抛石粒径对防冲槽结构和冲刷的影响研究

李江峰，尹 辉，戚印鑫，耿凡坤，孙 娟，李 娟，茹克亚·吐尔逊，鲁 一,2

(1.新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆农业大学， 新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆大部分河流为多泥沙河流，尤其是山区河流。这类河流上的渠首由于泥沙冲淤和消能防冲处理不当，运行过程中大多出现了严重问题，以至于报废。海漫、防冲槽是水闸消能防冲设计中的重要内容。防冲槽是泄水建筑物下游海漫末端所设置的挖槽抛石形成的防冲棱体。防冲槽多采用梯形断面，其形式一般有抛石防冲槽和齿墙式防冲槽，其中抛石防冲槽运用最为广泛，抛石粒径一般不小于30 cm[1]。在既定的消能防冲型式下，防冲槽是经济、简便、常用的消能型式之一，既有利于消能防冲又兼顾了输沙，尤其对于底流消能效果更好。因此，选择合适的防冲槽尺寸、在防冲槽内抛填合适粒径的卵石对工程消能防冲至关重要。

新疆玛纳斯河一级水电站工程水工模型试验，通过在海漫末端设置抛石防冲槽来达到消能的目的，使下泄的高速水流通过防冲槽消减能量，防止海漫末端和下游河床发生严重的局部冲刷。通过模型试验验证，取得了很好的效果，原设计防冲槽5 m深度、卵石粒径30 cm不满足消能防冲要求[2]，模型验证的冲刷深度达到了15 m以上，及时地纠正了原设计深度不足、卵石粒径偏小的问题，为工程设计提供了可靠的依据和指导，挽回了可能造成的不必要的损失和避免了工程受损的风险。

四川省某水电站闸室后护坦末端设置抛石防冲槽，抛石粒径为40 cm～100 cm。设置抛石防冲槽后，冲深比无防护措施时减小了37%～40%，抛石防冲槽明显增强了护坦的安全性[3]。浙江省三溪口水电站泄洪闸下游采用了消力池+护坦+海漫+抛石防冲槽的典型结构[4]。河南省南阳市白河二级橡胶坝水毁修复工程在防冲槽底部铺块石，块石粒径不小于35 cm[5]。陈卓英在共青河拦河闸坝工程设计中通过增加一级消力池末端左、右两侧尾坎顶高程和在一级消力池尾坎下游两侧斜坡段上设置外凸型阶梯，有效减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，较好地解决了下游河床的消能防冲问题[6]。

黄河水利委员会勘测规划设计研究院和黄河水利委员会水利科学研究院在黄河小浪底工程消力塘防冲槽设计中，为了有效降低工程投资，将护坦长度缩短了50%以上，并且为了防止护坦冲刷破坏，在护坦的下游布置了防冲槽，防冲槽内抛填块石，块石粒径30 cm～80 cm，中值粒径60 cm[7]。通过防冲槽的设计及模型试验，确定了防冲槽合适的防护型式、范围和材料，结合消力塘尾堰消能工程的设置，较好的解决了1号消力塘施工期、运用期泄洪时的下游冲刷问题。通过1998年、1999年泄洪考验，1号消力塘消能充分，防冲槽运用正常，下游泄水渠水流平顺。防冲槽在重点大型水利工程中的成功应用再一次证明了这种消能防护型式的实用性和重要性。

根据调查，新疆有一些代表性河流引水渠首也采用了抛石防冲槽形式，见表1[8]。

新疆白杨河阿克苏渠首除险加固设计中通过理论计算和投资对比，最终提出了防冲槽抛填卵石粒径大于50 cm的推荐方案[9]。但在目前已建的实际工程运行中防冲槽内抛填卵石粒径对防冲槽冲刷影响究竟有多大，是抛填均一的卵石还是一定粒径范围的卵石，只是凭经验选取，针对性不强。若要得出理论符合实际的结果，还是通过试验验证较为可靠，也有利于解决我们身边的工程实际问题。

表1 新疆引水渠首设置防冲槽抛石特性表

为此，我们认为，抛填不同粒径的卵石(均一或非均一)，在同样地质条件、同一单宽流量和同等边界条件下，针对消能防冲效果进行对比研究很有必要，可以为今后工程设计提供可靠的依据。

本次通过建立标准断面的水工模型试验，参照新疆山溪性河流上修建的中型III等渠首工程制作模型，主要针对闸后防冲槽进行模拟布置研究。

1 模型试验

1.1 试验目的和内容

通过水工模型试验，寻求解决以下问题：

(1) 在确定同一地质条件、同等边界条件下，根据经验公式计算分别确定防冲槽的结构、尺寸和抛填卵石的粒径。

(2) 首先通过清水模型试验，收集各种工况试验数据，研究各自水力特性，测量记录防冲槽内不同位置的压力和流速分布，观测水流在防冲槽内的漩滚特点3组次(不同流量因子)；然后再通过防冲槽内抛填卵石试验，寻找防冲槽内的冲刷规律和合适的卵石抛填粒径。

(3) 在以上设计的基础上，通过模型试验，针对三种流量分别对防冲槽内均一卵石粒径或非均一卵石粒径进行对比研究。模型试验方案见表2[10]。

(4) 将理论计算和试验结果进行对比分析，找出差异，为今后同类工程设计提供依据。

1.2 模型设计和制作

(1) 模型比尺：1∶30。

(2) 模型范围：以闸后防冲槽为基准进行确定，设计为标准断面模型。

表2 闸后防冲槽抛填卵石模型试验方案

① 上、下游长度23.50 m，主体模型段长度8.11 m，模型总长31.61 m。

② 主体模型分部长度：闸枢纽含防冲槽总长度2.61 m，模拟原型长度为78.30 m。

③ 左、右岸宽度：主体模型段净宽0.90 m，模拟原型净宽27 m；下游沉砂池、量水堰、退水渠净宽0.70 m～0.90 m。

④ 模型总体占地面积35.99 m2。见图1。

(3) 模型主体设计制作。闸枢纽及闸后防冲槽、边墙均为混凝土结构，该部分在模型中均采用有机玻璃精制。防冲槽平面底部及斜坡底部共设计有5排5列模型间距为15 cm×20 cm的测压孔。

图1模型试验平剖面布置图

河道及防冲槽模型采用定床和动床两部分模拟。岸坡采用定床，用有机玻璃模拟制作；防冲槽内部及下游河道地形，采用动床形式分别用设计模型砂按照设计图示纵坡进行精确铺填模拟。

(4) 模型砂的配制和选取。模型砂采用天然砂模拟。根据已有研究成果，抛石粒径30 cm～100 cm，但是相对于本次模拟的中型工程具有水流湍急、含沙量大尤其是推移质含量多的特点，本次模型试验主要针对防冲槽抛填均一粒径卵石(原型粒径40 cm、50 cm、80 cm)和非均一粒径卵石(分别由原型粒径40 cm、50 cm、60 cm、80 cm按照不同比例配制成中值粒径为原型50 cm的组次)进行筛制、配制模型砂(见表3)。河床砂根据新疆某山溪性河流天然河床砂进行模拟。

1.3 试验典型流量选取

设计流量：全疆共有大小河流570条，其中年径流量0.74×108m3～2.39×108m3的河流有百余条[11]，这些河流上修建的引水渠首泄洪单宽流量为8.21 m3/(s·m)～17.52 m3/(s·m)(见表1)，而且这些渠首有很多都采用了抛石防冲槽的防冲结构。因此，结合试验场地条件，本次研究选取典型单宽流量分别为8.15 m3/(s·m)、11.11 m3/(s·m)、14.81 m3/(s·m)，有其代表性与合理性(见表4)。

表3 非均一粒径卵石分组统计表

表4 试验典型流量及历时

2 试验研究

2.1 防冲槽结构研究

经清水试验发现：闸后护坦流速较大，达到了7.64 m/s～9.17 m/s，而防冲槽内水面以下0.1 m、1/2水深、1/3水深处的流速仅为0.39 m/s～1.83 m/s，可见在槽内水流流速大幅消减，消能作用明显；测压管水头观测表明，防冲槽内压力平缓，前4排测压管平均压力水头为929.93 m～930.78 m，比防冲槽内量取水位929.59 m～930.72 m稍高，反映出流速水头也不大，仅到了仰坡顶端受到模型硬质有机板的阻水作用，形成雍水，压力走高，第5排测压管平均压力水头为930.39 m～931.81 m。见图2。

图2Q=220m3/s～400m3/s防冲槽压力水头分布图

经抛填卵石试验发现：护坦末端的高速水流进入防冲槽后形成了高低起伏的波浪，与槽内抛填的卵石产生碰撞，形成水流旋滚的复杂流态，对槽内卵石造成了冲刷，在220 m3/s～400 m3/s的流量下，冲刷坑深度0.29 m～3.28 m，冲刷坑呈缓坡的“V”型，上游坡1∶3～1∶6，下游坡1∶5～1∶10或更缓。防冲槽冲刷坑深度、坡度统计见表5—表7。

表5 冲刷坑深度

表6 冲刷坑坡度

2.2 防冲槽内抛填不同粒径卵石的对比

抛填均一粒径卵石状况下，槽内流速变化自上游至下游总体呈现降低趋势，卵石粒径由小变大时，同一断面槽内流速也由小变大，冲刷坑深度由深变浅，冲刷坑位置距离护坦(海漫)末端由远及近，冲刷程度显著降低，抗冲刷能力由弱变强，消能效果由强变弱。抛填非均一粒径卵石状况下，接近中值粒径卵石的含量越大，水流流速减小、冲刷坑深度也变浅，消能和防冲效果较好；小粒径卵石越多、组合粒径越分散，随水流冲向下游的卵石偏多、冲刷后的防冲槽与河床地形趋于散乱，反映出水流流态越紊乱，消能和防冲效果较差。而将均一粒径卵石(50 cm)与中值粒径相同的的非均一2组试验结果进行对比发现，均一粒径状况下冲刷坑深度较浅，流速分布较均匀，流态稳定得多。见图3—图6。

2.3 冲刷经验公式及泥沙起动流速探讨

护坦(海漫)末端冲刷经验公式有多种，行业内常用的有长江科学院公式、水力计算手册公式、水闸设计规范公式与河流泥沙工程学公式。见式(1)—式(4)。

图3 Q=400 m3/s，抛填50 cm粒径卵石防冲槽冲刷地形

图4 Q=400 m3/s，抛填非均一1组粒径卵石防冲槽冲刷地形

图5 Q=400 m3/s，抛填非均一2组粒径卵石防冲槽冲刷地形

图6Q=400m3/s，抛填非均一3组粒径卵石防冲槽冲刷地形

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：hs为冲刷坑深度，m；q为护坦末端的单宽流量，m3/(s·m)；h为护坦末端的水深，m；H0为行近水流水深，m；Uc为卵石起动流速，m/s；[v0]为河床土质允许不冲流速，m/s；z为护坦末端的流速分布图中最大流速的位置高度；当流速分布均匀时，z=0.5h；α0为护坦末端的流速分布的动量修正系数；α为考虑冲刷坑中紊动强度的修正系数，其值可取为0.94；ht为下游平均水深，m；d50为床沙中值粒径，m；γs、γ为床沙和水的重度，kN/m3。

由以上式(1)、式(2)、式(4)计算得出的冲刷坑深度为-0.47 m～0.92 m；采用式(3)计算得出的冲刷坑深度为1.35 m～3.28 m，与试验得出的冲刷坑深度较为接近并略为偏大，此处仅列出式(3)冲刷坑计算深度，见表7。

表7 防冲槽冲刷坑深度计算表

冲刷坑深度计算中，卵石起动流速是其中一个重要因子，卵石起动流速是泥沙起动流速研究的特殊形式。

无粘性松散的粗颗粒砂砾石起动流速，相对于有黏结力的细颗粒比较单纯；但处于紊流区，水流冲力又较复杂[16]。研究成果多是试验性的。其他基于试验的公式还有例如[17]：

(5)

泥沙起动研究起初是由单向水流作用下开始的，并且得到很多较为成熟的理论，如希尔兹曲线[18]、克雷默准则、冈恰洛夫公式等。对于波浪作用下的泥沙起动，很多都是基于单向水流的理论为研究基础下进行的，但是波浪相较于水流的作用有其独特性，波浪运动的流速和作用力都是周期性的，只在一个很短的时间内能达到最大值，其他时间会比较小，所以在应用单向流成果时要考虑波浪特性[19]。这也是今后泥沙起动研究的一个方向。

不同粒径泥沙底部切应力增长速度并不相同，粗颗粒的底部切应力增长速度相较中颗粒的增长要快，由此可见，泥沙对底部切应力的影响不仅仅表现在含沙量上，同样粒径大小也是重要的影响因子之一[20]。适当增大冲坑内抛石粒径也能起到增大起动流速进而起到明显的抗冲作用。

3 结 论

抛填不同粒径卵石对闸后防冲槽的结构型式、冲刷形态、消能效果产生了较大影响。通过试验研究，得出以下结论：

(1) 闸后护坦(海漫)末端设置防冲槽时，宜设置垂直深隔墙，节省工程量并且节约投资，对防冲刷和保证建筑物的稳定都是有利的；若受地形限制，也可做成斜面下伸式隔墙。

(2) 对于中值粒径相同情况下，防冲槽内抛填均一粒径卵石较之非均一粒径卵石为好，前者冲刷坑深度较浅，冲刷均匀，对于建筑物防冲消能更有利。