陡窄河谷挑流消能下游边坡防冲试验研究

周望武 ,魏 杰 ,苗宝广,戴晓兵,任炜辰

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014; 2.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,长沙 410014; 3.中国水利水电科学研究院 水力学研究所,北京 100038)

0 引 言

挑流消能是水利水电工程各种消能方式中占比最大的一种消能方式,具有工程结构简单、工程投资少以及对泄量、尾水深度变化适应性强的优点[1]。但挑流消能工下游水流紊动剧烈,易对下游河道造成冲刷[2],特别是高坝挑流消能,当下泄单宽流量大、泄水轴线与下游河道夹角较大以及下游河道狭窄时,下游的冲刷是重点关注的问题之一。

目前国内外对挑流消能下游冲刷研究主要集中在基岩冲刷研究,其中基岩冲刷机理研究主要有消能冲刷理论[3]、淹没射流扩散理论[4]以及脉动压力理论[5]。挑流水舌对基岩冲刷作用力主要表现为水流冲击压力和脉动压力,下游河床冲刷初始发育以冲击压力为主导作用;基坑冲刷发育完全后,基岩缝隙中引起的脉动压力及其传播造成基岩破坏和断裂解体[6-7]。

物理模型试验和数学模型计算[8-9]是下游冲刷研究的常用手段,物理模型试验中的冲刷基本采用河沙、卵砾石等无黏性的散粒体模拟基岩,但散粒体在自然状态下无法堆积成陡峻边坡形态,陡边坡一般采用定床[10-13],导致无法对陡边坡冲刷特性进行准确分析,目前对下游陡边坡冲刷的研究也较少。本文以拉哇水电站溢洪洞挑流消能为依托,通过可视化定床模型对比,研究不同挑坎下游河道水流的水力学特性及边坡脉动压力特性。同时通过钢纱网覆盖散粒体模拟陡边坡,分析了不同挑坎下陡边坡的冲刷特性,并与定床条件下的水力学特性进行对比验证。

1 工程概况及研究方案

1.1 工程概况

拉哇水电站坝址位于金沙江上游川藏河段,为一等大(1)型工程,枢纽主要由混凝土面板堆石坝、2条溢洪洞、1条泄洪放空洞、输水发电系统、导流建筑物等组成,枢纽布置见图1。溢洪洞由进口控制段、无压隧洞段及出口挑流段组成,溢洪洞单洞最大泄量4 406 m3/s,最大单宽流量约为294 m3/s。泄水建筑物采用1 000 a一遇洪水设计,消能防冲建筑物按100 a一遇洪水设计。

图1 枢纽布置示意图Fig.1 Sketch of general layout

泄水建筑出口处两岸地形陡峭,河谷狭窄(宽78～108 m),消能防冲区两岸岸坡基岩裸露,为弱风化基岩陡壁[14],基岩抗冲流速为6 m/s。河床覆盖层深厚,最大厚度为71.4 m,覆盖层工程性质差,存在承载力低、砂层液化、抗冲刷能力弱的特点。

1.2 试验方案

1.2.1 模型布置

模型设计满足重力相似准则,参考前人的研究成果[15-17]并结合试验场地条件,本文物理模型几何比尺为1∶80。模拟的建筑物包括大坝、2条溢洪洞、1条泄洪放空洞、电站进出水口等。模型全长为55 m,其中上游水库长17.5 m、宽10 m、高2.9 m;下游河道长37.5 m、宽7.5 m、高1.5 m,冲坑(动床)从地面往下挖1.2 m。模型平面布置见图2。

图2 模型平面布置Fig.2 Layout of the test model

1.2.2 试验工况

方案比选试验工况见表1,上游水位、下游水位分别为模型测点水位。

表1 试验工况Table 1 Test working conditions

1.2.3 测试方法

试验中流速采用小威龙声学多普勒三维点式流速仪测量,精度为0.5%;模型上游、下游布置水位测针,测量精度为0.1 mm;采用压力传感器测量边坡脉动压力,精度为0.5%。

1.3 体型研究

模型试验对泄水建筑物典型出口挑坎型式即斜切挑坎(体型见图3)、扭曲挑坎(体型见图4)进行了对比研究。

图3 斜切挑坎体型Fig.3 Sketch of beveled flip bucket

图4 扭曲挑坎体型Fig.4 Sketch of skew bucket

2 研究方法

2.1 可视定床边坡模拟

为分析陡边坡定床下的水力学特性,采用曲面透视板准确地模拟出下游河道边坡凹凸不平的实际形态,从侧面可清晰地观察到河道内水流的运动状态,并对边坡的脉动压力、近壁流速等指标进行监测。测点断面间距为20～40 m,范围为桩号1+620—2+020;竖向高程间距为4 m,范围为高程2 500 m至水面;消能紊动强烈区域加密测点布置。可视定床河道边坡模型如图5所示。

图5 可视定床河道边坡模型Fig.5 Slope model with fixed bed

2.2 陡边坡散粒体模拟

图6 陡边坡散粒体模型Fig.6 Model of steep slope with granular soils

3 试验成果分析

试验对比分析斜切挑坎、扭曲挑坎特征工况(P=0.1%、P=1%、P=5%)左岸坡定床条件下挑流水舌入水形态及消能区流态、左岸边水下沿程流速及左岸对冲区的脉动压力等的试验成果,同时与左岸坡动床条件下的冲刷进行了相关分析。

3.1 左岸坡定床

3.1.1 水舌形态与流态

斜切挑坎水舌入水宽度为49.7～54.8 m,水舌挑距为109.6～178.8 m,水舌扩散角为2.9°～3.8°,水舌入水角度为24°～33°,分散程度有限,入水较集中,水舌形态见图7(a)。扭曲挑坎出坎水舌扩散挑射至下游河道,沿河纵向拉开呈狭长的带状入水,水舌入水宽度为108.8～115.2 m,水舌挑距为65.8～136.8 m,水舌扩散角为2.9°～26.2°,水舌入水角度为22.4°～33°,水舌形态见图8(a)。分析认为:同流量下,斜切挑坎出坎水舌分散程度不足,入水较集中,水舌挑距略远,落点位于河道中泓线附近;扭曲挑坎左导墙扩散并后撤,增大了坎末宽度,水舌入水宽度增加(约为斜切挑坎的2倍宽),降低了水舌入河单宽流量,水舌落点位于中泓线偏右并能挑离本岸边,可减轻对岸冲刷。各工况挑流水舌参数见表2。

表2 挑流水舌参数Table 2 Parameters of trajectory nappe

图7 斜切挑坎水舌形态和河道内部流态(P=1%)Fig.7 Nappe and flow pattern of beveled flip bucket (P=1%)

图8 扭曲挑坎水舌形态和河道内部流态(P=1%)Fig.8 Nappe and flow pattern of skew bucket(P=1%)

从左侧可视河道模型观察下游河道水流内部流态,斜切挑坎在下泄P=5%以上洪水时,观测到挑射水流与下游水体混掺后阵发性地冲击左岸基岩边坡,流态见图7(b)。分析认为斜切挑坎入水单宽流量较大,下游河谷狭窄,挑射水流与下游水体混掺后能量未完全消除而冲击左岸边坡。扭曲挑坎挑流水舌进入下游河道后掺混、剪切消能的同时掺入了大量空气,消能区表面呈现乳白色水气混合物状态,河道水流挟气量较大,各工况下均未见挑射水流冲击左岸基岩边坡,流态见图8(b)。

3.1.2 岸边沿程流速

由于左岸岸坡的基岩抗冲流速为6 m/s,将斜切挑坎、扭曲挑坎消能区左岸边水下各桩号流速为6 m/s的高程点连接形成等值线,即为基岩抗冲流速等值线,见图9所示。从图9可以看出,同种挑坎形式,基岩抗冲流速等值线的趋势基本相似,随着下泄流量的增大,等值线的高程逐渐降低;从横向上看,斜切挑坎P=0.1%、P=1%工况基岩抗冲流速等值线深而长,而扭曲挑坎等值线整体较平稳,说明当下泄流量较大时,斜切挑坎高流速范围明显变大,岸坡受水流的冲击范围更大;斜切挑坎方案消能区左岸边基岩抗冲流速等值线最低点高程为2 514.50 m,扭曲挑坎方案基岩抗冲流速等值线最低点高程为2 522.30 m。

图9 基岩抗冲流速等值线Fig.9 Contours of maximum allowable scouring velocity for bedrock

岸坡流场分布见图10所示,斜切挑坎对冲区流态紊乱,紊流区岸边流速分布无规律。扭曲挑坎岸边流速分布有一定的规律性,从表至底流速减小,与斜切挑坎方案相比,扭曲挑坎方案基岩抗冲流速等值线最低点高程抬高了7.8～9.6 m。

图10 左岸边流场分布Fig.10 Flow field distribution on the left bank

3.1.3 脉动压力

2种挑坎体型左岸脉动压力成果见图11、图12和表3。斜切挑坎方案时,岸坡存在2个较高的脉动压力区域,而扭曲挑坎方案时脉动压力分布较为平顺,各工况下扭曲挑坎方案下的最大脉动压力明显小于斜切挑坎的脉动压力均方根。扭曲挑坎方案最大脉动压力均方根(σmax)指标较斜切方案减小了(1.89～2.74)×9.81 kPa。扭曲挑坎方案最大脉动压力点位置较斜切方案抬高了5.68 m,说明斜切挑坎入水较集中,下潜能量较大,冲击深度较扭曲挑坎方案深。综上,扭曲挑坎方案各项水力学控制性指标均优于斜切方案,推荐为工程挑流鼻坎的设计方案。

表3 最大脉动压力均方根与最大脉动压力点位置成果Table 3 Root mean square and position of maximum fluctuating pressure

图11 脉动压力对比(P=0.1%)Fig.11 Comparison of fluctuating pressure(P=0.1%)

图12 脉动压力对比(P=1%)Fig.12 Comparison of fluctuating pressure(P=1%)

3.2 左岸坡动床冲刷

对斜切挑坎、扭曲挑坎方案进行动床冲刷试验,主要对比P=0.1%、P=1%(消能防冲)试验工况时对冲区岸坡及河中的冲坑形态。斜切挑坎对冲区主要冲刷范围为1+700—1+980,最低冲刷高程为2 518.6 m。扭曲挑坎对冲区左岸边冲刷范围为1+740—1+940,最低冲刷高程为2 528.6 m。扭曲挑坎方案岸坡冲刷最低点高程较斜切挑坎方案抬高5.9～8.4 m。

采用陡边坡散粒体模拟得出的试验成果与可视河道模型基岩抗冲流速等值线成果对比见图13,岸坡冲刷、脉动、流速成果对比见表4。从图13、表4可知:岸坡冲刷形态与水下沿程流速成果基本吻合,主要表现为冲刷最冲深位置与6 m流速最低点部位基本相同,均位于桩号1+820附近;冲刷最低点高程与脉动最大压力点高程基本相同,但桩号略有差异。可认为2种试验方法得出的左岸坡防护范围基本一致。采用陡边坡散粒体模拟防护最深点高程略浅,分析其原因为迎水面散粒体受水流冲击作用时逸出纱网,纱网内侧散粒体在冲刷作用下向迎水面填充所致。

表4 陡边坡散粒模拟试验成果对比Table 4 Comparison of model test results with granular soil slope

图13 冲刷形态与流速等值线对比Fig.13 Comparison of scour pattern and velocity contours

需要说明的是,散粒体模拟陡边坡冲刷试验方法有些参数需要通过大量模型试验和原型验证才能建立准确的映射关系,如:基岩抗冲流速与纱网孔径的关系、边坡坡度与纱网孔径的关系、不同的纱网孔径与原型的相似度等,未来需结合相关工程对此方法进行深入研究验证。

4 结 论

(1)针对拉哇溢洪洞挑流消能对下游左岸的冲刷问题,提出了一种扭曲挑坎体型,其水舌形态及下游河道内部流态较斜切挑坎好。

(2)扭曲挑坎较斜切挑坎左岸边沿河纵向防护区域有所减小,防护深度也有明显减小,水流在河道内分散较均匀。

(3)扭曲挑坎在左岸的脉动压力较斜切挑坎有明显减小,同时最大脉动均方根点位置高于斜切挑坎,与基岩抗冲流速等值线最小高程呈现一致性。

(4)散粒体模拟陡峻基岩边坡的冲刷,岸边冲刷形态与岸边沿程流速成果基本吻合,可作为陡边坡动床模拟的一种新方法。