戚 波

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830002）

0 引 言

戧堤結(jié)構(gòu)在河道截流及潰堤封堵等水利工程中較為常用，在實施戧堤截流的過程中，因河道受到戧堤進(jìn)占影響后持續(xù)束窄，龍口段水流流速持續(xù)增大，上下游水位落差也隨之增高，所形成的集中水流在泥沙輸移及邊界條件等的影響下，很容易引發(fā)堤壩壩頭及河床底部沖刷，進(jìn)而影響戧堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于水流非恒定性及邊界實時性等原因，戧堤截流期間，進(jìn)占過程會引發(fā)底床邊界及堤壩邊界持續(xù)變化；進(jìn)占物料屬性也會對泥沙輸移產(chǎn)生較大擾動。由于影響因素及過程的復(fù)雜性，采用物理模型很難全面準(zhǔn)確地模擬戧堤進(jìn)占過程中動態(tài)沖坑形成、水力條件改變及戧堤坍塌失穩(wěn)等過程。

在截流戧堤進(jìn)占期間，所面臨的龍口底床沖刷、堤腳淘蝕、戧堤邊坡崩塌等問題與堤頭繞流、龍口水流特性等直接相關(guān)，必須引起重視。當(dāng)前，對戧堤在龍口集中水流作用下的局部沖刷發(fā)展問題研究較少，部分學(xué)者認(rèn)為戧堤周圍水流特性和橋墩、丁壩等相似，通過試驗證實了橋墩、丁壩局部沖刷主要由渦旋、下潛水流等造成。但事實是，截流戧堤和橋墩、丁壩水流結(jié)構(gòu)與沖刷特性存在一定差異，例如河道兩側(cè)均設(shè)置有堤壩、戧堤進(jìn)占過程具有動態(tài)性和實時性等，故截流戧堤局部沖刷的原因是否與橋墩、丁壩類似或形同，并不明晰。

為全面反映流場信息并預(yù)測局部沖坑的發(fā)展趨勢，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，文章采用三位數(shù)值模擬與實物模型相結(jié)合的分析技術(shù)，對庫爾干水利樞紐新建工程截流戧堤進(jìn)占過程中不同龍口寬度進(jìn)占水流特性、龍口底床、截流戧堤堤腳處局部沖刷等展開模擬，為截流戧堤施工安全提供參考。

1 工程概況

庫爾干水利樞紐是庫山河山區(qū)河段規(guī)劃設(shè)計中近期開發(fā)工程，擬選壩址位于中游山區(qū)河段。該水利樞紐工程屬于兼具灌溉、防洪及發(fā)電等綜合利用效益的控制性水利工程。本新建水利工程主要建筑物有瀝青砼心墻壩、泄洪沖沙兼導(dǎo)流洞、溢洪道、生態(tài)電站、引水發(fā)電隧洞及廠房。設(shè)計最大壩高82.0m，水庫正常蓄水位2105.0m，總庫容為1.24×108m3，電站總裝機(jī)容量24MW，為Ⅱ等大（2）型水利工程。其中水庫大壩為2 級建筑物，表孔溢洪道、泄洪沖沙兼導(dǎo)流洞及發(fā)電引水洞進(jìn)口為3 級建筑物；發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等次要建筑物為3 級；臨時建筑物為4 級。

根據(jù)該水利工程截流戧堤所處河床的地形、地質(zhì)條件和截流流量，采用單戧堤立堵方式。截流戧堤左岸地形平坦，具備良好的截流材料堆放條件，本工程有現(xiàn)有道路從截流堤左岸通過，故龍口位置設(shè)在右岸，截流采用從左岸向右岸進(jìn)占的單戧立堵法。

2 模型構(gòu)建

2.1 控制方程

河床變形方程和三維非恒定流方程組共同構(gòu)成水利工程截流戧堤局部沖刷控制方程[1]。當(dāng)沖坑坡度超出休止角時，泥沙顆粒必將失穩(wěn)，在不斷下滑后達(dá)到新的穩(wěn)定。通過沙滑模型修正后，使斜坡坡度符合休止角的要求。水流進(jìn)口邊界和出口邊界分別采用速度進(jìn)口和壓強(qiáng)邊界，以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為參考；以無滑移壁面條件為壁面邊界條件。水流流經(jīng)固壁邊界時對壁面剪切條件和粗糙度參數(shù)等有一定影響。粗糙度參數(shù)取決于泥沙顆粒類型，在顆粒類型越不均勻的情況下必然會增大結(jié)果偏差，對于任意顆粒類型普遍適用的參數(shù)準(zhǔn)則并不存在[2]。

均勻沙與非均勻沙屬性通常通過有效粗糙率和糙率常數(shù)予以模擬，且臨近壁面的首個網(wǎng)格幾何尺寸必須大于有效粗糙率。有效粗糙率取值，見表1，表中dm表示床沙粒徑均值。

表1 有效粗糙率取值

依托控制體積離散水沙控制方程，將計算域劃分成流體域、水沙交界面和泥沙固體域等部分。流體域內(nèi)水動力控制方程通過ANSYS-FLUENT平臺計算，其中的紊動能和動量等擴(kuò)散項也全部沿用二階格式；采用PISO算法進(jìn)行壓力-速度的耦合求解。泥沙固體域內(nèi)河床變形方程求解則通過自定義函數(shù)接口及DEFFINT_GRID_MOTION宏二次開發(fā)展開，在河床面更新位移的基礎(chǔ)上，借助網(wǎng)格模型實現(xiàn)水沙交界面網(wǎng)格的更新。

以單向弱耦合模式展開水沙模型耦合，交界面目前數(shù)據(jù)以前步結(jié)果為準(zhǔn)，并遵從以下步驟：①基于前次n-1 步水沙計算結(jié)果，計算當(dāng)前n 步河床變形方程，并推求網(wǎng)格節(jié)點位移；②依托所得到的節(jié)點位移值進(jìn)行水沙交界面網(wǎng)格坡度預(yù)估，如果預(yù)估值超出泥沙休止角，則應(yīng)相應(yīng)調(diào)整節(jié)點位移；③基于調(diào)整后的節(jié)點位移值更新并重構(gòu)交界面網(wǎng)格，若此時達(dá)到?jīng)_淤平衡則結(jié)束計算，否則應(yīng)重新執(zhí)行上述步驟，直至達(dá)到?jīng)_淤平衡。

2.2 實物模型

截流工程物模試驗在工程所在省科技廳工程材料與水工結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行，試驗水槽主要包括穩(wěn)定水流段、截流段、導(dǎo)流明渠、沉砂池及回水渠等部分，水槽試驗實物模型，見圖1。水槽穩(wěn)定水流段與試驗段高為0.3m，寬為0.9m，底床坡度和邊坡坡度分別為4‰和1:1；分流渠采用0.35m寬、0.3m高的矩形斷面，底床坡度1‰，主渠道與軸線形成30°夾角，戧堤下游水位不受出口水位影響；戧堤頂寬0.5m，軸線設(shè)置在導(dǎo)流明渠進(jìn)口下游1.6m。試驗段泥沙級配曲線，見圖2，該級配中值粒徑取4.7mm。

圖1 水槽試驗實物模型

圖2 試驗段泥沙級配曲線

2.3 計算工況

庫爾干水利樞紐截流戧堤進(jìn)占區(qū)域見圖3 所示，其中水流穩(wěn)定段長度為2.0m，待水流穩(wěn)定后動床泥沙中值粒徑達(dá)到100μm；導(dǎo)流明渠進(jìn)口和出口分別設(shè)置在與進(jìn)占進(jìn)口相距3.24m、11.75m 處；明渠寬2.4m、高0.8m，與河道軸線形成30°夾角；戧堤軸線與水流入口相距6.5m，上下游邊坡、堤頭邊坡均為1 : 1.5。

圖3 截流戧堤數(shù)值計算區(qū)域及進(jìn)占分區(qū)

對單向進(jìn)站裹頭段以及龍口寬度取0.86m 和1.16m 時的龍口水流流場地、底床沖刷及堤腳沖刷展開數(shù)值模擬，截流戧堤單向進(jìn)占沖刷計算工況，見表2。

表2 截流戧堤單向進(jìn)占沖刷計算工況

3 水流結(jié)構(gòu)及沖刷特性分析

3.1 單向進(jìn)占的水流特性

通過分析龍口寬度與水深比B/H=4.3 時的進(jìn)占戧堤岸邊流場看出，進(jìn)占戧堤和裹頭具有相似的岸坡水流特征，具體而言，因戧堤邊坡為1 : 1.5，底部水流順邊坡向上流動，接近自由水面的水流在戧堤的阻水作用下產(chǎn)生潛水流；且潛水流流速和勢能均比順邊坡向上水流強(qiáng)，引發(fā)戧堤及裹頭上游中部位置出現(xiàn)較強(qiáng)旋渦，同時還使臨近床面底部處水流流速減小，進(jìn)而減弱戧堤上游側(cè)底床沖刷。

以無量綱截面位置分別取-4.25、-3.0、0.0、4.25 處的二維平面底床流場特性和三維流場特性表征截流戧堤繞流及龍口沿程水流變化[3]。當(dāng)龍口寬度與水深比B/H 從5.8 減小至4.3，即龍口逐漸束窄，水流流速也呈逐漸增大趨勢。不同進(jìn)占長度下，戧堤繞流與龍口水流特性較為相似，具體而言，在無量綱截面-4.25 處，因下游過流面積的驟減，斷面最大流速出現(xiàn)在龍口處；進(jìn)入龍口后即無量綱截面-3.0 處，流速明顯增大，并在裹頭和戧堤堤頭處形成下潛繞流，但龍口流速明顯比裹頭和戧堤側(cè)邊界處流速小；在無量綱截面0.00 處，水位驟降，甚至表現(xiàn)出明顯的凹陷；此后在水流流出龍口（即無量綱截面4.25 處）后向裹頭段偏移，因受到裹頭和戧堤堤頭回流與繞流的綜合作用而形成潛水流。

上下游水流在裹頭與戧堤的阻水作用下均有回流區(qū)形成，各橫斷面戧堤邊界處的流速比龍口軸線處的流速大。在戧堤從龍口寬度與水深比B/H 為5.8進(jìn)占至B/H 為4.3 的過程中，主流中線逐漸向裹頭偏移，并且這種偏移程度在戧堤進(jìn)占的過程中持續(xù)增強(qiáng)，甚至對邊墻產(chǎn)生較大沖擊。

3.2 單向進(jìn)占的局部沖刷

在龍口寬度與水深比B/H=4.3 時，戧堤堤腳或任一部位底床沖坑內(nèi)坡面塌陷在即將引起整個戧堤坡面坍塌時達(dá)到相對的沖刷平衡。根據(jù)對底床沖刷發(fā)展過程的分析，在觀測時間為50s 時，戧堤上下游處的堤頭和裹頭部位沖刷最為嚴(yán)重，且沿著龍口軸線形成梁狀的淤積；而隨著觀測時間的推移，在100.7s 時以上沖刷過程仍然劇烈進(jìn)行，裹頭以上及戧堤以下堤頭沖刷也逐漸顯現(xiàn)出梁狀或溝狀淤積；在觀測時間為500.7s 時，沖刷趨勢與上一觀測時刻相比并無明顯改變，但沖刷部位持續(xù)沖深，下游堤頭的淘蝕也愈加顯現(xiàn)，且在龍口出流下游表現(xiàn)出舌狀淤積，裹頭下方堤頭沖刷也持續(xù)向側(cè)邊墻處延伸。待達(dá)到相對沖刷平衡狀態(tài)后，戧堤上下游堤頭和邊界處淘蝕加劇，沖坑內(nèi)斜坡變得更為陡峭，引發(fā)整體戧堤坡面坍塌的可能性增大。

在龍口寬度與水深比B/H=5.8時，戧堤上下游處堤頭和裹頭部位沖刷特征與龍口寬度與水深比B/H=4.3時較為相似。唯一不同的是，在此情況下戧堤上游堤頭繞流后的側(cè)邊界及下游堤腳等部位是淘蝕劇烈區(qū)域，且整體淘刷程度明顯比裹頭處嚴(yán)重，說明單向進(jìn)占的過程中，水流因受到戧堤偏移的影響而對相應(yīng)結(jié)構(gòu)物的沖刷也因此發(fā)生偏移。

綜合以上分析結(jié)果，在截流戧堤單向進(jìn)占的情況下，對于不同龍口寬度，初始階段的沖刷主要表現(xiàn)為斜向軸線沖刷趨勢，并集中出現(xiàn)在上游堤頭和裹頭下游；整個沖刷期間上游堤頭繞流的邊界沖刷均明顯存在；因戧堤所引起的水流沖刷偏移程度不同，下游沖刷主要受進(jìn)占長度的影響較大，在龍口寬度與水深比B/H=5.8（即龍口寬度較寬）時，戧堤下游堤頭底部堤腳處存在劇烈淘蝕，而在龍口寬度與水深比B/H=4.3（即龍口寬度較窄）時，裹頭處表現(xiàn)出更為劇烈的淘蝕，龍口下游沖刷在水流的裹挾影響下側(cè)重向裹頭側(cè)偏移，進(jìn)而引發(fā)龍口軸線處泥沙淤積。

3.3 戧堤沖刷的成因

根據(jù)實物模型試驗結(jié)果，戧堤迎水端、背水端及堤頭等區(qū)域水流沖刷較為明顯，且影響程度主要與流速大小及分布有關(guān)[4]。根據(jù)所得出的龍口寬度與水深比B/H=5.8時的單向進(jìn)占裹頭及戧堤近岸邊流線分布情況以及與圓柱沖刷試驗流速的比較，在單向進(jìn)占方式下戧堤迎水端出現(xiàn)了上升水流和下潛渦流并存的局面；背水端回流和下潛水流同時存在；堤頭繞流發(fā)生后緊跟強(qiáng)烈下潛渦流。戧堤坡面流速試驗結(jié)果，見圖 4。

從圖4 戧堤坡面流速分布情況來看，背水端水流和迎水端水流均存在流速駐點：背水端近床面處存在1 個駐點，駐點以上流速整體為負(fù)，并存在明顯的回流與渦流；迎水端存在2 個駐點，相應(yīng)位置流速突變，引發(fā)下潛水流和上升水流并存。結(jié)合以上對戧堤繞流三維流場以及水力沖刷原因的分析，渦流和下潛水流的綜合作用是引發(fā)戧堤堤頭劇烈沖刷的主要原因。

圖4 戧堤坡面流速試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上所述，該水利工程截流戧堤單向進(jìn)占的過程中，龍口水流整體向裹頭段偏移；堤頭流速基本比龍口中部流速大，且上游堤頭處所流經(jīng)的繞流在相應(yīng)距離內(nèi)凹陷呈明顯渦流態(tài)勢；下游堤頭繞流和回流的綜合作用下，下潛水流態(tài)勢較為明顯。所以研究得出，渦旋和下潛水流是引起該水流工程截流戧堤淘刷的主要原因。三維數(shù)值模擬及室內(nèi)明渠實驗結(jié)果均顯示，在截流戧堤單向進(jìn)占之初，主要表現(xiàn)為從上游堤頭至裹頭下游的斜向軸線沖刷；整個進(jìn)占及沖刷期間，龍口縱軸線周圍均均在泥沙淤積現(xiàn)象，且上游堤頭和裹頭繞流后的底部堤腳是淘蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域；隨著截流戧堤單向進(jìn)占進(jìn)程的推進(jìn)，裹頭下游淘蝕明顯比堤頭下游嚴(yán)重。通過對水利工程截流戧堤單向進(jìn)占過程中水流特性及淘刷特征的模擬分析，可全面掌握水利工程戧堤進(jìn)占施工動態(tài)，采取相應(yīng)的加固處治措施，保證戧堤安全穩(wěn)定。