水闸下泄流量变化对下游河床的影响研究

高栩昕

(怀集县马宁镇农林水综合服务站,广东 怀集 526454)

0 引言

挡水结构是水利工程中控制和调节水量的常用和重要水工结构之一,广泛用于各类大坝工程中[1-3]。然而,由于大坝下游受水库的调节作用,季节性放水会导致挡水结构下游河床受到流水侵蚀作用(下切),河床下降,从而引起泥沙淤积,严重影响水库的功能使用。因此,研究下游河床形态变化具有重要意义。

当前,国内学者通过室内试验和数值模拟方法对河床侵蚀进行了相关研究。孟翠翠[4]运用新的数值模型SRH-2D来模拟冲积河流中的垂直和侧向联合侵蚀,创新性地将地质河流模型与基岩侵蚀模型耦合,以预测冲积侵蚀和基岩侵蚀;卫云巍[5]结合室内水槽实验与数值水槽实验,研究漫顶溃决水流在下游河床上的侵蚀挟沙特性;王学栋[6]介绍了伴随坡度变化、河床束窄区域及坝系工程的泥沙堆积过程;范爱民[7]基于Fluent软件中的动网格技术,建立了局部河床冲刷数值模型,研究了当卡水电站下游局部冲刷坑的冲刷过程;夏厚兴等[8]以漳州市龙海区西溪水闸除险加固工程为例,建立水闸整体水工模型进行闸下冲刷试验;刘顺东[9]以某闸坝工程为例,采用数值模拟手段,模拟了闸门开启到形成稳定淹没水跃的过程,分析了下泄流量、下游水深等对水跃长度、下游流速的影响。

通过对以上文献分析可知,当前的研究少有聚焦挡水结构类型对河床下游侵蚀深度的影响。因此,本文通过室内试验,研究不同水流流量参数下,堰结构和水闸结构对河床下游侵蚀深度的影响。

1 工程概况

本次研究的河流坝址以上河长53.18 km,主河道比降1.55‰;水库坝址区间流域面积132.8 km2,河长25.99 km,主河道比降约1.216‰。工程区位于低山丘陵区,地势高低不平,起伏较大,河谷多岩石裸露,场区内孔隙含水层分布于河流左岸阶地及河床砂卵砾石覆盖层中。上游及上闸首以下 120 m 段发育粘性土层渗透性较差,形成相对隔水层;其余地段卵石土层地下水位随河水位呈季节性变化,主要受大气降水补给。基岩岩溶裂隙含水层广泛分布于河床及两岸松散覆盖层之下,主要由石磴子组灰岩组成,其透水性主要决定于基岩内岩溶、裂隙的发育程度及其连通性。一般在基岩面附近、岩溶发育区、裂隙发育带附近透水性较大。

2 试验参数分析

本次进行河床沉积物采样时,先分析了适当数量的采样点,最后决定在主要的河流入湖处进行采样,该处的沉积物处于河流湍急处,最具代表性。采样时间一般与湖水的采样时间相一致,另外,季节的变化与温度的变化十分相关,虽然水温的变化比气温的变化要小,但不同季节湖泊中的水温会影响沉积物成分的变化。本次选择夏季进行采样,因为本研究区域夏季雨量大,研究此时土的冲刷运移具有较大意义。取样完成后进行模型搭建。

图1给出了影响水闸下游局部冲刷的参数图解。根据文献分析可知,下游冲刷深度hs的最大深度取决于5个因素：(1)与通道几何形状相关的参数：通道宽度(B);(2)与几何结构相关的参数：闸门顶部和河床底部之间的垂直距离(w)、闸门开口高度(a)和闸门顶部水头(y);(3)与河床沉积物相关的参数：颗粒的直径(d50)、沉积物密度(ρs)和河床坡度(S0);(4)与流体性质相关的参数：流体密度(ρw)、动态粘度(μ)、引力的加速度(g);(5)与行近水流有关的参数：上游水流深度(hu),流量(Q)和平均流速(U)。

图1 影响水闸下游局部冲刷的参数图解

3 试验设置

本次室内试验装置高度3.7 m,宽0.12 m,河床深0.17 m,河床坡度S0为0.000 1。河床物质由均匀的沉积物组成,砂层表面用平板适当平整分布在仪器托架上。沉积物平均尺寸1.5 mm,挡水设施安装在距离水流入口1.4 m的位置。水槽首先是慢慢地注满水,直到泵启动后达到所需的流速,然后,调整尾门以达到合适的水流深度,直到达到预期的效果平衡条件。为了找出需要达到平衡状态的时间,即最大冲刷深度几乎不变的时间点,所有测试试验进行了6 h。图2给出了Q=0.82 L/s,w=3 cm时的最大冲刷深度随时间的变化。如图2所示,几乎90%的最大冲刷深度超过了120 min。在每个试验结束时,排水缓慢,河床地形用数字点检仪测量。试验分三个阶段进行,测试对象为堰结构、闸门结构和二者结构组合实验。

图2 最大冲刷深度随时间的变化

4 试验结果分析

4.1 堰结构下河床侵蚀变化

此次使用4种不同堰高(w=2、3、4、5 cm)和4种不同弗劳德数进行了一系列试验。在试验中,使用了不同高度的堰结构及不同的流量条件,这两个因素对河床侵蚀产生了显著影响。堰高(w)是结构的一个关键参数,决定了水流通过堰结构的通道宽度。堰高的增加会导致更大的流通面积,从而增加了水流的速度。另一方面,弗劳德数(Fr)是流体力学中一个重要的无因次数,与流体密度、流速和引力加速度相关。通过增加流量,可以增加弗劳德数。这两个因素共同影响了河床侵蚀的深度。图3给出了河床冲刷和堰结构下游水流流型的概念模型。河床的局部冲刷主要发生在堰结构下游。在河床下切的作用下,水流形成了冲刷坑,而冲刷坑下游则形成了泥沙的堆积。这个过程中,一部分水流沿着坡度方向继续流动,带动颗粒,而另一部分水流会回流形成卷流。这种冲刷和堆积过程构成了河床侵蚀的基本形态。图4说明了弗劳德数(Fr)与堰高与闸门顶部水头的比例(w/y)对下游冲刷深度(hs)与上游水流深度(hu)之比(hs/hu)的影响。研究结果显示,对于给定的弗劳德数,当w/y增加时,hs/hu的比率也随之增加。这表明随着堰高相对于水头的增加,河床的侵蚀深度也增加。而通过增加弗劳德数,也会增加最大的冲刷深度。这些结果揭示了堰结构下河床侵蚀中堰高和流量条件是关键参数,决定了水流的速度和流通面积,从而影响了河床侵蚀的深度和形态。

图3 河床冲刷和堰结构下游水流流型的模型

4.2 水闸结构下河床侵蚀变化

图5给出了河床冲刷和水闸结构下游水流流型的概念模型,水流参数沿用上次试验的参数。由图5可知,上拉式水闸结构下,下游河床侵蚀高度明显降低,这是由于下游水流流动方向几乎与河床平行,水流的推力对泥沙的推动作用不大,因此,闸门结构的下游冲刷小于堰结构下游冲刷深度。图6给出了不同弗劳德数下下游冲刷深度hs与上游水流深度hu之比相对于a/hu(闸门开口高度a与上游水流深度hu之比)的变化规律。由图6可知,当弗劳德数Fr位于0.075和0.085之间时,出现了最大冲刷深度,此时a/hu等于0.125。由以上结果可以得出,水闸结构的存在改变了水流的流动方式,使其在通过水闸后的下游流向与河床几乎平行。这种水流流动方式减小了水流对河床泥沙的推动作用,从而降低了河床的侵蚀深度。而最大的冲刷深度出现在特定的弗劳德数范围内,这可能与水流速度、流体密度和引力加速度的相互关系以及闸门开口高度的比例有关。

图5 河床冲刷和水闸结构下游水流流型的概念模型

图6 不同弗劳德数下hs/hu相对于a/hu变化规律

4.3 水闸与堰结构组合下河床侵蚀变化

图7给出了河床冲刷和两种结构组合下下游水流流型的概念模型,弗劳德数为两种,分别为0.1和0.13。由图可知,两种结构的组合下,下游河床侵蚀高度相比水闸结构明显增大,形成圆弧形下切形状,端口切线与水平呈30°左右。但相比堰结构下的侵蚀面,此时的侵蚀面更浅,且河床侵蚀后形成的堆积体的坡度更陡。图8给出了不同弗劳德数下下游冲刷深度hs与上游水流深度hu之比相对于w/a(闸门顶部和河床底部之间的垂直距离与闸门开口高度之比)的变化规律。由图可知,同一w/a比值之下,弗劳德数Fr越大,河流冲刷深度越深,但冲刷深度随着w/a之比增大而减小。这些结果反映了两种不同结构组合下的河床冲刷机理。组合结构(水闸和堰结构)导致下游河床侵蚀高度增加,形成圆弧形下切形状,因为两种结构的作用相互叠加,增强了侵蚀效应。此时,侵蚀面相对较浅,但堆积体的坡度更陡。同时,弗劳德数越大,河流的冲刷深度越大,这是因为较大的弗劳德数意味着更高的流速和流动能量,导致更深的侵蚀。然而,当w/a之比增加时,河流的冲刷深度减小,这可能是因为较大的w/a之比减小了垂直距离与开口高度之间的比例,从而减小了侵蚀深度。

图7 河床冲刷和两种结构组合下下游水流流型的概念模型

图8 不同弗劳德数下hs/hu之比相对于w/a变化规律

5 结论

本文通过室内试验,研究了不同水流流量参数下,堰结构和水闸结构对河床下游侵蚀深度的影响,研究结果表明,堰结构下河床的局部冲刷主要形成于结构物下游,呈下切状;上拉式水闸结构下,下游河床侵蚀高度明显降低,下游水流流动方向几乎与河床平行。而对于水闸与堰结构组合下,下游河床侵蚀高度相比水闸结构明显增大,形成圆弧形下切形状,但相比堰结构下的侵蚀面,此时的侵蚀面更浅,且河床侵蚀后形成的堆积体的坡度更陡。此外,对于给定的弗劳德数,堰结构下当w/y增加时,hs/hu的比率增加,通过增加弗劳德数,最大冲刷深度也会增加,水闸与堰结构组合下河床侵蚀也出现类似规律。然而对于水闸结构,当弗劳德数Fr位于0.075和0.085之间时,出现了最大冲刷深度。