(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)

在水利工程中，沖刷破壞是較為普遍的破壞方式之一，其主要表現(xiàn)在水閘下游河床(渠)被沖深、拓寬，導(dǎo)墻根基發(fā)生淘刷甚至沖毀，輕者對(duì)工程安全造成威脅，嚴(yán)重者直接造成工程事故。例如東光縣沙河劉炮閘，始建于1973年，水閘過流量為40 m3/s，閘門尺寸為2.5 m×3.0 m(寬×高)，消力池池深0.5 m，池長自閘門算起8 m，閘下護(hù)砌長度僅10.0 m，當(dāng)年汛期通過設(shè)計(jì)流量時(shí)將下游護(hù)坡海漫沖毀[1]，繼而破壞工程基礎(chǔ)。沖刷破壞現(xiàn)象在鹽鍋峽水電站也曾有發(fā)生，該電站位于峽谷出口，其溢流壩段設(shè)于右岸，屬于混凝土重力壩，左端與擋水壩之間的隔墩連接，右端與右副壩連接，屬永久性泄水建筑物[2]。1981年9月發(fā)生特大洪水，經(jīng)龍羊峽、劉家峽兩水庫調(diào)節(jié)，進(jìn)入鹽鍋峽水庫的洪峰流量仍達(dá)5 230 m3/s，致使一級(jí)消力池Ⅰ～Ⅲ壩段護(hù)坦遭到破壞，部分護(hù)坦板被沖走，破壞面積約2 000 m2，原施工打入基巖的錨筋被卷走，未被沖走的護(hù)坦則普遍嚴(yán)重麻面，部分鋼筋裸露[3]。

目前各水利工程中對(duì)水閘下游沖刷問題所采取的防護(hù)與治理方式多種多樣，從根本上講水閘下游沖刷破壞產(chǎn)生的主要水力學(xué)原因可表述為流量與水位的失衡，造成失衡的原因包括自然環(huán)境、人類活動(dòng)影響引起水閘下游水位下降[4]，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以通過增設(shè)消力墩、尾坎等輔助消能措施進(jìn)行體型優(yōu)化，若在河床部分發(fā)生淘刷、下切現(xiàn)象，宜通過選用合適的護(hù)底方案進(jìn)行防護(hù)，來達(dá)到減小沖刷的目的。此外，防沖刷合劑的應(yīng)用也被提及，它是一種流動(dòng)性能好，密度大于3 g/cm3的重型黏性液體，它通過足夠的表面張力和黏滯度來保護(hù)流水中的構(gòu)筑物地基土壤免遭沖刷和流失[5]。而對(duì)于以上防護(hù)方案，在實(shí)施前均應(yīng)進(jìn)行必要的物理模型試驗(yàn)，以此來論證所選方案的可靠性。

1 沖刷情況

某工程是干流下游最末一級(jí)梯級(jí)電站，由河床式發(fā)電廠房、泄洪閘及擋水壩等建筑組成，泄水建筑物主要由主河床4孔泄洪閘(1～4號(hào))和右岸導(dǎo)流明渠3孔泄洪閘(5～7號(hào))組成，導(dǎo)流明渠由前期擔(dān)任導(dǎo)流任務(wù)的建筑物改建而來，圖1是水電站護(hù)底區(qū)域平面布置圖。該電站以發(fā)電任務(wù)為主，電站總裝機(jī)容量600 MW，總庫容0.912億m3，為Ⅱ等大(二)型工程，主要永久建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

該電站水頭低、泄水流量大，1 000 a一遇校核洪水流量為23 600 m3/s，50 a一遇洪水量為16 600 m3/s，泄洪消能采用“閘孔寬尾墩+底流式消力池”的方案。

2015年和2016年汛后、2017年汛期，采用三維聲吶測深、水下無人潛航器及潛水員水下探摸等多種方式開展了水下檢查，發(fā)現(xiàn)水電站明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)淘刷加深，其具體位置為靠近4號(hào)閘孔一側(cè)，樁號(hào)0+125～0+200之間(消力池護(hù)坦末端樁號(hào)為0+125)，水流長時(shí)間對(duì)該處的沖刷破壞較嚴(yán)重地影響了導(dǎo)墻的穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)該范圍內(nèi)的沖刷導(dǎo)致下游泥沙淤積，部分淤積泥沙位于廠房尾水渠末端，造成廠房尾水排放不暢。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為遏制水流對(duì)明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)的淘刷破壞，防止消力池護(hù)坦后河床位置繼續(xù)發(fā)生下切現(xiàn)象，減少下游泥沙淤積，不影響電站尾水正常排放，保證電站的正常運(yùn)行，必須對(duì)該水利樞紐河床沖刷問題進(jìn)行研究，提出一種切實(shí)可行的治理方案。考慮到在水下施工較為困難，針對(duì)下游0+125斷面后沖刷問題，經(jīng)比對(duì)認(rèn)為選用護(hù)底方案最為切實(shí)可行，護(hù)底位置如圖1所示。為保證護(hù)底方案可靠性及經(jīng)濟(jì)性，護(hù)底方案的選擇仍需水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)主要分為沖刷規(guī)律研究與護(hù)底方案比選兩項(xiàng)內(nèi)容。

圖1 護(hù)底區(qū)域平面示意Fig.1 Plane graph of bottom protection area

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾肍ig.2 Plane layout of test model

3 沖刷規(guī)律研究

試驗(yàn)首先反演了該工程7種典型工況(見表1)。反演試驗(yàn)通過監(jiān)測明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)最深淘刷點(diǎn)以及消力池末端最深沖刷點(diǎn)，以推斷樁號(hào)0+125～0+200范圍內(nèi)沖刷破壞規(guī)律。

在Q<6 000 m3/s時(shí)，若保證水庫正常蓄水位，不宜優(yōu)先選擇5～7號(hào)閘孔泄洪，因?yàn)檩^小的閘門開度導(dǎo)致明渠消力池內(nèi)水流流速較大，無法形成穩(wěn)定水躍，對(duì)明渠消力池底板沖刷嚴(yán)重，且出渠水流流速較快，對(duì)下游右岸變坡易造成沖刷淘蝕。在Q>8 060 m3/s時(shí)，在考慮各泄洪孔泄洪能力的前提下，選擇7孔均勻開啟進(jìn)行泄洪。

通過以上試驗(yàn)確定最優(yōu)護(hù)底試驗(yàn)泄洪流量，試驗(yàn)工況及結(jié)果如表1所示。根據(jù)2015～2016年汛后(流量多小于8 000 m3/s)地形實(shí)測情況，實(shí)測消力池護(hù)坦后沖刷高程位于962～963 m之間，與模型試驗(yàn)吻合良好，證明該模型沖刷試驗(yàn)結(jié)果具有一定可靠性。河床消力池護(hù)坦趾墻底部高程為956 m，明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)開挖高程為960 m，導(dǎo)墻內(nèi)設(shè)鋼筋混凝土抗沖樁，底部高程為956 m，允許沖刷高程取964 m。作為重點(diǎn)監(jiān)測的0+125～0+200樁號(hào)段，其沖刷高程與流量之間的關(guān)系如圖3，4所示。從圖3可以看出，無論是消力池末端沖刷還是明渠左導(dǎo)墻左側(cè)沖刷，均隨著流量增大，沖刷深度增加，但變化程度又有不同。消力池末端沖刷深度在流量超過6000 m3/s后增加緩慢，最終保持在966 m以上；但是對(duì)于流量為2 000 m3/s時(shí)，和臨底流速規(guī)律類似，其明渠左導(dǎo)墻左側(cè)沖刷深度反而大于4 000 m3/s時(shí)，這是因?yàn)槠鋯慰琢髁侩m然相同，但是流量為2 000 m3/s時(shí)下游水位更低，導(dǎo)致其沖刷相對(duì)嚴(yán)重。當(dāng)流量增加到12 600 m3/s時(shí)，導(dǎo)流明渠左導(dǎo)墻左側(cè)的沖刷深度反而稍稍減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)5～7號(hào)閘孔已經(jīng)開啟，相應(yīng)在1～4號(hào)孔內(nèi)單孔流量減小。

表1 消力池沖刷及岸邊流速試驗(yàn)成果Tab.1 Test results of the stilling pool scouring and shoreline velocity

分析可知，導(dǎo)流明渠左導(dǎo)墻左側(cè)沖刷深度隨1～4號(hào)閘孔單孔泄流量增加而增大。

消力池末端沖刷較為穩(wěn)定，說明下游河床沖刷尚不會(huì)對(duì)其上游護(hù)坦以及大壩主體造成嚴(yán)重危害，但未能保護(hù)明渠左導(dǎo)墻左側(cè)的基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)沖刷區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

圖3 沖刷與總流量關(guān)系Fig.3 Relationship between scouring and total flow

圖4 沖刷與單孔流量關(guān)系Fig.4 Relationship between scouring and single hole flow

通過觀測護(hù)坦末端河床主要沖刷區(qū)域斷面水流流態(tài)，繪制了明渠左導(dǎo)墻左側(cè)沖刷嚴(yán)重?cái)嗝嫫叫杏趬屋S線方向水流流線圖與垂直于壩軸線方向水流流線示意圖(見圖5)。通過圖5(a)可以看出，出池水流受到兩側(cè)邊墻束縛，呈現(xiàn)出由兩側(cè)向中間翻涌的流態(tài)；圖5(b)中出池水流主流下切，對(duì)河床產(chǎn)生淘刷現(xiàn)象，加之明渠左導(dǎo)墻沿水流方向向左岸有一定角度的旋轉(zhuǎn)，使出池水流主流與明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)沖刷加劇，在水流的不斷混摻、紊動(dòng)中造成明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)嚴(yán)重沖刷。

圖5 沖刷區(qū)域水流流線示意Fig.5 Streamline figure at scouring area

4 護(hù)底方案比選

4.1 模型試驗(yàn)研究

根據(jù)對(duì)典型工況的模型試驗(yàn)分析，護(hù)底水工模型試驗(yàn)決定使用的泄洪工況為：洪水流量為50 a一遇(Q=16 600 m3/s)，上游庫水位為正常蓄水位1 015.00 m，下游水位為1 005.01 m，1～7號(hào)閘孔均勻開啟進(jìn)行模型試驗(yàn)，同時(shí)使用洪水流量為2 a一遇(Q=8 060 m3/s)，上游庫水位為正常蓄水位1 015.00 m，下游水位為997.69 m，1～4號(hào)閘孔均勻開啟的工況進(jìn)行輔助驗(yàn)證。通過兩種工況的試驗(yàn)，檢查護(hù)底區(qū)域沖刷情況，觀察護(hù)底塊體傾覆、移位情況及對(duì)明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)保護(hù)效果，若某護(hù)底方案在兩種工況下護(hù)底效果優(yōu)異，則認(rèn)為該方案能在電站正常運(yùn)行時(shí)發(fā)揮效果。

針對(duì)消力池護(hù)坦后下游河床護(hù)底方法，提出了6種方案(見表2)，其中方案1鋪設(shè)處有兩處，15 m×36 m區(qū)域?yàn)樽o(hù)坦末端中部沖刷嚴(yán)重處，33 m×29 m區(qū)域?yàn)榭拷髑髮?dǎo)墻基礎(chǔ)處，其余方案鋪設(shè)位置均為靠近明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)處。

表2 6種護(hù)底方案Tab.2 Six types of bottom protection schemes

試驗(yàn)就50 a一遇流量(Q=16 600 m3/s)展開，每次沖刷時(shí)長不小于4 h(相當(dāng)于原型1.4 d)。表3為該工況下護(hù)底方案效果比較，圖6為明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)位置于樁號(hào)0+125～0+200之間的沖刷對(duì)比結(jié)果。

從表3和圖6可以看出，以上6種護(hù)底方案在該工況下均能夠減小明渠左導(dǎo)墻左側(cè)沖刷深度，但是改善效果差異較大：對(duì)于方案1，2，3來說，護(hù)坦末端沖刷導(dǎo)致明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)河床下切坡度在25°左右，方案4結(jié)果顯示河床下切坡度約為14°，方案5與方案6約為11°與7°。同時(shí)可觀測到在鋪設(shè)鋼筋石籠、大塊石、混凝土四面體塊及全面鋪設(shè)1.5 m厚混凝土板時(shí)，護(hù)底材料傾覆、移位現(xiàn)象顯著，對(duì)河床部分的保護(hù)作用較差。

表3 6種護(hù)底方案效果比較(Q=16 600 m3/h)Tab.3 Protection effect of 6 types of protection schemes

當(dāng)護(hù)底材料為鋼筋石籠、大塊石、混凝土四面體塊及沖坑內(nèi)全面鋪設(shè)1.5 m厚混凝土板時(shí)，護(hù)底材料發(fā)生移位，偏離了河床重點(diǎn)保護(hù)位置(明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)位置)，其保護(hù)質(zhì)量大打折扣。而相對(duì)于前4種護(hù)底方案，鋪設(shè)3 m厚混凝土板雖出現(xiàn)移位現(xiàn)象，但是靠近明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)處混凝土板穩(wěn)定性較好，移位、傾覆現(xiàn)象不明顯，同時(shí)防止河床下切效果較好，對(duì)于明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)防護(hù)效果顯著。對(duì)于鋪設(shè)3 m厚混凝土板兩種型式(3列/2列)使用第二種工況(2 a一遇泄洪流量，Q=8 060 m3/s)進(jìn)行驗(yàn)證，為保證試驗(yàn)可靠性，沖刷時(shí)長為8.6 h(相當(dāng)于原型3 d)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及沖刷地形如圖7所示(每行按從左到右順序依次為：護(hù)底鋪設(shè)型式圖、沖刷結(jié)果圖、沖刷地形圖)，圖8為該工況下明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)位置沖刷高程圖。

圖6 6種護(hù)底方案下明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)位置沖刷高程對(duì)比Fig.6 Comparision of scouring elevation at left basement of the left wall of the open channel under 6 >riverbed protection plans

圖7 鋪設(shè)3 m厚混凝土板試驗(yàn)結(jié)果(Q=8 060 m3/s)Fig.7 Test results of 3 m thick concrete slab

圖8 2種護(hù)底方案下明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)位置沖刷高程對(duì)比Fig.8 Comparision of scouring elevation at left basement of left wall of the open channel under 2 riverbed protection plans

從圖7中可以看出，在當(dāng)前工況條件下，兩種護(hù)底型式均能有效減弱明渠左導(dǎo)墻左側(cè)處基礎(chǔ)淘刷。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)兩種方案下消力池護(hù)坦后明渠左導(dǎo)墻左側(cè)河床沖刷下切角度均在13°左右，但是于明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)處鋪設(shè)3列3 m厚混凝土板時(shí)，其遠(yuǎn)離導(dǎo)墻的一列混凝土板因基礎(chǔ)部位河床淘刷而與相鄰混凝土板出現(xiàn)較大縫隙，加之水流推力作用，使其出現(xiàn)明顯移位現(xiàn)象，其余兩列較為穩(wěn)定；而鋪設(shè)2列3 m厚混凝土板整體較為穩(wěn)定。易知水流在第二列混凝土板位置處水流淘刷作用較弱。通過該水工模型試驗(yàn)綜合對(duì)比可以得出結(jié)論：選用于明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)處鋪設(shè)2列混凝土板護(hù)底方案效果最佳。

4.2 混凝土板與河床摩擦系數(shù)推算

在進(jìn)行模型試驗(yàn)過程中，易發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)大塊石進(jìn)行護(hù)底時(shí)，大塊石移位現(xiàn)象明顯；鋪設(shè)混凝土板護(hù)底時(shí)，第三列(距離明渠左導(dǎo)墻最遠(yuǎn)一列)混凝土板鋪設(shè)處河床更易被淘刷，使混凝土板發(fā)生傾斜，垂直于導(dǎo)墻方向受水流推力面積增大，在長時(shí)間沖刷下發(fā)生移位現(xiàn)象。

所鋪設(shè)的塊石形狀類似卵石形，可采用卵石起動(dòng)流速進(jìn)行近似計(jì)算。卵石的起動(dòng)流速與其扁度λ有直接關(guān)系，關(guān)于扁度的表達(dá)主要由兩種截然相反的方式。

VitoA. Vanoni于1975年將其定義為

(1)

長江科學(xué)院及長江水利委員會(huì)水文處的學(xué)者將其定義為

(2)

式中，a，b，c為卵石的長、中、短軸長度。

式(2)出自川江卵石調(diào)查，更適應(yīng)于本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)韓其為等[8]的研究成果，鋪設(shè)塊石暴露度相同，在不考慮床面位置前提下，卵石瞬時(shí)起動(dòng)流速Vb為

(3)

(4)

式中，α，β為待定系數(shù)，本文取α=β=0.4；γs，γ為混凝土板與水的容重，取γs=2 700 kg/m3，γ=1 000 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；D為卵石平均粒徑，為2 m；Cx為阻流面高度，取1 m。

在鋪設(shè)大塊石方案中，易發(fā)現(xiàn)塊石沿垂直于導(dǎo)墻方向移位現(xiàn)象明顯，利用式(4)計(jì)算得Vb=10.22 m/s，水流出護(hù)坦后于垂直明渠左導(dǎo)墻方向存在最大瞬時(shí)流速大于10.22 m/s，又因在實(shí)際試驗(yàn)中，塊石經(jīng)水流沖擊移位至河床穩(wěn)定位置后不再發(fā)生明顯移位現(xiàn)象，在考慮河床位置影響下，其最大瞬時(shí)流速小于12 m/s。

對(duì)于鋪設(shè)混凝土板的起動(dòng)流速計(jì)算，使用牛蘭花[9]計(jì)算公式：

(5)

式中，f為混凝土板與河床之間摩擦系數(shù)；a，c分別為混凝土板的寬、高，取a=9 m，c=3 m；Cx與Cy分別為推力系數(shù)與上舉力系數(shù)，一般取Cx=0.4，Cy=0.1；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；ρ水=1 000 kg/m3，混凝土板密度ρs=2 400 kg/m3。

將該混凝土板數(shù)據(jù)代入式(5)求得Vb與摩擦系數(shù)f之間的關(guān)系，如表4所示。

表4 各種摩擦系數(shù)下單個(gè)3m厚混凝土板起動(dòng)流速對(duì)比Tab.4 Incipient velocity comparision of a single 3m thick concrete slab under various friction coefficients

試驗(yàn)中，3 m厚混凝土板發(fā)生移位是在混凝土板下河床基礎(chǔ)不斷被淘刷及水流作用下綜合形成的，混凝土板較弱一側(cè)河床發(fā)生淘刷使得混凝土板傾斜，產(chǎn)生受水流推力面，使得混凝土板發(fā)生較弱移位，此時(shí)水流流速保持10.22 ～ 12.00 m/s之間。本次試驗(yàn)計(jì)算得到混凝土板與此類河床(河床粒徑為0.18～1.00 m，抗沖流速取3.00～5.00 m/s)摩擦系數(shù)可取0.20～0.30，對(duì)于一般河床鋪設(shè)混凝土板，其選擇摩擦系數(shù)為0.10～0.50，計(jì)算結(jié)果仍處于此范圍之間，類似工程地質(zhì)條件選取摩擦系數(shù)對(duì)可參考。

5 結(jié) 論

(1) 某水電站消力池護(hù)坦后河床部分沖刷破壞主要表現(xiàn)為明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)淘蝕、河床下切以及泥沙淤積現(xiàn)象，明渠左導(dǎo)墻安全受到威脅的同時(shí)，泥沙淤積影響了電站尾水排放，且沖刷破壞隨著河床4孔過流量的增加而增大。

(2) 水工模型試驗(yàn)表明，針對(duì)該水利樞紐河床消力池護(hù)坦后河床沖刷情況，于明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)處鋪設(shè)2列混凝土板護(hù)底的方案防沖效果最佳、工程量最小，能有效避免明渠左導(dǎo)墻左側(cè)基礎(chǔ)進(jìn)一步淘刷，對(duì)護(hù)坦后河床基礎(chǔ)有較好的保護(hù)作用。

(3) 在對(duì)河床進(jìn)行護(hù)底保護(hù)時(shí)，應(yīng)多方面考慮護(hù)底材料、護(hù)底型式、材料之間的鏈接問題，避免出現(xiàn)“盲目全面護(hù)底”現(xiàn)象。本文方案在保證護(hù)底效果的同時(shí)，著重加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域的防護(hù)，通過無連接護(hù)底型式即可達(dá)到工程要求，更是減小了工程量及工程難度。

(4) 推算了混凝土板與此類河床之間摩擦系數(shù)為0.20～0.30，可為類似工程提供較為準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)。