不同水沙條件下防沖槽消能防沖特性對比研究

李江峰，李 娟，尹 輝

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 概述

1.1 防沖槽研究背景

新疆大部分河流為山區多泥沙河流。這類河流上的渠首由于泥沙沖淤和消能防沖處理不當，運行過程中大多出現了嚴重問題，以至于報廢。在這類多泥沙河流引水渠首下游修建消力池，則會因為河水攜帶的泥沙淤滿消力池，致使消力池失去功能乃至報廢。因此，在此類型河流上修建消能防沖設施，消力池是不妥當的；防沖槽反而有著獨特的優勢，在多泥沙河流消能防沖設施中多有應用。

如何合理有效設計消能設施，在建筑物水流下泄過程中有效消耗水流能量是重點與難點[1]。水閘的消能防沖設計是水利工程中的一項重要課題[2]，也成為水利水電工程建設中必須要解決的重大技術問題[3]。布置合理的消能工，關乎水利工程運行安全[4]。防沖槽是泄水建筑物下游海漫末端所設置的一道深槽式防沖設施，由挖槽拋石形成的防沖棱體。在既定的消能防沖型式下，防沖槽是經濟、簡便、常用的消能型式之一，既有利于消能防沖又兼顧了輸沙，尤其對于底流消能效果更好。

目前，國內外關于拋石防沖的一些研究，主要都是結合工程消能設施進行的。孫娟等在新疆瑪納斯河一級水電站工程水工模型試驗中，通過海漫末端設置拋石防沖槽模型試驗驗證研究，取得了很好的效果，原設計防沖槽5m深度、卵石粒徑30cm不滿足消能防沖要求，模型驗證的沖刷深度達到了15m以上，及時地糾正了原設計深度不足、卵石粒徑偏小的問題。新疆水利水電科學研究院試驗團隊對于斜護坦+深隔墻的結構形式多有研究，這種結構是根據“海漫+防沖槽”的結構特征及消能防沖原理演化而來[5]。陳卓英在共青河攔河閘壩工程設計中通過增加一級消力池末端左、右兩側尾坎頂高程和在一級消力池尾坎下游兩側斜坡段上設置外凸型階梯，有效減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力，較好地解決了下游河床的消能防沖問題[6]。萬玲等在塘澄水庫消能工設計中采用了消力池+海漫+防沖槽型式，收效明顯[7]。梁發云等在橋墩基礎局部沖刷拋石防護試驗研究中研究了拋石粒徑、拋石層厚度和拋投范圍等主要設計參數對拋石防護效果的影響[8]；Chiew等認為較厚的拋石層能在失穩破壞的情況下自我修復[9]；Parker等發現拋石層厚度在2～3倍拋石中值粒徑時，防護效果較佳[10]；Melville等的試驗結果表明，拋石層厚度從1倍拋石中值粒徑增大到3倍時，防護效果得到了顯著的提高[11]。

上述成果主要是單方面對防沖槽的拋石粒徑、沖刷深度、輔助措施開展了研究，但對于防沖槽消能與沖刷特性的研究鮮有論述。

1.2 防沖槽應用與研究現狀

底流消能(水躍消能)具有消能率較高等優點[12]，是水利工程中泄洪消能的主要形式之一。低水頭水閘運行特點為泄洪流量大、水位差較小，其泄流消能多采用底流消能方式[13]。遼寧清原下水庫采用了底流消能形式，消能效果良好[14]。潘世虎在平原出海閘消能工研究中發現，水閘過流逐漸增大時，下游水躍由淹沒式水躍變為遠驅式水躍[15]。拋石防沖槽能夠適應水躍變化，是底流消能的一種很好的運用形式。

根據調查，拋石防沖槽結構在國內水利工程中多有應用，四川省某水電站閘室后護坦末端設置拋石防沖槽，拋石粒徑為40～100cm。設置拋石防沖槽后，沖深比無防護措施時減小了37%～40%，拋石防沖槽明顯增強了護坦的安全性。浙江省三溪口水電站泄洪閘下游采用了消力池+護坦+海漫+拋石防沖槽的典型結構。河南省南陽市白河二級橡膠壩水毀修復工程在防沖槽底部鋪塊石，塊石粒徑不小于35cm。黃河水利委員會的勘測規劃設計研究院和水利科學研究院通過黃河小浪底工程消力塘防沖槽的設計及模型試驗，結合消力塘尾堰消能工程的設置，較好的解決了1號消力塘施工期、運用期泄洪時的下游沖刷問題。拋石防沖槽在重點大中型水利工程中的成功應用再一次證明了這種消能防護型式的實用性和重要性。新疆有一些代表性河流引水渠首也采用了拋石防沖槽形式[16]。

本課題組在之前的系列研究中發現，防沖槽拋石粒徑不是越大越好，拋石粒徑大小與防沖效果成正比，與消能效果、降低水流流速能力成反比，要結合工程布置因地制宜選取合適的拋石粒徑[17]。當前的研究成果也沒有揭示出不同水沙條件下防沖槽消能與沖刷的規律及兩者之間的影響關系。

1.3 本次研究解決的問題

消能防沖是拋石防沖槽的重要功能。文良[18]進行了合金鋼網兜塊石護面保護拋石防沖槽面層的研究，趙新偉[19]在水庫引水改造工程中也開展了拋石防沖槽的研究，韓成銀[20]也開展了消能率、水躍參數與弗勞德數之間關系的研究，楊聿得出了低弗勞德數條件下消能率低的結論，劉雙喜[21]也開展了拋石防沖的泄洪閘消能防沖研究，但是項目團隊本次的研究與上述成果有所不同。如果能夠準確掌握不同水沙條件下防沖槽消能與沖刷的特性及兩者之間的影響關系，將會對防沖槽有針對性的應用于實際提供強大的理論支撐。

本次主要針對拋石防沖槽開展不同水沙條件下消能與防沖特性方面的試驗研究。分別通過施放不同流量、不同水沙條件、槽內拋填不同粒徑卵石來測試、計算、分析防沖槽的消能防沖效果，主要通過沖刷坑深度、沖刷坑底距離上游防沖隔墻的距離(以下簡稱沖距)、水躍位置、躍前躍后斷面流速差率、躍前弗勞德數及防沖槽消能率等幾個主要參數的變化，分析研究防沖槽的消能防沖特點和規律，擬推薦合理可行的防沖槽消能防沖方案，針對性的應用于工程實際之中，并且在低弗勞德數工況下，進一步分析提高消能率的水沙條件。本次擬開展防沖槽拋石粒徑30、40、50cm的清水和渾水試驗研究，進一步驗證和對比防沖槽消能與防沖的基本特性。

2 模型設計和試驗

2.1 試驗目的和內容

項目團隊通過建立一個新疆山溪性多沙河流引水渠首閘后設置拋石防沖槽的標準斷面模型，分別在清水、渾水兩種試驗工況下施放3種不同流量、防沖槽中拋填3種不同粒徑的卵石開展試驗，得出防沖槽的沖距、沖深，水躍特征斷面位置以及流速差率、躍前弗勞德數和消能率，揭示防沖槽消能防沖規律，為閘后消能防沖提供借鑒方案。

2.2 模型設計和制作

(1)模型比尺：1∶30。

(2)模型范圍：以引水渠首閘后防沖槽為基準進行確定，設計為標準斷面模型，原型寬度27m。如圖1所示。

圖1 防沖槽模型布置圖

2.3 試驗典型流量選取

典型流量：全疆共有大小河流570條，其中年徑流量(0.74～2.39)×108m3的河流有百余條，這些河流上修建的引水渠首泄洪單寬流量為(8.21～17.52)m3·s-1·m-1，而且這些渠首有很多都采用了拋石防沖槽的防沖結構。因此，結合試驗場地條件，本次研究選取典型單寬流量分別為8.15、11.11、14.81m3·s-1·m-1[22-24](見表1)，有其代表性與合理性(文、圖、表中數據均為原型數據，以下同)。

表1 試驗典型流量

模型試驗方案見表2[25-26]。

表2 拋石防沖槽模型試驗方案

3 能量消減計算與對比分析

拋石防沖槽中能量的消減主要體現在水流動能的消減和防沖槽進出口能量的消減，水躍特征斷面位置的變化則反映出能量消減的工作位置和工作長度，直接體現能量消減的能力高低。水流動能的消減直接反映在水躍前后斷面的流速消減方面，本次研究通過流速差率來反映動能消減的指標；防沖槽進出口能量的消減則是多種能量綜合反映的結果，主要包括水流的動能和勢能，消減的能量則主要轉化為搬運、沖移槽中拋石的機械能，還有少量的熱能、聲能等。

3.1 流速的消減

通過施放不同水流流量、拋填不同粒徑卵石的試驗，得出各工況下防沖槽內水躍前后斷面流速的變化，見表3。

表3 水躍前后斷面流速變化統計表

經試驗發現：無論在何種試驗工況條件下，躍后斷面流速都明顯比躍前流速減小很多，說明在防沖槽內水躍消除水流動能還是很顯著的。

清水試驗條件下，防沖槽拋填同一粒徑卵石，隨著流量增大，流速差率變化不穩定；施放相同流量，隨著拋石粒徑的增大，流速差率基本上呈現總體降低趨勢；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時，流速差率基本上均比拋石粒徑40、50cm對應的差率為大。渾水試驗條件下，拋填卵石粒徑30cm時，隨著流量增大，流速差率逐漸降低；拋填卵石粒徑40、50cm時，隨著流量增大，流速差率升降不穩定；施放300m3·s-1流量時，隨著拋石粒徑的增大，流速差率升降也不穩定，施放220、400m3·s-1流量時，隨著拋石粒徑的增大，流速差率總體呈現下降趨勢；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時，流速差率均比拋石粒徑40、50cm對應的差率為大。

上述結果說明：不論是清水還是渾水試驗條件下，隨著流量的增加，流速消減的空間逐漸減??；拋石粒徑為30cm時，流速差率呈現較大，該拋石粒徑較優；渾水試驗條件下，這種流速差率更偏高一些。

3.2 水躍特征斷面位置的變化

本次研究的水躍特征位置主要是躍前斷面、躍后斷面以及反映出的水躍長度(躍長)，試驗數據見表4。

表4 水躍位置及躍長統計表

從上述試驗數據可以看出，不論哪種試驗條件下，拋填相同粒徑卵石，隨著施放流量的增加，水躍特征斷面位置均不斷向下游移動，躍長逐漸增加，消能工作長度逐漸延長。清水試驗條件下，施放相同的流量，隨著拋石粒徑的增大，基本呈現出水躍特征斷面位置不斷后移、躍長逐漸增加的趨勢；渾水試驗條件下，施放相同的流量，隨著拋石粒徑的增大，基本呈現出水躍特征斷面位置不斷前移、躍長逐漸減小的趨勢。

上述結果說明：流量的增大，使得消能的位置后移，工作長度延長，消能的難度也增大了；施放相同的流量，渾水試驗條件下，隨著拋石粒徑的增大，水躍逐漸前移，水躍消能工作長度逐漸縮短，反映出較大粒徑拋石阻礙和削弱水流的能力較大，而清水試驗結果則相反，更加驗證了含沙水流有利于阻礙和削弱水流，消減水流的能力更強一些。

3.3 能量的消減

能量的消減直觀反映在防沖槽的水流流態方面，量化的體現就是消能率的變化，衡量消能工優劣的一個很重要的指標是消能率[27]。影響消能率的因素有躍前水深、躍后水深及其相應的流速大小、流速分布的均勻程度[28]等。有研究表明：消能工的消能率和速度水頭與總水頭的比值呈線性關系[29]。防沖槽消能率計算公式見式(1)，示意如圖3所示。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

圖2 防沖槽消能計算示意圖

消能率計算結果見圖3。

圖3 防沖槽消能率對比柱狀圖

對于清水試驗，拋填30cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率總體呈現增大趨勢；拋填40、50cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率變化規律不明顯；施放相同流量，隨著拋石粒徑的增大，消能率沒有呈現出明顯的變化規律；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時，平均消能率總體上比拋石粒徑40、50cm對應的消能率為大。防沖槽躍前弗勞德數變幅很小，基本穩定在1.7～2.5，屬于弱水躍，其平均消能率25.5%～55.5%。

對于渾水試驗，拋填40cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率總體呈現增大趨勢；拋填30、50cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率呈現逐漸減小趨勢。施放220m3·s-1流量，隨著拋石粒徑的增大，消能率逐漸減??；施放300、400m3·s-1流量，隨著拋石粒徑的增大，消能率沒有呈現出明顯的變化規律。施放不同的流量，拋填卵石粒徑40cm時，平均消能率總體上比拋石粒徑30、50cm對應的消能率為大。防沖槽躍前弗勞德數變幅更小，基本穩定在1.9～2.3，屬于弱水躍，其平均消能率29.9%～60.6%。

上述結果說明：隨著流量的增加，能量消減的空間逐漸減??；清水試驗條件下，拋石粒徑為30cm時，平均消能率呈現較大，該拋石粒徑較優；渾水試驗條件下，拋石粒徑為40cm時，平均消能率呈現較大，該拋石粒徑較優；兩種試驗條件下，該防沖槽平均消能率均優于水力計算手冊弱水躍一般消能率<20%的論斷[30]。

3.4 對比分析

總體而言，本次試驗條件下，不論清水試驗還是渾水試驗，不論拋石粒徑大小，隨著流量的增加，流速消減、能量消減的空間逐漸減??；拋石粒徑較小者能量消減情況為優。就水躍特征斷面位置和躍長而言，清水試驗與渾水試驗條件下變化規律有所不同，但反映在數值上相差不大；就低弗勞德數工況下防沖槽消能率而言，含沙水流優于清水過流情況，防沖槽躍前弗勞德數變幅穩定性亦如此。

4 沖刷情況對比分析

4.1 試驗數據及說明

本次重點研究對象是防沖槽，因此其沖刷情況主要圍繞防沖槽的沖距和沖深2個要素進行判別。不同試驗工況的防沖槽沖刷情況統計見表5。

表5 防沖槽沖刷坑統計表

對于清水試驗，拋填同一粒徑卵石，隨著流量增大，沖深增大，沖距變化規律不明顯，沖深值離散性較大；施放相同流量，隨著拋石粒徑的增大，沖距和沖深變化趨勢均不明顯。

對于渾水試驗，拋填同一粒徑卵石，隨著流量增大，沖距和沖深基本上都呈現逐漸增大的趨勢，沖深值離散性不大；施放相同流量，隨著拋石粒徑的增大，沖距和沖深無明顯的變化規律。

上述結果說明：清水試驗條件下，隨著拋石粒徑和施放流量的變化，沖深呈現出一定的變化規律，但沖距無明顯變化規律；渾水試驗條件下，拋填同一粒徑卵石，隨著流量增大，沖距和沖深基本上都呈現逐漸增大的趨勢，說明含沙水流的沖刷特性較為規律。

4.2 對比分析

由兩種試驗條件下防沖槽沖刷情況對比分析來看，各種試驗工況下，基本上呈現出沖距L清水

5 結語

(1)對于防沖槽而言，含沙水流防沖效果、保護建筑物能力優于清水過流情況。

(2)兩種試驗條件下防沖槽躍前弗勞德數變幅都很小，平均消能率均優于弱水躍一般消能率<20%的論斷，渾水試驗條件下躍前弗勞德數變化更穩定，平均消能率更高；低弗勞德數工況下防沖槽消能率以及防沖槽躍前弗勞德數變幅穩定性，含沙水流優于清水過流情況。

(3)在本次試驗粒徑范圍內，拋石粒徑較小者能量消減情況為優，能夠兼顧消能率大、沖深適中的拋石粒徑以拋石沖深與河床砂沖深接近者為優。

(4)反映在防沖槽消能與防沖特性方面，總體上含沙水流優于清水過流情況，有利于引導含沙水流變害為利，具有廣闊的應用前景和潛在的社會效益、生態效益、經濟效益；但是含沙量的高低對于消能防沖有著怎樣的變化規律，還有待于進一步深入研究。