草街航電樞紐下游河床沖淤變形分析

程錫章，程昌華，趙世強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.西南水運(yùn)科學(xué)研究所，重 慶 400058)

草街航電樞紐下游河床沖淤變形分析

程錫章1，程昌華1，趙世強(qiáng)2

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.西南水運(yùn)科學(xué)研究所，重 慶 400058)

結(jié)合嘉陵江草街航電樞紐模型試驗(yàn)，研究樞紐下游局部沖刷對(duì)河床變形帶來的影響，初步分析了樞紐建成后下游河床沖淤變化機(jī)理，從而有利于預(yù)測(cè)樞紐建成后下游河床沖淤變形趨勢(shì)。

航電樞紐;下游河床;沖淤變形

草街航電樞紐工程位于嘉陵江干流合川到河口段，是渠化梯級(jí)開發(fā)自下而上的第2級(jí)。工程在合川區(qū)草街鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址下游距嘉陵江河口重慶朝天門約68 km，上游距合川區(qū)約27 km。草街航電樞紐工程是一座以航運(yùn)、發(fā)電為主，兼具旅游和灌溉等綜合效益的樞紐工程，電站裝設(shè)4臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)容量為500 MW［1］，樞紐建筑物主要由泄洪閘、沖砂閘、船閘、河床式電站廠房等組成。

根據(jù)選定壩址的地質(zhì)條件和地形條件，考慮樞紐建筑物的特點(diǎn)和各種綜合因素，設(shè)計(jì)單位擬定了3個(gè)樞紐布置方案即:①左廠房、左船閘方案;②左船閘、右廠房方案;③左廠房、右船閘方案。綜合樞紐河段地形、地質(zhì)、施工難易及投資等多種因素，在工程可行性研究報(bào)告審查意見中，推薦采用方案一即左船閘、左廠房為初步設(shè)計(jì)方案。本階段水工模型試驗(yàn)亦以該方案作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)。該方案主要建筑物由船閘，電廠和泄水閘等組成，從左至右依次為船閘、電站主副廠房、沖砂閘、泄洪閘、固定壩段等建筑物。

1 局部動(dòng)床模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)為了能夠合理反映消力池下游河床在水流作用下的沖刷情況，根據(jù)對(duì)前階段定床情況下閘下游消能成果的分析，初步確定動(dòng)床范圍包括沖沙閘下游，電廠及泄洪閘下游河段，長(zhǎng)5.5 m，橫向最大寬6.5 m，有效面積大約36 m2(相當(dāng)于原型長(zhǎng)520 m，寬440 m，面積約23萬m2)這個(gè)范圍能夠完全包絡(luò)樞紐不同運(yùn)行工況下閘下游可能的沖淤情況。電廠尾水池下游開挖平臺(tái)高程為175.50 m，由樞紐下游地質(zhì)情況可知:在泄洪閘右5孔下游及電廠尾水池下游均由山體巖石開挖而成，開挖平臺(tái)高程為178.00 m。

在樞紐中部，泄水建筑物5孔沖砂閘及10孔泄洪閘下游河床，其頂面有沙卵石覆蓋層，層厚一般為1～3 m，局部為4～7 m，其下層為砂質(zhì)黏土巖夾長(zhǎng)石細(xì)砂巖、粉砂巖組成。因此，模型沖料設(shè)計(jì)按上述二層要求設(shè)計(jì)。

河床沙卵石組成見圖1。

圖1 草街航電樞紐工程布置方案總圖Fig 1 Master plan layout of Cao－Jie Hydropower Junction Project

原型河床沙卵石 D90=140 mm，D50=44 mm，D25=16 mm，其比重為 γSP=2.65 t/m3，干容重為 γOP=1.8 t/m3。沙卵石層模型沖料選用中梁山精煤加工，泥沙粒徑比尺:λd=9.55。

由粒徑比尺可求出模型河床質(zhì)組成特征值:

由河床質(zhì)級(jí)配曲線選配模型沖料，鑒于細(xì)顆粒泥沙在沖刷中的作用較小，因此，在泥沙級(jí)配中重點(diǎn)保證D50相似。

草街樞紐河段沙卵石覆蓋層較淺，沙卵石抗沖流速低，在沖刷初始階段將會(huì)很快被沖刷光，下層基巖將暴露處于受沖部位，因此，在沖刷模擬中巖石沖刷必需加以考慮。巖石沖刷機(jī)理較為復(fù)雜，模擬方法一般以巖石抗沖流速為標(biāo)準(zhǔn)，采用散粒體法進(jìn)行模擬試驗(yàn)［2］。

基巖的沖刷材料采用當(dāng)量粒徑法［3］，計(jì)算出散粒體粒徑，用礫石進(jìn)行模擬，散粒體粒徑可用式(1)進(jìn)行換算:

式中:V抗為基巖的抗沖流速;K為系數(shù)(一般為5～7，本處取為6);dp為當(dāng)量粒徑，m。

將V抗、K值代入式(1)求得散粒體當(dāng)量粒徑dp，換算成模型砂料平均粒徑dm:

模型砂料采用 γs=2.65 t/m3，γ =1.80 t/m3，中值粒經(jīng)為0.005 6 m礫石。

1.2 試驗(yàn)方法與條件

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用專用管道向閘下游河床充水，直至動(dòng)床模型砂浸泡密實(shí)，且尾水基本達(dá)到設(shè)計(jì)尾水位之后，再開啟閘門，正式進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，每次沖刷模型的時(shí)間控制在2.5 ～3.5 h(相當(dāng)于原型22.4 ～31.3 h)，沖坑深度達(dá)到90%以上，至接近穩(wěn)定沖深。局部沖刷試驗(yàn)條件采用閘下消能試驗(yàn)，選用的流量級(jí)和閘門開啟方式試驗(yàn)的相同條件進(jìn)行，試驗(yàn)條件見表1。

表1 局部沖刷試驗(yàn)條件Tab.1 Conditions of local scour in the table

此時(shí)停水進(jìn)行沖深測(cè)量，測(cè)定沖坑深度、沖坑位置及大小，測(cè)量采用等高線法［4］，并用照像記錄，示例見圖2和圖3。

1.3 試驗(yàn)成果與分析

不同頻率洪水對(duì)河床的沖淤變化不盡相同，河床的沖淤變化對(duì)航道的通航有著至關(guān)重要的作用。天然情況下，當(dāng)洪水頻率過大時(shí)，對(duì)河床主要起沖刷作用，從而使河床高程變低，有利于通航。當(dāng)洪水頻率過低，對(duì)河床主要起淤積作用［5］，從而使河床高程變高，不利于通航。但是洪水的頻率標(biāo)準(zhǔn)也隨外界條件改變而改變的。當(dāng)在河道上建一航電樞紐之后，頻率洪水對(duì)樞紐上游水庫以淤積為主，對(duì)樞紐下游以沖刷為主，所以對(duì)通航是否有利要具體分析。但是洪水的頻率標(biāo)準(zhǔn)也隨外界條件改變而改變的。當(dāng)在河道上建一航電樞紐之后，頻率洪水對(duì)樞紐上游水庫以淤積為主，對(duì)樞紐下游以沖刷為主，所以對(duì)通航是否有利要具體分析。在動(dòng)床模型試驗(yàn)，對(duì)于不同頻率的洪水，采取了9 000，15 000，24 600，36 500 m3/s這4個(gè)流量進(jìn)行沖刷試驗(yàn)［6］，由于模型試驗(yàn)過多，所以選取典型斷面進(jìn)行分析，見圖4。

圖4 62#斷面在不同流量下的沖刷Fig.4 The sixty－two section at different flow rate of erosion

通過圖4，可以看出樞紐下游62#斷面屬于沖刷斷面，隨著流量的增加，沖刷強(qiáng)度加大，在流量Q=9 000 m3/s下，沖刷深度最小，平均為0.8 m左右。在Q=36 500 m3/s下，沖刷深度最大，平均為2.8 m左右。可以看出，不同頻率洪水對(duì)河床高程影響不同，呈正向關(guān)系。

從圖4中還可以分析出雖然流量不同，但對(duì)于同一斷面的最大沖深都出現(xiàn)在距離斷面左岸400 m附近，最深4.1 m。深泓線有向左岸偏移的趨勢(shì)，由于引航道靠近左岸，所以向左岸偏移有利于通航。同時(shí)河床高程降低，水深增加也有利于通航［7］。局部沖刷試驗(yàn)成果主要見表2。

表2 局部沖刷試驗(yàn)成果Fig 2 Test results of local scour

(續(xù)表2)

沖刷發(fā)生的初始階段，在相當(dāng)短的一段時(shí)間內(nèi)，出池水流就將表層的沙卵石層全部沖光，然后沖刷速度將逐漸減慢。根據(jù)對(duì)流量Q=15 000 m3/s(發(fā)電運(yùn)用情況)的下游沖坑定點(diǎn)的觀測(cè)表明:在沖刷開始后的10～15 min(相當(dāng)于原型 1.48 ～2.23 h)，表層沙卵石層幾乎全部被沖光，在沖刷開始后50 min(相當(dāng)于原型7.45 h)后，沖坑底的高程已達(dá)到169.80 m，沖深已達(dá)到5.2 m，約占總深度的73%，而往后沖刷將逐漸緩慢，直至沖刷直到?jīng)_刷3.5 h(相當(dāng)于原型31.3 h)后坑深達(dá)到 7.11 m。

當(dāng)流量大于15 000 m3/s而全閘敞泄時(shí)，由于上下游水位差較小，故下泄水流對(duì)河床的沖刷較弱，如流量為36 500 m3/s時(shí)，最大沖深為2.97 m，僅為流量為15 000 m3/s時(shí)(發(fā)電運(yùn)行情況)，閘下游河床沖深的42%，沖坑深度減小了4.14 m。3 054 m3/s的流量沖坑深度大于6 000 m3/s的流量沖坑深，分析其原因主要是由于流量為3 054 m3/s時(shí)，下游水位太低，水流出消力池尾坎后產(chǎn)生波狀水躍。根據(jù)試驗(yàn)觀察，沙卵石層被沖刷后，被水流帶走的沙卵石沿河流右岸(凸岸)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與天然河道的泥沙運(yùn)動(dòng)方向一致，未見沙卵石進(jìn)入下游引航道。

2 結(jié)語

通過嘉陵江草街航電樞紐模型試驗(yàn)，對(duì)航電樞紐下游局部沖刷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，沙卵石層被沖散后，被水流帶走的沙卵石沿河流右岸(凸岸)運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)軌跡與天然河道泥沙運(yùn)動(dòng)方向一致。未見沙卵石進(jìn)入下游引航道。本次局部動(dòng)床試驗(yàn)各級(jí)流量情況下閘下游沖坑深度及沖坑位置與初設(shè)階段試驗(yàn)成果基本一致，其最大偏差值為0.63 m，在允許范圍內(nèi)。

不同頻率洪水對(duì)下游沖刷模型試驗(yàn)表明:河床深泓線普遍向左岸移動(dòng)，河床高程降低，水深升高，有利于航道通行。

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Study on the Erosion and Deposition Deformation along Downstream Bed of Cao－Jie Hydropower Junction Project

Cheng Xi-zhang1，Cheng Chang-hua1，Zhao Shi-qiang2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
(2.Southwest Hydraulics＆ Transportation Engineening Research Institute Chongqing 400058，China)

Based on the Cao-Jie hydropower junction project physical model experiment，the paper surveys on the erosion and deposition deformation along downstream bed of this project and it is useful to forecast the tendency of downstream bed changes after the project completion.

hydropower Junction Project;downstream bed;erosion-deposition deformation;

U617

A

1674-0696(2011)03-0542-04

2011-03-18;

2011-04-20

程錫章(1986-)，男，湖南望城人，碩士研究生，主要從事水動(dòng)力學(xué)方面的研究。E-mail:yiwusuoyou36@126.com。