楊 玲, 孫 娟, 戚印鑫
(新疆水利水電科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊 830049)
目前在新疆地區(qū)的引水樞紐工程中,閘后消能防沖型式大多數(shù)采用斜護(hù)坦+深隔墻的型式或裙板消能型式[1-4]。20世紀(jì)60-80年代,受水下施工技術(shù)的制約,深隔墻的埋設(shè)深度不能滿足沖刷坑深度的要求,就采用長(zhǎng)護(hù)坦,將沖刷坑外移,遠(yuǎn)離閘室,長(zhǎng)護(hù)坦的使用,對(duì)保持下泄水流平順,減輕下游泥沙淤積都有良好的作用,90年代受泥沙磨損問題的困擾,加之水下建筑物施工工藝的提高和完善,越來越多的工程傾向于選擇使用短護(hù)坦,甚至無護(hù)坦的形式。
防沖裙板是將防沖板與防沖墻的結(jié)合的消能方式,它將入射水流分散,擴(kuò)大入水面積,減少了河床單位面積上的沖擊荷載,從而減輕了水流對(duì)河床的沖刷,同時(shí)利用產(chǎn)生的負(fù)漩滾將河床質(zhì)回淤至防沖墻處,從而可防止基礎(chǔ)被淘刷。1958年在新疆嘗試運(yùn)用,此后,科技人員一直在不斷進(jìn)行探索研究。陳樹林等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)防沖裙板消能形式進(jìn)行了理論分析,確定了設(shè)計(jì)原則和方法。工程實(shí)踐證明,防沖裙板是多沙河流軟基上一種行之有效的消能防沖形式,在新疆大中型引水樞紐中[5],近1/3工程采用了該形式。隨著施工工藝的革新,防沖裙板的設(shè)計(jì)理念和材料使用都發(fā)生了變化。設(shè)計(jì)理念上不再重視利用“負(fù)漩滾”回淤河床質(zhì)以保護(hù)防沖墻的功能,而是采用盡可能下深防沖墻及防沖墻下游拋填大卵石、鉛絲籠等措施來解決基礎(chǔ)淘刷問題,裙板僅保留分散水流,使沖刷坑外移的作用,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。
但實(shí)際工程運(yùn)行后這兩種消能型式消能效果哪一種更好,差異如何,各自的優(yōu)劣勢(shì)等問題目前研究很少?;诖?,本文通過塔爾朗渠首模型試驗(yàn)[6],針對(duì)以上兩種消能型式的消能效果進(jìn)行了對(duì)比研究,可以為今后此類工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
塔爾朗渠首采用全攔河閘方案,利用地形條件,將引水閘布置在河道左岸。引水閘1孔凈寬3 m,泄洪沖砂閘3孔單孔凈寬7 m。護(hù)坦長(zhǎng)160 m,寬度為23.4 m,與泄洪沖砂閘閘室同寬,護(hù)坦坡度為3.2%。平面布置圖見圖1。
圖1 塔爾朗引水渠首工程平面布置圖
本次試驗(yàn)主要研究渠首在通過大流量時(shí)的下游河床淘刷深度及位置,包括P=10%流量為192 m3/s、P=5%流量為282 m3/s(設(shè)計(jì)流量)、P=2%流量為410.0 m3/s(校核流量)[7]。以上運(yùn)行狀態(tài)下引水閘關(guān)閉。水文特征參數(shù)見表1。
表1 水文(洪水)特征參數(shù)
斜護(hù)坦+深隔墻的結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)“海漫+防沖槽”的結(jié)構(gòu)特征及消能防沖原理演化而來[1],因此斜護(hù)坦長(zhǎng)度的確定參照海漫長(zhǎng)度的計(jì)算公式。海漫的長(zhǎng)度主要是由消能后的水能大小以及河床土質(zhì)的抗沖能力決定的[8]。目前海漫長(zhǎng)度Lp計(jì)算公式有以下兩種:
(1)估算方法[9]:
Lp=(8.5~12.5)ht
(1)
式中:ht為下游水深,m。
(2)由南京水利科學(xué)研究院提出的經(jīng)驗(yàn)公式[10]:
Lp=Ks(qs(ΔH')1/2)1/2
(2)
式中:qs為消力池末端單寬流量,m3/(m·s);ΔH'為閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差,m;Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)。若河床土質(zhì)為細(xì)砂及砂壤土?xí)r,Ks=10~12;若河床土質(zhì)為粗砂及黏性土壤時(shí),Ks=8~9;若河床土質(zhì)為硬黏土?xí)r,Ks=6~7。
兩種公式計(jì)算成果詳見表2。
表2 護(hù)坦長(zhǎng)度計(jì)算表
兩種公式得出的數(shù)值相差較大,公式(1)得出護(hù)坦長(zhǎng)度最大值為41.88 m;公式(2)得出護(hù)坦長(zhǎng)度最大值為85.39 m。結(jié)合塔爾郎渠首地形條件,考慮到與上下游河道平順連接,斜護(hù)坦長(zhǎng)度取160 m。
沖刷深度的設(shè)計(jì),根據(jù)不同的消能防沖形式,采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。
3.2.1 海漫末端河床沖刷深度 河床沖刷深度計(jì)算公式[10]:
dm=1.1qm/V0-hm
(3)
式中:dm為閘后海漫末端河床沖刷深度,m;qm為閘后海漫末端單寬流量,m3/(m·s);V0為河床土質(zhì)允許不沖流速,m/s;hm為閘后海漫末端河床水深,m。
設(shè)計(jì)、校核流量河床沖刷深度計(jì)算成果見表3。
表3 沖刷深度計(jì)算表
3.2.2 裙板下游沖刷深度 新疆水科院通過模型試驗(yàn),對(duì)裙板消能的水力特性和沖刷規(guī)律進(jìn)行了分析和研究,提出不同銜接流態(tài)下下游沖刷坑深度的經(jīng)驗(yàn)公式[13]:
(1)底流銜接沖刷深度:
T/E0=0.445K0.336(d50/E0)-0.156
(4)
(2)面流銜接沖刷深度:
T/E0=0.682-0.314(K-0.15)0.2-
2.998(d50/E0)
(5)
式中:E0為閘前總水頭,對(duì)本工程,取上游水位與閘后護(hù)坦末端高程之差,m;d50為下游河床質(zhì)的中值粒徑,m,對(duì)本工程取d50=0.03 m;T為從護(hù)坦末端高程算起的最大沖深,m;K為流能比,K=q/(g0.5·E1.5);q為單寬流量,m3/(m·s);g=9.81 m/s2。
流態(tài)判別式為K′=0.644(ht/E0)-0.074,當(dāng)K>K′,為面流銜接; 當(dāng)K 沖刷深度計(jì)算成果見表4。 表4 裙板下游局部沖刷深度計(jì)算表 通過公式(3)、(5)兩種計(jì)算結(jié)果得出最大沖刷深度T=7.76 m。為了便于試驗(yàn)研究,模型設(shè)計(jì)中沖刷深度取11 m。 裙板長(zhǎng)度采用挑流消能中水舌挑射距離公式來估算[9]: (6) 式中:φ= (1-0.055/K0.5)1/3;K=q/(g0.5E1.5);s1=上游水位高程-鼻坎高程,m;z=上游水位高程-下游水位高程,m;t=下游水位高程-下游河床高程,m;E=上游水位高程-下游河床高程,m。 其中裙板角度參考新疆已建工程經(jīng)驗(yàn),確定裙板坡度為1∶10,即角度θ為5.71°。 當(dāng)Q設(shè)=282 m3/s時(shí),L=7.46 m;當(dāng)Q校=410 m3/s時(shí),L=8.19 m。 由此可以看出裙板長(zhǎng)度L應(yīng)小于8 m,新疆已建工程裙板長(zhǎng)度一般在3~6 m,此次選取L=4、5、6 m分別進(jìn)行分析研究。 綜合以上計(jì)算成果,參照已建工程[5]確定裙板坡度為1∶10,采用長(zhǎng)短齒交替布置方式,長(zhǎng)齒長(zhǎng)度分別取4、5、6 m,短齒長(zhǎng)度取長(zhǎng)齒的2/3,齒間距為6 cm,裙板起始高程低于護(hù)坦末端高程30 cm,裙板與護(hù)坦末端之間的間隙為30 cm,設(shè)計(jì)隔墻深為11 m。裙板結(jié)構(gòu)詳見圖2。 圖2 裙板結(jié)構(gòu)圖 按照重力相似準(zhǔn)則,由最小水深控制模型比尺,確定模型比尺為1∶30[14-17]。 為了真實(shí)地反映河道的輸砂、淤積形態(tài)及泄洪沖砂閘的排砂效果,河道采用定床和動(dòng)床兩部分模擬。岸坡采用定床,用水泥砂漿制作;上、下游河道地形采用動(dòng)床形式,用模型沙模擬,定床與動(dòng)床均按照1∶1000地形圖精確模擬。 裙板采用直徑6 mm的鋼筋進(jìn)行制作。 由于原型泥沙為推移質(zhì),顆粒很粗,根據(jù)模型試驗(yàn)的理論和方法,模型沙可以采用比重與原型沙比重相同而僅粒徑縮小的天然沙。原型及模型沙顆粒級(jí)配曲線見圖3。 圖3 原型及模型沙顆粒級(jí)配曲線 按照選取的3種頻率下的流量,在3孔泄洪閘全開,引水閘關(guān)閉的情況下,洪水歷時(shí)根據(jù)洪水過程線選取1 h進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。 5.2.1 各工況閘后流速分布情況 試驗(yàn)測(cè)試的泄洪閘閘后不同斷面、不同位置的流速分布情況見表5。由表5可知: (1)設(shè)計(jì)和校核流量下,護(hù)坦內(nèi)流速表現(xiàn)為中間流速大于邊緣流速;由于主流靠右岸,左岸邊緣流速小于右岸邊緣流速,護(hù)坦內(nèi)整體水流有折沖現(xiàn)象,水面波動(dòng)。 (2)192 m3/s流量時(shí),閘后流速?gòu)淖笾劣抑饾u增大。護(hù)坦內(nèi)整體折沖水流明顯,水面出現(xiàn)折線波。 5.2.2 各工況護(hù)坦末端沖刷情況 不同工況的試驗(yàn)結(jié)果表明:校核流量情況下,護(hù)坦末端沖刷坑深度最大。最大沖坑深度為8.01 m,最大沖深距護(hù)坦末端的水平距離為25 m。護(hù)坦下游沖刷情況見表6,沖刷地形見圖4~6。 表5 各工況泄洪閘閘后流速表 m/s 試驗(yàn)針對(duì)4、5、6 m 3種裙板長(zhǎng)度、3種不同的流量進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)組數(shù)共計(jì)9組。 5.3.1 各工況閘后流速分布情況 護(hù)坦上的流速與斜護(hù)坦+深齒墻試驗(yàn)成果一致。主要研究護(hù)坦下游流速分布情況,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過裙板消能,入池流速明顯降低。不同頻率下,入池流態(tài)變化明顯。詳見表7。 5.3.2 各工況裙板末端沖刷情況 不同工況的試驗(yàn)結(jié)果表明:校核流量情況下,裙板末端沖刷坑深度最大。其中4m裙板最大沖坑深度為8.83m,距離護(hù)坦末端的最遠(yuǎn)水平距離為26 m;5m裙板最大沖坑深度為8.60 m,距離護(hù)坦末端的最遠(yuǎn)水平距離為27 m;6 m裙板最大沖坑深度為8.26 m,距離護(hù)坦末端的最遠(yuǎn)水平距離為30 m。護(hù)坦下游沖刷情況見表8,校核流量沖刷地形見圖7~9。 圖4斜護(hù)坦方案P=2%下游沖刷圖圖5斜護(hù)坦方案P=5%下游沖刷圖圖6斜護(hù)坦方案P=10%下游沖刷圖 表7 不同長(zhǎng)度裙板消能各工況流速表 m/s 表8 裙板消能方案各試驗(yàn)工況護(hù)坦下游沖刷情況表 通過試驗(yàn)對(duì)比,斜護(hù)坦方案沖坑深度小于裙板方案,相同試驗(yàn)工況下,斜護(hù)坦方案最大沖刷坑深度與6 m長(zhǎng)度裙板方案較為接近。比較兩種方案沖刷坑距離齒墻的位置,則裙板方案優(yōu)于斜護(hù)坦方案。詳見表9、10。 圖7 4m裙板P=2%下游沖刷圖圖8 5m裙板P=2%下游沖刷圖圖9 6m裙板P=2%下游沖刷圖 表9 兩種消能型式?jīng)_坑深度表 表10 護(hù)坦末端至最大沖坑水平距離匯總表 通過以上12組試驗(yàn),對(duì)兩種不同的消能型式進(jìn)行對(duì)比分析,得出如下規(guī)律: (1)渠首為校核流量時(shí),兩種消能型式的下游沖刷深度均為最大,斜護(hù)坦消能型式的沖坑深度小于裙板消能型式。在沖刷坑距離齒墻末端的長(zhǎng)度測(cè)試中,裙板型式比斜護(hù)坦距離小。 (2)6 m裙板長(zhǎng)度的沖刷深度與斜護(hù)坦消能型式?jīng)_刷深度接近,校核洪水時(shí)兩者沖坑深度分別為8.26和8.01 m。 (3)裙板消能型式?jīng)_坑最深處距齒墻的距離均大于斜護(hù)坦+深齒墻的消能型式,即裙板消能型式能夠更好地保護(hù)齒墻不被淘刷,從而提高齒墻的安全性能。3.3 裙板長(zhǎng)度的確定
3.4 裙板結(jié)構(gòu)的確定
4 模型設(shè)計(jì)與制作
5 結(jié)果與分析
5.1 試驗(yàn)工況及歷時(shí)
5.2 斜護(hù)坦+深齒墻方案試驗(yàn)成果
5.3 裙板消能方案試驗(yàn)成果
5.4 兩種消能方案消能效果對(duì)比分析
6 結(jié) 論