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        高落差水閘沖刷坑深度動(dòng)床模型試驗(yàn)

        2015-02-28 05:32:18宋兵偉
        東北水利水電 2015年4期
        關(guān)鍵詞:海漫清河消力池

        宋兵偉 ,趙 博

        1.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116021;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110161

        0 引 言

        清河攔河閘樞紐工程位于清河主河道上,在清河水庫(kù)下游20 km處,為開(kāi)西灌區(qū)渠首樞紐工程,工程的主要功能為灌溉、防洪。該工程建于1974年,經(jīng)過(guò)30多年運(yùn)行,主體結(jié)構(gòu)未進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng),由于建成后缺乏維修,多年帶病運(yùn)行。2010年汛期,開(kāi)原市遭遇百年不遇的暴雨,致使攔河閘處于超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而陸續(xù)全部沖毀。

        清河閘破壞最重要的原因是由于清河閘上游淤積,下游河道采砂嚴(yán)重,改變了原有河道的自然比降,致使水閘上下游河道落差過(guò)大,達(dá)4 m,宣泄超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),下游沖刷嚴(yán)重,致使水閘下游海漫嚴(yán)重破壞,進(jìn)而溯及至消力池、閘室底板相繼掏空,水閘整體失穩(wěn)破壞。

        為此,設(shè)計(jì)單位根據(jù)清河閘破壞的原因,給出了清河閘應(yīng)急除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)方案,針對(duì)這種高落差水閘的工作條件,并提出了跌坎式消能工的消能方案,并且提出下游海漫采用雷諾護(hù)墊護(hù)底,消力池末端采用齒墻用于防止淘刷,齒墻深度根據(jù)模型試驗(yàn)和理論計(jì)算綜合確定的防沖刷方案。為了進(jìn)一步完善和確認(rèn)高落差水閘的設(shè)計(jì)方案成果,驗(yàn)證高落差水閘的下游沖刷坑深度,避免重蹈原清河閘自下游向上游破壞的覆轍,進(jìn)行了高落差水閘沖刷坑深度動(dòng)床模型試驗(yàn),通過(guò)理論結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,看出理論結(jié)果和實(shí)踐結(jié)果吻合相對(duì)較好,進(jìn)而得出用足夠深的消力池防淘齒墻來(lái)防止沖刷的設(shè)計(jì)方案是合適的,

        1 水閘的規(guī)模與整體布置

        1.1 水閘規(guī)模

        清河閘除險(xiǎn)加固工程等別為II等,規(guī)模為大(2)型,由于清河閘的主要功能為灌溉、防洪,下游為農(nóng)村段,經(jīng)論證失事后造成損失不大,因此建筑物級(jí)別確定為3級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì),50年一遇校核。清河閘設(shè)計(jì)流量為3232 m3/s,相應(yīng)下游洪水位為76.93 m;校核流量為4594 m3/s,相應(yīng)下游洪水位為78.03 m,海漫末端防沖槽頂高程為72 m。

        1.2 水閘上下游布置

        清河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案在原址拆除重建,分別布置有水平鋪蓋、閘室段、消力池、海漫、拋石防沖槽段,全長(zhǎng)共計(jì)99.5 m,整個(gè)閘室總寬度為344.14 m,全閘36孔,每孔凈寬8 m,兩孔一聯(lián),共18聯(lián),中墩寬度為1.3 m,縫墩寬度為1.82 m,縫內(nèi)設(shè)瀝青木板伸縮縫,橡膠止水,縫寬0.02 m,每聯(lián)寬度為19.12 m。閘門(mén)為平板鋼閘門(mén),寬度為8 m,高度為3.5 m,啟閉機(jī)采用手電兩用雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。具體平面和縱剖面布置如圖1,2所示。該水閘的主要特點(diǎn)為上下游落差大,閘室設(shè)計(jì)高程為76.00 m,下游海漫頂高程為72.00 m,高差為4 m。

        圖1 水閘總平面布置圖(單位:m)

        2 水工模型試驗(yàn)方案

        2.1 概 述

        清河閘模型試驗(yàn)在遼寧省水工程試驗(yàn)研究中心完成,斷面模型試驗(yàn)在寬1 m,長(zhǎng)40 m的復(fù)合玻璃水槽中進(jìn)行。此次動(dòng)床試驗(yàn)?zāi)M的是在消力池下游海漫表層的雷諾護(hù)墊被洪水沖毀,天然河床裸露的情形下,各特征流量對(duì)河床的沖刷情況。本次動(dòng)床模型試驗(yàn)主要內(nèi)容為,測(cè)定校核洪水(2%)、設(shè)計(jì)洪水(5%)時(shí)消力池末端沖刷坑深度。試驗(yàn)組次2組;其次本次試驗(yàn)也研究了閘孔出流時(shí)沖刷坑的沖刷形態(tài)。

        2.2 模型的設(shè)計(jì)和制作

        1)比尺的確定

        斷面模型試驗(yàn)分別在寬1.0 m,長(zhǎng)40 m的復(fù)合玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行綜合考慮模型流量和模型寬度,經(jīng)方案比較,確定長(zhǎng)度比尺采用1:40。其它相關(guān)比尺見(jiàn)表1。

        表1 斷面模型試驗(yàn)相關(guān)比尺

        2)模型布置

        水閘斷面模型試驗(yàn),選擇4孔進(jìn)行研究。

        模型寬度=4孔凈寬+2邊孔寬+2中孔寬=( 8×4+1.3×2+1.8×2)/40=0.955 m;

        模型有效長(zhǎng)度=閘室+消力池+海漫+防沖槽=(11.5+23+28.5+14.55)/40=1.939 m;

        模型設(shè)計(jì)洪水流量 Q=( 3232 m3/s/9)/λQ=0.0355 m3/s;

        模型校核洪水流量 Q=(4593 m3/s/9)/λQ=0.0504 m3/s;

        3)中值粒徑

        動(dòng)床斷面模型試驗(yàn)在原定床模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行,沖坑段布置在消力池后,依據(jù)工程地勘資料成果確定模型砂中值粒徑為0.12 mm。

        3 理論與試驗(yàn)結(jié)果比較

        3.1 沖刷深度理論計(jì)算結(jié)果

        消力池末端的河床沖刷深度,公式如下:

        式中:dm為閘后消力池末端河床沖刷深度,m;qm為閘后消力池末端單寬流量,m2/s;v0為河床土質(zhì)允許不沖流速,m/s;hm為閘后消力池末端河床水深,m。

        圖2 水閘縱剖面布置圖(單位:m)

        v0的計(jì)算與河床土質(zhì)的粒徑和河道的水力半徑有關(guān)。由于下游水深>3.0 m,所以取允許不沖流速為0.7~0.8 m/s,此值的選取按照水力半徑R=1.0 m時(shí)計(jì)算,當(dāng)水力半徑不等于1.0 m時(shí),應(yīng)該再乘以 Rα,α 的值采用 1/3~1/5。

        直接利用規(guī)范中沖刷深度公式的計(jì)算方法,是不考慮洪水的行進(jìn)過(guò)程,認(rèn)為洪水來(lái)時(shí),沖坑一下形成,這種計(jì)算是最不利的情況,即洪水一發(fā)生下游沖坑就被沖到最極限。但是河道上發(fā)生洪水時(shí),洪水峰值是一個(gè)逐步增加的過(guò)程,下游的沖刷坑深度也是在慢慢的增加,隨著沖刷坑深度的增加,坑中的水深在增加,河床質(zhì)的啟動(dòng)流速也在增加。沖刷坑的最終合理深度應(yīng)是在洪水逐步加深沖刷坑的情況下發(fā)生的,因此應(yīng)該采用迭代或試算法來(lái)計(jì)算。即先假設(shè)形成一定深度的坑,根據(jù)此深度計(jì)算水力半徑,然后根據(jù)計(jì)算的水力半徑修正允許的不沖流速,進(jìn)而求出沖刷深度。如果計(jì)算所得的沖刷深度與假定深度相等,則為最終的沖刷深度。

        根據(jù)上述方法,可得設(shè)計(jì)和校核工況下計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表2。

        表2 設(shè)計(jì)和校核工況下沖刷深度計(jì)算結(jié)果

        3.2 沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)動(dòng)床模型試驗(yàn),設(shè)計(jì)工況下,上下游水位差2.69 m。此時(shí)試驗(yàn)得到消力池后的最大沖刷深度t為4.3 m,發(fā)生在距消力池末端L=20 m處,沖刷影響范圍為消力池后52 m范圍,超出了下游海漫和防沖槽的防護(hù)總長(zhǎng)度,沖刷坑后坡i=t/L=1/4.65。

        而校核工況下,上下游水位差2.55 m。此時(shí)動(dòng)床試驗(yàn)得到的消力池后的最大沖坑深t=4.33 m,發(fā)生在消力池末端L=24 m處,沖刷影響范圍也為消力池后52 m范圍,亦超出了下游海漫和防沖槽的防護(hù)總長(zhǎng)度,沖刷坑后坡i=4.33/24=1/5.54。

        試驗(yàn)中在消力池后每4 m布置一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn),得到?jīng)_刷坑的相關(guān)數(shù)據(jù),整理后形成沖刷坑的等值線地形圖和三維圖。

        根據(jù)校核工況時(shí)沖刷深度,計(jì)算值最大為3.79 m,試驗(yàn)值則為4.33 m,比計(jì)算值大0.54 m,設(shè)計(jì)工況下沖刷深度計(jì)算值最大為2.56 m,試驗(yàn)值則為4.30 m。因此設(shè)計(jì)方案采用了兩種措施來(lái)減少?zèng)_刷:海漫及防沖槽段采用雷諾護(hù)墊防止淘刷,防沖槽內(nèi)采用拋石處理,深度為2.5 m;最重要的措施是在消力池末端設(shè)置8 m深防淘齒墻,用于防止海漫破壞后,進(jìn)而向上游繼續(xù)破壞消力池及整個(gè)水閘。

        4 結(jié) 論

        以遼寧省開(kāi)原市大型水閘清河閘為例,對(duì)高落差水閘的沖刷坑深度進(jìn)行了動(dòng)床模型試驗(yàn)。通過(guò)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比得出以下主要結(jié)論:

        1)設(shè)計(jì)流量和校核流量下最大沖刷深度均大于設(shè)計(jì)值,但小于設(shè)計(jì)的消力池齒墻深度,并且沖刷坑反坡比在安全范圍內(nèi),沖刷不會(huì)對(duì)主體建筑物構(gòu)成威脅,滿足安全要求。進(jìn)而得出用足夠深的防淘齒墻來(lái)防止沖刷的設(shè)計(jì)方案是合適的。

        2)沖刷深度計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮沖坑的逐步形成過(guò)程,從而得出相對(duì)合理的沖刷深度計(jì)算結(jié)果。

        [1]宋兵偉,賀清錄,潘紹財(cái).高落差水閘消能工優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水電能源科學(xué),2011,29( 11):126-128,215.

        [2]中華人民共和國(guó)水利部.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

        [3]羅小平.水閘閘后沖刷深度計(jì)算的初步分析[J].中國(guó)水運(yùn),2008,8( 2):124-125.

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