閘后兩種消能型式的試驗對比研究

楊 玲， 孫 娟， 戚印鑫

(新疆水利水電科學研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

1 研究背景

目前在新疆地區的引水樞紐工程中，閘后消能防沖型式大多數采用斜護坦+深隔墻的型式或裙板消能型式[1-4]。20世紀60-80年代，受水下施工技術的制約，深隔墻的埋設深度不能滿足沖刷坑深度的要求，就采用長護坦，將沖刷坑外移，遠離閘室，長護坦的使用，對保持下泄水流平順，減輕下游泥沙淤積都有良好的作用，90年代受泥沙磨損問題的困擾，加之水下建筑物施工工藝的提高和完善，越來越多的工程傾向于選擇使用短護坦，甚至無護坦的形式。

防沖裙板是將防沖板與防沖墻的結合的消能方式，它將入射水流分散，擴大入水面積，減少了河床單位面積上的沖擊荷載，從而減輕了水流對河床的沖刷，同時利用產生的負漩滾將河床質回淤至防沖墻處，從而可防止基礎被淘刷。1958年在新疆嘗試運用，此后，科技人員一直在不斷進行探索研究。陳樹林等通過室內模型試驗對防沖裙板消能形式進行了理論分析，確定了設計原則和方法。工程實踐證明，防沖裙板是多沙河流軟基上一種行之有效的消能防沖形式，在新疆大中型引水樞紐中[5]，近1/3工程采用了該形式。隨著施工工藝的革新，防沖裙板的設計理念和材料使用都發生了變化。設計理念上不再重視利用“負漩滾”回淤河床質以保護防沖墻的功能，而是采用盡可能下深防沖墻及防沖墻下游拋填大卵石、鉛絲籠等措施來解決基礎淘刷問題，裙板僅保留分散水流，使沖刷坑外移的作用，結構設計大為簡化。

但實際工程運行后這兩種消能型式消能效果哪一種更好，差異如何，各自的優劣勢等問題目前研究很少?；诖?，本文通過塔爾朗渠首模型試驗[6]，針對以上兩種消能型式的消能效果進行了對比研究，可以為今后此類工程設計提供參考依據。

2 渠首工程概況

2.1 工程概況

塔爾朗渠首采用全攔河閘方案，利用地形條件，將引水閘布置在河道左岸。引水閘1孔凈寬3 m，泄洪沖砂閘3孔單孔凈寬7 m。護坦長160 m，寬度為23.4 m，與泄洪沖砂閘閘室同寬，護坦坡度為3.2%。平面布置圖見圖1。

圖1 塔爾朗引水渠首工程平面布置圖

2.2 水文(洪水)特征

本次試驗主要研究渠首在通過大流量時的下游河床淘刷深度及位置，包括P=10%流量為192 m3/s、P=5%流量為282 m3/s(設計流量)、P=2%流量為410.0 m3/s(校核流量)[7]。以上運行狀態下引水閘關閉。水文特征參數見表1。

表1 水文(洪水)特征參數

3 消能型式基礎尺寸設計

3.1 斜護坦長度的確定

斜護坦+深隔墻的結構形式是根據“海漫+防沖槽”的結構特征及消能防沖原理演化而來[1]，因此斜護坦長度的確定參照海漫長度的計算公式。海漫的長度主要是由消能后的水能大小以及河床土質的抗沖能力決定的[8]。目前海漫長度Lp計算公式有以下兩種：

(1)估算方法[9]：

Lp=(8.5～12.5)ht

(1)

式中：ht為下游水深，m。

(2)由南京水利科學研究院提出的經驗公式[10]：

Lp=Ks(qs(ΔH＇)1/2)1/2

(2)

式中:qs為消力池末端單寬流量，m3/(m·s)；ΔH＇為閘孔泄水時的上、下游水位差，m；Ks為海漫長度計算系數。若河床土質為細砂及砂壤土時，Ks=10～12；若河床土質為粗砂及黏性土壤時，Ks=8～9；若河床土質為硬黏土時，Ks=6～7。

兩種公式計算成果詳見表2。

表2 護坦長度計算表

兩種公式得出的數值相差較大，公式(1)得出護坦長度最大值為41.88 m；公式(2)得出護坦長度最大值為85.39 m。結合塔爾郎渠首地形條件，考慮到與上下游河道平順連接，斜護坦長度取160 m。

3.2 沖刷深度的確定[11-12]

沖刷深度的設計，根據不同的消能防沖形式，采用不同的經驗公式計算。

3.2.1 海漫末端河床沖刷深度 河床沖刷深度計算公式[10]：

dm=1.1qm/V0-hm

(3)

式中：dm為閘后海漫末端河床沖刷深度，m；qm為閘后海漫末端單寬流量，m3/(m·s)；V0為河床土質允許不沖流速，m/s；hm為閘后海漫末端河床水深，m。

設計、校核流量河床沖刷深度計算成果見表3。

表3 沖刷深度計算表

3.2.2 裙板下游沖刷深度 新疆水科院通過模型試驗，對裙板消能的水力特性和沖刷規律進行了分析和研究，提出不同銜接流態下下游沖刷坑深度的經驗公式[13]：

(1)底流銜接沖刷深度：

T/E0=0.445K0.336(d50/E0)-0.156

(4)

(2)面流銜接沖刷深度：

T/E0=0.682-0.314(K-0.15)0.2-

2.998(d50/E0)

(5)

式中：E0為閘前總水頭，對本工程，取上游水位與閘后護坦末端高程之差，m；d50為下游河床質的中值粒徑，m，對本工程取d50=0.03 m；T為從護坦末端高程算起的最大沖深，m；K為流能比，K=q/(g0.5·E1.5)；q為單寬流量，m3/(m·s)；g=9.81 m/s2。

流態判別式為K′=0.644(ht/E0)-0.074，當K>K′，為面流銜接； 當K

沖刷深度計算成果見表4。

表4 裙板下游局部沖刷深度計算表

通過公式(3)、(5)兩種計算結果得出最大沖刷深度T=7.76 m。為了便于試驗研究，模型設計中沖刷深度取11 m。

3.3 裙板長度的確定

裙板長度采用挑流消能中水舌挑射距離公式來估算[9]：

(6)

式中：φ= (1-0.055/K0.5)1/3；K=q/(g0.5E1.5)；s1=上游水位高程-鼻坎高程，m；z=上游水位高程-下游水位高程，m；t=下游水位高程-下游河床高程，m；E=上游水位高程-下游河床高程，m。

其中裙板角度參考新疆已建工程經驗，確定裙板坡度為1∶10，即角度θ為5.71°。

當Q設=282 m3/s時，L=7.46 m；當Q校=410 m3/s時，L=8.19 m。

由此可以看出裙板長度L應小于8 m，新疆已建工程裙板長度一般在3～6 m，此次選取L=4、5、6 m分別進行分析研究。

3.4 裙板結構的確定

綜合以上計算成果，參照已建工程[5]確定裙板坡度為1∶10，采用長短齒交替布置方式，長齒長度分別取4、5、6 m，短齒長度取長齒的2/3，齒間距為6 cm，裙板起始高程低于護坦末端高程30 cm，裙板與護坦末端之間的間隙為30 cm，設計隔墻深為11 m。裙板結構詳見圖2。

圖2 裙板結構圖

4 模型設計與制作

按照重力相似準則，由最小水深控制模型比尺，確定模型比尺為1∶30[14-17]。

為了真實地反映河道的輸砂、淤積形態及泄洪沖砂閘的排砂效果，河道采用定床和動床兩部分模擬。岸坡采用定床，用水泥砂漿制作；上、下游河道地形采用動床形式，用模型沙模擬，定床與動床均按照1∶1000地形圖精確模擬。

裙板采用直徑6 mm的鋼筋進行制作。

由于原型泥沙為推移質，顆粒很粗，根據模型試驗的理論和方法，模型沙可以采用比重與原型沙比重相同而僅粒徑縮小的天然沙。原型及模型沙顆粒級配曲線見圖3。

圖3 原型及模型沙顆粒級配曲線

5 結果與分析

5.1 試驗工況及歷時

按照選取的3種頻率下的流量，在3孔泄洪閘全開，引水閘關閉的情況下，洪水歷時根據洪水過程線選取1 h進行沖刷試驗。

5.2 斜護坦+深齒墻方案試驗成果

5.2.1 各工況閘后流速分布情況 試驗測試的泄洪閘閘后不同斷面、不同位置的流速分布情況見表5。由表5可知：

(1)設計和校核流量下，護坦內流速表現為中間流速大于邊緣流速；由于主流靠右岸，左岸邊緣流速小于右岸邊緣流速，護坦內整體水流有折沖現象，水面波動。

(2)192 m3/s流量時，閘后流速從左至右逐漸增大。護坦內整體折沖水流明顯，水面出現折線波。

5.2.2 各工況護坦末端沖刷情況 不同工況的試驗結果表明：校核流量情況下，護坦末端沖刷坑深度最大。最大沖坑深度為8.01 m，最大沖深距護坦末端的水平距離為25 m。護坦下游沖刷情況見表6，沖刷地形見圖4～6。

表5 各工況泄洪閘閘后流速表 m/s

5.3 裙板消能方案試驗成果

試驗針對4、5、6 m 3種裙板長度、3種不同的流量進行正交試驗。試驗組數共計9組。

5.3.1 各工況閘后流速分布情況 護坦上的流速與斜護坦+深齒墻試驗成果一致。主要研究護坦下游流速分布情況，通過試驗發現，通過裙板消能，入池流速明顯降低。不同頻率下，入池流態變化明顯。詳見表7。

5.3.2 各工況裙板末端沖刷情況 不同工況的試驗結果表明：校核流量情況下，裙板末端沖刷坑深度最大。其中4m裙板最大沖坑深度為8.83m，距離護坦末端的最遠水平距離為26 m；5m裙板最大沖坑深度為8.60 m，距離護坦末端的最遠水平距離為27 m；6 m裙板最大沖坑深度為8.26 m，距離護坦末端的最遠水平距離為30 m。護坦下游沖刷情況見表8，校核流量沖刷地形見圖7～9。

圖4斜護坦方案P=2%下游沖刷圖圖5斜護坦方案P=5%下游沖刷圖圖6斜護坦方案P=10%下游沖刷圖

表7 不同長度裙板消能各工況流速表 m/s

表8 裙板消能方案各試驗工況護坦下游沖刷情況表

5.4 兩種消能方案消能效果對比分析

通過試驗對比，斜護坦方案沖坑深度小于裙板方案，相同試驗工況下，斜護坦方案最大沖刷坑深度與6 m長度裙板方案較為接近。比較兩種方案沖刷坑距離齒墻的位置，則裙板方案優于斜護坦方案。詳見表9、10。

圖7 4m裙板P=2%下游沖刷圖圖8 5m裙板P=2%下游沖刷圖圖9 6m裙板P=2%下游沖刷圖

表9 兩種消能型式沖坑深度表

表10 護坦末端至最大沖坑水平距離匯總表

6 結 論

通過以上12組試驗，對兩種不同的消能型式進行對比分析，得出如下規律：

(1)渠首為校核流量時，兩種消能型式的下游沖刷深度均為最大，斜護坦消能型式的沖坑深度小于裙板消能型式。在沖刷坑距離齒墻末端的長度測試中，裙板型式比斜護坦距離小。

(2)6 m裙板長度的沖刷深度與斜護坦消能型式沖刷深度接近，校核洪水時兩者沖坑深度分別為8.26和8.01 m。

(3)裙板消能型式沖坑最深處距齒墻的距離均大于斜護坦+深齒墻的消能型式，即裙板消能型式能夠更好地保護齒墻不被淘刷，從而提高齒墻的安全性能。