水利枢纽施工导流围堰冲刷动床模型试验

喻思颖

(江西省建洪工程监理咨询有限公司,南昌 830000)

0 引 言

施工导流是水利水电工程建设中的重要环节,导流工程一般分成若干期进行,一期主要确定缩窄河床的方式,二期和三期则通过隧洞、明渠、底孔导流或联合导流等方式达到疏导水流的工程目的。所以,施工导流模型试验主要进行分期导流方案、导流规模、消能防冲等方案的确定,其中导流规模和流速分布是较为关键的因素,分别决定着导流工程规模及具体采取防冲措施和防护部位。

与单项或河工泄水建筑物所不同,施工导流模拟的对象为从上游至下游的一个河段及全部枢纽建筑物,故必须采用整体模型,但因横纵向模拟范围均较大,模型几何比尺也比单项泄水建筑物大;水利枢纽中包含不同的过水建筑物,且过水能力与过水断面尺寸存在较大差异,其在汛期泄洪时既可能联合运行,又可能单独运行,故模型试验中必然对应较大的流量变幅,而为保证模型尺寸在最小放水流量下流速和水深仍满足观测需要,模型几何比尺又不能过大。最后,模型中所包含的输水、泄水、挡水建筑物可能引起环流、涡流等局部性水流结构,在几何变态情况下模型很难与原型完全相似;为保证模拟结果的可靠性,必须确保模型与原型几何相似、重力相似及沿程阻力相似,这就要求必须将水利枢纽施工导流模型设计为符合阻力相似条件和重力相似条件的正态几何相似模型。现有研究大多基于数值模拟模型基础,对水利枢纽施工导流围堰冲刷动床物理模型试验的研究较少。文章结合施工导流围堰实际,通过河床沙粒径比尺及级配的选择以及泥沙比尺和流速计算公式的选用,以准确模拟施工导流围堰实际冲刷状态[1]。

1 工程概况

某水利枢纽工程是一座以防洪为主,兼具供水、发电等功能的大(2)型水利工程,库容3.98×108m3,坝长531.1m,坝高最大为42.3m,蓄水位55m;装机容量28MW,年发电量均值为7741×104kWh。结合河道水文、水利枢纽工程坝址地形、工程布置特性,工程施工采用分期导流:一期先围左岸,并通过束窄后的右侧主河床泄流,同时在基坑左岸非泄流坝段设置长14m、宽10m的5个导流底孔和5个导流顶孔;二期通过主河床截流以及左岸非泄流坝段所设置的导流底孔和顶孔联合泄流;后期则通过5个导流底孔和泄水坝段永久中孔泄流。

本试验主要研究水利枢纽一期导流过程中束窄河床泄流能力和围堰结构的可靠性。该水利工程坝址处河床覆盖层厚度达到40m左右,其中第一层(卵砾石夹砂层)和第二层(砂层)土料颗粒分布性状具体见表1。

表1 河床覆盖层土料颗粒分布性状

通过对河床覆盖层土料颗粒分布性状的分析,第一层卵砾石夹砂中,粒径位于0.5～5.0mm以内的土体颗粒质量占比达到25%,按照最大粒径5.0mm计算,则在1/100的导流模型比尺下,模型沙粒径应为0.05mm。第二层砂层中,粒径位于0.01～0.5mm的土体颗粒质量占比为90%,按照最大粒径0.5mm计算,在1/100的导流模型比尺下,模型沙粒径应为0.005mm。如此细小的沙粒即使用精粉煤灰或塑料沙作为模型沙,也较难实现。可见,该水利枢纽施工导流围堰冲刷动床模型试验的首要难题是模型沙的选取。

2 泥沙模型

该水利枢纽工程所处河段山区河流特征明显,河床主要为粒径20～40cm的卵石,卵石边滩夹杂粒径1～10cm的少量砂砾石。坝址上下游河床基岩出露,抗冲刷能力强。河段上游因植被覆盖高,悬移质含沙量较小,悬移质基本不参与造床。故文章分析以卵石推移质动床模型为主,推移质模型的构建既要考虑水流运动相似对床面糙率的要求,又要保证泥沙运动中的起动相似[1]。试验河段河床沙推移质中值粒径达到22mm,河床沙较粗,可以天然沙为模型沙。

2.1 泥沙模型设计

水库及所在河道水深、比降、河宽等形态是泥沙、水流、河床等因素综合作用的结果,在分析该水利枢纽施工导流围堰冲刷时,泥沙模型既要遵循泥沙运动相似准则和水流运动相似准则,又要遵循河床形态相似准则[2]。

1)水流运动相似。水流运动相似是泥沙运动相似的前提,为满足流态相似,模型必须具备较大的水流雷诺数,使模型流态与原型流态同属于紊流阻力区,进而影响模型水深比尺。此外,水流相似理论还要求惯性力和重力比相似、沿程阻力和重力比相似。

2)底沙运动相似。对于该水利枢纽施工导流围堰底沙冲淤问题而言,底沙运动相似主要要求启动流速相似,也即:

λv=λvk

(1)

式中:λ为流速比尺;λvk为为起动流速比尺。该公式在泥沙模型设计中的重要性在于,床沙物理力学性能是决定水深条件下起动流速的主要方面,也是选择模型床沙的基本依据,并能保证河床演变过程中冲刷部位相似。如果该公式成立,表明泥沙可在原型水深和流速下启动,模型中对应的水深与流速也能使相应位置处泥沙启动。结合已有的泥沙起动规律研究成果,如果原型沙粒径足够大,水流条件和模型场地也不受限,采用与原型沙比重相同的天然沙,并按几何比尺将原型沙粒径缩小后得到模型沙粒径,便能设计出较为理性的几何相似正态模型。

可见,起动流速相似条件式(即式(1))是控制底沙动床模型沙选择的主要方面,该条件在具体应用时必须首先明确起动流速和沙粒粒径、容重等物理力学性质的关系,从而准确确定出各种材料粒径比尺,在此基础上确定模型沙粒径级配[2]。

2.2 几何比尺

结合试验目的,在原定模型的基础上采用定床+动床的正态模型设计,模型长度比尺λL=100,压力比尺λH=100,在展开相似设计的过程中必须充分考虑推移质泥沙运动、推移质泥沙输沙率、推移质泥沙河床变形等相似条件。

综合以上分析,卵石输沙总量比尺按下式计算:λGb=λgbλBλtb,其中λB为造床流量河宽比尺;其余参数含义同前。通过以上过程所得到的推移质泥沙河床变形相似时间比尺和水工模型水流时间比尺基本一致,最终得出的流速比尺为10、流量比尺为100000、几何比尺为100、起动流速比尺10、阻力比尺为2.154、压力比尺为100、水流时间比尺为10、推移质时间比尺为10、推移质粒径比尺为100、单宽推移质输沙率比尺取1000,模型沙用量为100kg/a。

2.3 试验沙的选用

该水利枢纽坝址悬移质及卵石推移质实测资料欠缺,只能借用坝址下游D水文站实测资料展开类比分析。所得出的该水利枢纽坝址年悬移质输沙量均值为23.47×104t,按照30%的推悬比计算,则卵石推移质量为7.041×104t。建库后悬移质内部分大粒径颗粒会参与造床,且该部分颗粒在悬沙总量中的占比约为10%,故该水利枢纽建成后入库推移质量达到10×104t/a。

根据对现场取样和该水利枢纽料场砂样的综合分析,得出其卵石推移质粒配曲线,原型砂特征粒径为D50=22mm,Dmax=100mm,Dmin=1mm。结合模型比尺进行模型沙颗粒级配曲线的推求,并根据Izbash公式按基岩抗冲流速计算坝下游局部冲刷试验模拟粒径[3]。当弱化基岩抗冲流速取4.0～5.0m/s,则可计算出符合抗冲流速要求的模型沙最大粒径为10mm、最小粒径为3.26mm,粒径均值为5.63mm。据此可以绘制出下游基岩河床模型沙粒配曲线,具体见图1。

图1 河道下游基岩河床模型沙粒配曲线

结合该水利枢纽工程实际,采用天然砂展开卵石推移质和坝下游河床模型沙模拟,模型沙粒径比尺λD=λH=100。

3 施工导流围堰冲刷模拟

3.1 施工导流围堰冲刷试验

水流动量对该水利枢纽上游河床局部冲刷强度有直接影响,水流动量的大小又与流量和水头差有关。所以说该水利工程施工导流围堰局部冲刷坑平面形态受水利枢纽调度运行方式的影响较大。与推移质示踪试验一同展开围堰下游河床局部冲刷试验,每次试验均以下游河床初始地形为初始条件,且当冲坑底部纵向流速低于基岩抗冲流速且冲刷达到平衡状态时,展开冲刷区域流速分布情况和冲坑形态的观测,此后便进入下级流量冲刷试验。

根据试验结果,在流量低于4900m3/s时,围堰下游河床冲刷较弱,仅中间隔墙墙头处存在小范围扰动,其余动床区域均无冲刷扰动。进一步分析原因得知,当流量较小时,围堰混凝土护坦以下底部流速基本不超出3.0m/s,远未达到4.0～5.0m/s的基岩抗冲流速;隔墙墙头冲宽20m,冲刷长度为40～50m,冲深<2.0m,对施工导流围堰及混凝土护坦等水工建筑物无安全威胁。纵向流速并非造成隔墙墙头局部冲刷扰动的根本原因,而是隔墙方型墙头设计引发水流紊乱所致。

当流量达到9040m3/s时,施工导流围堰下游河床开始出现明显的冲刷变形,为细化分析,文章提出两组试验方案。方案1为大多数流量从底孔下泄,仅2640m3/s流量由表孔下泄;底孔下游河床冲刷明显,且冲坑为纵向长度100m的矩形,最大冲深为3.8m。方案2增大了表孔泄流量,因水流能量位于居中偏左位置,故表孔下游左侧边墙区域冲刷严重,最大冲刷长度超100m;表孔、底孔下游右侧河床冲刷均较弱;整体而言,冲刷强度从左侧冲坑向右侧冲坑依次减弱。当流量超出10400m3/s后,水流完全从施工导流围堰表孔和底孔下泄,在设计调度运行条件下,最大冲刷部位仍位于中部隔墙下游,底孔下游右侧冲刷次之,冲刷平面形态也与10400m3/s流量级一致[3]。

综合以上对不同流量水平下河床冲刷试验成果的分析,冲坑范围大致稳定于坝轴线下106m断面以上,最大冲刷部位出现在中部隔墙下游,冲深最大达6.0～8.0m;冲坑下游卵石堆积对尾水位无影响。试验成果汇总至表2。

表2 河床冲刷试验成果

根据对以上试验结果的分析,各种工况下冲坑均出现在紧接导流围堰坎后,为保证围堰建筑物安全,必须在坎后实施保护。通过与设计单位沟通协商后决定,对导流围堰下游60m处河床实施工程防护。

3.2 堰后防护冲刷

该水利枢纽施工导流围堰下游消能设计标准为50a一遇,按照设计人员的建议,应重点进行流量为4900m3/s时下游动床区冲刷程度以及基坑左岸非泄流坝段顶底孔调度运行方式对下游冲刷影响程度的分析。试验组次具体见表3。根据试验结果,当流量为4900m3/s时,上游库水位56.0m,1、3、5#底孔全开泄流,不足部分由表孔分泄,此时基坑左岸非泄流坝段底孔应3孔对称开启,下游基本无冲刷。当库水位升高至59.60m时,必须同时开启3个底孔、2个表孔或3个表孔、2个底孔。根据冲刷结果,同时开启1、2、4#底孔流态较好,下游冲刷比同时开启1、3、5#底孔时轻微。当库水位升高至64.25m时,5#表孔和5#底孔全开时顶底孔流态较好,下游冲刷面积及冲坑深度均较小。

表3 堰后防护及枢纽调度试验组次

4 结 论

综上所述,该水利枢纽施工导流围堰因与单项泄水建筑物水流模型存在较大不同,故在展开动床冲刷模拟试验时,面临模型沙相似比尺和粒径选择等问题。文章通过对围堰束窄河床段河底动水压力和水深的分析,得出围堰转角周围近底流速最大值的计算方法;还证实了围堰转角周围近底流速计算公式满足泥沙起动流速相似和泥沙运动相似要求;将局部冲刷计算公式与模型正态要求相结合,得出泥沙比尺,同时结合泥沙起动流速相似规则展开模型沙选择。结合以上分析结果,建议将施工导流围堰导沙坎平面形式调整为弧线型,匹配推移质输沙带右边界限的同时,加速导沙和排沙过程;同时将围堰下游中隔墙和边墙墙头全部调整为半圆形或流线型,起到局部水流流态改善的工程效果。