之间关系的研究，杨聿得出了低弗劳德数条件下消能率低的结论，刘双喜[21]也开展了抛石防冲的泄洪闸消能防冲研究，但是项目团队本次的研究与上述成果有所不同。如果能够准确掌握不同水沙条件下防冲槽消能与冲刷的特性及两者之间的影响关系，将会对防冲槽有针对性的应用于实际提供强大的理论支撑。

本次主要针对抛石防冲槽开展不同水沙条件下消能与防冲特性方面的试验研究。分别通过施放不同流量、不同水沙条件、槽内抛填不同粒径卵石来测试、计算、分析防冲槽的消能防冲效果，主要通过冲刷坑深度、冲刷坑底距离上游防冲隔墙的距离(以下简称冲距)、水跃位置、跃前跃后断面流速差率、跃前弗劳德数及防冲槽消能率等几个主要参数的变化，分析研究防冲槽的消能防冲特点和规律，拟推荐合理可行的防冲槽消能防冲方案，针对性的应用于工程实际之中，并且在低弗劳德数工况下，进一步分析提高消能率的水沙条件。本次拟开展防冲槽抛石粒径30、40、50cm的清水和浑水试验研究，进一步验证和对比防冲槽消能与防冲的基本特性。

2 模型设计和试验

2.1 试验目的和内容

项目团队通过建立一个新疆山溪性多沙河流引水渠首闸后设置抛石防冲槽的标准断面模型，分别在清水、浑水两种试验工况下施放3种不同流量、防冲槽中抛填3种不同粒径的卵石开展试验，得出防冲槽的冲距、冲深，水跃特征断面位置以及流速差率、跃前弗劳德数和消能率，揭示防冲槽消能防冲规律，为闸后消能防冲提供借鉴方案。

2.2 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，原型宽度27m。如图1所示。

图1 防冲槽模型布置图

2.3 试验典型流量选取

典型流量：全疆共有大小河流570条，其中年径流量(0.74～2.39)×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(8.21～17.52)m3·s-1·m-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、11.11、14.81m3·s-1·m-1[22-24](见表1)，有其代表性与合理性(文、图、表中数据均为原型数据，以下同)。

表1 试验典型流量

模型试验方案见表2[25-26]。

表2 抛石防冲槽模型试验方案

3 能量消减计算与对比分析

抛石防冲槽中能量的消减主要体现在水流动能的消减和防冲槽进出口能量的消减，水跃特征断面位置的变化则反映出能量消减的工作位置和工作长度，直接体现能量消减的能力高低。水流动能的消减直接反映在水跃前后断面的流速消减方面，本次研究通过流速差率来反映动能消减的指标；防冲槽进出口能量的消减则是多种能量综合反映的结果，主要包括水流的动能和势能，消减的能量则主要转化为搬运、冲移槽中抛石的机械能，还有少量的热能、声能等。

3.1 流速的消减

通过施放不同水流流量、抛填不同粒径卵石的试验，得出各工况下防冲槽内水跃前后断面流速的变化，见表3。

表3 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。

清水试验条件下，防冲槽抛填同一粒径卵石，随着流量增大，流速差率变化不稳定；施放相同流量，随着抛石粒径的增大，流速差率基本上呈现总体降低趋势；施放不同的流量，抛填卵石粒径30cm时，流速差率基本上均比抛石粒径40、50cm对应的差率为大。浑水试验条件下，抛填卵石粒径30cm时，随着流量增大，流速差率逐渐降低；抛填卵石粒径40、50cm时，随着流量增大，流速差率升降不稳定；施放300m3·s-1流量时，随着抛石粒径的增大，流速差率升降也不稳定，施放220、400m3·s-1流量时，随着抛石粒径的增大，流速差率总体呈现下降趋势；施放不同的流量，抛填卵石粒径30cm时，流速差率均比抛石粒径40、50cm对应的差率为大。

上述结果说明：不论是清水还是浑水试验条件下，随着流量的增加，流速消减的空间逐渐减小；抛石粒径为30cm时，流速差率呈现较大，该抛石粒径较优；浑水试验条件下，这种流速差率更偏高一些。

3.2 水跃特征断面位置的变化

本次研究的水跃特征位置主要是跃前断面、跃后断面以及反映出的水跃长度(跃长)，试验数据见表4。

表4 水跃位置及跃长统计表

从上述试验数据可以看出，不论哪种试验条件下，抛填相同粒径卵石，随着施放流量的增加，水跃特征断面位置均不断向下游移动，跃长逐渐增加，消能工作长度逐渐延长。清水试验条件下，施放相同的流量，随着抛石粒径的增大，基本呈现出水跃特征断面位置不断后移、跃长逐渐增加的趋势；浑水试验条件下，施放相同的流量，随着抛石粒径的增大，基本呈现出水跃特征断面位置不断前移、跃长逐渐减小的趋势。

上述结果说明：流量的增大，使得消能的位置后移，工作长度延长，消能的难度也增大了；施放相同的流量，浑水试验条件下，随着抛石粒径的增大，水跃逐渐前移，水跃消能工作长度逐渐缩短，反映出较大粒径抛石阻碍和削弱水流的能力较大，而清水试验结果则相反，更加验证了含沙水流有利于阻碍和削弱水流，消减水流的能力更强一些。

3.3 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[27]。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[28]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[29]。防冲槽消能率计算公式见式(1)，示意如图3所示。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

图2 防冲槽消能计算示意图

消能率计算结果见图3。

图3 防冲槽消能率对比柱状图

对于清水试验，抛填30cm粒径卵石，随着流量增大，消能率总体呈现增大趋势；抛填40、50cm粒径卵石，随着流量增大，消能率变化规律不明显；施放相同流量，随着抛石粒径的增大，消能率没有呈现出明显的变化规律；施放不同的流量，抛填卵石粒径30cm时，平均消能率总体上比抛石粒径40、50cm对应的消能率为大。防冲槽跃前弗劳德数变幅很小，基本稳定在1.7～2.5，属于弱水跃，其平均消能率25.5%～55.5%。

对于浑水试验，抛填40cm粒径卵石，随着流量增大，消能率总体呈现增大趋势；抛填30、50cm粒径卵石，随着流量增大，消能率呈现逐渐减小趋势。施放220m3·s-1流量，随着抛石粒径的增大，消能率逐渐减小；施放300、400m3·s-1流量，随着抛石粒径的增大，消能率没有呈现出明显的变化规律。施放不同的流量，抛填卵石粒径40cm时，平均消能率总体上比抛石粒径30、50cm对应的消能率为大。防冲槽跃前弗劳德数变幅更小，基本稳定在1.9～2.3，属于弱水跃，其平均消能率29.9%～60.6%。

上述结果说明：随着流量的增加，能量消减的空间逐渐减小；清水试验条件下，抛石粒径为30cm时，平均消能率呈现较大，该抛石粒径较优；浑水试验条件下，抛石粒径为40cm时，平均消能率呈现较大，该抛石粒径较优；两种试验条件下，该防冲槽平均消能率均优于水力计算手册弱水跃一般消能率<20%的论断[30]。

3.4 对比分析

总体而言，本次试验条件下，不论清水试验还是浑水试验，不论抛石粒径大小，随着流量的增加，流速消减、能量消减的空间逐渐减小；抛石粒径较小者能量消减情况为优。就水跃特征断面位置和跃长而言，清水试验与浑水试验条件下变化规律有所不同，但反映在数值上相差不大；就低弗劳德数工况下防冲槽消能率而言，含沙水流优于清水过流情况，防冲槽跃前弗劳德数变幅稳定性亦如此。