水閘下泄流量變化對下游河床的影響研究

高栩昕

(懷集縣馬寧鎮(zhèn)農(nóng)林水綜合服務(wù)站,廣東 懷集 526454)

0 引言

擋水結(jié)構(gòu)是水利工程中控制和調(diào)節(jié)水量的常用和重要水工結(jié)構(gòu)之一,廣泛用于各類大壩工程中[1-3]。然而,由于大壩下游受水庫的調(diào)節(jié)作用,季節(jié)性放水會導(dǎo)致?lián)跛Y(jié)構(gòu)下游河床受到流水侵蝕作用(下切),河床下降,從而引起泥沙淤積,嚴重影響水庫的功能使用。因此,研究下游河床形態(tài)變化具有重要意義。

當前,國內(nèi)學(xué)者通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬方法對河床侵蝕進行了相關(guān)研究。孟翠翠[4]運用新的數(shù)值模型SRH-2D來模擬沖積河流中的垂直和側(cè)向聯(lián)合侵蝕,創(chuàng)新性地將地質(zhì)河流模型與基巖侵蝕模型耦合,以預(yù)測沖積侵蝕和基巖侵蝕;衛(wèi)云巍[5]結(jié)合室內(nèi)水槽實驗與數(shù)值水槽實驗,研究漫頂潰決水流在下游河床上的侵蝕挾沙特性;王學(xué)棟[6]介紹了伴隨坡度變化、河床束窄區(qū)域及壩系工程的泥沙堆積過程;范愛民[7]基于Fluent軟件中的動網(wǎng)格技術(shù),建立了局部河床沖刷數(shù)值模型,研究了當卡水電站下游局部沖刷坑的沖刷過程;夏厚興等[8]以漳州市龍海區(qū)西溪水閘除險加固工程為例,建立水閘整體水工模型進行閘下沖刷試驗;劉順東[9]以某閘壩工程為例,采用數(shù)值模擬手段,模擬了閘門開啟到形成穩(wěn)定淹沒水躍的過程,分析了下泄流量、下游水深等對水躍長度、下游流速的影響。

通過對以上文獻分析可知,當前的研究少有聚焦擋水結(jié)構(gòu)類型對河床下游侵蝕深度的影響。因此,本文通過室內(nèi)試驗,研究不同水流流量參數(shù)下,堰結(jié)構(gòu)和水閘結(jié)構(gòu)對河床下游侵蝕深度的影響。

1 工程概況

本次研究的河流壩址以上河長53.18 km,主河道比降1.55‰;水庫壩址區(qū)間流域面積132.8 km2,河長25.99 km,主河道比降約1.216‰。工程區(qū)位于低山丘陵區(qū),地勢高低不平,起伏較大,河谷多巖石裸露,場區(qū)內(nèi)孔隙含水層分布于河流左岸階地及河床砂卵礫石覆蓋層中。上游及上閘首以下 120 m 段發(fā)育粘性土層滲透性較差,形成相對隔水層;其余地段卵石土層地下水位隨河水位呈季節(jié)性變化,主要受大氣降水補給?；鶐r巖溶裂隙含水層廣泛分布于河床及兩岸松散覆蓋層之下,主要由石磴子組灰?guī)r組成,其透水性主要決定于基巖內(nèi)巖溶、裂隙的發(fā)育程度及其連通性。一般在基巖面附近、巖溶發(fā)育區(qū)、裂隙發(fā)育帶附近透水性較大。

2 試驗參數(shù)分析

本次進行河床沉積物采樣時,先分析了適當數(shù)量的采樣點,最后決定在主要的河流入湖處進行采樣,該處的沉積物處于河流湍急處,最具代表性。采樣時間一般與湖水的采樣時間相一致,另外,季節(jié)的變化與溫度的變化十分相關(guān),雖然水溫的變化比氣溫的變化要小,但不同季節(jié)湖泊中的水溫會影響沉積物成分的變化。本次選擇夏季進行采樣,因為本研究區(qū)域夏季雨量大,研究此時土的沖刷運移具有較大意義。取樣完成后進行模型搭建。

圖1給出了影響水閘下游局部沖刷的參數(shù)圖解。根據(jù)文獻分析可知,下游沖刷深度hs的最大深度取決于5個因素：(1)與通道幾何形狀相關(guān)的參數(shù)：通道寬度(B);(2)與幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)：閘門頂部和河床底部之間的垂直距離(w)、閘門開口高度(a)和閘門頂部水頭(y);(3)與河床沉積物相關(guān)的參數(shù)：顆粒的直徑(d50)、沉積物密度(ρs)和河床坡度(S0);(4)與流體性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)：流體密度(ρw)、動態(tài)粘度(μ)、引力的加速度(g);(5)與行近水流有關(guān)的參數(shù)：上游水流深度(hu),流量(Q)和平均流速(U)。

圖1 影響水閘下游局部沖刷的參數(shù)圖解

3 試驗設(shè)置

本次室內(nèi)試驗裝置高度3.7 m,寬0.12 m,河床深0.17 m,河床坡度S0為0.000 1。河床物質(zhì)由均勻的沉積物組成,砂層表面用平板適當平整分布在儀器托架上。沉積物平均尺寸1.5 mm,擋水設(shè)施安裝在距離水流入口1.4 m的位置。水槽首先是慢慢地注滿水,直到泵啟動后達到所需的流速,然后,調(diào)整尾門以達到合適的水流深度,直到達到預(yù)期的效果平衡條件。為了找出需要達到平衡狀態(tài)的時間,即最大沖刷深度幾乎不變的時間點,所有測試試驗進行了6 h。圖2給出了Q=0.82 L/s,w=3 cm時的最大沖刷深度隨時間的變化。如圖2所示,幾乎90%的最大沖刷深度超過了120 min。在每個試驗結(jié)束時,排水緩慢,河床地形用數(shù)字點檢儀測量。試驗分三個階段進行,測試對象為堰結(jié)構(gòu)、閘門結(jié)構(gòu)和二者結(jié)構(gòu)組合實驗。

圖2 最大沖刷深度隨時間的變化

4 試驗結(jié)果分析

4.1 堰結(jié)構(gòu)下河床侵蝕變化

此次使用4種不同堰高(w=2、3、4、5 cm)和4種不同弗勞德數(shù)進行了一系列試驗。在試驗中,使用了不同高度的堰結(jié)構(gòu)及不同的流量條件,這兩個因素對河床侵蝕產(chǎn)生了顯著影響。堰高(w)是結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵參數(shù),決定了水流通過堰結(jié)構(gòu)的通道寬度。堰高的增加會導(dǎo)致更大的流通面積,從而增加了水流的速度。另一方面,弗勞德數(shù)(Fr)是流體力學(xué)中一個重要的無因次數(shù),與流體密度、流速和引力加速度相關(guān)。通過增加流量,可以增加弗勞德數(shù)。這兩個因素共同影響了河床侵蝕的深度。圖3給出了河床沖刷和堰結(jié)構(gòu)下游水流流型的概念模型。河床的局部沖刷主要發(fā)生在堰結(jié)構(gòu)下游。在河床下切的作用下,水流形成了沖刷坑,而沖刷坑下游則形成了泥沙的堆積。這個過程中,一部分水流沿著坡度方向繼續(xù)流動,帶動顆粒,而另一部分水流會回流形成卷流。這種沖刷和堆積過程構(gòu)成了河床侵蝕的基本形態(tài)。圖4說明了弗勞德數(shù)(Fr)與堰高與閘門頂部水頭的比例(w/y)對下游沖刷深度(hs)與上游水流深度(hu)之比(hs/hu)的影響。研究結(jié)果顯示,對于給定的弗勞德數(shù),當w/y增加時,hs/hu的比率也隨之增加。這表明隨著堰高相對于水頭的增加,河床的侵蝕深度也增加。而通過增加弗勞德數(shù),也會增加最大的沖刷深度。這些結(jié)果揭示了堰結(jié)構(gòu)下河床侵蝕中堰高和流量條件是關(guān)鍵參數(shù),決定了水流的速度和流通面積,從而影響了河床侵蝕的深度和形態(tài)。

圖3 河床沖刷和堰結(jié)構(gòu)下游水流流型的模型

4.2 水閘結(jié)構(gòu)下河床侵蝕變化

圖5給出了河床沖刷和水閘結(jié)構(gòu)下游水流流型的概念模型,水流參數(shù)沿用上次試驗的參數(shù)。由圖5可知,上拉式水閘結(jié)構(gòu)下,下游河床侵蝕高度明顯降低,這是由于下游水流流動方向幾乎與河床平行,水流的推力對泥沙的推動作用不大,因此,閘門結(jié)構(gòu)的下游沖刷小于堰結(jié)構(gòu)下游沖刷深度。圖6給出了不同弗勞德數(shù)下下游沖刷深度hs與上游水流深度hu之比相對于a/hu(閘門開口高度a與上游水流深度hu之比)的變化規(guī)律。由圖6可知,當弗勞德數(shù)Fr位于0.075和0.085之間時,出現(xiàn)了最大沖刷深度,此時a/hu等于0.125。由以上結(jié)果可以得出,水閘結(jié)構(gòu)的存在改變了水流的流動方式,使其在通過水閘后的下游流向與河床幾乎平行。這種水流流動方式減小了水流對河床泥沙的推動作用,從而降低了河床的侵蝕深度。而最大的沖刷深度出現(xiàn)在特定的弗勞德數(shù)范圍內(nèi),這可能與水流速度、流體密度和引力加速度的相互關(guān)系以及閘門開口高度的比例有關(guān)。

圖5 河床沖刷和水閘結(jié)構(gòu)下游水流流型的概念模型

圖6 不同弗勞德數(shù)下hs/hu相對于a/hu變化規(guī)律

4.3 水閘與堰結(jié)構(gòu)組合下河床侵蝕變化

圖7給出了河床沖刷和兩種結(jié)構(gòu)組合下下游水流流型的概念模型,弗勞德數(shù)為兩種,分別為0.1和0.13。由圖可知,兩種結(jié)構(gòu)的組合下,下游河床侵蝕高度相比水閘結(jié)構(gòu)明顯增大,形成圓弧形下切形狀,端口切線與水平呈30°左右。但相比堰結(jié)構(gòu)下的侵蝕面,此時的侵蝕面更淺,且河床侵蝕后形成的堆積體的坡度更陡。圖8給出了不同弗勞德數(shù)下下游沖刷深度hs與上游水流深度hu之比相對于w/a(閘門頂部和河床底部之間的垂直距離與閘門開口高度之比)的變化規(guī)律。由圖可知,同一w/a比值之下,弗勞德數(shù)Fr越大,河流沖刷深度越深,但沖刷深度隨著w/a之比增大而減小。這些結(jié)果反映了兩種不同結(jié)構(gòu)組合下的河床沖刷機理。組合結(jié)構(gòu)(水閘和堰結(jié)構(gòu))導(dǎo)致下游河床侵蝕高度增加,形成圓弧形下切形狀,因為兩種結(jié)構(gòu)的作用相互疊加,增強了侵蝕效應(yīng)。此時,侵蝕面相對較淺,但堆積體的坡度更陡。同時,弗勞德數(shù)越大,河流的沖刷深度越大,這是因為較大的弗勞德數(shù)意味著更高的流速和流動能量,導(dǎo)致更深的侵蝕。然而,當w/a之比增加時,河流的沖刷深度減小,這可能是因為較大的w/a之比減小了垂直距離與開口高度之間的比例,從而減小了侵蝕深度。

圖7 河床沖刷和兩種結(jié)構(gòu)組合下下游水流流型的概念模型

圖8 不同弗勞德數(shù)下hs/hu之比相對于w/a變化規(guī)律

5 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗,研究了不同水流流量參數(shù)下,堰結(jié)構(gòu)和水閘結(jié)構(gòu)對河床下游侵蝕深度的影響,研究結(jié)果表明,堰結(jié)構(gòu)下河床的局部沖刷主要形成于結(jié)構(gòu)物下游,呈下切狀;上拉式水閘結(jié)構(gòu)下,下游河床侵蝕高度明顯降低,下游水流流動方向幾乎與河床平行。而對于水閘與堰結(jié)構(gòu)組合下,下游河床侵蝕高度相比水閘結(jié)構(gòu)明顯增大,形成圓弧形下切形狀,但相比堰結(jié)構(gòu)下的侵蝕面,此時的侵蝕面更淺,且河床侵蝕后形成的堆積體的坡度更陡。此外,對于給定的弗勞德數(shù),堰結(jié)構(gòu)下當w/y增加時,hs/hu的比率增加,通過增加弗勞德數(shù),最大沖刷深度也會增加,水閘與堰結(jié)構(gòu)組合下河床侵蝕也出現(xiàn)類似規(guī)律。然而對于水閘結(jié)構(gòu),當弗勞德數(shù)Fr位于0.075和0.085之間時,出現(xiàn)了最大沖刷深度。