拋石防沖槽消能特性試驗研究

李江峰，李 娟，尹 輝，買買提江·買斯德克，玉山江·坎吉,2

(1.新疆水利水電科學研究院， 新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆阿克蘇地區渭干河流域管理局， 新疆 庫車 842000)

水工建筑物的消能防沖是水利專業技術人員研究的主題之一。它關系到水工建筑物自身的安全和上下游河道的穩定，還直接影響到水工建筑物的水流條件。這類泄水建筑物多具有水頭低、單寬流量大、弗勞德數低、尾水深等特點[1]。新疆境內河流大多為山溪性高含沙河流。往往因為水工建筑物的修建，束窄了河道、改變了河道的水沙特點，通過水工建筑物的含沙水流，常常具有較大的動能，且水流紊動，給水工建筑物本身和下游河床造成較大的破壞，表現為河床淘刷、邊坡坍塌、建筑物結構損壞。有效的解決辦法就是設置相應的消能防沖結構設施，以消減水能、防止或減輕沖刷，底流消能是常見的消能方式[2]。在新疆等山溪性河流地區的引水樞紐工程中，閘后消能防沖型式大多數采用底流消能[3-4]。 在引水渠首下游設置拋石防沖槽就是一種經濟、簡便、有效的底流式消能防沖結構。防沖槽是泄水建筑物下游海漫末端所設置的挖槽拋石形成的防沖棱體[5]，也就是拋石防沖槽。拋石可以是石塊、卵石，新疆河流河灘上卵石眾多，多以拋填卵石為主。

水工建筑物的運行穩定與否，消能防沖設計是一大關鍵[6]?？紤]到山區河道的沖刷性，設計拋石防沖槽是十分必要的。

根據調查，拋石防沖槽結構在國內水利工程中多有應用[7-11]，新疆塔里木河帕滿水庫在引水閘海漫尾部設置了拋石防沖槽。四川省某水電站閘室后護坦末端設置拋石防沖槽后，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35 cm。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在黃河小浪底工程消力塘防沖槽設計中，在護坦的下游布置了拋石防沖槽，塊石粒徑30 cm～80 cm，中值粒徑60 cm，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，見表1[12]。

這類引水渠首工程結構往往包括上游連接段、閘室、護坦(海漫)和防沖槽，這類設置在多泥沙河流引水渠首下游的防沖槽，同時起到了消力池的作用，而且不會因河砂淤堵使之失去作用，反而隨著水流可向下游輸送泥沙；而且這種結構還兼顧了防沖和消能，只要拋填卵石粒徑適當，防沖槽只會產生可控制的沖刷和能量消減，能夠節省較多的工程量和工程投資，也大大縮短了建筑物順水流的長度。閘下消能防沖關系到水閘結構自身的穩定性以及閘下河道、堤防的安全[13]，即使在引水渠首閘后設置了拋石防沖槽，也往往出現防沖槽被沖毀、破壞的情況。究其原因，有防沖槽尺寸過小、長度過短、深度偏淺，更多的是因為拋石粒徑選擇的隨意性，導致拋石被沖走，高能水流直接作用于防沖槽，產生了沖刷破壞。有研究表明，防沖槽拋石粒徑不是越大越好。那么，拋填多大粒徑的卵石效果較好，在不同來水來沙條件、不同粒徑拋石組合狀況下，拋石防沖槽消能特性如何？專門的研究很少。如果能夠掌握拋石防沖槽的消能特性和消能規律，那么，將此種結構應用于引水渠首等水工建筑物的消能防沖，將會得到事半功倍的效果。

通過建立標準斷面的水工模型，我們開展了這方面的研究。

表1 新疆引水渠首設置拋石防沖槽特性表

1 模型設計與試驗

1.1 試驗目的和內容

在確定同一地質條件、同等邊界、同等結構尺寸條件下，通過防沖槽內拋填卵石模型試驗，收集各種工況試驗數據，研究各自水力特性，測量記錄防沖槽內不同位置的流態、水位和流速分布，組合三種不同流量、三種來沙條件、不同卵石粒徑(20 cm、30 cm、60 cm)觀測水流在防沖槽內的漩滾特點27組次；探尋防沖槽內的消能特性和最佳的卵石拋填粒徑。模型試驗方案見表2。

1.2 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。

① 上、下游布置：上游布置引水渠及穩水池；下游布置退水渠。

表2 拋石防沖槽模型試驗方案

② 主體分部長度：綜合以上大多數設置了防沖槽的引水渠首，模擬閘樞紐總長度78.32 m，其中閘前連接段+閘室+護坦長度45 m，防沖槽長度33.32 m；下游河床段45 m。具有這類工程結構的普遍性和代表性。后接沉砂池段、量水堰段。

③ 左、右岸寬度：模擬主體段凈寬27 m。見圖1。

圖1 模型試驗平剖面布置圖

(3) 模型主體設計制作。河道及防沖槽模型采用定床和動床兩部分模擬。閘樞紐及岸坡定床采用有機玻璃模擬制作；防沖槽內部及下游河道地形，采用動床形式分別用設計模型砂按照設計圖示縱坡進行精確鋪填模擬。

(4) 模型砂的選取。模型砂，用天然砂模擬。有資料表明，新疆的山溪性多泥沙河流年均含沙量介于0.18 kg/m3～223 kg/m3，大多河流年均含沙量為1.06 kg/m3～6.89 kg/m3之間，本次分別選取河流年均含沙量為2.18 kg/m3、6.89 kg/m3、3.3 kg/m3(年輸沙率分別為63.8 kg/h、53.3 kg/h、18.3 kg/h)的三種河砂條件，具有一定的代表性與合理性。本次模型試驗主要采取三種不同來沙條件進行篩制、配制模型砂(見顆粒分布圖2)。河床砂根據山溪性河流河床天然砂，模擬出模型砂。

1.3 試驗典型流量選取

設計流量：全疆共有大小河流570條，其中年徑流量0.74×108m3～2.39×108m3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 m3/(s·m)～17.52 m3/(s·m)(見表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 m3/(s·m)、11.11 m3/(s·m)、14.81 m3/(s·m)[14]，有其代表性與合理性。

表3 試驗典型流量

圖2 1型～3型河流含沙顆分曲線圖

2 試驗研究

本次拋石防沖槽的消能特性主要研究不同拋石粒徑情況下，拋石防沖槽水躍位置的變化(能量輸送的遠近)、流速的消減、能量的消減(消能率的大小)等幾方面的特征和規律。以下分別就測試數據進行分析研究。

2.1 水躍位置的變化

通過施放不同來沙水流、不同流量、拋填不同粒徑卵石的試驗，得出各工況下防沖槽內水躍的位置，見表4。

表4 水躍位置及躍長統計表

由試驗發現：在拋石粒徑相同、同類型河砂條件下，隨著流量的遞增，躍后斷面也后移，躍長也逐漸遞增，但躍前斷面位置變化幅度較小且不規律，來沙條件對于水躍位置及躍長的影響無明顯規律。盡管如此，由于防沖槽是按照建筑物的設計洪水標準進行設計，在設計范圍內，不會因躍后斷面的后移和躍長的遞增影響到該防沖槽末端墻的穩定性，防沖槽的長度總能將水躍包納于防沖槽內，試驗中反映出躍長與防沖槽長度的比值為15.6%～41.7%。

試驗說明：在拋石粒徑相同、同類型河砂條件下，躍后斷面位置與流量之間存在正相關關系，即隨著流量的遞增，3種河砂條件下，躍長分別由5.2 m～7.6 m延長到10.9 m～13.9 m，也反映出在流量增幅為33.3%～36.3%條件下，水躍躍長增加幅度為9.2%～69.2%，消散能量的位置也逐漸后移，但躍前斷面位置與流量之間無明顯相關關系。

躍前斷面的位置忽前忽后，雖然前后位置偏差不大，但也說明了拋石和槽內沖刷對其位置存在一定的影響，試驗邊界條件也是躍前斷面位置不規律的影響因素之一。

防沖槽內部分拋石已經被水流沖走后形成一種凹型坑，從此種情形可以看出，拋石防沖槽這種體型也具備一定改變水流結構的作用。為了在消能作用的測試分析中區分該作用與拋石消能作用，我們也進行了上述三種流量的清水無拋石試驗，即將防沖槽看作一個防沖消力池。通過清水試驗發現，防沖槽中水躍躍前斷面位置與躍后斷面位置均比拋石來砂試驗后移12 m左右，而且隨著流量的遞增，躍前斷面位置與躍后斷面位置卻逐漸前移，但躍長基本不變，僅為4.2m，躍長占防沖槽的比值僅為12.6%。也就是說，拋石防沖槽結構的確起到了改變水流結構的作用，防沖槽內拋石使得水躍前移36%，躍長增加23.8%～230%。與清水試驗對比，拋石防沖槽結構縮短了水流流程，可有效縮短防沖槽長度達1/3強，這是對改變水流結構的貢獻；由于拋石防沖槽結構躍長增加幅度達2倍有余，也說明這種結構將消散水能的順水流向空間距離拉長了，單位長度上的消能量大大降低了，這是在拋石消能方面的貢獻。綜合而言，拋石防沖槽結構可以大大縮短消能建筑物長度，并且充分利用消能空間，盡可能的使水能在防沖槽內消散、擴散均勻。

2.2 流速的消減

通過施放不同來沙水流、不同流量、拋填不同粒徑卵石的試驗，得出各工況下防沖槽內水躍前、躍后斷面流速的變化，見表5。

表5 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。在1型河砂條件下，拋填卵石粒徑30 cm時，施放不同流量下，流速消減率較大并且較為穩定；在2型河砂條件下，拋填不同粒徑的卵石時，施放Q=300 m3/s流量下，流速消減率較大并且隨著拋石粒徑遞增流速消減率越大；在3型河砂條件下，拋填卵石粒徑30 cm時，施放不同流量下，流速消減率較大但不夠穩定。

試驗說明：來沙條件對于拋石防沖槽內的流速消減存在一定的影響；在本試驗各種工況下，流速消減率介于15.7%～56.7%，最小值發生在最小流量、最大粒徑組合，最大值發生在最小流量、30 cm粒徑卵石組合；綜合來看，拋石粒徑為30 cm時，流速消減率數值較大、在各種流量下流速消減率較為均衡。拋石防沖槽作為水工建筑物的消能防沖設施，消除水流動能是主要任務，而動能的消除主要反映在流速的消減方面。由試驗數據說明，該試驗條件下，拋石粒徑為30 cm時，流速消減率總體呈現較大，該拋石粒徑較優。

2.3 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。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[15]。防沖槽消能率計算公式見式(1)，示意見圖3。

ΔE/E1=(E1-E2)/E1

(1)

式中：E1為防沖槽進口總能量，m；h1為防沖槽進口水深，m；v1為防沖槽進口流速，m/s；h2為防沖槽出口水深，m；v2為防沖槽出口流速，m/s；α為動能修正系數，此處取1.0；g為重力加速度，此處取9.81 m/s2。

圖3 防沖槽示意圖

通過試驗發現：水躍能夠完整地呈現于防沖槽內，大部分的能量消減能夠在防沖槽內完成，就減輕了下游河床的消能壓力；水流在進入防沖槽后即有一個明顯的躍升，隨后以平穩的流態流向下游。在本試驗各種工況下，隨著流量的遞增，防沖槽內水流流態越趨不穩定，水花越大，水流沖力越大、流速越大；在1型河砂條件下，防沖槽消能率較高，在2型河砂條件下，防沖槽消能率總體次之，在3型河砂條件下，防沖槽消能率總體再次之；防沖槽中水躍躍前弗勞德數范圍為1.73～2.71，基本在同一個數量級，與防沖槽消能率沒有明顯的相關關系；在本試驗條件下，防沖槽消能率范圍為5.9%～50.2%，從試驗數據我們可以發現，在河砂條件相同、拋填卵石粒徑相同情況下，往往消能率最大值發生在中、低流量，小流量發生大消能率的幾率更多，大流量情況下反而消能率較低，這應該是一個正常情況，也可以說，大流量情況下消能空間會小，小流量情況下消能空間會大；防沖槽消能率最大的兩個值均發生在拋填30 cm粒徑卵石情況下，防沖槽消能率最小的兩個值分別發生在拋填20 cm和60 cm粒徑卵石情況下。詳見圖4。

注：為了縮小各組數據的直觀差距，圖中流量單位采用10-3 m3/s，躍前弗勞德數數量級采用10-1。

由圖4說明：來水流量與水流挾帶的能量呈正相關，隨著來水流量的增大，水流流態趨于復雜、不穩定；從1至3型河砂，輸沙率逐漸降低，防沖槽消能率也逐漸遞減，本試驗初步表明，河流輸沙率與防沖槽消能率也存在正相關關系，也就是說，河水攜帶的泥砂，在一定程度上對于防沖槽能夠起到輔助消能的作用，但要有充分的證明，還有待于繼續深入研究；由于低弗氏數條件下消能率低[16]，在水躍躍前弗勞德數介于1.7

3 結 論

(1) 拋石防沖槽結構可以大大縮短消能建筑物長度達1/3強，順水流向的消能長度最大增加了2倍有余，大大降低了單位長度上的消能量，并且充分利用消能空間，盡可能的使水能在防沖槽內消散、擴散均勻。

(2) 來沙條件對于拋石防沖槽內的流速消減存在一定的影響，是防沖槽消能特性的影響因素之一；在本試驗各種工況下，拋石粒徑為30 cm時，流速消減率總體呈現較大，該拋石粒徑較優。

(3) 來水流量與水流挾帶的能量呈現正相關；河流輸沙率與防沖槽消能率也存在正相關關系，也就是說，河水攜帶的泥砂，在一定程度上對于防沖槽能夠起到輔助消能的作用，但要有充分的證明，還有待于繼續深入研究。