陡窄河谷挑流消能下游邊坡防沖試驗研究

周望武 ,魏 杰 ,苗寶廣,戴曉兵,任煒辰

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,長沙 410014; 2.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室,長沙 410014; 3.中國水利水電科學研究院 水力學研究所,北京 100038)

0 引 言

挑流消能是水利水電工程各種消能方式中占比最大的一種消能方式,具有工程結構簡單、工程投資少以及對泄量、尾水深度變化適應性強的優點[1]。但挑流消能工下游水流紊動劇烈,易對下游河道造成沖刷[2],特別是高壩挑流消能,當下泄單寬流量大、泄水軸線與下游河道夾角較大以及下游河道狹窄時,下游的沖刷是重點關注的問題之一。

目前國內外對挑流消能下游沖刷研究主要集中在基巖沖刷研究,其中基巖沖刷機理研究主要有消能沖刷理論[3]、淹沒射流擴散理論[4]以及脈動壓力理論[5]。挑流水舌對基巖沖刷作用力主要表現為水流沖擊壓力和脈動壓力,下游河床沖刷初始發育以沖擊壓力為主導作用;基坑沖刷發育完全后,基巖縫隙中引起的脈動壓力及其傳播造成基巖破壞和斷裂解體[6-7]。

物理模型試驗和數學模型計算[8-9]是下游沖刷研究的常用手段,物理模型試驗中的沖刷基本采用河沙、卵礫石等無黏性的散粒體模擬基巖,但散粒體在自然狀態下無法堆積成陡峻邊坡形態,陡邊坡一般采用定床[10-13],導致無法對陡邊坡沖刷特性進行準確分析,目前對下游陡邊坡沖刷的研究也較少。本文以拉哇水電站溢洪洞挑流消能為依托,通過可視化定床模型對比,研究不同挑坎下游河道水流的水力學特性及邊坡脈動壓力特性。同時通過鋼紗網覆蓋散粒體模擬陡邊坡,分析了不同挑坎下陡邊坡的沖刷特性,并與定床條件下的水力學特性進行對比驗證。

1 工程概況及研究方案

1.1 工程概況

拉哇水電站壩址位于金沙江上游川藏河段,為一等大(1)型工程,樞紐主要由混凝土面板堆石壩、2條溢洪洞、1條泄洪放空洞、輸水發電系統、導流建筑物等組成,樞紐布置見圖1。溢洪洞由進口控制段、無壓隧洞段及出口挑流段組成,溢洪洞單洞最大泄量4 406 m3/s,最大單寬流量約為294 m3/s。泄水建筑物采用1 000 a一遇洪水設計,消能防沖建筑物按100 a一遇洪水設計。

圖1 樞紐布置示意圖Fig.1 Sketch of general layout

泄水建筑出口處兩岸地形陡峭,河谷狹窄(寬78～108 m),消能防沖區兩岸岸坡基巖裸露,為弱風化基巖陡壁[14],基巖抗沖流速為6 m/s。河床覆蓋層深厚,最大厚度為71.4 m,覆蓋層工程性質差,存在承載力低、砂層液化、抗沖刷能力弱的特點。

1.2 試驗方案

1.2.1 模型布置

模型設計滿足重力相似準則,參考前人的研究成果[15-17]并結合試驗場地條件,本文物理模型幾何比尺為1∶80。模擬的建筑物包括大壩、2條溢洪洞、1條泄洪放空洞、電站進出水口等。模型全長為55 m,其中上游水庫長17.5 m、寬10 m、高2.9 m;下游河道長37.5 m、寬7.5 m、高1.5 m,沖坑(動床)從地面往下挖1.2 m。模型平面布置見圖2。

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

1.2.2 試驗工況

方案比選試驗工況見表1,上游水位、下游水位分別為模型測點水位。

表1 試驗工況Table 1 Test working conditions

1.2.3 測試方法

試驗中流速采用小威龍聲學多普勒三維點式流速儀測量,精度為0.5%;模型上游、下游布置水位測針,測量精度為0.1 mm;采用壓力傳感器測量邊坡脈動壓力,精度為0.5%。

1.3 體型研究

模型試驗對泄水建筑物典型出口挑坎型式即斜切挑坎(體型見圖3)、扭曲挑坎(體型見圖4)進行了對比研究。

圖3 斜切挑坎體型Fig.3 Sketch of beveled flip bucket

圖4 扭曲挑坎體型Fig.4 Sketch of skew bucket

2 研究方法

2.1 可視定床邊坡模擬

為分析陡邊坡定床下的水力學特性,采用曲面透視板準確地模擬出下游河道邊坡凹凸不平的實際形態,從側面可清晰地觀察到河道內水流的運動狀態,并對邊坡的脈動壓力、近壁流速等指標進行監測。測點斷面間距為20～40 m,范圍為樁號1+620—2+020;豎向高程間距為4 m,范圍為高程2 500 m至水面;消能紊動強烈區域加密測點布置?？梢暥ù埠拥肋吰履Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 可視定床河道邊坡模型Fig.5 Slope model with fixed bed

2.2 陡邊坡散粒體模擬

圖6 陡邊坡散粒體模型Fig.6 Model of steep slope with granular soils

3 試驗成果分析

試驗對比分析斜切挑坎、扭曲挑坎特征工況(P=0.1%、P=1%、P=5%)左岸坡定床條件下挑流水舌入水形態及消能區流態、左岸邊水下沿程流速及左岸對沖區的脈動壓力等的試驗成果,同時與左岸坡動床條件下的沖刷進行了相關分析。

3.1 左岸坡定床

3.1.1 水舌形態與流態

斜切挑坎水舌入水寬度為49.7～54.8 m,水舌挑距為109.6～178.8 m,水舌擴散角為2.9°～3.8°,水舌入水角度為24°～33°,分散程度有限,入水較集中,水舌形態見圖7(a)。扭曲挑坎出坎水舌擴散挑射至下游河道,沿河縱向拉開呈狹長的帶狀入水,水舌入水寬度為108.8～115.2 m,水舌挑距為65.8～136.8 m,水舌擴散角為2.9°～26.2°,水舌入水角度為22.4°～33°,水舌形態見圖8(a)。分析認為:同流量下,斜切挑坎出坎水舌分散程度不足,入水較集中,水舌挑距略遠,落點位于河道中泓線附近;扭曲挑坎左導墻擴散并后撤,增大了坎末寬度,水舌入水寬度增加(約為斜切挑坎的2倍寬),降低了水舌入河單寬流量,水舌落點位于中泓線偏右并能挑離本岸邊,可減輕對岸沖刷。各工況挑流水舌參數見表2。

表2 挑流水舌參數Table 2 Parameters of trajectory nappe

圖7 斜切挑坎水舌形態和河道內部流態(P=1%)Fig.7 Nappe and flow pattern of beveled flip bucket (P=1%)

圖8 扭曲挑坎水舌形態和河道內部流態(P=1%)Fig.8 Nappe and flow pattern of skew bucket(P=1%)

從左側可視河道模型觀察下游河道水流內部流態,斜切挑坎在下泄P=5%以上洪水時,觀測到挑射水流與下游水體混摻后陣發性地沖擊左岸基巖邊坡,流態見圖7(b)。分析認為斜切挑坎入水單寬流量較大,下游河谷狹窄,挑射水流與下游水體混摻后能量未完全消除而沖擊左岸邊坡。扭曲挑坎挑流水舌進入下游河道后摻混、剪切消能的同時摻入了大量空氣,消能區表面呈現乳白色水氣混合物狀態,河道水流挾氣量較大,各工況下均未見挑射水流沖擊左岸基巖邊坡,流態見圖8(b)。

3.1.2 岸邊沿程流速

由于左岸岸坡的基巖抗沖流速為6 m/s,將斜切挑坎、扭曲挑坎消能區左岸邊水下各樁號流速為6 m/s的高程點連接形成等值線,即為基巖抗沖流速等值線,見圖9所示。從圖9可以看出,同種挑坎形式,基巖抗沖流速等值線的趨勢基本相似,隨著下泄流量的增大,等值線的高程逐漸降低;從橫向上看,斜切挑坎P=0.1%、P=1%工況基巖抗沖流速等值線深而長,而扭曲挑坎等值線整體較平穩,說明當下泄流量較大時,斜切挑坎高流速范圍明顯變大,岸坡受水流的沖擊范圍更大;斜切挑坎方案消能區左岸邊基巖抗沖流速等值線最低點高程為2 514.50 m,扭曲挑坎方案基巖抗沖流速等值線最低點高程為2 522.30 m。

圖9 基巖抗沖流速等值線Fig.9 Contours of maximum allowable scouring velocity for bedrock

岸坡流場分布見圖10所示,斜切挑坎對沖區流態紊亂,紊流區岸邊流速分布無規律。扭曲挑坎岸邊流速分布有一定的規律性,從表至底流速減小,與斜切挑坎方案相比,扭曲挑坎方案基巖抗沖流速等值線最低點高程抬高了7.8～9.6 m。

圖10 左岸邊流場分布Fig.10 Flow field distribution on the left bank

3.1.3 脈動壓力

2種挑坎體型左岸脈動壓力成果見圖11、圖12和表3。斜切挑坎方案時,岸坡存在2個較高的脈動壓力區域,而扭曲挑坎方案時脈動壓力分布較為平順,各工況下扭曲挑坎方案下的最大脈動壓力明顯小于斜切挑坎的脈動壓力均方根。扭曲挑坎方案最大脈動壓力均方根(σmax)指標較斜切方案減小了(1.89～2.74)×9.81 kPa。扭曲挑坎方案最大脈動壓力點位置較斜切方案抬高了5.68 m,說明斜切挑坎入水較集中,下潛能量較大,沖擊深度較扭曲挑坎方案深。綜上,扭曲挑坎方案各項水力學控制性指標均優于斜切方案,推薦為工程挑流鼻坎的設計方案。

表3 最大脈動壓力均方根與最大脈動壓力點位置成果Table 3 Root mean square and position of maximum fluctuating pressure

圖11 脈動壓力對比(P=0.1%)Fig.11 Comparison of fluctuating pressure(P=0.1%)

圖12 脈動壓力對比(P=1%)Fig.12 Comparison of fluctuating pressure(P=1%)

3.2 左岸坡動床沖刷

對斜切挑坎、扭曲挑坎方案進行動床沖刷試驗,主要對比P=0.1%、P=1%(消能防沖)試驗工況時對沖區岸坡及河中的沖坑形態。斜切挑坎對沖區主要沖刷范圍為1+700—1+980,最低沖刷高程為2 518.6 m。扭曲挑坎對沖區左岸邊沖刷范圍為1+740—1+940,最低沖刷高程為2 528.6 m。扭曲挑坎方案岸坡沖刷最低點高程較斜切挑坎方案抬高5.9～8.4 m。

采用陡邊坡散粒體模擬得出的試驗成果與可視河道模型基巖抗沖流速等值線成果對比見圖13,岸坡沖刷、脈動、流速成果對比見表4。從圖13、表4可知:岸坡沖刷形態與水下沿程流速成果基本吻合,主要表現為沖刷最沖深位置與6 m流速最低點部位基本相同,均位于樁號1+820附近;沖刷最低點高程與脈動最大壓力點高程基本相同,但樁號略有差異?？烧J為2種試驗方法得出的左岸坡防護范圍基本一致。采用陡邊坡散粒體模擬防護最深點高程略淺,分析其原因為迎水面散粒體受水流沖擊作用時逸出紗網,紗網內側散粒體在沖刷作用下向迎水面填充所致。

表4 陡邊坡散粒模擬試驗成果對比Table 4 Comparison of model test results with granular soil slope

圖13 沖刷形態與流速等值線對比Fig.13 Comparison of scour pattern and velocity contours

需要說明的是,散粒體模擬陡邊坡沖刷試驗方法有些參數需要通過大量模型試驗和原型驗證才能建立準確的映射關系,如:基巖抗沖流速與紗網孔徑的關系、邊坡坡度與紗網孔徑的關系、不同的紗網孔徑與原型的相似度等,未來需結合相關工程對此方法進行深入研究驗證。

4 結 論

(1)針對拉哇溢洪洞挑流消能對下游左岸的沖刷問題,提出了一種扭曲挑坎體型,其水舌形態及下游河道內部流態較斜切挑坎好。

(2)扭曲挑坎較斜切挑坎左岸邊沿河縱向防護區域有所減小,防護深度也有明顯減小,水流在河道內分散較均勻。

(3)扭曲挑坎在左岸的脈動壓力較斜切挑坎有明顯減小,同時最大脈動均方根點位置高于斜切挑坎,與基巖抗沖流速等值線最小高程呈現一致性。

(4)散粒體模擬陡峻基巖邊坡的沖刷,岸邊沖刷形態與岸邊沿程流速成果基本吻合,可作為陡邊坡動床模擬的一種新方法。