闸后两种消能型式的试验对比研究

杨 玲， 孙 娟， 戚印鑫

(新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049)

1 研究背景

目前在新疆地区的引水枢纽工程中，闸后消能防冲型式大多数采用斜护坦+深隔墙的型式或裙板消能型式[1-4]。20世纪60-80年代，受水下施工技术的制约，深隔墙的埋设深度不能满足冲刷坑深度的要求，就采用长护坦，将冲刷坑外移，远离闸室，长护坦的使用，对保持下泄水流平顺，减轻下游泥沙淤积都有良好的作用，90年代受泥沙磨损问题的困扰，加之水下建筑物施工工艺的提高和完善，越来越多的工程倾向于选择使用短护坦，甚至无护坦的形式。

防冲裙板是将防冲板与防冲墙的结合的消能方式，它将入射水流分散，扩大入水面积，减少了河床单位面积上的冲击荷载，从而减轻了水流对河床的冲刷，同时利用产生的负漩滚将河床质回淤至防冲墙处，从而可防止基础被淘刷。1958年在新疆尝试运用，此后，科技人员一直在不断进行探索研究。陈树林等通过室内模型试验对防冲裙板消能形式进行了理论分析，确定了设计原则和方法。工程实践证明，防冲裙板是多沙河流软基上一种行之有效的消能防冲形式，在新疆大中型引水枢纽中[5]，近1/3工程采用了该形式。随着施工工艺的革新，防冲裙板的设计理念和材料使用都发生了变化。设计理念上不再重视利用“负漩滚”回淤河床质以保护防冲墙的功能，而是采用尽可能下深防冲墙及防冲墙下游抛填大卵石、铅丝笼等措施来解决基础淘刷问题，裙板仅保留分散水流，使冲刷坑外移的作用，结构设计大为简化。

但实际工程运行后这两种消能型式消能效果哪一种更好，差异如何，各自的优劣势等问题目前研究很少。基于此，本文通过塔尔朗渠首模型试验[6]，针对以上两种消能型式的消能效果进行了对比研究，可以为今后此类工程设计提供参考依据。

2 渠首工程概况

2.1 工程概况

塔尔朗渠首采用全拦河闸方案，利用地形条件，将引水闸布置在河道左岸。引水闸1孔净宽3 m，泄洪冲砂闸3孔单孔净宽7 m。护坦长160 m，宽度为23.4 m，与泄洪冲砂闸闸室同宽，护坦坡度为3.2%。平面布置图见图1。

图1 塔尔朗引水渠首工程平面布置图

2.2 水文(洪水)特征

本次试验主要研究渠首在通过大流量时的下游河床淘刷深度及位置，包括P=10%流量为192 m3/s、P=5%流量为282 m3/s(设计流量)、P=2%流量为410.0 m3/s(校核流量)[7]。以上运行状态下引水闸关闭。水文特征参数见表1。

表1 水文(洪水)特征参数

3 消能型式基础尺寸设计

3.1 斜护坦长度的确定

斜护坦+深隔墙的结构形式是根据“海漫+防冲槽”的结构特征及消能防冲原理演化而来[1]，因此斜护坦长度的确定参照海漫长度的计算公式。海漫的长度主要是由消能后的水能大小以及河床土质的抗冲能力决定的[8]。目前海漫长度Lp计算公式有以下两种：

(1)估算方法[9]：

Lp=(8.5～12.5)ht

(1)

式中：ht为下游水深，m。

(2)由南京水利科学研究院提出的经验公式[10]：

Lp=Ks(qs(ΔH＇)1/2)1/2

(2)

式中:qs为消力池末端单宽流量，m3/(m·s)；ΔH＇为闸孔泄水时的上、下游水位差，m；Ks为海漫长度计算系数。若河床土质为细砂及砂壤土时，Ks=10～12；若河床土质为粗砂及黏性土壤时，Ks=8～9；若河床土质为硬黏土时，Ks=6～7。

两种公式计算成果详见表2。

表2 护坦长度计算表

两种公式得出的数值相差较大，公式(1)得出护坦长度最大值为41.88 m；公式(2)得出护坦长度最大值为85.39 m。结合塔尔郎渠首地形条件，考虑到与上下游河道平顺连接，斜护坦长度取160 m。

3.2 冲刷深度的确定[11-12]

冲刷深度的设计，根据不同的消能防冲形式，采用不同的经验公式计算。

3.2.1 海漫末端河床冲刷深度 河床冲刷深度计算公式[10]：

dm=1.1qm/V0-hm

(3)

式中：dm为闸后海漫末端河床冲刷深度，m；qm为闸后海漫末端单宽流量，m3/(m·s)；V0为河床土质允许不冲流速，m/s；hm为闸后海漫末端河床水深，m。

设计、校核流量河床冲刷深度计算成果见表3。

表3 冲刷深度计算表

3.2.2 裙板下游冲刷深度 新疆水科院通过模型试验，对裙板消能的水力特性和冲刷规律进行了分析和研究，提出不同衔接流态下下游冲刷坑深度的经验公式[13]：

(1)底流衔接冲刷深度：

T/E0=0.445K0.336(d50/E0)-0.156

(4)

(2)面流衔接冲刷深度：

T/E0=0.682-0.314(K-0.15)0.2-

2.998(d50/E0)

(5)

式中：E0为闸前总水头，对本工程，取上游水位与闸后护坦末端高程之差，m；d50为下游河床质的中值粒径，m，对本工程取d50=0.03 m；T为从护坦末端高程算起的最大冲深，m；K为流能比，K=q/(g0.5·E1.5)；q为单宽流量，m3/(m·s)；g=9.81 m/s2。

流态判别式为K′=0.644(ht/E0)-0.074，当K>K′，为面流衔接； 当K

冲刷深度计算成果见表4。

表4 裙板下游局部冲刷深度计算表

通过公式(3)、(5)两种计算结果得出最大冲刷深度T=7.76 m。为了便于试验研究，模型设计中冲刷深度取11 m。

3.3 裙板长度的确定

裙板长度采用挑流消能中水舌挑射距离公式来估算[9]：

(6)

式中：φ= (1-0.055/K0.5)1/3；K=q/(g0.5E1.5)；s1=上游水位高程-鼻坎高程，m；z=上游水位高程-下游水位高程，m；t=下游水位高程-下游河床高程，m；E=上游水位高程-下游河床高程，m。

其中裙板角度参考新疆已建工程经验，确定裙板坡度为1∶10，即角度θ为5.71°。

当Q设=282 m3/s时，L=7.46 m；当Q校=410 m3/s时，L=8.19 m。

由此可以看出裙板长度L应小于8 m，新疆已建工程裙板长度一般在3～6 m，此次选取L=4、5、6 m分别进行分析研究。

3.4 裙板结构的确定

综合以上计算成果，参照已建工程[5]确定裙板坡度为1∶10，采用长短齿交替布置方式，长齿长度分别取4、5、6 m，短齿长度取长齿的2/3，齿间距为6 cm，裙板起始高程低于护坦末端高程30 cm，裙板与护坦末端之间的间隙为30 cm，设计隔墙深为11 m。裙板结构详见图2。

图2 裙板结构图

4 模型设计与制作

按照重力相似准则，由最小水深控制模型比尺，确定模型比尺为1∶30[14-17]。

为了真实地反映河道的输砂、淤积形态及泄洪冲砂闸的排砂效果，河道采用定床和动床两部分模拟。岸坡采用定床，用水泥砂浆制作；上、下游河道地形采用动床形式，用模型沙模拟，定床与动床均按照1∶1000地形图精确模拟。

裙板采用直径6 mm的钢筋进行制作。

由于原型泥沙为推移质，颗粒很粗，根据模型试验的理论和方法，模型沙可以采用比重与原型沙比重相同而仅粒径缩小的天然沙。原型及模型沙颗粒级配曲线见图3。

图3 原型及模型沙颗粒级配曲线

5 结果与分析

5.1 试验工况及历时

按照选取的3种频率下的流量，在3孔泄洪闸全开，引水闸关闭的情况下，洪水历时根据洪水过程线选取1 h进行冲刷试验。

5.2 斜护坦+深齿墙方案试验成果

5.2.1 各工况闸后流速分布情况 试验测试的泄洪闸闸后不同断面、不同位置的流速分布情况见表5。由表5可知：

(1)设计和校核流量下，护坦内流速表现为中间流速大于边缘流速；由于主流靠右岸，左岸边缘流速小于右岸边缘流速，护坦内整体水流有折冲现象，水面波动。

(2)192 m3/s流量时，闸后流速从左至右逐渐增大。护坦内整体折冲水流明显，水面出现折线波。

5.2.2 各工况护坦末端冲刷情况 不同工况的试验结果表明：校核流量情况下，护坦末端冲刷坑深度最大。最大冲坑深度为8.01 m，最大冲深距护坦末端的水平距离为25 m。护坦下游冲刷情况见表6，冲刷地形见图4～6。

表5 各工况泄洪闸闸后流速表 m/s

5.3 裙板消能方案试验成果

试验针对4、5、6 m 3种裙板长度、3种不同的流量进行正交试验。试验组数共计9组。

5.3.1 各工况闸后流速分布情况 护坦上的流速与斜护坦+深齿墙试验成果一致。主要研究护坦下游流速分布情况，通过试验发现，通过裙板消能，入池流速明显降低。不同频率下，入池流态变化明显。详见表7。

5.3.2 各工况裙板末端冲刷情况 不同工况的试验结果表明：校核流量情况下，裙板末端冲刷坑深度最大。其中4m裙板最大冲坑深度为8.83m，距离护坦末端的最远水平距离为26 m；5m裙板最大冲坑深度为8.60 m，距离护坦末端的最远水平距离为27 m；6 m裙板最大冲坑深度为8.26 m，距离护坦末端的最远水平距离为30 m。护坦下游冲刷情况见表8，校核流量冲刷地形见图7～9。

图4斜护坦方案P=2%下游冲刷图图5斜护坦方案P=5%下游冲刷图图6斜护坦方案P=10%下游冲刷图

表7 不同长度裙板消能各工况流速表 m/s

表8 裙板消能方案各试验工况护坦下游冲刷情况表

5.4 两种消能方案消能效果对比分析

通过试验对比，斜护坦方案冲坑深度小于裙板方案，相同试验工况下，斜护坦方案最大冲刷坑深度与6 m长度裙板方案较为接近。比较两种方案冲刷坑距离齿墙的位置，则裙板方案优于斜护坦方案。详见表9、10。

图7 4m裙板P=2%下游冲刷图图8 5m裙板P=2%下游冲刷图图9 6m裙板P=2%下游冲刷图

表9 两种消能型式冲坑深度表

表10 护坦末端至最大冲坑水平距离汇总表

6 结 论

通过以上12组试验，对两种不同的消能型式进行对比分析，得出如下规律：

(1)渠首为校核流量时，两种消能型式的下游冲刷深度均为最大，斜护坦消能型式的冲坑深度小于裙板消能型式。在冲刷坑距离齿墙末端的长度测试中，裙板型式比斜护坦距离小。

(2)6 m裙板长度的冲刷深度与斜护坦消能型式冲刷深度接近，校核洪水时两者冲坑深度分别为8.26和8.01 m。

(3)裙板消能型式冲坑最深处距齿墙的距离均大于斜护坦+深齿墙的消能型式，即裙板消能型式能够更好地保护齿墙不被淘刷，从而提高齿墙的安全性能。