某消力池末端河床冲刷治理方案试验研究

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065)

在水利工程中，冲刷破坏是较为普遍的破坏方式之一，其主要表现在水闸下游河床(渠)被冲深、拓宽，导墙根基发生淘刷甚至冲毁，轻者对工程安全造成威胁，严重者直接造成工程事故。例如东光县沙河刘炮闸，始建于1973年，水闸过流量为40 m3/s，闸门尺寸为2.5 m×3.0 m(宽×高)，消力池池深0.5 m，池长自闸门算起8 m，闸下护砌长度仅10.0 m，当年汛期通过设计流量时将下游护坡海漫冲毁[1]，继而破坏工程基础。冲刷破坏现象在盐锅峡水电站也曾有发生，该电站位于峡谷出口，其溢流坝段设于右岸，属于混凝土重力坝，左端与挡水坝之间的隔墩连接，右端与右副坝连接，属永久性泄水建筑物[2]。1981年9月发生特大洪水，经龙羊峡、刘家峡两水库调节，进入盐锅峡水库的洪峰流量仍达5 230 m3/s，致使一级消力池Ⅰ～Ⅲ坝段护坦遭到破坏，部分护坦板被冲走，破坏面积约2 000 m2，原施工打入基岩的锚筋被卷走，未被冲走的护坦则普遍严重麻面，部分钢筋裸露[3]。

目前各水利工程中对水闸下游冲刷问题所采取的防护与治理方式多种多样，从根本上讲水闸下游冲刷破坏产生的主要水力学原因可表述为流量与水位的失衡，造成失衡的原因包括自然环境、人类活动影响引起水闸下游水位下降[4]，在经济条件允许的情况下，可以通过增设消力墩、尾坎等辅助消能措施进行体型优化，若在河床部分发生淘刷、下切现象，宜通过选用合适的护底方案进行防护，来达到减小冲刷的目的。此外，防冲刷合剂的应用也被提及，它是一种流动性能好，密度大于3 g/cm3的重型黏性液体，它通过足够的表面张力和黏滞度来保护流水中的构筑物地基土壤免遭冲刷和流失[5]。而对于以上防护方案，在实施前均应进行必要的物理模型试验，以此来论证所选方案的可靠性。

1 冲刷情况

某工程是干流下游最末一级梯级电站，由河床式发电厂房、泄洪闸及挡水坝等建筑组成，泄水建筑物主要由主河床4孔泄洪闸(1～4号)和右岸导流明渠3孔泄洪闸(5～7号)组成，导流明渠由前期担任导流任务的建筑物改建而来，图1是水电站护底区域平面布置图。该电站以发电任务为主，电站总装机容量600 MW，总库容0.912亿m3，为Ⅱ等大(二)型工程，主要永久建筑物按2级建筑物设计。

该电站水头低、泄水流量大，1 000 a一遇校核洪水流量为23 600 m3/s，50 a一遇洪水量为16 600 m3/s，泄洪消能采用“闸孔宽尾墩+底流式消力池”的方案。

2015年和2016年汛后、2017年汛期，采用三维声呐测深、水下无人潜航器及潜水员水下探摸等多种方式开展了水下检查，发现水电站明渠左导墙基础淘刷加深，其具体位置为靠近4号闸孔一侧，桩号0+125～0+200之间(消力池护坦末端桩号为0+125)，水流长时间对该处的冲刷破坏较严重地影响了导墙的稳定性。同时，对该范围内的冲刷导致下游泥沙淤积，部分淤积泥沙位于厂房尾水渠末端，造成厂房尾水排放不畅。

2 模型试验设计

为遏制水流对明渠左导墙左侧基础的淘刷破坏，防止消力池护坦后河床位置继续发生下切现象，减少下游泥沙淤积，不影响电站尾水正常排放，保证电站的正常运行，必须对该水利枢纽河床冲刷问题进行研究，提出一种切实可行的治理方案。考虑到在水下施工较为困难，针对下游0+125断面后冲刷问题，经比对认为选用护底方案最为切实可行，护底位置如图1所示。为保证护底方案可靠性及经济性，护底方案的选择仍需水力学模型试验验证，试验主要分为冲刷规律研究与护底方案比选两项内容。

图1 护底区域平面示意Fig.1 Plane graph of bottom protection area

图2 试验模型平面布置Fig.2 Plane layout of test model

3 冲刷规律研究

试验首先反演了该工程7种典型工况(见表1)。反演试验通过监测明渠左导墙基础最深淘刷点以及消力池末端最深冲刷点，以推断桩号0+125～0+200范围内冲刷破坏规律。

在Q<6 000 m3/s时，若保证水库正常蓄水位，不宜优先选择5～7号闸孔泄洪，因为较小的闸门开度导致明渠消力池内水流流速较大，无法形成稳定水跃，对明渠消力池底板冲刷严重，且出渠水流流速较快，对下游右岸变坡易造成冲刷淘蚀。在Q>8 060 m3/s时，在考虑各泄洪孔泄洪能力的前提下，选择7孔均匀开启进行泄洪。

通过以上试验确定最优护底试验泄洪流量，试验工况及结果如表1所示。根据2015～2016年汛后(流量多小于8 000 m3/s)地形实测情况，实测消力池护坦后冲刷高程位于962～963 m之间，与模型试验吻合良好，证明该模型冲刷试验结果具有一定可靠性。河床消力池护坦趾墙底部高程为956 m，明渠左导墙基础开挖高程为960 m，导墙内设钢筋混凝土抗冲桩，底部高程为956 m，允许冲刷高程取964 m。作为重点监测的0+125～0+200桩号段，其冲刷高程与流量之间的关系如图3，4所示。从图3可以看出，无论是消力池末端冲刷还是明渠左导墙左侧冲刷，均随着流量增大，冲刷深度增加，但变化程度又有不同。消力池末端冲刷深度在流量超过6000 m3/s后增加缓慢，最终保持在966 m以上；但是对于流量为2 000 m3/s时，和临底流速规律类似，其明渠左导墙左侧冲刷深度反而大于4 000 m3/s时，这是因为其单孔流量虽然相同，但是流量为2 000 m3/s时下游水位更低，导致其冲刷相对严重。当流量增加到12 600 m3/s时，导流明渠左导墙左侧的冲刷深度反而稍稍减小，这是因为此时5～7号闸孔已经开启，相应在1～4号孔内单孔流量减小。

表1 消力池冲刷及岸边流速试验成果Tab.1 Test results of the stilling pool scouring and shoreline velocity

分析可知，导流明渠左导墙左侧冲刷深度随1～4号闸孔单孔泄流量增加而增大。

消力池末端冲刷较为稳定，说明下游河床冲刷尚不会对其上游护坦以及大坝主体造成严重危害，但未能保护明渠左导墙左侧的基础，因此有必要对冲刷区域进行保护。

图3 冲刷与总流量关系Fig.3 Relationship between scouring and total flow

图4 冲刷与单孔流量关系Fig.4 Relationship between scouring and single hole flow

通过观测护坦末端河床主要冲刷区域断面水流流态，绘制了明渠左导墙左侧冲刷严重断面平行于坝轴线方向水流流线图与垂直于坝轴线方向水流流线示意图(见图5)。通过图5(a)可以看出，出池水流受到两侧边墙束缚，呈现出由两侧向中间翻涌的流态；图5(b)中出池水流主流下切，对河床产生淘刷现象，加之明渠左导墙沿水流方向向左岸有一定角度的旋转，使出池水流主流与明渠左导墙基础冲刷加剧，在水流的不断混掺、紊动中造成明渠左导墙左侧基础严重冲刷。

图5 冲刷区域水流流线示意Fig.5 Streamline figure at scouring area

4 护底方案比选

4.1 模型试验研究

根据对典型工况的模型试验分析，护底水工模型试验决定使用的泄洪工况为：洪水流量为50 a一遇(Q=16 600 m3/s)，上游库水位为正常蓄水位1 015.00 m，下游水位为1 005.01 m，1～7号闸孔均匀开启进行模型试验，同时使用洪水流量为2 a一遇(Q=8 060 m3/s)，上游库水位为正常蓄水位1 015.00 m，下游水位为997.69 m，1～4号闸孔均匀开启的工况进行辅助验证。通过两种工况的试验，检查护底区域冲刷情况，观察护底块体倾覆、移位情况及对明渠左导墙左侧基础保护效果，若某护底方案在两种工况下护底效果优异，则认为该方案能在电站正常运行时发挥效果。

针对消力池护坦后下游河床护底方法，提出了6种方案(见表2)，其中方案1铺设处有两处，15 m×36 m区域为护坦末端中部冲刷严重处，33 m×29 m区域为靠近明渠左导墙基础处，其余方案铺设位置均为靠近明渠左导墙基础处。

表2 6种护底方案Tab.2 Six types of bottom protection schemes

试验就50 a一遇流量(Q=16 600 m3/s)展开，每次冲刷时长不小于4 h(相当于原型1.4 d)。表3为该工况下护底方案效果比较，图6为明渠左导墙左侧基础位置于桩号0+125～0+200之间的冲刷对比结果。

从表3和图6可以看出，以上6种护底方案在该工况下均能够减小明渠左导墙左侧冲刷深度，但是改善效果差异较大：对于方案1，2，3来说，护坦末端冲刷导致明渠左导墙左侧基础河床下切坡度在25°左右，方案4结果显示河床下切坡度约为14°，方案5与方案6约为11°与7°。同时可观测到在铺设钢筋石笼、大块石、混凝土四面体块及全面铺设1.5 m厚混凝土板时，护底材料倾覆、移位现象显著，对河床部分的保护作用较差。

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

当护底材料为钢筋石笼、大块石、混凝土四面体块及冲坑内全面铺设1.5 m厚混凝土板时，护底材料发生移位，偏离了河床重点保护位置(明渠左导墙左侧基础位置)，其保护质量大打折扣。而相对于前4种护底方案，铺设3 m厚混凝土板虽出现移位现象，但是靠近明渠左导墙左侧基础处混凝土板稳定性较好，移位、倾覆现象不明显，同时防止河床下切效果较好，对于明渠左导墙左侧基础防护效果显著。对于铺设3 m厚混凝土板两种型式(3列/2列)使用第二种工况(2 a一遇泄洪流量，Q=8 060 m3/s)进行验证，为保证试验可靠性，冲刷时长为8.6 h(相当于原型3 d)。实验结果及冲刷地形如图7所示(每行按从左到右顺序依次为：护底铺设型式图、冲刷结果图、冲刷地形图)，图8为该工况下明渠左导墙左侧基础位置冲刷高程图。

图6 6种护底方案下明渠左导墙左侧基础位置冲刷高程对比Fig.6 Comparision of scouring elevation at left basement of the left wall of the open channel under 6 >riverbed protection plans

图7 铺设3 m厚混凝土板试验结果(Q=8 060 m3/s)Fig.7 Test results of 3 m thick concrete slab

图8 2种护底方案下明渠左导墙左侧基础位置冲刷高程对比Fig.8 Comparision of scouring elevation at left basement of left wall of the open channel under 2 riverbed protection plans

从图7中可以看出，在当前工况条件下，两种护底型式均能有效减弱明渠左导墙左侧处基础淘刷。从图8中可以发现两种方案下消力池护坦后明渠左导墙左侧河床冲刷下切角度均在13°左右，但是于明渠左导墙左侧基础处铺设3列3 m厚混凝土板时，其远离导墙的一列混凝土板因基础部位河床淘刷而与相邻混凝土板出现较大缝隙，加之水流推力作用，使其出现明显移位现象，其余两列较为稳定；而铺设2列3 m厚混凝土板整体较为稳定。易知水流在第二列混凝土板位置处水流淘刷作用较弱。通过该水工模型试验综合对比可以得出结论：选用于明渠左导墙左侧基础处铺设2列混凝土板护底方案效果最佳。

4.2 混凝土板与河床摩擦系数推算

在进行模型试验过程中，易发现铺设大块石进行护底时，大块石移位现象明显；铺设混凝土板护底时，第三列(距离明渠左导墙最远一列)混凝土板铺设处河床更易被淘刷，使混凝土板发生倾斜，垂直于导墙方向受水流推力面积增大，在长时间冲刷下发生移位现象。

所铺设的块石形状类似卵石形，可采用卵石起动流速进行近似计算。卵石的起动流速与其扁度λ有直接关系，关于扁度的表达主要由两种截然相反的方式。

VitoA. Vanoni于1975年将其定义为

(1)

长江科学院及长江水利委员会水文处的学者将其定义为

(2)

式中，a，b，c为卵石的长、中、短轴长度。

式(2)出自川江卵石调查，更适应于本次试验模型。根据韩其为等[8]的研究成果，铺设块石暴露度相同，在不考虑床面位置前提下，卵石瞬时起动流速Vb为

(3)

(4)

式中，α，β为待定系数，本文取α=β=0.4；γs，γ为混凝土板与水的容重，取γs=2 700 kg/m3，γ=1 000 kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；D为卵石平均粒径，为2 m；Cx为阻流面高度，取1 m。

在铺设大块石方案中，易发现块石沿垂直于导墙方向移位现象明显，利用式(4)计算得Vb=10.22 m/s，水流出护坦后于垂直明渠左导墙方向存在最大瞬时流速大于10.22 m/s，又因在实际试验中，块石经水流冲击移位至河床稳定位置后不再发生明显移位现象，在考虑河床位置影响下，其最大瞬时流速小于12 m/s。

对于铺设混凝土板的起动流速计算，使用牛兰花[9]计算公式：

(5)

式中，f为混凝土板与河床之间摩擦系数；a，c分别为混凝土板的宽、高，取a=9 m，c=3 m；Cx与Cy分别为推力系数与上举力系数，一般取Cx=0.4，Cy=0.1；g为重力加速度，取g=9.8m/s2；ρ水=1 000 kg/m3，混凝土板密度ρs=2 400 kg/m3。

将该混凝土板数据代入式(5)求得Vb与摩擦系数f之间的关系，如表4所示。

表4 各种摩擦系数下单个3m厚混凝土板起动流速对比Tab.4 Incipient velocity comparision of a single 3m thick concrete slab under various friction coefficients

试验中，3 m厚混凝土板发生移位是在混凝土板下河床基础不断被淘刷及水流作用下综合形成的，混凝土板较弱一侧河床发生淘刷使得混凝土板倾斜，产生受水流推力面，使得混凝土板发生较弱移位，此时水流流速保持10.22 ～ 12.00 m/s之间。本次试验计算得到混凝土板与此类河床(河床粒径为0.18～1.00 m，抗冲流速取3.00～5.00 m/s)摩擦系数可取0.20～0.30，对于一般河床铺设混凝土板，其选择摩擦系数为0.10～0.50，计算结果仍处于此范围之间，类似工程地质条件选取摩擦系数对可参考。

5 结 论

(1) 某水电站消力池护坦后河床部分冲刷破坏主要表现为明渠左导墙左侧基础淘蚀、河床下切以及泥沙淤积现象，明渠左导墙安全受到威胁的同时，泥沙淤积影响了电站尾水排放，且冲刷破坏随着河床4孔过流量的增加而增大。

(2) 水工模型试验表明，针对该水利枢纽河床消力池护坦后河床冲刷情况，于明渠左导墙左侧基础处铺设2列混凝土板护底的方案防冲效果最佳、工程量最小，能有效避免明渠左导墙左侧基础进一步淘刷，对护坦后河床基础有较好的保护作用。

(3) 在对河床进行护底保护时，应多方面考虑护底材料、护底型式、材料之间的链接问题，避免出现“盲目全面护底”现象。本文方案在保证护底效果的同时，着重加强对重点保护区域的防护，通过无连接护底型式即可达到工程要求，更是减小了工程量及工程难度。

(4) 推算了混凝土板与此类河床之间摩擦系数为0.20～0.30，可为类似工程提供较为准确的计算依据。