李江峰，李 娟，尹 輝

(新疆水利水電科學(xué)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(qū)多泥沙河流。這類(lèi)河流上的渠首由于泥沙沖淤和消能防沖處理不當(dāng)，運(yùn)行過(guò)程中大多出現(xiàn)了嚴(yán)重問(wèn)題，以至于報(bào)廢。在這類(lèi)多泥沙河流引水渠首下游修建消力池，則會(huì)因?yàn)楹铀當(dāng)y帶的泥沙淤滿消力池，致使消力池失去功能乃至報(bào)廢。因此，在此類(lèi)型河流上修建消能防沖設(shè)施，消力池是不妥當(dāng)?shù)?；防沖槽反而有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在多泥沙河流消能防沖設(shè)施中多有應(yīng)用。

如何合理有效設(shè)計(jì)消能設(shè)施，在建筑物水流下泄過(guò)程中有效消耗水流能量是重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。水閘的消能防沖設(shè)計(jì)是水利工程中的一項(xiàng)重要課題[2]，也成為水利水電工程建設(shè)中必須要解決的重大技術(shù)問(wèn)題[3]。布置合理的消能工，關(guān)乎水利工程運(yùn)行安全[4]。防沖槽是泄水建筑物下游海漫末端所設(shè)置的一道深槽式防沖設(shè)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(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)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(duì)于底流消能效果更好。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于拋石防沖的一些研究，主要都是結(jié)合工程消能設(shè)施進(jìn)行的。孫娟等在新疆瑪納斯河一級(jí)水電站工程水工模型試驗(yàn)中，通過(guò)海漫末端設(shè)置拋石防沖槽模型試驗(yàn)驗(yàn)證研究，取得了很好的效果，原設(shè)計(jì)防沖槽5m深度、卵石粒徑30cm不滿足消能防沖要求，模型驗(yàn)證的沖刷深度達(dá)到了15m以上，及時(shí)地糾正了原設(shè)計(jì)深度不足、卵石粒徑偏小的問(wèn)題。新疆水利水電科學(xué)研究院試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)于斜護(hù)坦+深隔墻的結(jié)構(gòu)形式多有研究，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)“海漫+防沖槽”的結(jié)構(gòu)特征及消能防沖原理演化而來(lái)[5]。陳卓英在共青河攔河閘壩工程設(shè)計(jì)中通過(guò)增加一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂高程和在一級(jí)消力池尾坎下游兩側(cè)斜坡段上設(shè)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(wèn)題[6]。萬(wàn)玲等在塘澄水庫(kù)消能工設(shè)計(jì)中采用了消力池+海漫+防沖槽型式，收效明顯[7]。梁發(fā)云等在橋墩基礎(chǔ)局部沖刷拋石防護(hù)試驗(yàn)研究中研究了拋石粒徑、拋石層厚度和拋投范圍等主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)拋石防護(hù)效果的影響[8]；Chiew等認(rèn)為較厚的拋石層能在失穩(wěn)破壞的情況下自我修復(fù)[9]；Parker等發(fā)現(xiàn)拋石層厚度在2～3倍拋石中值粒徑時(shí)，防護(hù)效果較佳[10]；Melville等的試驗(yàn)結(jié)果表明，拋石層厚度從1倍拋石中值粒徑增大到3倍時(shí)，防護(hù)效果得到了顯著的提高[11]。

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

1.2 防沖槽應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

底流消能(水躍消能)具有消能率較高等優(yōu)點(diǎn)[12]，是水利工程中泄洪消能的主要形式之一。低水頭水閘運(yùn)行特點(diǎn)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(kù)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(fā)現(xiàn)，水閘過(guò)流逐漸增大時(shí)，下游水躍由淹沒(méi)式水躍變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)式水躍[15]。拋石防沖槽能夠適應(yīng)水躍變化，是底流消能的一種很好的運(yùn)用形式。

根據(jù)調(diào)查，拋石防沖槽結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)水利工程中多有應(yīng)用，四川省某水電站閘室后護(hù)坦末端設(shè)置拋石防沖槽，拋石粒徑為40～100cm。設(shè)置拋石防沖槽后，沖深比無(wú)防護(hù)措施時(shí)減小了37%～40%，拋石防沖槽明顯增強(qiáng)了護(hù)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(hù)坦+海漫+拋石防沖槽的典型結(jié)構(gòu)。河南省南陽(yáng)市白河二級(jí)橡膠壩水毀修復(fù)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(huì)的勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和水利科學(xué)研究院通過(guò)黃河小浪底工程消力塘防沖槽的設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)，結(jié)合消力塘尾堰消能工程的設(shè)置，較好的解決了1號(hào)消力塘施工期、運(yùn)用期泄洪時(shí)的下游沖刷問(wèn)題。拋石防沖槽在重點(diǎn)大中型水利工程中的成功應(yīng)用再一次證明了這種消能防護(hù)型式的實(shí)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(fā)現(xiàn)，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(jié)合工程布置因地制宜選取合適的拋石粒徑[17]。當(dāng)前的研究成果也沒(méi)有揭示出不同水沙條件下防沖槽消能與沖刷的規(guī)律及兩者之間的影響關(guān)系。

1.3 本次研究解決的問(wèn)題

消能防沖是拋石防沖槽的重要功能。文良[18]進(jìn)行了合金鋼網(wǎng)兜塊石護(hù)面保護(hù)拋石防沖槽面層的研究，趙新偉[19]在水庫(kù)引水改造工程中也開(kāi)展了拋石防沖槽的研究，韓成銀[20]也開(kāi)展了消能率、水躍參數(shù)與弗勞德數(shù)之間關(guān)系的研究，楊聿得出了低弗勞德數(shù)條件下消能率低的結(jié)論，劉雙喜[21]也開(kāi)展了拋石防沖的泄洪閘消能防沖研究，但是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)本次的研究與上述成果有所不同。如果能夠準(zhǔn)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(guān)系，將會(huì)對(duì)防沖槽有針對(duì)性的應(yīng)用于實(shí)際提供強(qiáng)大的理論支撐。

本次主要針對(duì)拋石防沖槽開(kāi)展不同水沙條件下消能與防沖特性方面的試驗(yàn)研究。分別通過(guò)施放不同流量、不同水沙條件、槽內(nèi)拋填不同粒徑卵石來(lái)測(cè)試、計(jì)算、分析防沖槽的消能防沖效果，主要通過(guò)沖刷坑深度、沖刷坑底距離上游防沖隔墻的距離(以下簡(jiǎn)稱沖距)、水躍位置、躍前躍后斷面流速差率、躍前弗勞德數(shù)及防沖槽消能率等幾個(gè)主要參數(shù)的變化，分析研究防沖槽的消能防沖特點(diǎn)和規(guī)律，擬推薦合理可行的防沖槽消能防沖方案，針對(duì)性的應(yīng)用于工程實(shí)際之中，并且在低弗勞德數(shù)工況下，進(jìn)一步分析提高消能率的水沙條件。本次擬開(kāi)展防沖槽拋石粒徑30、40、50cm的清水和渾水試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證和對(duì)比防沖槽消能與防沖的基本特性。

2 模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立一個(gè)新疆山溪性多沙河流引水渠首閘后設(shè)置拋石防沖槽的標(biāo)準(zhǔn)斷面模型，分別在清水、渾水兩種試驗(yàn)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(kāi)展試驗(yàn)，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(shù)和消能率，揭示防沖槽消能防沖規(guī)律，為閘后消能防沖提供借鑒方案。

2.2 模型設(shè)計(jì)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(zhǔn)進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)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(jiàn)表1)，有其代表性與合理性(文、圖、表中數(shù)據(jù)均為原型數(shù)據(jù)，以下同)。

表1 試驗(yàn)典型流量

模型試驗(yàn)方案見(jiàn)表2[25-26]。

表2 拋石防沖槽模型試驗(yàn)方案

3 能量消減計(jì)算與對(duì)比分析

拋石防沖槽中能量的消減主要體現(xiàn)在水流動(dòng)能的消減和防沖槽進(jìn)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(zhǎng)度，直接體現(xiàn)能量消減的能力高低。水流動(dòng)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(guò)流速差率來(lái)反映動(dòng)能消減的指標(biāo)；防沖槽進(jìn)出口能量的消減則是多種能量綜合反映的結(jié)果，主要包括水流的動(dòng)能和勢(shì)能，消減的能量則主要轉(zhuǎn)化為搬運(yùn)、沖移槽中拋石的機(jī)械能，還有少量的熱能、聲能等。

3.1 流速的消減

通過(guò)施放不同水流流量、拋填不同粒徑卵石的試驗(yàn)，得出各工況下防沖槽內(nèi)水躍前后斷面流速的變化，見(jiàn)表3。

表3 水躍前后斷面流速變化統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：無(wú)論在何種試驗(yàn)工況條件下，躍后斷面流速都明顯比躍前流速減小很多，說(shuō)明在防沖槽內(nèi)水躍消除水流動(dòng)能還是很顯著的。

清水試驗(yàn)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(wěn)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(xiàn)總體降低趨勢(shì)；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時(shí)，流速差率基本上均比拋石粒徑40、50cm對(duì)應(yīng)的差率為大。渾水試驗(yàn)條件下，拋填卵石粒徑30cm時(shí)，隨著流量增大，流速差率逐漸降低；拋填卵石粒徑40、50cm時(shí)，隨著流量增大，流速差率升降不穩(wěn)定；施放300m3·s-1流量時(shí)，隨著拋石粒徑的增大，流速差率升降也不穩(wěn)定，施放220、400m3·s-1流量時(shí)，隨著拋石粒徑的增大，流速差率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時(shí)，流速差率均比拋石粒徑40、50cm對(duì)應(yīng)的差率為大。

上述結(jié)果說(shuō)明：不論是清水還是渾水試驗(yàn)條件下，隨著流量的增加，流速消減的空間逐漸減小；拋石粒徑為30cm時(shí)，流速差率呈現(xiàn)較大，該拋石粒徑較優(yōu)；渾水試驗(yàn)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(zhǎng)度(躍長(zhǎng))，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 水躍位置及躍長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不論哪種試驗(yàn)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(dòng)，躍長(zhǎng)逐漸增加，消能工作長(zhǎng)度逐漸延長(zhǎng)。清水試驗(yàn)條件下，施放相同的流量，隨著拋石粒徑的增大，基本呈現(xiàn)出水躍特征斷面位置不斷后移、躍長(zhǎng)逐漸增加的趨勢(shì)；渾水試驗(yàn)條件下，施放相同的流量，隨著拋石粒徑的增大，基本呈現(xiàn)出水躍特征斷面位置不斷前移、躍長(zhǎng)逐漸減小的趨勢(shì)。

上述結(jié)果說(shuō)明：流量的增大，使得消能的位置后移，工作長(zhǎng)度延長(zhǎng)，消能的難度也增大了；施放相同的流量，渾水試驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)結(jié)果則相反，更加驗(yàn)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(qiáng)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(tài)方面，量化的體現(xiàn)就是消能率的變化，衡量消能工優(yōu)劣的一個(gè)很重要的指標(biāo)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(yīng)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(guān)系[29]。防沖槽消能率計(jì)算公式見(jiàn)式(1)，示意如圖3所示。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

圖2 防沖槽消能計(jì)算示意圖

消能率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 防沖槽消能率對(duì)比柱狀圖

對(duì)于清水試驗(yàn)，拋填30cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；拋填40、50cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率變化規(guī)律不明顯；施放相同流量，隨著拋石粒徑的增大，消能率沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律；施放不同的流量，拋填卵石粒徑30cm時(shí)，平均消能率總體上比拋石粒徑40、50cm對(duì)應(yīng)的消能率為大。防沖槽躍前弗勞德數(shù)變幅很小，基本穩(wěn)定在1.7～2.5，屬于弱水躍，其平均消能率25.5%～55.5%。

對(duì)于渾水試驗(yàn)，拋填40cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；拋填30、50cm粒徑卵石，隨著流量增大，消能率呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。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(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。施放不同的流量，拋填卵石粒徑40cm時(shí)，平均消能率總體上比拋石粒徑30、50cm對(duì)應(yīng)的消能率為大。防沖槽躍前弗勞德數(shù)變幅更小，基本穩(wěn)定在1.9～2.3，屬于弱水躍，其平均消能率29.9%～60.6%。

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

3.4 對(duì)比分析

總體而言，本次試驗(yàn)條件下，不論清水試驗(yàn)還是渾水試驗(yàn)，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?。粧伿捷^小者能量消減情況為優(yōu)。就水躍特征斷面位置和躍長(zhǎng)而言，清水試驗(yàn)與渾水試驗(yàn)條件下變化規(guī)律有所不同，但反映在數(shù)值上相差不大；就低弗勞德數(shù)工況下防沖槽消能率而言，含沙水流優(yōu)于清水過(guò)流情況，防沖槽躍前弗勞德數(shù)變幅穩(wěn)定性亦如此。

4 沖刷情況對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及說(shuō)明

本次重點(diǎn)研究對(duì)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(gè)要素進(jìn)行判別。不同試驗(yàn)工況的防沖槽沖刷情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 防沖槽沖刷坑統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于清水試驗(yàn)，拋填同一粒徑卵石，隨著流量增大，沖深增大，沖距變化規(guī)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(shì)均不明顯。

對(duì)于渾水試驗(yàn)，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(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，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(wú)明顯的變化規(guī)律。

上述結(jié)果說(shuō)明：清水試驗(yàn)條件下，隨著拋石粒徑和施放流量的變化，沖深呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，但沖距無(wú)明顯變化規(guī)律；渾水試驗(yàn)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(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明含沙水流的沖刷特性較為規(guī)律。

4.2 對(duì)比分析

由兩種試驗(yàn)條件下防沖槽沖刷情況對(duì)比分析來(lái)看，各種試驗(yàn)工況下，基本上呈現(xiàn)出沖距L清水

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于防沖槽而言，含沙水流防沖效果、保護(hù)建筑物能力優(yōu)于清水過(guò)流情況。

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

(3)在本次試驗(yàn)粒徑范圍內(nèi)，拋石粒徑較小者能量消減情況為優(yōu)，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(yōu)。

(4)反映在防沖槽消能與防沖特性方面，總體上含沙水流優(yōu)于清水過(guò)流情況，有利于引導(dǎo)含沙水流變害為利，具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的社會(huì)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益；但是含沙量的高低對(duì)于消能防沖有著怎樣的變化規(guī)律，還有待于進(jìn)一步深入研究。