柔性海漫与刚性海漫的抗冲效果分析

苏天宇， 刘晓平， 张　宇， 罗鹏飞， 叶玉康

(长沙理工大学， 湖南 长沙　410076)



柔性海漫与刚性海漫的抗冲效果分析

苏天宇， 刘晓平， 张宇， 罗鹏飞， 叶玉康

(长沙理工大学， 湖南 长沙410076)

摘要：针对海漫后河床冲刷变形问题，结合某枢纽泄水闸断面模型进行了动床试验及数学模型分析，结果表明：经水流长期淘刷河床使海漫后形成冲坑，反淘刷海漫地基，刚性海漫无法适应河床冲刷后的变形，引起海漫基础托空并有海漫被冲毁的风险；而柔性海漫可适应河床冲刷后的变形，且糙率较大，消能扩散更充分，相比传统刚性海漫结构有更好的消能防冲效果。

关键词：柔性海漫； 刚性海漫； 抗冲效果； 紊动能

1问题的提出

在水利枢纽泄水闸中，流经消力池后的下泄水流，紊动现象依然强烈，仍留有一定的剩余能量，会对下游河床产生冲刷，为此在消力池或护坦后的天然河床上铺设海漫以抵抗水流长期冲刷。统计显示，103座大中型水利枢纽中，有58座因冲刷和淘刷破坏，占总数的56.7%[1-3]。如五强溪水电站[4]经1996年沅水汛期后，左右消力池均遭受严重冲刷破坏，消力池底板被大面积掀起带走；柳林水电站溢流坝[5]1981年检查时发现下游消力池尾坎底有上下游连通的孔道，两侧护坦和海漫冲成5～8 m直径的深坑，1982年洪水过后护坦和海漫被冲毁面积占总面积的2/3以上，消力池底板处冲坑最深达4.3 m；在国外，孟加拉国的Karnafuli工程[6，7]在泄流中发现破坏迹象，关闸后发现消力池有约180 m宽20 m长破坏区域，此类工程事故威胁到大坝及其下游人民的安全。传统的海漫结构形式采用浆砌石或者钢筋混凝土结构，刚性海漫无法适应河床冲刷后的变形，从而引起基底掏空的现象，影响海漫结构稳定性；而目前出现一种新型柔性海漫——雷诺护垫[8]运用到工程实际中，取得了较好的工程效果。本文利用物理模型与数学模型相结合的方法在同一工况下对传统刚性海漫结构与柔性海漫结构的消能防冲效果及变形适应程度进行对比研究。

2研究内容和方法

2.1物理模型概况

某泄水闸断面水工模型[9]示意图如图1所示。试验在长为20 m、宽0.8 m的水槽中进行。物理模型几何比尺为1∶50，按几何相似、重力相似及阻力相似准则设计，上游河床及护底长8 m，闸室与消力池段模型长度1.24 m，下游海漫及河床长8 m。设泄水闸单孔净宽0.490 m，两侧闸墩宽0.071 m，堰面选用折线堰形式，材料为PVC板。消力池内梯形实体消力墩的尺寸为上底1 cm，下底6 cm，高5 cm，宽4 cm，消力池末端设差动式尾槛，斜坡坡度1∶1。

图1　泄水闸断面图(单位：高程以m计，其余均以cm计)

该枢纽的河床覆盖层主要为粒径2～4 cm的杂色卵石，依据模型相似原理用式(1)换算模型沙粒径为0.44～0.88 mm，故取中值粒径为0.65 mm的均质沙模拟下游河床覆盖层。采用1 cm厚瓷板模拟0.5 m厚的混凝土海漫；采用柔性分孔均匀的布料分格模拟同样尺寸的雷诺护垫，其中填充石块则按模型比尺进行换算并填入1 mm的砂石。

dm=dp/λL

(1)

式中：dm为换算后的模型石和模型沙的粒径，m；dp为抗冲粒径，m；λL为模型长度比尺。

试验一为刚性海漫与柔性海漫在同一水流及边界条件下的对比试验，主要分析不同海漫结构形式的抗冲消能效果；试验二为达到与36 m长柔性海漫抗冲效果相当的刚性海漫长度确定试验。动床试验条件由表1给出，泄水闸单宽流量为13.09 m3/(s·m)，观测内容为：冲刷稳定时的海漫后地形；典型断面(闸前、海漫入口、海漫出口以及尾水)处的垂线流速分布。

表1 消能防冲试验组次长度/m厚度/m试验流量/(m3·s-1)闸门开度/m试验一360.521001.43

2.2数学模型的建立与验证

本节利用FLUENT建立枢纽泄水闸断面数学模型，计算冲刷初期及末期时的水流状况。流场计算选取标准k-ε紊流模型，并用VOF法确定自由液面，压力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。其中非液面边界设为空气边界，加设一个大气压强。为使下泄水流达到稳定状态，模型计算时间设定为100 s。在保证计算精度与计算量的前提下，对海漫及下游河床网格划分进行局部加密，模型网格数约为5万个(如图2所示)。

图2　局部加密示意图

将数学模型计算的垂线流速分布与物理模型测量结果比较，发现吻合较好(如图3所示)，说明所建立的数学模型能够较好地反映泄水闸水流特征，可用于进一步的流场分析。

图3　典型断面流速分布图

3试验结果与计算分析

3.1海漫后冲坑形态分析

冲刷试验初期，下泄水流经过刚性海漫后流速依然较大，海漫后泥沙最先起动并以推移质形态沿床面顺水流滚向下游，形成一小块冲刷坑，随冲刷时间变长，泥沙起动达到一定规模，冲刷坑向下游及两侧不断扩大。闸门开启20 min后，海漫后冲刷坑沿深度方向扩展速度变得缓慢，冲刷坑坡面上仅少量泥沙颗粒以沿河床面滚动，或以跳跃的推移质运动，使冲刷坑继续向下游及两侧扩大。导致海漫基底细颗粒砂石被逐渐掏空，因刚性海漫柔性不足，无法适应河床冲刷后的变形，从而引起海漫基础托空。而相同时刻柔性海漫后同样有泥沙起动现象，形成小型冲刷坑，随着冲刷时间变长，由于柔性海漫材料本身自适应性很好，自身伴随河床冲刷后的变形0.18 m，有效地抵抗水流的反淘刷作用，使泥沙不再起动，最终冲坑达到稳定状态。如图4。

图4　试验一冲坑地形对比图

待冲刷稳定后，刚性海漫冲刷坑最深点于海漫后5.4 m处，最大冲深点深度为1.44 m，最大坡比为1∶5；柔性冲刷坑最深点出现在海漫后11.25 m处，最大冲深点深度为0.47 m，最大坡比为1∶10，由以上观测可知，柔性海漫后形成的冲刷坑坡比更有利于河床的稳定且冲深较刚性海漫小0.97 m，说明柔性海漫起到了更好的消能抗冲效果。

3.2流场及紊动能分析

利用动床试验观测结果与数学模型计算所得刚性海漫周围水流情况如图5所示，在冲坑内出现明显的回流区，回流区中心流速较小，但在回流区内的下游河床表面及海漫表面流速较大(速度超过1 m/s)，且最大紊动能达0.7 J，大于河道主流区内紊动能，且等值线较为密集，足以使河床表面泥沙起动。回流区内水流为顺时针向坡脚运动，当水流与床面、坡脚发生摩擦碰撞后，水流通过切应力与河床表面静止的泥沙进行能量交换，使回流区内河床表面泥沙不断起动被带向主流区再而带向下游，而该处淘刷方向为向坡脚淘刷，呈现反淘刷现象。且冲坑坡脚淘刷至海漫基础时，冲刷坑向刚性海漫基底发展且继续扩大。

同时，在冲刷坑斜坡2/3高度处为主流区与回流区交界处，此处流速较小，但在之上主流区内的冲刷坑斜坡处，流速逐渐增大，且大于其上部水流流速，而在斜坡末端的河床表面同时受到两个方向的水流冲刷，且方向都为向下游方向，当在两个方

图5　铺设刚性海漫时流线及紊动能分布

向的水流与该处河床碰撞摩擦作用下，最大紊动能处正好是近壁区水流下潜形成漩涡的区域，此处水流混掺作用强，紊动强烈，导致该处泥沙易起动，并随水流使冲坑同时向下游发展，冲刷坑有继续扩大的趋势，对海漫稳定性有不利影响。

所得柔性海漫周围水流情况如图6所示，海漫末端流速较刚性海漫试验小0.05 m/s，水流流速沿水深均匀分布，紊动范围减小，有利于抵抗水流冲刷保护河床。冲坑内最大紊动能小于0.2 J，说明下游河床表面处水流紊动不大，较刚性海漫冲坑内紊动能有大幅度减小，冲坑表面水流较稳定，冲刷坑发展至稳定状态。

图6　铺设柔性海漫时流线及紊动能分布

3.3消能率分析

通过计算各方案闸前～海漫末端垂线的消能率(如表2所示)，海漫结构主要依靠与水流接触摩擦作用以及水流在海漫上的扩散作用来达到消能效果，同样长度的柔性海漫其消能率比刚性海漫高2%，且海漫末端流速有所减缓。由于柔性海漫为网面内部填充块石结构，其糟率大于刚性海漫；水流接触的面积大于刚性结构，水流在柔性海漫上的

表2 各方案闸前～海漫末端垂线消能率计算工况闸前断面海漫末端断面Z1/mh1/mv1/(m·s-1)E1/mZ2/mh2/mv2/(m·s-1)E2/m消能率[(E1-E2)/E1]/%方案11613.700.7313.73184.801.856.9749.2方案21613.700.7113.72184.731.806.8750.0方案31613.700.7313.73184.701.856.8750.0

摩擦作用相对较强。因此，柔性海漫消能效果优于传统刚性海漫。

3.4加长刚性海漫试验分析

经试验确定，将刚性海漫加长至52 m左右(约为原刚性海漫长度的144%)后与柔性海漫方案冲刷深度基本相似，冲刷坑最深点出现在海漫后2 m处，最大冲深点深度为0.53 m，最大坡比为1∶10。如图7。

图7　试验二冲坑地形对比图

4结论

低水头水利枢纽在运行过程中，海漫后河床易受下泄水流作用发生冲刷淘刷现象。本文利用动床试验观测海漫后河床冲刷情况，通过数学模型研究分析其消能防冲效果与淘刷机理，对海漫结构的设计和闸坝消能防冲措施有一定参考价值。结果表明：

1) 通过试验比较，刚性海漫无法适应河床冲刷后的变形，从而引起海漫基础托空；但柔性海漫具有良好的自适应性，能够适应河床的冲刷后的变形，抑制水流反淘刷作用，维持自身结构稳定性。

2) 柔性海漫消能率高于传统刚性海漫，柔性海漫结构的材料糙率、水流接触的面积大于刚性海漫结构，水流在柔性海漫上的摩擦作用较强，扩散消能更充分。

3) 根据变长度刚性海漫结构试验说明了在同种流量下，选用柔性海漫可以缩短海漫的设计长度，节省工程造价和工程量。

参考文献：

[1] 潘家铮，何碌.中国大坝五十年[M].北京：中国水利电力出版社，2000.

[2] 毛昶熙，周名德，柴恭纯.闸坝工程水力学与设计管理[M].北京.水利电力出版社，1995.

[3] 王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京：水利水电出版社，2000.

[4] 刘沛清，刘心爱，李福田.消力池底板块的失稳破坏机理及其防护措施[J].水利学报，2001(9)：1-9.

[5] 艾克明.湖南省几处低水头消能工的破坏及其原因分析[J].水利水电技术，1985(12).

[6] 陈俊英.低水头引水工程消能措施试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2005.

[7] 侯斌.低水头航电枢纽泄水闸下游局部冲刷问题研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[8] 曲振会，祝华威，李季.雷诺护垫技术在海漫工程中的应用[J].河南水利与南水北调，2011(12).

[9] 刘晓平.湘江长沙综合枢纽泄水闸断面水工模型试验研究[R].2009.

文章编号：1008-844X(2016)02-0224-04

收稿日期:2016-03-24

基金项目:湖南省自然科学基金项目( 04JJ3036) ; 湖南省交通厅科技创新项目( 200732)

作者简介:苏天宇( 1991-) ，男，硕士研究生，主要从事港口、航道及近海工程研究。

中图分类号：U 64

文献标识码：A