山區河道護坦式消能工的試驗對比研究

涂書豪，夏玉梅，奉紫岑，楊 慶

(1. 四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065；2. 浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 引 言

山區河流上的閘壩工程，由于河道比降大，下游水位變幅大，排沙運行頻繁等特點，采用傳統消力池方案，消力池可能會被淤塞或消能設施被磨損[1]。規范[2]規定，夾有較大礫石的多泥沙河流上的水閘，不宜設消力池，可采用護坦式消能工，護坦末端不設消力坎，以急流方式與下游河道銜接。目前工程上應用斜護坦形式較多，關于斜坡護坦與消力池的對比試驗及其與下游河道銜接已進行了大量的研究工作[3-7]，同時也有不少斜坡護坦與其他輔助消能設施結合的改進方案，如賈棲[8]等提出了可應用于深厚覆蓋層閘壩的“斜坡護坦+底流銜接+柔性消力池+局部防護”的泄洪消能模式，張彥輝等[9]、楊玲等[10]對于斜坡護坦后接斜挑坎、海漫、深隔墻和裙板等也進行了試驗對比研究。相關的研究中閘后消能設施大多采用斜護坦體型，對反弧型護坦的研究較少，本文依托某水電站工程的模型試驗，對比閘后反弧護坦和斜坡護坦兩種體型進行研究。

1 工程概況

某水電站為Ⅲ等中型工程，設計洪水為100年一遇，相應流量為1 560 m3/s，校核洪水為1 000 年一遇，相應流量為1 969 m3/s，消能防沖建筑物洪水標準為30年一遇，相應流量為1 332 m3/s。

水電站泄水建筑物采用泄洪沖砂閘，位于主河床，共3孔，閘孔單孔凈寬為6.00 m，凈高為6.5 m，閘底板頂高程3 008.0 m。閘孔出口下游需對兩種不同的護坦形式進行對比優選。反弧護坦：閘孔出口下游采用1∶6斜坡銜接后，再采用半徑為90.0 m的弧形銜接，末端出口處為1∶4反坡；直線斜坡護坦：閘孔出口下游采用1∶15斜坡銜接。在消力池出口后下游河道另設30 m長護坦，護坦頂高程為3 000.00 m。剖面布置圖見圖1。

圖1 樞紐剖面布置Fig.1 Flat layout of the project

2 試驗模型及工況

2.1 模型設計

試驗模型按重力相似準則設計，選用正態模型，模型比尺為1∶45。下游河道參照當地河流河床級配，結合現狀河道，擬定下游河床級配如表1所示。按相似原理，下游河道動床部分模擬河床厚度約20 m(模型約45 cm)，其中表層覆蓋層約5.4 m(模型12 cm)，高程至2 995.0 m；弱風化層約13.5 m(模型30 cm)，高程至2 981.0 m。模型溢流壩段、消力池均采用有機玻璃制作。模型上游入口流量采用薄壁堰控制。流速采用南京水科院研制的旋槳式流速儀。

表1 下游河道動床級配擬定Tab.1 Downstream river moving bed grading

2.2 試驗工況

試驗擬定研究工況見表2，重點研究兩種不同護坦形式下的水面流態、流速、沖坑等各水力學指標，以此對比分析兩種不同護坦式消能工的優劣。

表2 試驗工況表Tab.2 Test condition

3 試驗結果對比

3.1 水流流態

各工況下下游水流流態可見圖2-5。兩種護坦形式在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工況下，均以水躍形式與下游河道銜接，護坦范圍內水流流態整體穩定。對于反弧護坦，水躍躍首基本穩定于閘孔中墩附近(壩下0+045.00)，護坦出口部位的水流流態也整體均勻，未出現回流等流態。受護坦出口的上挑作用，在護坦與河道銜接范圍內，局部水面波動相對較大，且隨著下泄流量的增大，水面波動影響范圍也越大，波動也越明顯。在局開工況下，出閘水流在反弧段護坦范圍內均呈急流流態，再以挑射流的形式與下游水流銜接。

圖2 P=3.3%兩種護坦體型下游水流流態Fig.2 P=3.3% downstream flow pattern of two types of apron

圖3 P=1%兩種護坦體型下游水流流態Fig.3 P=1% downstream flow pattern of two types of apron

圖4 P=0.1%兩種護坦體型下游水流流態Fig.4 P=0.1% downstream flow pattern of two types of apron

圖5 局開3 m兩種護坦體型下游水流流態Fig.5 Valve partially open 3 m downstream flow pattern of two types of apron

對于斜坡護坦，水躍躍首位置基本穩定于壩下0+056.14以后；護坦后部水流下潛趨勢較為明顯，因下游河道兩岸不對稱，表層水體向上游形成不對稱回壅，主要位于擴散寬度較大的左側，故在護坦左側形成了回流區并會擠壓上游來流，致使主流偏向護坦右側。在局開工況下，出閘水流在護坦范圍內呈急流流態，護坦后水流流態與敞泄工況下類似，回流現象要更加顯著。

3.2 流速分布

試驗測量兩種體型不同工況下游河道各斷面的流速，各工況下表面流速分布見圖6～圖9，圖中Y值較小對應河道右岸，較大對應河道左岸。在下游水位較高時，比如在P=3.3%、P=1%及P=0.1%工況下，斜坡護坦在壩0+090.00至壩0+0160.00左側區域形成回流區，主流偏移向右側河道，致使斜坡護坦下游流速分布更不均勻，即右岸流速較大，左岸流速較小，而反弧護坦整體水流平穩，無回流區影響，岸邊流速基本相當。在下游水位較低時，如工況三，反弧護坦右岸最大流速為12.8 m/s，斜坡護坦右岸最大流速為11.9 m/s，且反弧護坦的右岸高流速區范圍也較斜坡護坦大，整體上，反弧護坦右岸岸邊流速平均增加12.5%。但是在該工況下，由于下游水位較低，水流以較大流速直接沖擊右岸山體，若右岸巖石裂隙發育，必須對水面以下的巖體進行混凝土貼坡防護。本工程右岸山體基巖裸露，裂隙有一定發育，但由于小開度運行時，岸邊流速較大，此時建議在3013.00 m水位以下時，左、右岸山體必須進行混凝土護坡保護。

圖6 P=3.3%兩種護坦體型下游表面流速分布圖Fig.6 P=3.3% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖7 P=1%兩種護坦體型下游表面流速分布圖Fig.7 P=1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖8 P=0.1%兩種護坦體型下游表面流速分布圖Fig.8 P=0.1% flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

圖9 局開3 m兩種護坦體型下游表面流速分布圖Fig.9 Valve partially open 3m flow velocity distribution of downstream surface of two types of apron

3.3 下游河床沖刷

典型下游河道沖刷地形等值線圖見圖10，不同試驗工況下的下游沖刷深度對比可見表3，不同試驗工況下典型沖坑橫剖面和縱剖面見圖11-14。

表3 各試驗工況下護坦下游沖刷情況Tab.3 Downstream scour under various test case

由圖表數據可知，兩種體型護坦由于主流均偏向右岸，右岸沖刷深度均大于左岸，但反弧護坦左右兩岸沖刷深度相差不大，而斜坡護坦右岸沖刷深度遠大于左岸。從下游河床的沖刷范圍及整體的沖刷深度來看，反弧護坦要優于斜坡護坦，相對于斜坡護坦，其最大沖刷深度平均減少38%。整體上，兩種體型下游沖刷情況與各自流速分布規律相匹配。

分析認為，兩種形式護坦沖刷情況差異巨大的主要原因為：①斜坡護坦內，水流始終呈下潛的趨勢，較容易沖刷河床，為由主流引起的河床沖刷；弧形護坦出口水流在邊界約束下呈上挑趨勢，河床沖刷主要由發生于護坦挑坎下游的水平旋滾導致，屬于由副流引起的河床沖刷。②斜坡護坦內左側的平面回流增大了右側的單寬流量，較容易引起河床局部沖刷增大。

圖10 P=3.3%兩種護坦體型下游沖刷地形圖Fig.10 P=3.3% topographic map of downstream scour of two types of apron

圖11 P=3.3%最大沖深斷面橫剖面圖Fig.11 Cross-section of P=3.3% maximum drawing depth

圖12 局開3 m最大沖深斷面橫剖面圖Fig.12 Cross section of maximum drawing depth under the case of valve partially open 3 m

圖13 P=3.3%中泓線縱剖面圖Fig.13 P=3.3% midrange longitudinal profile

圖14 局開3 m中泓線縱剖面圖Fig.14 Midrange longitudinal profile under the case of valve partially open 3 m

4 結 語

通過以上模型試驗，對反弧護坦和斜坡護坦的水流流態、流場分布和下游河床沖刷等方面進行對比，結果表明：反弧護坦流態整體比較平穩，但在護坦末端局部水面波動較大，對岸坡穩定有一定影響；斜坡護坦下游河道內水面波動相對較小，但水流下潛，存在回流區。反弧護坦流速分布各斷面基本均勻，斜坡護坦流速分布不均，但在下游水位較低時，反弧護坦岸邊流速較大。由于水流下潛，斜坡護坦下游沖刷更明顯。整體而言，反弧形護坦在水流流態和下游沖刷方面明顯優于斜坡護坦。

在山區河道上修建水閘時，若兩岸山體較為完整，下游河床岸坡地質條件較好，抗沖能力較強，反弧護坦和斜坡護坦均可采用，若采用反弧護坦可取得更好的工程效果，但應注意由于護坦出口上挑所引起的水流上涌對岸坡穩定的影響，同時需對水閘的運行方式進行試驗驗證。此外關于反弧護坦的反弧半徑、出口挑角、下游河道水深、河道沖刷之間的互相關系還需進行系統研究。

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