钱塘江河口近口段取水口附近河床局部冲刷试验研究

郑国诞 ，陈韬霄 ，马 骏 ，唐子文 ，陈 刚

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020；4.杭州市港航管理局，浙江 杭州 310014）

杭州市桐庐县现状水厂取水口位于富春江电站下游约5.4 km，现存在取水规模不能满足规划供水需求及取水保证率不足的问题，拟将桐庐水厂取水口上移0.9 km，至富春江电站下游约4.5 km，具体位置见图1。取水口的设置将引起河床局部冲刷，由于取水口结构复杂，且取水的时候，还存在局部流态改变，无法用公式直接计算局部冲刷值，需利用水槽模型试验研究洪水作用下取水口附近局部冲刷深度。

图1 取水口位置示意图

1 概 况

1.1 河段概况

工程处于钱塘江近口段，以径流为主，近口段的范围为富春江大坝至闻家堰之间，总长77.0 km，1960年新安江水库建成后，具有明显的削减洪峰作用，使流量在年内的区域平均分配，经统计，梅汛期洪峰流量可削减20%左右，枯水期流量可增加22%左右。建库后出现最多的洪水为2017年梅汛期洪水，富春江电站最大下泄流量14 900 m3/s，为1968年12月水库蓄水以来出现的最大下泄流量，基本达到10 a一遇，下游之江站实测最大流量17 400 m3/s。

1.2 工程概况

取水口设计正常取水量15.75万m3/d（1.82 m3/s），双管进水时，每个进水口设计进水量0.91 m3/s；单管进水时，每个进水口进水量1.82 m3/s。设计最大取水量26.25万m3/d（3.04 m3/s），双管进水时，每个进水口设计进水量1.52 m3/s；单管进水时，每个进水口进水量3.04 m3/s。头部采用桩架固定吸水喇叭口的形式，设计2只取水喇叭口；取水管道为2根DN1 200钢管，直径为1.20 m，从取水头部穿过富春江江堤至取水泵房，取水头部分2格，每格可独立运行，在顶部和侧面设进水口，并在进水口设置格栅，头部结构示意见图2，头部模型示意见图3。

图2 取水口头部结构示意图

2 模型设计

由于取水口结构相对复杂，且在工作时还存在取水工况，局部流态复杂，用一般的经验公式无法计算局部冲刷情况，也不适合利用变态的大比尺物理模型，宜通过小比尺水槽模型实验进行最大冲刷深度的研究。

2.1 模型比尺

试验在长40.00 m，宽3.70 m的水槽中进行。综合考虑模型沙的选择、取水口的尺寸以及试验场地等情况，确定模型几何比尺为50。为了能较好地模拟原型水流运动，除了满足重力相似、水流连续相似还满足河床泥沙起动相似以及水下休止角相似[2]。

2.2 模型沙选择

根据地质勘测资料显示，工程区域可冲刷河床基本为砂砾卵石，厚8.20 ～ 8.30 m。河床中值粒径为42.550 0 mm，悬沙中值粒径在0.018 6 ～ 0.019 0 mm，经结合张瑞瑾起动公式和秦荣昱计算并考虑研究水域的水深情况，在水深为10.00 ～ 20.00 m下，中值粒径为42.550 0 mm、平均粒径为11.110 0 mm的泥沙起动流速为1.60 ～ 1.95 m/s。按泥沙运动的起动相似模型率，试验中模型沙起动流速应为0.23 ～ 0.27 m/s，宜使用原型沙进行试验。经过对多种原型沙的综合比较，选择其中值粒径约为0.300 0 mm，起动流速为 0.25 ～ 0.30 m/s（模型水深 20 ～ 40 cm）[3]。

3 试验条件

3.1 水流条件[5]

工程位置靠近富春江电站，以径流为主，径流的年际变化较大且具有连续丰、枯水文年交替出现的情况，上游建库以后，具有明显的削减洪峰作用，使流量在年内的分配区域平均，经统计，梅汛期洪峰流量可削减20%左右，枯水期流量可增加22%左右，富春江电站100 a一遇洪峰流量为23 100 m3/s，下游的桐庐水文站100 a一遇水位为15.25 m，根据并行化的平面二维数学模型[4]计算可知，取水口100 a一遇水位为17.40 m，取水口处最大流速为2.75 m/s。

3.2 起冲高程

取水口断面靠右岸江道为航道，较为稳定，冲淤幅度不大。靠左岸江道断面形态变化较大，整体呈现逐年下降趋势。图4为2000年以来工程断面形态图，从图4可知，2004 — 2011年取水口位置河床高程逐年加深，2011年高程接近-1.30 m，2011年以后取水口位置高程稳定，2017 —2018年略有淤积，淤积幅度在0.20 m左右。取下包络线作为试验的起冲高程，取水口位置高程为-1.30 m。

图4 取水口历年断面形态图

3.3 实验工况

试验之前先进行水流条件调试，试验段水流条件严格按照相似比尺转化为模型水流条件进行控制。水槽模型上、下游边界采用水位控制，首先控制试验断面水位至设计条件，然后调整上下游水位过程，最终使试验断面水深和流速过程与模型所需值相符。实验工况共5组，分别为：单孔取水3.04 m3/s、单孔取水1.82 m3/s、双孔取水3.04 m3/s、双孔取水1.82 m3/s以及不取水。取水口设计流量的大小，按照相似比尺换算，选用配有流量计的水泵控制确保取水过程的相似性。

4 试验成果

实验现象可见，取水口钢管桩附近有明显的局部冲刷坑形成，主要由于钢管桩等阻水建筑物的建设，来流受阻后部分转向河底，产生下降水流，并在近河床处形成一横轴反向旋流，此旋流和来自上游底部集中的纵向水流结合在一起，形成绕桩靠近河底流向下游的马蹄形旋涡，在马蹄形旋涡的作用下，桩周围河床上的泥沙被冲起带向背流侧，形成冲刷坑，表现为桩基两侧以及群桩内部区域冲刷后高程较低，上下游区域高程略高的形态。当取水口工作时，四周流态更加复杂，绕流、环流和上升流等多种流态并存[6]，马蹄形旋涡强度加强，则冲刷坑深度越深，形态越大。

4.1 冲刷过程分析

从各种实验工况的冲刷过程看，虽然取水口取水流量有所不同，但是其冲刷坑的形成、发展至最终的相对平衡过程往往类似。冲刷实验过程中对桩基附近河床高程的监测表明，初期桩基附近河床快速下切形成冲刷坑，但随着冲刷的发展，水深加大，流速降低，水流的挟沙能力逐渐下降，冲刷坑内泥沙运移变缓，冲刷率得以迅速减小并渐趋稳定，逐渐达到相对冲淤平衡，形成相对稳定的冲刷深度，稳定的时间为2.0 ～ 2.5 h，相当于洪峰持续作用18.0 h左右（见图5）。

4.2 冲刷形态及冲刷深度分析

图6为不取水情况下冲刷坑轮廓线示意图。从图6可知，取水口周边受马蹄形旋涡形成的床面冲刷坑形态类似于马蹄形，两侧深槽向水流方向延伸，桩基底部河床较周边明显冲蚀，冲刷坑横向宽度约为2桩基距离的3 ～ 4倍，不同取水方案下的冲刷坑形态较类似，均为如图6所示的马蹄形，只是冲刷坑的横向宽度与纵向宽度不同。

图6 不取水情况下冲刷坑轮廓线示意图

图7为不同取水方案下，顺水流方向沿外侧桩基的冲刷坑纵剖面图。从图7可知，纵剖面图呈现一个明显的冲刷漏斗形态，前端冲刷坑坡度为1∶1.6 ～ 1∶1.8，坡角接近此泥沙粒径的水下休止角，形成冲刷坑最深点的最大冲刷深度工况从大到小的依次为：单孔取水3.04 m3/s、单孔取水1.82 m3/s、双孔取水3.04 m3/s、双孔取水1.82 m3/s以及不取水，最大冲刷深度及冲刷坑范围见表1。从表1可知，由于取水口的取水效应，冲刷深度加强，单孔取水3.04 m3/s时，取水口内流速最大，冲刷深度也最大，为3.12 m，比不取水时冲刷深了将近1.00 m，且2根输水管道均裸露，不取水时，裸露上游侧的输水管道。图8和图9分别为不取水以及单孔取水3.04 m3/s情况下的模型实验图。

表1 各工况冲刷结果综合表

图7 沿水流方向的冲刷坑纵剖面图

图8 不取水情况下试验图

图9 单孔取水3.04 m3/s试验图

5 结 语

新建桐庐县水厂取水口位于富春江电站下游4.50 km，属于钱塘江流域近口段，以径流为主，利用数学模型计算取水口位置100 a一遇流速的水深情况，并且通过河势分析得到取水口位置最低高程作为起冲高程，并在水槽中进行冲刷实验，得到不同工况下取水口局部最大冲刷深度以及冲刷坑范围，单孔取水3.04 m3/s时，冲刷深度为所有工况中最大，为3.12 m，比不取水时冲刷深了将近1.00 m，且2根输水管道均裸露，建议设计时考虑单孔取水3.04 m3/s为最不利的设计工况进行设计。