洪 振 國

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

水電站沖刷漏斗的坡度研究

洪 振 國

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

沖刷漏斗的成因十分復雜，目前試驗技術尚無嚴格相似，沖刷漏斗的坡度尚無成熟方法可依。通過水電站沖刷漏斗的坡度經(jīng)驗公式計算、模型試驗和原型觀測3種方法對比分析，結果表明：經(jīng)驗公式計算得到漏斗坡的坡度與模型試驗值基本接近，原型觀測沖刷漏斗的坡度普遍比經(jīng)驗公式計算和模型試驗值偏緩。沖沙底孔流量增大，相應底孔流速增大，形成的沖刷漏斗坡度更平緩，對水電站進水口門前清和正常發(fā)電更為有利。

水電工程；沖刷漏斗的坡度；經(jīng)驗公式計算；模型試驗；原型觀測

在多沙河流上修建水庫時，經(jīng)常發(fā)生嚴重的泥沙淤積，為保持有效庫容及滿足水電站取水口引水含沙濃度和粒徑的要求，通常需要設置沖沙底孔適時進行沖沙。洪水期在沖沙底孔的拉沙作用下，在淤積三角洲前緣一般會形成一個沖刷漏斗，蓄水運行時，大部份的危害泥沙在沖刷漏斗范圍內(nèi)落淤，不再進入水輪機機組，既保證了電站進水口門前清，又保證了正常水位下的發(fā)電效益。因此沖沙漏斗對水電站正常發(fā)電有重要作用。

目前國內(nèi)學者對此進行了有益的探索。比如：董年虎[1]認為水電站前漏斗形態(tài)受多種因素影響，其中邊界條件對其影響是一個不可忽略的因素；王廣月[2]在已建水庫實測地形資料的基礎上，將壩前沖刷漏斗分成大漏斗與小漏斗，分析了實測大、小漏斗的坡度、漏斗范圍，并根據(jù)回歸分析得出了漏斗的經(jīng)驗公式；王英偉[3]根據(jù)黃河水利樞紐水電站排沙的試研究，對影響壩前沖刷漏斗形態(tài)的水庫運行方式、壩區(qū)地形、壩前淤積泥沙組成及性質(zhì)等因素進行了歸納分析：認為沖刷漏斗坡度和沖刷深度是決定沖沙底孔高程的主要因素；嚴鏡海等[4]、萬兆惠[5]、呂秀貞[6]和武漢水利水電學院[7]等相關學者和單位收集了大量原型資料，并導出了相應的經(jīng)驗公式或經(jīng)驗關系曲線。

針對上述沖刷漏斗的坡度尚無成熟方法可依，筆者先介紹了應用沖刷漏斗的坡度經(jīng)驗公式計算、模型試驗和原型觀測這3個方面對比論證。論證了水電站沖刷漏斗的坡度合理性，這對水電站進水口門前清和正常發(fā)電具有重要意義。

1 工程概述

等殼水電站位于云南省保山龍江中下游，等殼水電站的開發(fā)任務為單一水力發(fā)電，電站裝機電量120 MW，保證出力19.456 MW，多年平均發(fā)電量5.204 4×108kW·h，年利用小時4 337 h。等殼水電站主要建筑物包括攔河大壩和壩后式發(fā)電廠房等。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 022.40 m，最大壩高76.4 m，壩頂長度294 m。設置溢流表孔共3孔，堰頂高程1 008.80 m，單孔尺寸寬×高=7.5 m×10.2 m，溢流總凈寬3×7.5=22.5 m。等殼水庫壩前正常蓄水位1 019.0 m，水庫運用最高水位為校核水位1 021.47 m。

2 經(jīng)驗公式計算分析

通過對水庫沖刷漏斗的原型觀測和分析，文獻[5-8]提出了大量的計算沖刷漏斗的經(jīng)驗公式或曲線關系。這種經(jīng)驗關系式一般均與流量與孔前流速有關或者在此基礎上引入淤積厚度，孔前平均水深等參數(shù)。其中最有代表是夏毓常等[8]根據(jù)原第十一工程局設計隊的原型觀測資料建立的沖刷漏斗的坡度關系。其關系經(jīng)驗公式為：

(1)

(2)

式中：J，J′分別為沖刷漏斗縱、橫向坡度；Q為孔口流量，m3/s；v為孔口流速，m/s；v0為水深1 m時沖刷漏斗床面泥沙起動流速，m/s；z沖刷漏斗外圍淤積厚度，m。

等殼水電站沖刷漏斗孔口流量Q=1 030 m3/s；孔口流速v=24.5 m/s；漏斗外圍淤積厚度z=25 m。經(jīng)以上經(jīng)驗公式計算得到正常蓄水位下的沖刷漏斗縱向坡度J=1∶2.25；橫向坡度J′=1∶2.2～2.43；校核水位下沖沙漏斗的縱向坡度J=1∶2.4；橫向坡度J′=1∶2.3～2.43。

3 模型試驗

等殼水電站沖刷漏斗的模型試驗在水利樞紐整體正態(tài)模型上進行，模型水平比尺λl=50，垂直比尺λH=50。模型懸移質(zhì)按沉降相似設計，對沖刷漏斗而言，汛期拉沙、淤積物受到?jīng)_刷，滿足休止角相似和揚動相似，非汛期攔沙、泥沙淤積模型滿足沉降相似。因此，模型設計滿足沖刷漏斗相似要求。

3.1 模型試驗參數(shù)

等殼水電站為滿足發(fā)電要求，水庫大壩設三孔取水口，取水口底板高程995 m。為保障水電站正常取水要求，在取水口左側布置沖沙底孔1孔，進口高程為970 m，孔口尺寸寬×高=6 m×7 m。等殼水庫壩前正常蓄水位1 019 m，校核水位1 021.47 m。水電站大壩水庫多年平均過來的懸移質(zhì)輸沙量為236.2×104t，推移質(zhì)沙量按懸移質(zhì)沙量20%計算，所以多年平均輸沙總量為283.4×104t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.453 kg/m3[9-14]。

3.2 試驗設計

考慮到水庫庫容一般較大，淤積平衡時間長，如果按正常的試驗方法進行來沙過程施放泥沙，試驗周期過長，困此在試驗中首先預鋪近壩段淤積三角洲地形，然后在其基礎上進行近壩段水庫淤積試驗。由于試驗主要關注底孔沖刷漏斗對水電站進口的保護情況，因此初鋪沙高度以電站進水口底板高程為準，初始鋪沙至995 m。

試驗設計中考慮到水庫泥沙粒徑較小，近壩段泥沙粒徑更細，因此必須考慮采用輕質(zhì)沙進行模擬，經(jīng)過比選，最后采用粉煤灰作為模型沙，模擬庫內(nèi)淤積沙。但進行沖刷漏斗試驗時發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰顆粒過細，在試驗結束后，充分飽水的粉煤灰漏斗隨著水流排出，在滲透壓力作用下，本身形狀發(fā)生將改變，很難形成穩(wěn)定的漏斗形態(tài)，必須采取措施對沖刷漏斗進行保護。在1 019 m水位下，打開沖沙底孔泄水沖沙。根據(jù)以往試驗經(jīng)驗，一般認為從底孔下泄的水流由渾到清之后，再保持水位放水10 min后，漏斗形態(tài)穩(wěn)定。

3.3 試驗結果分析

為分析漏斗對水電站取水的保護情況，對模型漏斗成果進行了分析，主要分析了在壩面位置漏斗橫向變化及順水流向的縱坡變化。正常蓄水位下的沖刷漏斗形態(tài)見縱橫剖面如圖1；校核水位下的沖刷漏斗形態(tài)見圖2。沖刷漏斗縱剖面圖1(a)、圖2(a)中坐標0點為壩軸線位置；沖刷漏斗橫剖圖1(b)、圖2(b)中橫軸線為壩軸線位置，坐標0點為底孔中心線。

圖1 正常蓄水位的沖刷漏斗縱剖面和橫剖面Fig.1 Longitudinal profile and cross section of scouring funnel of normal water storage level

圖2 校核水位的沖刷漏斗縱剖面Fig.2 Longitudinal profile and cross section of scouring funnel at checked water level

3.4 與其它水庫模型試驗比較

水庫沖刷漏斗的坡度形成是一個多種因素綜合作用結果，包括入庫水流條件、入庫泥沙量及級配、泥沙粒徑及淤積量、庫區(qū)地形、地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等。因此，每一個水庫的沖刷漏斗的坡度都不可能與另一個水庫完全相同。但是，筆者可通過大量水庫的對比分析，對等殼水庫沖刷漏斗的坡度試驗結果進行判斷。

表1為等殼、三峽、小浪底、紫坪鋪、寶石和觀音巖等6個水庫沖刷漏斗主要參數(shù)的試驗結果。

從表1可知：三峽、小浪底、紫坪鋪、寶石和觀音巖等5個水庫的底孔流量為220～1 400 m3/s，底孔前流速為12.2～24.7 m/s，底孔前水深為26.6～85 m，底孔前淤積厚度為24.6～65 m，沖刷漏斗縱向坡度為1∶13.8～1∶2.2，橫向坡度為1∶5.1～1∶2.3。等殼水庫的底孔流量為1 030 m3/s，底孔前流速為24.5 m/s，底孔前水深為51.5 m，底孔前淤積厚度為25 m，沖刷漏斗縱坡為1∶2.2～2.4，橫坡為1∶2.4～2.6。因此等殼水庫沖刷漏斗主要參數(shù)在三峽、小浪底、紫坪鋪、寶石和觀音巖等5個水庫范圍內(nèi)，因此說明漏斗試驗的坡度結果是合理的。

表1 水庫沖刷漏斗主要參數(shù)試驗結果

3.5 與原型觀測的比較

表2為小華山、巴家咀、澮河、汾河、小河口、三門峽、鹽鍋峽、劉家峽等12個水庫觀測得到20個沖刷漏斗的實測資料。

由表2可知：①底孔流量為0.25～790 m3/s，底孔流速為0.52～10.4 m/s，中值粒徑d50為0.012～0.06 mm，底孔前水深為12～39.7 m，底孔前淤積厚度為1.6～21 m，沖刷漏斗縱向坡度為1∶70～1∶3，橫向坡度為1∶18～1∶1.2。等殼水庫底孔前流量、孔前淤積厚度、淤積物中值粒徑等指標均基本處于表2的20個漏斗資料范圍，試驗所得漏斗縱、橫坡度基本處于表2中范圍；可見等殼水庫沖沙底孔滿足水電站正常取水的發(fā)電要求。②底孔流量增大，相應底孔流速增大，形成的沖刷漏斗的坡度更平緩，對水電站取水安全更為有利。③原型觀測沖刷漏斗的坡度與入庫水流條件、入庫泥沙量及級配、泥沙粒徑、庫區(qū)地形、地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等有關，沖刷漏斗的成因十分復雜，現(xiàn)有試驗技術尚無嚴格相似，因此原型觀測沖刷漏斗的坡度普遍比經(jīng)驗公式計算和模型試驗值往往偏緩。

表2 沖刷漏斗實測資料

4 結 論

通過對水電站水庫沖刷漏斗的坡度經(jīng)驗公式計算、模型試驗和原型觀測3個方面對比分析，得到如下結論：

2)原型觀測沖刷漏斗的坡度與入庫水流條件、入庫泥沙量及級配、泥沙粒徑、庫區(qū)地形、地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等有關，沖刷漏斗的成因十分復雜，現(xiàn)有試驗技術尚無嚴格相似，因此原型觀測沖刷漏斗坡度普遍比經(jīng)驗公式計算和模型試驗值往往偏緩。

3)底孔流量增大，相應底孔流速增大，形成的沖刷漏斗坡度更平緩，對保護取水口取水安全更為有利。

4)今后需進一步加強對水電站水庫沖刷漏斗坡度經(jīng)驗公式計算方法、數(shù)值模擬、模型試驗和原型觀測研究，更有效地模擬水庫水流泥沙運動規(guī)律，解決現(xiàn)有沖刷漏斗試驗技術中尚無嚴格相似難題。

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(責任編輯 劉 韜)

Scouring Funnel Slope Study for Hydroelectric Station

HONG Zhenguo

(Yunnan Water and Hydropower Engineering Investigation, Design and Research Institute, Kunming 650021, Yunnan, P.R.China)

The cause of the scour funnel is very complicated, and there is no strictly similar and matured method to used for scouring funnel of slope. Through comparison and analysis of three methods of empirical formula calculation, model test and prototype observation of the scour funnel induced slope in the hydropower station, the results show that the slope of empirical formula calculation generated results similar to that of the model test, and the slope of the prototype observation is gentler than slope by the empirical formula calculation and model test. The increased flushing bottom outlet flow rate, increased corresponding bottom outlet velocity , formation of the gentler scour funnel slop facilitate more clear water at inlet and normal power generation for hydroelectric station.

hydropower engineering; slope of scouring funnel; theoretical calculation; model test; prototype observation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.12

2015-10-20；

2016-04-27

洪振國(1976—)，男(白族)，云南洱源人，高級工程師，主要從事水工建筑物設計方面的研究。E-mail：402897694@qq.com。

TV141+.1

A

1674-0696(2017)02- 067- 05