高落差水閘沖刷坑深度動(dòng)床模型試驗(yàn)

宋兵偉 ，趙 博

1.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110161

0 引 言

清河攔河閘樞紐工程位于清河主河道上，在清河水庫下游20 km處，為開西灌區(qū)渠首樞紐工程，工程的主要功能為灌溉、防洪。該工程建于1974年，經(jīng)過30多年運(yùn)行，主體結(jié)構(gòu)未進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)，由于建成后缺乏維修，多年帶病運(yùn)行。2010年汛期，開原市遭遇百年不遇的暴雨，致使攔河閘處于超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而陸續(xù)全部沖毀。

清河閘破壞最重要的原因是由于清河閘上游淤積，下游河道采砂嚴(yán)重，改變了原有河道的自然比降，致使水閘上下游河道落差過大，達(dá)4 m，宣泄超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，下游沖刷嚴(yán)重，致使水閘下游海漫嚴(yán)重破壞，進(jìn)而溯及至消力池、閘室底板相繼掏空，水閘整體失穩(wěn)破壞。

為此，設(shè)計(jì)單位根據(jù)清河閘破壞的原因，給出了清河閘應(yīng)急除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)這種高落差水閘的工作條件，并提出了跌坎式消能工的消能方案，并且提出下游海漫采用雷諾護(hù)墊護(hù)底，消力池末端采用齒墻用于防止淘刷，齒墻深度根據(jù)模型試驗(yàn)和理論計(jì)算綜合確定的防沖刷方案。為了進(jìn)一步完善和確認(rèn)高落差水閘的設(shè)計(jì)方案成果，驗(yàn)證高落差水閘的下游沖刷坑深度，避免重蹈原清河閘自下游向上游破壞的覆轍，進(jìn)行了高落差水閘沖刷坑深度動(dòng)床模型試驗(yàn)，通過理論結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，看出理論結(jié)果和實(shí)踐結(jié)果吻合相對(duì)較好，進(jìn)而得出用足夠深的消力池防淘齒墻來防止沖刷的設(shè)計(jì)方案是合適的，

1 水閘的規(guī)模與整體布置

1.1 水閘規(guī)模

清河閘除險(xiǎn)加固工程等別為II等，規(guī)模為大（2）型，由于清河閘的主要功能為灌溉、防洪，下游為農(nóng)村段，經(jīng)論證失事后造成損失不大，因此建筑物級(jí)別確定為3級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)，50年一遇校核。清河閘設(shè)計(jì)流量為3232 m3/s，相應(yīng)下游洪水位為76.93 m；校核流量為4594 m3/s，相應(yīng)下游洪水位為78.03 m，海漫末端防沖槽頂高程為72 m。

1.2 水閘上下游布置

清河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案在原址拆除重建，分別布置有水平鋪蓋、閘室段、消力池、海漫、拋石防沖槽段，全長(zhǎng)共計(jì)99.5 m，整個(gè)閘室總寬度為344.14 m，全閘36孔，每孔凈寬8 m，兩孔一聯(lián)，共18聯(lián)，中墩寬度為1.3 m，縫墩寬度為1.82 m，縫內(nèi)設(shè)瀝青木板伸縮縫，橡膠止水，縫寬0.02 m，每聯(lián)寬度為19.12 m。閘門為平板鋼閘門，寬度為8 m，高度為3.5 m，啟閉機(jī)采用手電兩用雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。具體平面和縱剖面布置如圖1，2所示。該水閘的主要特點(diǎn)為上下游落差大，閘室設(shè)計(jì)高程為76.00 m，下游海漫頂高程為72.00 m，高差為4 m。

圖1 水閘總平面布置圖（單位：m）

2 水工模型試驗(yàn)方案

2.1 概 述

清河閘模型試驗(yàn)在遼寧省水工程試驗(yàn)研究中心完成，斷面模型試驗(yàn)在寬1 m，長(zhǎng)40 m的復(fù)合玻璃水槽中進(jìn)行。此次動(dòng)床試驗(yàn)?zāi)M的是在消力池下游海漫表層的雷諾護(hù)墊被洪水沖毀，天然河床裸露的情形下，各特征流量對(duì)河床的沖刷情況。本次動(dòng)床模型試驗(yàn)主要內(nèi)容為，測(cè)定校核洪水（2%）、設(shè)計(jì)洪水（5%）時(shí)消力池末端沖刷坑深度。試驗(yàn)組次2組；其次本次試驗(yàn)也研究了閘孔出流時(shí)沖刷坑的沖刷形態(tài)。

2.2 模型的設(shè)計(jì)和制作

1）比尺的確定

斷面模型試驗(yàn)分別在寬1.0 m，長(zhǎng)40 m的復(fù)合玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行綜合考慮模型流量和模型寬度，經(jīng)方案比較，確定長(zhǎng)度比尺采用1:40。其它相關(guān)比尺見表1。

表1 斷面模型試驗(yàn)相關(guān)比尺

2）模型布置

水閘斷面模型試驗(yàn)，選擇4孔進(jìn)行研究。

模型寬度=4孔凈寬+2邊孔寬+2中孔寬=（ 8×4+1.3×2+1.8×2）/40=0.955 m；

模型有效長(zhǎng)度=閘室+消力池+海漫+防沖槽=（11.5+23+28.5+14.55）/40=1.939 m；

模型設(shè)計(jì)洪水流量 Q=（ 3232 m3/s/9）/λQ=0.0355 m3/s；

模型校核洪水流量 Q=(4593 m3/s/9)/λQ=0.0504 m3/s；

3）中值粒徑

動(dòng)床斷面模型試驗(yàn)在原定床模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行，沖坑段布置在消力池后，依據(jù)工程地勘資料成果確定模型砂中值粒徑為0.12 mm。

3 理論與試驗(yàn)結(jié)果比較

3.1 沖刷深度理論計(jì)算結(jié)果

消力池末端的河床沖刷深度，公式如下：

式中：dm為閘后消力池末端河床沖刷深度，m；qm為閘后消力池末端單寬流量，m2/s；v0為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm為閘后消力池末端河床水深，m。

圖2 水閘縱剖面布置圖（單位：m）

v0的計(jì)算與河床土質(zhì)的粒徑和河道的水力半徑有關(guān)。由于下游水深＞3.0 m，所以取允許不沖流速為0.7～0.8 m/s，此值的選取按照水力半徑R=1.0 m時(shí)計(jì)算，當(dāng)水力半徑不等于1.0 m時(shí)，應(yīng)該再乘以 Rα，α 的值采用 1/3～1/5。

直接利用規(guī)范中沖刷深度公式的計(jì)算方法，是不考慮洪水的行進(jìn)過程，認(rèn)為洪水來時(shí)，沖坑一下形成，這種計(jì)算是最不利的情況，即洪水一發(fā)生下游沖坑就被沖到最極限。但是河道上發(fā)生洪水時(shí)，洪水峰值是一個(gè)逐步增加的過程，下游的沖刷坑深度也是在慢慢的增加，隨著沖刷坑深度的增加，坑中的水深在增加，河床質(zhì)的啟動(dòng)流速也在增加。沖刷坑的最終合理深度應(yīng)是在洪水逐步加深沖刷坑的情況下發(fā)生的，因此應(yīng)該采用迭代或試算法來計(jì)算。即先假設(shè)形成一定深度的坑，根據(jù)此深度計(jì)算水力半徑，然后根據(jù)計(jì)算的水力半徑修正允許的不沖流速，進(jìn)而求出沖刷深度。如果計(jì)算所得的沖刷深度與假定深度相等，則為最終的沖刷深度。

根據(jù)上述方法，可得設(shè)計(jì)和校核工況下計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 設(shè)計(jì)和校核工況下沖刷深度計(jì)算結(jié)果

3.2 沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動(dòng)床模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)工況下，上下游水位差2.69 m。此時(shí)試驗(yàn)得到消力池后的最大沖刷深度t為4.3 m，發(fā)生在距消力池末端L=20 m處，沖刷影響范圍為消力池后52 m范圍，超出了下游海漫和防沖槽的防護(hù)總長(zhǎng)度，沖刷坑后坡i=t/L=1/4.65。

而校核工況下，上下游水位差2.55 m。此時(shí)動(dòng)床試驗(yàn)得到的消力池后的最大沖坑深t=4.33 m，發(fā)生在消力池末端L=24 m處，沖刷影響范圍也為消力池后52 m范圍，亦超出了下游海漫和防沖槽的防護(hù)總長(zhǎng)度，沖刷坑后坡i=4.33/24=1/5.54。

試驗(yàn)中在消力池后每4 m布置一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，得到?jīng)_刷坑的相關(guān)數(shù)據(jù)，整理后形成沖刷坑的等值線地形圖和三維圖。

根據(jù)校核工況時(shí)沖刷深度，計(jì)算值最大為3.79 m，試驗(yàn)值則為4.33 m，比計(jì)算值大0.54 m，設(shè)計(jì)工況下沖刷深度計(jì)算值最大為2.56 m，試驗(yàn)值則為4.30 m。因此設(shè)計(jì)方案采用了兩種措施來減少?zèng)_刷：海漫及防沖槽段采用雷諾護(hù)墊防止淘刷，防沖槽內(nèi)采用拋石處理，深度為2.5 m；最重要的措施是在消力池末端設(shè)置8 m深防淘齒墻，用于防止海漫破壞后，進(jìn)而向上游繼續(xù)破壞消力池及整個(gè)水閘。

4 結(jié) 論

以遼寧省開原市大型水閘清河閘為例，對(duì)高落差水閘的沖刷坑深度進(jìn)行了動(dòng)床模型試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比得出以下主要結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)流量和校核流量下最大沖刷深度均大于設(shè)計(jì)值，但小于設(shè)計(jì)的消力池齒墻深度，并且沖刷坑反坡比在安全范圍內(nèi)，沖刷不會(huì)對(duì)主體建筑物構(gòu)成威脅，滿足安全要求。進(jìn)而得出用足夠深的防淘齒墻來防止沖刷的設(shè)計(jì)方案是合適的。

2）沖刷深度計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮沖坑的逐步形成過程，從而得出相對(duì)合理的沖刷深度計(jì)算結(jié)果。

［1］宋兵偉，賀清錄，潘紹財(cái).高落差水閘消能工優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（ 11）：126-128，215.

［2］中華人民共和國水利部.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［3］羅小平.水閘閘后沖刷深度計(jì)算的初步分析［J］.中國水運(yùn)，2008，8（ 2）：124-125.