水利樞紐施工導流圍堰沖刷動床模型試驗

喻思穎

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司,南昌 830000)

0 引 言

施工導流是水利水電工程建設中的重要環節,導流工程一般分成若干期進行,一期主要確定縮窄河床的方式,二期和三期則通過隧洞、明渠、底孔導流或聯合導流等方式達到疏導水流的工程目的。所以,施工導流模型試驗主要進行分期導流方案、導流規模、消能防沖等方案的確定,其中導流規模和流速分布是較為關鍵的因素,分別決定著導流工程規模及具體采取防沖措施和防護部位。

與單項或河工泄水建筑物所不同,施工導流模擬的對象為從上游至下游的一個河段及全部樞紐建筑物,故必須采用整體模型,但因橫縱向模擬范圍均較大,模型幾何比尺也比單項泄水建筑物大;水利樞紐中包含不同的過水建筑物,且過水能力與過水斷面尺寸存在較大差異,其在汛期泄洪時既可能聯合運行,又可能單獨運行,故模型試驗中必然對應較大的流量變幅,而為保證模型尺寸在最小放水流量下流速和水深仍滿足觀測需要,模型幾何比尺又不能過大。最后,模型中所包含的輸水、泄水、擋水建筑物可能引起環流、渦流等局部性水流結構,在幾何變態情況下模型很難與原型完全相似;為保證模擬結果的可靠性,必須確保模型與原型幾何相似、重力相似及沿程阻力相似,這就要求必須將水利樞紐施工導流模型設計為符合阻力相似條件和重力相似條件的正態幾何相似模型。現有研究大多基于數值模擬模型基礎,對水利樞紐施工導流圍堰沖刷動床物理模型試驗的研究較少。文章結合施工導流圍堰實際,通過河床沙粒徑比尺及級配的選擇以及泥沙比尺和流速計算公式的選用,以準確模擬施工導流圍堰實際沖刷狀態[1]。

1 工程概況

某水利樞紐工程是一座以防洪為主,兼具供水、發電等功能的大(2)型水利工程,庫容3.98×108m3,壩長531.1m,壩高最大為42.3m,蓄水位55m;裝機容量28MW,年發電量均值為7741×104kWh。結合河道水文、水利樞紐工程壩址地形、工程布置特性,工程施工采用分期導流:一期先圍左岸,并通過束窄后的右側主河床泄流,同時在基坑左岸非泄流壩段設置長14m、寬10m的5個導流底孔和5個導流頂孔;二期通過主河床截流以及左岸非泄流壩段所設置的導流底孔和頂孔聯合泄流;后期則通過5個導流底孔和泄水壩段永久中孔泄流。

本試驗主要研究水利樞紐一期導流過程中束窄河床泄流能力和圍堰結構的可靠性。該水利工程壩址處河床覆蓋層厚度達到40m左右,其中第一層(卵礫石夾砂層)和第二層(砂層)土料顆粒分布性狀具體見表1。

表1 河床覆蓋層土料顆粒分布性狀

通過對河床覆蓋層土料顆粒分布性狀的分析,第一層卵礫石夾砂中,粒徑位于0.5～5.0mm以內的土體顆粒質量占比達到25%,按照最大粒徑5.0mm計算,則在1/100的導流模型比尺下,模型沙粒徑應為0.05mm。第二層砂層中,粒徑位于0.01～0.5mm的土體顆粒質量占比為90%,按照最大粒徑0.5mm計算,在1/100的導流模型比尺下,模型沙粒徑應為0.005mm。如此細小的沙粒即使用精粉煤灰或塑料沙作為模型沙,也較難實現。可見,該水利樞紐施工導流圍堰沖刷動床模型試驗的首要難題是模型沙的選取。

2 泥沙模型

該水利樞紐工程所處河段山區河流特征明顯,河床主要為粒徑20～40cm的卵石,卵石邊灘夾雜粒徑1～10cm的少量砂礫石。壩址上下游河床基巖出露,抗沖刷能力強。河段上游因植被覆蓋高,懸移質含沙量較小,懸移質基本不參與造床。故文章分析以卵石推移質動床模型為主,推移質模型的構建既要考慮水流運動相似對床面糙率的要求,又要保證泥沙運動中的起動相似[1]。試驗河段河床沙推移質中值粒徑達到22mm,河床沙較粗,可以天然沙為模型沙。

2.1 泥沙模型設計

水庫及所在河道水深、比降、河寬等形態是泥沙、水流、河床等因素綜合作用的結果,在分析該水利樞紐施工導流圍堰沖刷時,泥沙模型既要遵循泥沙運動相似準則和水流運動相似準則,又要遵循河床形態相似準則[2]。

1)水流運動相似。水流運動相似是泥沙運動相似的前提,為滿足流態相似,模型必須具備較大的水流雷諾數,使模型流態與原型流態同屬于紊流阻力區,進而影響模型水深比尺。此外,水流相似理論還要求慣性力和重力比相似、沿程阻力和重力比相似。

2)底沙運動相似。對于該水利樞紐施工導流圍堰底沙沖淤問題而言,底沙運動相似主要要求啟動流速相似,也即:

λv=λvk

(1)

式中:λ為流速比尺;λvk為為起動流速比尺。該公式在泥沙模型設計中的重要性在于,床沙物理力學性能是決定水深條件下起動流速的主要方面,也是選擇模型床沙的基本依據,并能保證河床演變過程中沖刷部位相似。如果該公式成立,表明泥沙可在原型水深和流速下啟動,模型中對應的水深與流速也能使相應位置處泥沙啟動。結合已有的泥沙起動規律研究成果,如果原型沙粒徑足夠大,水流條件和模型場地也不受限,采用與原型沙比重相同的天然沙,并按幾何比尺將原型沙粒徑縮小后得到模型沙粒徑,便能設計出較為理性的幾何相似正態模型。

可見,起動流速相似條件式(即式(1))是控制底沙動床模型沙選擇的主要方面,該條件在具體應用時必須首先明確起動流速和沙粒粒徑、容重等物理力學性質的關系,從而準確確定出各種材料粒徑比尺,在此基礎上確定模型沙粒徑級配[2]。

2.2 幾何比尺

結合試驗目的,在原定模型的基礎上采用定床+動床的正態模型設計,模型長度比尺λL=100,壓力比尺λH=100,在展開相似設計的過程中必須充分考慮推移質泥沙運動、推移質泥沙輸沙率、推移質泥沙河床變形等相似條件。

綜合以上分析,卵石輸沙總量比尺按下式計算:λGb=λgbλBλtb,其中λB為造床流量河寬比尺;其余參數含義同前。通過以上過程所得到的推移質泥沙河床變形相似時間比尺和水工模型水流時間比尺基本一致,最終得出的流速比尺為10、流量比尺為100000、幾何比尺為100、起動流速比尺10、阻力比尺為2.154、壓力比尺為100、水流時間比尺為10、推移質時間比尺為10、推移質粒徑比尺為100、單寬推移質輸沙率比尺取1000,模型沙用量為100kg/a。

2.3 試驗沙的選用

該水利樞紐壩址懸移質及卵石推移質實測資料欠缺,只能借用壩址下游D水文站實測資料展開類比分析。所得出的該水利樞紐壩址年懸移質輸沙量均值為23.47×104t,按照30%的推懸比計算,則卵石推移質量為7.041×104t。建庫后懸移質內部分大粒徑顆粒會參與造床,且該部分顆粒在懸沙總量中的占比約為10%,故該水利樞紐建成后入庫推移質量達到10×104t/a。

根據對現場取樣和該水利樞紐料場砂樣的綜合分析,得出其卵石推移質粒配曲線,原型砂特征粒徑為D50=22mm,Dmax=100mm,Dmin=1mm。結合模型比尺進行模型沙顆粒級配曲線的推求,并根據Izbash公式按基巖抗沖流速計算壩下游局部沖刷試驗模擬粒徑[3]。當弱化基巖抗沖流速取4.0～5.0m/s,則可計算出符合抗沖流速要求的模型沙最大粒徑為10mm、最小粒徑為3.26mm,粒徑均值為5.63mm。據此可以繪制出下游基巖河床模型沙粒配曲線,具體見圖1。

圖1 河道下游基巖河床模型沙粒配曲線

結合該水利樞紐工程實際,采用天然砂展開卵石推移質和壩下游河床模型沙模擬,模型沙粒徑比尺λD=λH=100。

3 施工導流圍堰沖刷模擬

3.1 施工導流圍堰沖刷試驗

水流動量對該水利樞紐上游河床局部沖刷強度有直接影響,水流動量的大小又與流量和水頭差有關。所以說該水利工程施工導流圍堰局部沖刷坑平面形態受水利樞紐調度運行方式的影響較大。與推移質示蹤試驗一同展開圍堰下游河床局部沖刷試驗,每次試驗均以下游河床初始地形為初始條件,且當沖坑底部縱向流速低于基巖抗沖流速且沖刷達到平衡狀態時,展開沖刷區域流速分布情況和沖坑形態的觀測,此后便進入下級流量沖刷試驗。

根據試驗結果,在流量低于4900m3/s時,圍堰下游河床沖刷較弱,僅中間隔墻墻頭處存在小范圍擾動,其余動床區域均無沖刷擾動。進一步分析原因得知,當流量較小時,圍堰混凝土護坦以下底部流速基本不超出3.0m/s,遠未達到4.0～5.0m/s的基巖抗沖流速;隔墻墻頭沖寬20m,沖刷長度為40～50m,沖深<2.0m,對施工導流圍堰及混凝土護坦等水工建筑物無安全威脅。縱向流速并非造成隔墻墻頭局部沖刷擾動的根本原因,而是隔墻方型墻頭設計引發水流紊亂所致。

當流量達到9040m3/s時,施工導流圍堰下游河床開始出現明顯的沖刷變形,為細化分析,文章提出兩組試驗方案。方案1為大多數流量從底孔下泄,僅2640m3/s流量由表孔下泄;底孔下游河床沖刷明顯,且沖坑為縱向長度100m的矩形,最大沖深為3.8m。方案2增大了表孔泄流量,因水流能量位于居中偏左位置,故表孔下游左側邊墻區域沖刷嚴重,最大沖刷長度超100m;表孔、底孔下游右側河床沖刷均較弱;整體而言,沖刷強度從左側沖坑向右側沖坑依次減弱。當流量超出10400m3/s后,水流完全從施工導流圍堰表孔和底孔下泄,在設計調度運行條件下,最大沖刷部位仍位于中部隔墻下游,底孔下游右側沖刷次之,沖刷平面形態也與10400m3/s流量級一致[3]。

綜合以上對不同流量水平下河床沖刷試驗成果的分析,沖坑范圍大致穩定于壩軸線下106m斷面以上,最大沖刷部位出現在中部隔墻下游,沖深最大達6.0～8.0m;沖坑下游卵石堆積對尾水位無影響。試驗成果匯總至表2。

表2 河床沖刷試驗成果

根據對以上試驗結果的分析,各種工況下沖坑均出現在緊接導流圍堰坎后,為保證圍堰建筑物安全,必須在坎后實施保護。通過與設計單位溝通協商后決定,對導流圍堰下游60m處河床實施工程防護。

3.2 堰后防護沖刷

該水利樞紐施工導流圍堰下游消能設計標準為50a一遇,按照設計人員的建議,應重點進行流量為4900m3/s時下游動床區沖刷程度以及基坑左岸非泄流壩段頂底孔調度運行方式對下游沖刷影響程度的分析。試驗組次具體見表3。根據試驗結果,當流量為4900m3/s時,上游庫水位56.0m,1、3、5#底孔全開泄流,不足部分由表孔分泄,此時基坑左岸非泄流壩段底孔應3孔對稱開啟,下游基本無沖刷。當庫水位升高至59.60m時,必須同時開啟3個底孔、2個表孔或3個表孔、2個底孔。根據沖刷結果,同時開啟1、2、4#底孔流態較好,下游沖刷比同時開啟1、3、5#底孔時輕微。當庫水位升高至64.25m時,5#表孔和5#底孔全開時頂底孔流態較好,下游沖刷面積及沖坑深度均較小。

表3 堰后防護及樞紐調度試驗組次

4 結 論

綜上所述,該水利樞紐施工導流圍堰因與單項泄水建筑物水流模型存在較大不同,故在展開動床沖刷模擬試驗時,面臨模型沙相似比尺和粒徑選擇等問題。文章通過對圍堰束窄河床段河底動水壓力和水深的分析,得出圍堰轉角周圍近底流速最大值的計算方法;還證實了圍堰轉角周圍近底流速計算公式滿足泥沙起動流速相似和泥沙運動相似要求;將局部沖刷計算公式與模型正態要求相結合,得出泥沙比尺,同時結合泥沙起動流速相似規則展開模型沙選擇。結合以上分析結果,建議將施工導流圍堰導沙坎平面形式調整為弧線型,匹配推移質輸沙帶右邊界限的同時,加速導沙和排沙過程;同時將圍堰下游中隔墻和邊墻墻頭全部調整為半圓形或流線型,起到局部水流流態改善的工程效果。