透水四面體截流材料的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

尹楊松，李登松，楊 慶，戴光清，杜震宇

（1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610091；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；4.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072）

透水四面體截流材料的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

尹楊松1，李登松2,3，楊 慶2,3，戴光清2,3，杜震宇4

（1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610091；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；4.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072）

實(shí)體四面體結(jié)構(gòu)的人工預(yù)制拋投材料在截流工程中廣泛應(yīng)用于代替大質(zhì)量的天然塊石，具有透水性的四面體結(jié)構(gòu)則在江河堤岸的防沖促淤中廣泛使用，且效果甚佳。文中通過物理模型試驗(yàn)，結(jié)合透水四面體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和截流工程理論，研究了材料在水中的穩(wěn)定特性，與實(shí)體四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。探討了透水四面體在截流工程中的應(yīng)用可能性。研究結(jié)果表明：透水四面體的表面開孔率對(duì)落水后的穩(wěn)定性有較大的影響；開孔率為32.15%時(shí)穩(wěn)定性最優(yōu)，且止動(dòng)流速與實(shí)體四面體基本相當(dāng)；流場特性優(yōu)于實(shí)體四面體，有效減輕了漩渦造成的不利影響。適當(dāng)提高人工預(yù)制截流材料的透水性，提升穩(wěn)定性的新途徑是可借鑒的。

透水四面體；穩(wěn)定性；物理模型試驗(yàn)；截流材料

0 引言

我國西南山區(qū)河道截流工程落差高、流速大，導(dǎo)致截流難度增大，通過增加拋投料重量和拋投強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)成功截流，但在工程實(shí)踐中天然塊石的最大單體重量已超過30 t，如此大重量的天然塊石難以獲取，常常用人工預(yù)制拋投材料或串聯(lián)塊體進(jìn)行替代，混凝土四面體作為人工預(yù)制材料的應(yīng)用最為廣泛，如向家壩水電站大江截流和錦屏一級(jí)水電站大江截流[1-3]。周代鑫等建立了正四面體塊體在水流中作滑動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的平衡方程，對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算并通過拋投試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果[4]。肖煥雄等以理論分析和系統(tǒng)的模型試驗(yàn)，研究了混凝土四面體的繞流阻力系數(shù)公式和立堵進(jìn)占截流中拋投混凝土四面體串及大塊石串的穩(wěn)定性，提出用串體代替單體并削減截流最大單體穩(wěn)定重量的方法[5,6]。透水四面體在江河堤岸的防沖促淤中被廣泛使用，高柱等基于FLUENT平臺(tái)模擬了單一貼壁四面體透水框架的清水流場，認(rèn)為四面體框架對(duì)流場的影響僅限制在其所在空間及其向下游延伸的一定距離之內(nèi)[7]。周根娣采用ADV測量了四面六邊透水框架和四面六邊實(shí)體塊尾流場的流速垂線分布和紊動(dòng)量垂線分布，表明四面體實(shí)體誘導(dǎo)的繞流場的流速損失和紊動(dòng)強(qiáng)度在近區(qū)明顯高于四面體框架的作用效果，容易導(dǎo)致局部沖刷的發(fā)生[8]。

透水四面體結(jié)構(gòu)較于四面體結(jié)構(gòu)有較好的流場分布，但應(yīng)用于截流工程中的穩(wěn)定特性，未進(jìn)行相關(guān)的研究。因此，下面結(jié)合四面體材料的穩(wěn)定性理論，通過物理模型試驗(yàn)研究了透水四面體結(jié)構(gòu)在不同開孔率下的穩(wěn)定流速，與四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

1 穩(wěn)定性理論

截流材料的穩(wěn)定特性有止動(dòng)和起動(dòng)流速兩種不同觀點(diǎn)，結(jié)合剛體運(yùn)動(dòng)極限平衡理論，提出了諸多公式。前蘇聯(lián)伊茲巴斯教授采用近似圓形的卵礫石代替塊石，用起動(dòng)流速觀點(diǎn)推導(dǎo)塊石截流材料的穩(wěn)定公式，肖煥雄運(yùn)用起動(dòng)和止動(dòng)流速兩種觀點(diǎn)研究了混凝土四面體、天然塊石等穩(wěn)定公式，發(fā)現(xiàn)公式形式相同，如公式（1）所示，關(guān)鍵在于拋投材料穩(wěn)定系數(shù)的率定[9]。

式中：V——計(jì)算點(diǎn)處的斷面平均速度，m/s；K——拋投料穩(wěn)定系數(shù)；γs，γ——為拋投料和水的容重，t/m3；g——重力加速度；d——拋投料化引球體直徑，m。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

穩(wěn)定性試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水槽中進(jìn)行，水槽長10.0 m、寬0.39 m、深0.35 m，底坡i=0，底板為混凝土，糙率為0.012，槽壁為有機(jī)玻璃，糙率為0.010。水槽進(jìn)口利用多道消浪柵平穩(wěn)水流，出口處設(shè)有尾門控制水位。試驗(yàn)選用的透水四面體密度為7.80 g/cm3，開孔率為四面體表面開孔部分與完整表面的比值，如圖1所示。圖1中L為邊長，b為保留邊寬，中間部分為鏤空開孔部分。流量采用三角形薄壁量水堰測量，試驗(yàn)工況為35L/s和55L/s。采用ADV測量500 cm、520 cm和540 cm斷面處靠近水槽兩側(cè)壁面和中心的臨底、水面和水面以下的27個(gè)測點(diǎn)流速。

根據(jù)截流材料的穩(wěn)定理論，以長500 cm段作為拋投試驗(yàn)段，下游40 cm范圍內(nèi)為穩(wěn)定試驗(yàn)段，通過調(diào)節(jié)尾門閘門控制水位，使其達(dá)到預(yù)定水深和流速。在此流速下，隨機(jī)拋投截流材料40次以上，記錄穩(wěn)定試驗(yàn)段內(nèi)拋投材料穩(wěn)定次數(shù)。若穩(wěn)定次數(shù)占拋投總次數(shù)的75%～90%間，塊體處于極限平衡狀態(tài)，該流速為拋投塊體的臨界止動(dòng)流速；若穩(wěn)定次數(shù)不符合要求，則重新微調(diào)水位，重復(fù)上述拋投過程，直至達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖1 透水四面體

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1.1 邊長對(duì)穩(wěn)定性的影響

在相同開孔率的情況下，透水四面體邊長L的改變導(dǎo)致透水四面體的質(zhì)量發(fā)生改變。對(duì)迎流和背流兩種拋投方式，不同邊長的透水四面體止動(dòng)流速進(jìn)行了測量，如圖2所示。透水四面體拋入水中后，在臨近河床底部前，受到水流作用隨著水流移動(dòng)一段距離，觸到河床底后，在水流作用下，透水四面體滑動(dòng)失穩(wěn)，較難以出現(xiàn)滾動(dòng)失穩(wěn)，最后被水流推移至540 cm處止動(dòng)。

從圖2中可知，不同邊長的透水四面體在迎流拋投時(shí)的臨界止動(dòng)流速V均值分別為78 cm/s，83 cm/s；背流拋投時(shí)，臨界止動(dòng)流速V均值分別為68 cm/s，77 cm/s。迎流拋投的臨界止動(dòng)流速和平均流速大于背流拋投，穩(wěn)定性較好，兩者間流速差值約為10%。因此，在截流工程中迎流拋投方式優(yōu)于背流，受到截流時(shí)間等因素限制，實(shí)際工程中可不重點(diǎn)關(guān)注。

在相同的開孔率下，不同的邊長造成材料的質(zhì)量不等，對(duì)應(yīng)的化引直徑隨之改變，依據(jù)公式（1）可知，止動(dòng)流速將隨著邊長的增大而增大，但無論是迎流拋投，還是背流拋投，臨界止動(dòng)流速均隨透水四面體的邊長增加先降低后增大，邊長L=6.0 cm時(shí)，臨界止動(dòng)流速最小，邊長L=10.0 cm時(shí)，臨界止動(dòng)流速最大，造成這樣的結(jié)果在于開孔后透水四面體在水中的迎流面面積和水流特性發(fā)生改變。

圖2 不同邊長的臨界止動(dòng)流速

3.1.2 開孔率對(duì)穩(wěn)定性的影響

在相同的邊長下，改變透水四面體的開孔率n也會(huì)導(dǎo)致透水四面體的質(zhì)量改變。測量了迎流和背流2種拋投方式，不同開孔率的透水四面體止動(dòng)流速，試驗(yàn)成果見圖3所示。

圖3 不同開孔率的臨界止動(dòng)流速

從圖3中可知，迎流拋投時(shí)，不同開孔率下四面體透水四面體的臨界止動(dòng)流速V均值分別為78 cm/s，83 cm/ s；背流拋投時(shí)，臨界止動(dòng)流速V的均值分別為68 cm/s，77 cm/s。各尺寸透水四面體，臨界止動(dòng)流速差值約為15%，迎流拋投穩(wěn)定性比背流拋投穩(wěn)定性好；無論是迎流拋投，還是背流拋投，臨界止動(dòng)流速均隨開孔率的增加先降低后增大再降低。開孔率為0時(shí)，臨界止動(dòng)流速最??；開孔率為32.10%時(shí)，臨界止動(dòng)流速最大。

3.2 透水四面體與實(shí)體四面體對(duì)比分析

對(duì)比分析了透水四面體和實(shí)體四面體的穩(wěn)定性，整理實(shí)體四面體的化引直徑在2.7～5.1 cm和透水四面體的質(zhì)量在25～170 g之間變化的止動(dòng)流速，如圖4—5所示。

圖4 L改變，n恒定

從圖4—5分析可知，實(shí)體四面體和透水四面體的止動(dòng)流速相當(dāng)接近，且當(dāng)開孔率n=32.15%時(shí)，臨界止動(dòng)流速基本相當(dāng)，但是，隨著開孔率n的逐漸減小，透水四面體的穩(wěn)定性明顯劣于混凝土四面體。結(jié)合透水四面體和實(shí)體四面體的流場特性結(jié)果可知[8]，實(shí)體四面體的尾部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的較大漩渦，極易形成局部沖刷帶走河床底部的泥沙等物料，導(dǎo)致實(shí)體四面體失穩(wěn)，流失量增大。透水四面體則有效地減輕了漩渦區(qū)的大小，甚至讓漩渦得以消失。因此，在n=32.15%時(shí)，兩者穩(wěn)定性相當(dāng)，但流場特性優(yōu)于實(shí)體四面體。適當(dāng)在實(shí)體四面體中開孔，增大透水性提升穩(wěn)定性的路徑是可借鑒的，而且截流過程中，開孔部分可分擔(dān)部分截流流量，降低截流難度。

圖5 L恒定，n改變

4 結(jié) 語

在落差高、流速大的河道截流工程中，常常通過人工預(yù)制拋投材料或串聯(lián)塊體替代天然塊石實(shí)現(xiàn)成功截流。四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)作為人工預(yù)制材料的應(yīng)用最為廣泛，誘導(dǎo)的繞流場的流速損失和紊動(dòng)強(qiáng)度在近區(qū)明顯高于四面體框架，容易導(dǎo)致局部沖刷的發(fā)生[8]。但是具有良好水流特性的透水四面體在截流工程中未應(yīng)用，經(jīng)過物理模型試驗(yàn)研究了穩(wěn)定特性：

透水四面體和實(shí)體四面體材料在迎流和背流拋投的方式下，穩(wěn)定性影響相差10%左右，受到截流時(shí)間等因素限制，不構(gòu)成影響截流材料穩(wěn)定性的主要因素。開孔率和邊長均對(duì)透水四面體在水中的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，存在合適的開孔率，邊長不是影響穩(wěn)定性的主要因素。當(dāng)開孔率為32.15%左右時(shí)穩(wěn)定性最優(yōu)，與等質(zhì)量混凝土四面體基本相當(dāng)，但是，透水四面體結(jié)構(gòu)有效減輕了混凝土四面體尾部區(qū)域出現(xiàn)的漩渦，水流特性明顯優(yōu)于混凝土四面體。因此，基于水流特性和穩(wěn)定性的研究，透水四面體具有應(yīng)用于截流工程中的可能性。

［1］李文清.雅礱江錦屏一級(jí)水電站截流施工技術(shù)［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，6（3）：81—83.

［2］宋方剛，馬旭東，戴光清，丁治平.猴子巖水電站截流模型試驗(yàn)研究及原型觀測對(duì)比分析［J］.四川水力發(fā)電，2015，34（2）：103—106.

［3］高鵬.向家壩水電站大江截流設(shè)計(jì)與施工［J］.人民珠江，2015，46（2）：67—70.

［4］周代鑫，黃希敏.截流人工塊體穩(wěn)定性分析［J］.人民珠江，1995，2（1）：18—24.

［5］肖煥雄，熊盛立.立堵截流混凝土四面體的繞流阻力研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1987，10（9）：66—73.

［6］肖煥雄，左兼金，謝興保.立堵進(jìn)占截流中拋投混凝土四面體串及大塊石串的穩(wěn)定性研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1985， 7（4）：24—32.

［7］高柱，殷杰，唐洪武，郭紅民.單一貼壁四面體框架繞流場三維數(shù)值模擬［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（2）：161—166.

［8］周根娣，顧正華.四面六邊透水框架尾流場水力特性［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（3）：9—13.

［9］肖煥雄.施工水力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1992.

表1 冰峪溝站歷年洪峰流量頻率表

點(diǎn)據(jù)配合不理想，則重新修改參數(shù)再次配線，主要調(diào)整Cv以及Cs。

4）選取1條與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配合最佳的曲線作為采用曲線，見圖1。將該曲線的參數(shù)看作總體參數(shù)的估計(jì)值。

推求設(shè)計(jì)洪峰流量：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，由設(shè)計(jì)頻率查得設(shè)計(jì)值見表2。該站警戒流量350 m3/s，與20%設(shè)計(jì)值346 m3/s相符。該站最大洪峰流量1 110 m3/s，反查的設(shè)計(jì)頻率為2.51%。由此可見，頻率曲線基本代表了該站特性，選取數(shù)據(jù)可靠，方法可行，可以作為該站大洪水來時(shí)流量測驗(yàn)和水文預(yù)報(bào)的依據(jù)。

圖1 冰峪溝站洪峰流量曲線

表2 冰峪溝站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量

4 存在問題

洪水預(yù)警意義重大，責(zé)任艱巨。但現(xiàn)有的水文觀測資料一般較短，在推求千年一遇或萬年一遇的洪峰流量時(shí)，必須把頻率曲線外延，外延愈遠(yuǎn)，估計(jì)所得的水文設(shè)計(jì)值的誤差愈大。因此，水文頻率分析時(shí)，要求盡可能地調(diào)查歷史上發(fā)生過的大洪水，參證審查后加入頻率分析。同時(shí)，必須對(duì)頻率分析成果在時(shí)間上和空間上作合理性分析。這樣才能制定更加科學(xué)合理的水文預(yù)警分析。

[收稿日期]2016-08-30

TV551.2；TV135.5

A

2016-09-26