截流戗堤单向进占的结构分析与应用

戚 波

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830002）

0 引 言

戗堤结构在河道截流及溃堤封堵等水利工程中较为常用，在实施戗堤截流的过程中，因河道受到戗堤进占影响后持续束窄，龙口段水流流速持续增大，上下游水位落差也随之增高，所形成的集中水流在泥沙输移及边界条件等的影响下，很容易引发堤坝坝头及河床底部冲刷，进而影响戗堤结构的稳定性。由于水流非恒定性及边界实时性等原因，戗堤截流期间，进占过程会引发底床边界及堤坝边界持续变化；进占物料属性也会对泥沙输移产生较大扰动。由于影响因素及过程的复杂性，采用物理模型很难全面准确地模拟戗堤进占过程中动态冲坑形成、水力条件改变及戗堤坍塌失稳等过程。

在截流戗堤进占期间，所面临的龙口底床冲刷、堤脚淘蚀、戗堤边坡崩塌等问题与堤头绕流、龙口水流特性等直接相关，必须引起重视。当前，对戗堤在龙口集中水流作用下的局部冲刷发展问题研究较少，部分学者认为戗堤周围水流特性和桥墩、丁坝等相似，通过试验证实了桥墩、丁坝局部冲刷主要由涡旋、下潜水流等造成。但事实是，截流戗堤和桥墩、丁坝水流结构与冲刷特性存在一定差异，例如河道两侧均设置有堤坝、戗堤进占过程具有动态性和实时性等，故截流戗堤局部冲刷的原因是否与桥墩、丁坝类似或形同，并不明晰。

为全面反映流场信息并预测局部冲坑的发展趋势，确保分析结果的准确性与可靠性，文章采用三位数值模拟与实物模型相结合的分析技术，对库尔干水利枢纽新建工程截流戗堤进占过程中不同龙口宽度进占水流特性、龙口底床、截流戗堤堤脚处局部冲刷等展开模拟，为截流戗堤施工安全提供参考。

1 工程概况

库尔干水利枢纽是库山河山区河段规划设计中近期开发工程，拟选坝址位于中游山区河段。该水利枢纽工程属于兼具灌溉、防洪及发电等综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沥青砼心墙坝、泄洪冲沙兼导流洞、溢洪道、生态电站、引水发电隧洞及厂房。设计最大坝高82.0m，水库正常蓄水位2105.0m，总库容为1.24×108m³，电站总装机容量24MW，为Ⅱ等大（2）型水利工程。其中水库大坝为2 级建筑物，表孔溢洪道、泄洪冲沙兼导流洞及发电引水洞进口为3 级建筑物；发电引水系统及电站厂房等次要建筑物为3 级；临时建筑物为4 级。

根据该水利工程截流戗堤所处河床的地形、地质条件和截流流量，采用单戗堤立堵方式。截流戗堤左岸地形平坦，具备良好的截流材料堆放条件，本工程有现有道路从截流堤左岸通过，故龙口位置设在右岸，截流采用从左岸向右岸进占的单戗立堵法。

2 模型构建

2.1 控制方程

河床变形方程和三维非恒定流方程组共同构成水利工程截流戗堤局部冲刷控制方程[1]。当冲坑坡度超出休止角时，泥沙颗粒必将失稳，在不断下滑后达到新的稳定。通过沙滑模型修正后，使斜坡坡度符合休止角的要求。水流进口边界和出口边界分别采用速度进口和压强边界，以标准大气压为参考；以无滑移壁面条件为壁面边界条件。水流流经固壁边界时对壁面剪切条件和粗糙度参数等有一定影响。粗糙度参数取决于泥沙颗粒类型，在颗粒类型越不均匀的情况下必然会增大结果偏差，对于任意颗粒类型普遍适用的参数准则并不存在[2]。

均匀沙与非均匀沙属性通常通过有效粗糙率和糙率常数予以模拟，且临近壁面的首个网格几何尺寸必须大于有效粗糙率。有效粗糙率取值，见表1，表中dm表示床沙粒径均值。

表1 有效粗糙率取值

依托控制体积离散水沙控制方程，将计算域划分成流体域、水沙交界面和泥沙固体域等部分。流体域内水动力控制方程通过ANSYS-FLUENT平台计算，其中的紊动能和动量等扩散项也全部沿用二阶格式；采用PISO算法进行压力-速度的耦合求解。泥沙固体域内河床变形方程求解则通过自定义函数接口及DEFFINT_GRID_MOTION宏二次开发展开，在河床面更新位移的基础上，借助网格模型实现水沙交界面网格的更新。

以单向弱耦合模式展开水沙模型耦合，交界面目前数据以前步结果为准，并遵从以下步骤：①基于前次n-1 步水沙计算结果，计算当前n 步河床变形方程，并推求网格节点位移；②依托所得到的节点位移值进行水沙交界面网格坡度预估，如果预估值超出泥沙休止角，则应相应调整节点位移；③基于调整后的节点位移值更新并重构交界面网格，若此时达到冲淤平衡则结束计算，否则应重新执行上述步骤，直至达到冲淤平衡。

2.2 实物模型

截流工程物模试验在工程所在省科技厅工程材料与水工结构实验室进行，试验水槽主要包括稳定水流段、截流段、导流明渠、沉砂池及回水渠等部分，水槽试验实物模型，见图1。水槽稳定水流段与试验段高为0.3m，宽为0.9m，底床坡度和边坡坡度分别为4‰和1:1；分流渠采用0.35m宽、0.3m高的矩形断面，底床坡度1‰，主渠道与轴线形成30°夹角，戗堤下游水位不受出口水位影响；戗堤顶宽0.5m，轴线设置在导流明渠进口下游1.6m。试验段泥沙级配曲线，见图2，该级配中值粒径取4.7mm。

图1 水槽试验实物模型

图2 试验段泥沙级配曲线

2.3 计算工况

库尔干水利枢纽截流戗堤进占区域见图3 所示，其中水流稳定段长度为2.0m，待水流稳定后动床泥沙中值粒径达到100μm；导流明渠进口和出口分别设置在与进占进口相距3.24m、11.75m 处；明渠宽2.4m、高0.8m，与河道轴线形成30°夹角；戗堤轴线与水流入口相距6.5m，上下游边坡、堤头边坡均为1 : 1.5。

图3 截流戗堤数值计算区域及进占分区

对单向进站裹头段以及龙口宽度取0.86m 和1.16m 时的龙口水流流场地、底床冲刷及堤脚冲刷展开数值模拟，截流戗堤单向进占冲刷计算工况，见表2。

表2 截流戗堤单向进占冲刷计算工况

3 水流结构及冲刷特性分析

3.1 单向进占的水流特性

通过分析龙口宽度与水深比B/H=4.3 时的进占戗堤岸边流场看出，进占戗堤和裹头具有相似的岸坡水流特征，具体而言，因戗堤边坡为1 : 1.5，底部水流顺边坡向上流动，接近自由水面的水流在戗堤的阻水作用下产生潜水流；且潜水流流速和势能均比顺边坡向上水流强，引发戗堤及裹头上游中部位置出现较强旋涡，同时还使临近床面底部处水流流速减小，进而减弱戗堤上游侧底床冲刷。

以无量纲截面位置分别取-4.25、-3.0、0.0、4.25 处的二维平面底床流场特性和三维流场特性表征截流戗堤绕流及龙口沿程水流变化[3]。当龙口宽度与水深比B/H 从5.8 减小至4.3，即龙口逐渐束窄，水流流速也呈逐渐增大趋势。不同进占长度下，戗堤绕流与龙口水流特性较为相似，具体而言，在无量纲截面-4.25 处，因下游过流面积的骤减，断面最大流速出现在龙口处；进入龙口后即无量纲截面-3.0 处，流速明显增大，并在裹头和戗堤堤头处形成下潜绕流，但龙口流速明显比裹头和戗堤侧边界处流速小；在无量纲截面0.00 处，水位骤降，甚至表现出明显的凹陷；此后在水流流出龙口（即无量纲截面4.25 处）后向裹头段偏移，因受到裹头和戗堤堤头回流与绕流的综合作用而形成潜水流。

上下游水流在裹头与戗堤的阻水作用下均有回流区形成，各横断面戗堤边界处的流速比龙口轴线处的流速大。在戗堤从龙口宽度与水深比B/H 为5.8进占至B/H 为4.3 的过程中，主流中线逐渐向裹头偏移，并且这种偏移程度在戗堤进占的过程中持续增强，甚至对边墙产生较大冲击。

3.2 单向进占的局部冲刷

在龙口宽度与水深比B/H=4.3 时，戗堤堤脚或任一部位底床冲坑内坡面塌陷在即将引起整个戗堤坡面坍塌时达到相对的冲刷平衡。根据对底床冲刷发展过程的分析，在观测时间为50s 时，戗堤上下游处的堤头和裹头部位冲刷最为严重，且沿着龙口轴线形成梁状的淤积；而随着观测时间的推移，在100.7s 时以上冲刷过程仍然剧烈进行，裹头以上及戗堤以下堤头冲刷也逐渐显现出梁状或沟状淤积；在观测时间为500.7s 时，冲刷趋势与上一观测时刻相比并无明显改变，但冲刷部位持续冲深，下游堤头的淘蚀也愈加显现，且在龙口出流下游表现出舌状淤积，裹头下方堤头冲刷也持续向侧边墙处延伸。待达到相对冲刷平衡状态后，戗堤上下游堤头和边界处淘蚀加剧，冲坑内斜坡变得更为陡峭，引发整体戗堤坡面坍塌的可能性增大。

在龙口宽度与水深比B/H=5.8时，戗堤上下游处堤头和裹头部位冲刷特征与龙口宽度与水深比B/H=4.3时较为相似。唯一不同的是，在此情况下戗堤上游堤头绕流后的侧边界及下游堤脚等部位是淘蚀剧烈区域，且整体淘刷程度明显比裹头处严重，说明单向进占的过程中，水流因受到戗堤偏移的影响而对相应结构物的冲刷也因此发生偏移。

综合以上分析结果，在截流戗堤单向进占的情况下，对于不同龙口宽度，初始阶段的冲刷主要表现为斜向轴线冲刷趋势，并集中出现在上游堤头和裹头下游；整个冲刷期间上游堤头绕流的边界冲刷均明显存在；因戗堤所引起的水流冲刷偏移程度不同，下游冲刷主要受进占长度的影响较大，在龙口宽度与水深比B/H=5.8（即龙口宽度较宽）时，戗堤下游堤头底部堤脚处存在剧烈淘蚀，而在龙口宽度与水深比B/H=4.3（即龙口宽度较窄）时，裹头处表现出更为剧烈的淘蚀，龙口下游冲刷在水流的裹挟影响下侧重向裹头侧偏移，进而引发龙口轴线处泥沙淤积。

3.3 戗堤冲刷的成因

根据实物模型试验结果，戗堤迎水端、背水端及堤头等区域水流冲刷较为明显，且影响程度主要与流速大小及分布有关[4]。根据所得出的龙口宽度与水深比B/H=5.8时的单向进占裹头及戗堤近岸边流线分布情况以及与圆柱冲刷试验流速的比较，在单向进占方式下戗堤迎水端出现了上升水流和下潜涡流并存的局面；背水端回流和下潜水流同时存在；堤头绕流发生后紧跟强烈下潜涡流。戗堤坡面流速试验结果，见图 4。

从图4 戗堤坡面流速分布情况来看，背水端水流和迎水端水流均存在流速驻点：背水端近床面处存在1 个驻点，驻点以上流速整体为负，并存在明显的回流与涡流；迎水端存在2 个驻点，相应位置流速突变，引发下潜水流和上升水流并存。结合以上对戗堤绕流三维流场以及水力冲刷原因的分析，涡流和下潜水流的综合作用是引发戗堤堤头剧烈冲刷的主要原因。

图4 戗堤坡面流速试验结果

4 结 论

综上所述，该水利工程截流戗堤单向进占的过程中，龙口水流整体向裹头段偏移；堤头流速基本比龙口中部流速大，且上游堤头处所流经的绕流在相应距离内凹陷呈明显涡流态势；下游堤头绕流和回流的综合作用下，下潜水流态势较为明显。所以研究得出，涡旋和下潜水流是引起该水流工程截流戗堤淘刷的主要原因。三维数值模拟及室内明渠实验结果均显示，在截流戗堤单向进占之初，主要表现为从上游堤头至裹头下游的斜向轴线冲刷；整个进占及冲刷期间，龙口纵轴线周围均均在泥沙淤积现象，且上游堤头和裹头绕流后的底部堤脚是淘蚀最为严重的区域；随着截流戗堤单向进占进程的推进，裹头下游淘蚀明显比堤头下游严重。通过对水利工程截流戗堤单向进占过程中水流特性及淘刷特征的模拟分析，可全面掌握水利工程戗堤进占施工动态，采取相应的加固处治措施，保证戗堤安全稳定。