低水頭水利樞紐泄水閘閘前沖刷研究

方森松，劉曉平，吳國君，周千凱，乾東岳

低水頭水利樞紐泄水閘閘前沖刷研究

方森松，劉曉平，吳國君，周千凱，乾東岳

（長沙理工大學水利工程學院，長沙 410076）

針對低水頭水利樞紐壩前附近的沖刷問題，建立了用于研究閘前三元流的泄水閘物理及數學模型，利用動床物理模型觀測了閘前沖坑發展過程，然后采用定床物理模型和三維數學模型研究了閘前沖刷初始時刻、中期時刻及穩定時刻的三維流場。結果表明：沖刷初期水流受擋水閘阻水作用，在閘前近壁區水流下潛形成漩渦，閘前呈現復雜的三元流流態，從而造成閘前床面泥沙大量啟動，迅速形成沖坑。在沖刷中后期，下潛水流流速在沖坑內部沿水深方向逐漸減弱，漩渦現象不明顯，沖坑發展變緩，最終達到平衡。

低水頭；泄水閘；沖坑；下潛水流

1 問題的提出

低水頭水利樞紐是集航運、發電于一體的水工建筑物，在實際生活中發揮了巨大的社會及經濟效益。由于以往建壩時對上游沖刷問題不夠重視，在閘壩運行多年后，壩前局部區域容易發生沖刷和淘刷現象［1，2］，甚至危及到水工建筑物的安全。例如，某低水頭水利樞紐建成運行多年后，閘壩上游河床發生局部沖刷，在壩前一定范圍內形成沖坑，地形如圖1所示，對建筑物的穩定產生不利影響。因此，研究壩前水流結構及沖刷機理對于進一步采取改善措施是非常有必要的。

圖1 低水頭閘壩壩前沖刷示意圖Fig.1 Sketch of scouring pit of low-head sluice

現階段對沖刷問題研究的手段［3］主要包括原型觀測、模型試驗、理論分析以及數值模擬4個方面。對于水工建筑物上游河床局部沖刷問題的研究，人們更多地關注高壩中泄洪洞和排沙孔進口的沖刷現象［4，5］，但是，對于低水頭閘壩上游的沖刷問題研究較少，由于其壩前水流結構特征與高壩相比有很大差異，產生沖坑的機理不同。因此，本文將利用數學模型（簡稱數模）與物理模型（簡稱物模）相結合的方法對壩前沖刷坑形態及壩前三維流場進行研究分析。

2 物理模型試驗設計及數學模型建立

2.1 模型設計

試驗在長為30 m、寬為1.6 m的玻璃水槽中進行。根據試驗場地條件，概化模型共設7孔泄水閘，單孔凈寬0.2 m，1號和7號單孔凈寬0.18 m，6個閘墩，每個閘墩寬0.04 m，墩頭和墩尾均為半圓形，堰面形式為WES實用堰型，材料采用PVC板，如圖2所示。

動床試驗中，在閘前鋪設中值粒徑D50為1 mm的模型沙床面，觀測了閘前沖刷中期（5 min）時刻以及沖坑穩定時刻的沖坑地形。并根據不同時刻沖坑形狀采用素混凝土固定沖刷坑，利用聲學多普勒測速儀（NDV）觀測閘前局部流場。考慮到模型的對稱性，取水槽半側（沿水流方向）部分進行研究。試驗流量為0.045 m3／s，對應水閘上游水位為0.25 m，下游水位為0.10 m，試驗觀測流場時將中間一孔泄水閘（4號閘孔）全開泄流，其他為擋水閘孔。

圖2 物理模型平面布置圖及立視圖Fig.2 Plan and elevation view of the physical model

模型坐標系選取以順水流方向（縱向）為x方向，y方向為垂直水槽邊壁方向（橫向），z方向為垂直向上方向（垂向），坐標原點位于床面水槽中軸線與上游閘墩外邊緣線的交點上。試驗主要觀測了擋水閘（3號閘）、過水閘（4號閘）前的縱斷面流場，即圖中y＝－0.20 m，y＝－0.06 m處的縱斷面流場，以及閘前x＝－0.05 m處的橫斷面流場。

2.2 數學模型建立

流場計算采用RNG k-ε紊流模型，自由液面采用VOF方法進行捕捉，采用有限體積法對偏微分方程進行離散［6］，控制方程如下：

連續方程

運動方程

k方程

ε方程以上各式中：t為時間；ui，uj為速度分量；xi，xj為坐標分量；ρ和μ分別為體積分數平均密度和分子黏性系數；p為壓力；Bi為單位體積的體積力；Gk為平均速度梯度產生的紊動能項；μt＝ρvt為紊流黏性系數，其中vt為紊流運動黏性系數，它由式 vt＝0.085 k2／ε求出；經驗系數 C2ε＝1.68，σk＝σε＝0.717 9；系數 C1ε按下式計算：

其中 η0＝4.38，β＝0.012，S為切應力。

3 試驗結果與計算結果分析

3.1 物理模型閘前沖坑地形分析

圖3 各時刻閘前沖坑地形 （單位：m）Fig.3 Terrain of the scouring pit at different moments

3.2 擋水閘前縱向截面流場

由沖坑形態發展過程可知，沖坑主要集中在與過水閘相鄰的擋水閘前，故可推知沖坑的產生與擋水閘前的流場結構密切相關，利用物理模型試驗觀測及數學模型計算所得的擋水閘前y＝－0.20 m處各時刻順水流方向立面流場如圖4。初始時刻，如圖4（a），數學模型計算結果顯示在閘前近壁區形成一順時針環流。物理模型觀測得到在閘前近壁區－0.06 mx－0.03 m、z0.04 m范圍內，存在與上游來流方向相反的回流，由于物理模型沒有觀測擋水閘前－0.03 mx0 m范圍內流場，故物模沒有完整反映該順時針環流。對比所觀測范圍內的物模與數模，流態基本一致。因此綜合比較分析物模與數模結果可知，擋水閘前水流受到阻水作用，在擋水閘前近壁區縱向流速與來流相反，形成一個順時針漩渦。在試驗過程中通過高錳酸鉀示蹤劑，同樣可觀察到閘前水流在近壁區流向與上游來流相反，此區域存在明顯的紊動現象。分析原因為：由于擋水閘前上游來流水受到阻擋，縱向流速值減小，水流動能在閘前轉變為勢能，沿水深方向形成壓力差，致使閘前近壁區水流在重力與上層壓力的作用下，形成下潛水流，同時下潛水流向下運動遇到床面之后，一方面與床面泥沙顆粒碰撞產生動量交換，另一方面部分水流流向折向上游，與來流相互作用在近壁區縱向立面上形成環流漩渦，使床面產生局部淘刷。

圖4 各時刻擋水閘前縱斷面流場（y＝－0.20 m立面）Fig.4 Flow field in vertical section in front of closed sluice gate at different moments（y＝－0.20 m）

沖刷中期時刻，如圖4（b），物模與數模結果均表明：擋水閘前近壁區水流在z≈0.04 m處開始下潛，流入沖坑內部，近壁區沒有形成明顯的漩渦。下潛水流隨著沖坑深度的增加流速逐漸減小。沖刷穩定時刻，如圖4（c），擋水閘前近壁區水流主要集中在z≈0.02 m處開始下潛，流入沖坑內部，在沖坑底層，下潛水流流速減小至最小。

綜上所述，閘前近壁區及沖刷坑內的流場具有較強的三維特性，初始時刻近壁區環流漩渦淘刷強度最強，泥沙大量啟動，短時間內形成沖坑。沖刷中后期，沖刷坑坑底對應的垂向范圍內，水流沿垂向下潛至坑底對其進行淘刷，而在沖坑邊坡范圍內，水流主要順著邊坡流入沖坑內部，邊坡上的泥沙顆粒在水流拖曳力及重力作用下啟動，從而使邊坡進一步向上游發展。當沖刷穩定后，到達沖坑底部的下潛水流強度已減小至最小，以至不足以形成對床面的沖刷。

3.3 過水閘前縱向斷面流場

利用物理模型，觀測了過水閘前y＝－0.06 m處各時刻順水流方向斷面流場（如圖5）。

圖5 各時刻過水閘前縱斷面流場（y＝－0.06 m立面）Fig.5 Flow field in vertical section in front of opening sluice gate at different moments（y＝－0.06 m）

初始時刻圖5（a），在過水閘前，流速沿水深分布較均勻，沿水流方向流速值逐漸增大，但初始時刻該區域并未觀察到明顯的泥沙啟動現象，說明此時近壁區水平底流速并非閘前泥沙啟動的主要原因。沖刷中后期圖5（b）、圖5（c），在近壁區沖坑處水流從上游沿沖坑邊坡流入沖坑，隨后順著沖坑地形流向下游。沿水深方向，沖坑外部流速分布較均勻，但在沖坑內部，流速隨水深增加而減小。

3.4 閘前橫斷面流場分析

物理模型所測閘前x＝－0.05 m橫斷面處各時刻的流場如圖6。

圖6 各時刻閘前橫斷面流場（x＝－0.05 m立面）Fig.6 Flow field in cross section in front of sluice at different moments（x＝－0.05 m）

沖刷各個時刻，近壁區橫向流速在擋水閘前y≈－0.1～－0.2 m范圍內達到最大。而此區間在初始時刻存在環流漩渦，因此，由漩渦淘刷引起啟動的泥沙顆粒在較大的橫向流速作用下被迅速攜帶向下游。從而造成前期沖坑坑深迅速增加，且最深點位于擋水閘前。在沖刷坑中后期，沿沖坑深度下潛水流的強度逐漸減弱，沖坑沿深度方向變化放緩。閘前水流沿著沖坑坡面流入沖坑內部，坡面上的泥沙顆粒在水流拖曳力和重力作用下啟動，使沖坑沿水平方向的范圍進一步增大。

3.5 閘前近壁面平面流場

圖7為物理模型所測閘前距離床面0.03 m平面處不同時刻的流場分布。閘前水流急劇束窄，使擋水閘前水流流向由縱向逐漸過渡為橫向，沿縱向方向的動水壓力轉變為勢能，閘前的水流駐點壓力增大。

圖7 各時期閘前近壁面平面流場分布（z＝0.03 m立面）Fig.7 Flow field in near-wall plane in front of sluice at different moments（z＝0.03 m）

4 閘門開啟方式對閘前三元流強度影響分析

由以上分析可知，可通過減小閘前三元流強度，避免擋水閘前近壁區形成環流漩渦的方法減輕閘前床面的淘刷。試驗觀察到將過水閘相鄰的擋水閘開啟一定開度后，閘前沖刷程度大大減小。采用數學模型計算了單孔全開并開啟相鄰閘門0.1開度工況的流場。將此種工況與單孔全開工況中距床面0.03 m的近壁區平面流線取出進行對比，如圖8、圖9所示。

圖8 單孔全開時閘前近壁面流線Fig.8 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully

單孔全開閘門時，擋水閘前水流流向由縱向過渡為橫向過程中，在擋水閘前下潛形成環流漩渦，閘前水流呈現較強的三維特性。而將擋水閘開啟0.1開度后，部分水流通過該閘孔下泄，水流流向過渡較為平緩，從而沒有形成近壁區的漩渦，水流以沿水平面的二維運動為主，減輕了閘前的淘刷。

圖9 單孔全開及相鄰閘門0.1開度時閘前近壁面流線Fig.9 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully and the adjacent gate opened at 0.1 degree

5 結 論

低水頭泄水閘在運行過程中，閘前易發生沖刷淘刷現象。研究觀測閘前三元流水流結構，分析其引起沖刷的機理，對低水頭水利樞紐的設計和運行管理有著重要的參考意義，通過以上試驗分析，主要得出以下幾點結論：

（1）模型試驗中，閘前沖坑在沖刷前期時間內沖坑發展較快。因此，反映到實際運行中，若某一運行工況下閘前形成強度較大的三元流而發生沖刷，則沖坑將迅速發展形成。

（2）當部分閘門開啟泄水時，初始時刻泥沙啟動區并未發生在流速較大的過水閘前區域，而是在相鄰的擋水閘閘前區域。主要原因為：過水閘泄水時，相鄰擋水閘閘前水流受到阻擋，流速由縱向過渡為橫向，從而在閘前近壁區水流下潛，形成漩渦，水流呈現復雜的三元流流態，紊動強度增大。從而造成床面泥沙大量啟動，迅速形成沖坑。隨著沖坑的發展，近壁區下潛水流在沖坑內部逐漸減弱，漩渦消失，最終達到沖坑穩定狀態。

（3）考慮到一般低水頭水利樞紐泄水閘閘孔數量較多，流量與水位變化范圍大，運行條件復雜，若調度不當極有可能在閘前形成較強的三元流現象，短時間內造成沖刷破壞。因此，當運行期出現部分閘門全開導致水流較為集中泄流情況時，也應使與其相鄰的閘門具有一定的開度，減小閘前單寬流量，避免閘前形成強度較高的三元流。

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（GUO Zhi-xue，LIU Xing-nian，CAO Shu-you.Experimental Study on Reservoir Scour Funnel of Baoshi Water Power Station.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2004，34（5）：1－5.（in Chinese））

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Scouring Mechanism in Front of the Sluice of Low-Head Hydro-Projects

FANG Sen-song，LIU Xiao-ping，WU Guo-jun，ZHOU Qian-kai，QIAN Dong-yue
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410076，China）

To elaborate on the river bed scouring in front of the sluice of low-head hydro-projects，physical and mathematical models are built to study the three dimensional flow in front of the sluice.Movable bed physical model is used to observe the development process of the scouring pit.Furthermore，fixed bed physical model and three-

dimensional turbulence model are employed to simulate the 3-D flow field at the initial，middle and steady period of the scouring.The main conclusion is obtained as follows：at the beginning of scouring，as the flow is obstructed by the sluice，vortexes are formed by the diving flow and a complicated three dimensional flow is generated，thereby causing a large amount of sediment activating in front of the sluice structures.Accordingly，it results in scouring in front of sluice structures rapidly.During the middle and later period，the diving flow in the scouring pit is gradually weakened along the water depth direction，hence the vortex disappears，and the development of the scouring pit slows down and finally reaches equilibrium.

low-head hydro-project；sluice；scouring pit；diving flow

TV131.61

A

1001－5485（2011）06－0025－05

2010-07-21

湖南省自然科學基金項目（04JJ3036）；湖南省交通廳科技創新項目（200732）

方森松（1985-），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事港口航道及近海工程研究，（電話）0731-82309694（電子信箱）fangsensong＠163.com。

（編輯：劉運飛）