第二部分-工程水力学 - IAHR中国分会

第 二 部 分
工 程 水 力 学

第 二 部 分 工 程 水 力 学
高 土 石 坝 导 流 洞 改 造 利 用 技 术 进 展 及 新 思 考
郭 军 高 季 章
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 北 京 复 兴 路 甲 一 号 100038 guojun@iwhr.com gaojz@iwhr.com)
摘 要 高 土 石 坝 导 流 洞 的 改 建 利 用 已 有 半 个 多 世 纪 的 历 史 , 大 多 数 改 建 成 永 久 泄 洪 洞 或 电 厂 尾
水 洞 。 这 种 改 建 利 用 的 方 式 可 使 工 程 的 枢 纽 布 置 更 加 紧 凑 合 理 , 节 省 工 程 造 价 , 得 到 了 工 程 界 的
重 视 。 随 着 国 际 上 对 环 境 生 态 保 护 重 视 的 程 度 越 来 越 高 , 高 土 石 坝 在 完 成 后 期 导 流 、 闸 门 下 闸 蓄
水 至 电 厂 达 到 发 电 水 位 期 间 , 还 承 担 向 下 游 泄 放 生 态 流 量 的 任 务 。 从 中 国 紫 坪 铺 在 “5-12” 汶 川
大 地 震 后 参 与 应 急 管 理 的 经 验 看 , 在 强 地 震 区 建 设 的 高 土 石 坝 保 留 1-2 条 进 口 高 程 比 较 低 的 底 孔
泄 洪 洞 十 分 有 必 要 。 本 文 结 合 导 流 洞 改 建 利 用 的 功 能 和 技 术 发 展 , 阐 述 高 土 石 坝 导 流 洞 改 建 利 用
中 考 虑 环 境 生 态 保 护 和 抗 震 安 全 的 必 要 性 、 技 术 可 行 性 和 研 究 重 点 。
关 键 词 高 土 石 坝 ; 导 流 洞 ; 泄 洪 洞 ; 生 态 流 量 ; 大 坝 抗 震 安 全
1 概 述
高 土 石 坝 导 流 洞 的 改 建 利 用 已 有 半 个 多 世 纪 的 历 史 , 大 多 数 改 建 成 永 久 泄 洪 洞 、 电 厂 尾
水 洞 或 放 空 洞 , 如 水 布 垭 面 板 堆 石 坝 (233 m)、 天 生 桥 I 级 面 板 堆 石 坝 (178 m)、 紫 坪 铺 面 板
堆 石 坝 (159 m)、 小 浪 底 心 墙 堆 石 坝 (157 m)、 加 拿 大 的 Mica 心 墙 堆 石 坝 (240 m)、 公 伯
峡 面 板 堆 石 坝 (132 m)、 印 度 Tehri 高 土 石 坝 (220 m) 等 , 水 头 泄 洪 一 般 超 过 100 m, 泄 洪
流 量 一 般 超 过 1000 m 3 /s, 多 数 过 实 际 的 泄 洪 运 行 考 验 。 这 种 改 建 利 用 的 方 式 可 使 工 程 的 枢
纽 布 置 更 加 紧 凑 合 理 , 节 省 工 程 造 价 , 得 到 了 工 程 界 的 重 视 。
随 着 国 际 上 对 环 境 生 态 保 护 重 视 的 程 度 越 来 越 高 , 在 高 土 石 坝 完 成 后 期 导 流 、 闸 门 下 闸
蓄 水 至 电 厂 达 到 发 电 水 位 期 间 , 一 般 还 需 要 考 虑 采 取 一 定 的 措 施 , 向 下 游 泄 放 一 定 的 生 态 流
量 。 如 正 在 建 设 的 塔 吉 克 斯 坦 Rogun 高 土 石 坝 ( 最 终 坝 高 335 m) 二 期 将 采 用 建 设 一 条 泄 洪
洞 , 主 要 解 决 二 期 施 工 期 间 控 制 水 库 水 位 和 维 持 下 游 环 境 生 态 需 水 和 其 它 用 水 , 中 国 正 在 设
计 的 双 江 口 和 两 河 口 高 土 石 坝 的 导 流 洞 后 期 利 用 也 要 兼 顾 泄 放 生 态 流 量 和 后 期 水 库 放 空 的
综 合 利 用 问 题 。
从 中 国 紫 坪 铺 大 坝 在 2008 年 “5-12” 汶 川 大 地 震 后 参 与 应 急 管 理 的 经 验 看 , 在 强 地 震
区 建 设 的 高 土 石 坝 设 置 1-2 条 进 口 高 程 比 较 低 的 底 孔 泄 洪 洞 十 分 有 必 要 。 本 文 结 合 导 流 洞 改
建 利 用 的 功 能 和 技 术 发 展 , 阐 述 高 土 石 坝 导 流 洞 改 建 利 用 中 考 虑 环 境 生 态 保 护 和 抗 震 安 全 的
必 要 性 、 技 术 可 行 性 和 研 究 重 点 。
2 导 流 洞 改 建 为 泄 洪 洞 的 技 术 发 展
根 据 消 能 方 式 和 消 能 工 的 位 置 , 导 流 洞 改 建 为 泄 洪 洞 技 术 的 发 展 可 以 分 为 两 类 , 一 类 是
采 用 洞 外 挑 流 消 能 或 底 流 消 能 , 如 龙 抬 头 式 , 另 一 类 是 洞 内 消 能 , 如 孔 板 式 泄 洪 洞 或 旋 流 式
泄 洪 洞 , 见 图 1。
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水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
导 流 洞 改 建
为 泄 洪 洞
洞 外 式 消 能
洞 内 式 消 能
龙 抬 头 式 泄 洪 洞
喇 叭 口 进 水 口 + 竖 井 式 泄 洪 洞
孔 板 / 洞 塞 消 能 泄 洪
旋 流 消 能 泄 洪 洞
按 消 能 方 式 分 类
结 构 形 式
图 1 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 的 类 型 及 消 能 方 式 分 类
2.1 洞 外 式 消 能
根 据 图 1 的 消 能 方 式 的 分 类 , 早 期 的 导 流 洞 利 用 主 要 是 采 用 洞 外 消 能 方 式 , 从 纵 剖 面 的
结 构 形 式 看 , 形 成 的 泄 洪 洞 主 要 为 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 或 喇 叭 口 进 水 口 + 竖 井 / 斜 井 式 泄 洪 洞 。 前
者 的 主 要 代 表 性 工 程 为 加 拿 大 麦 卡 堆 石 坝 导 流 洞 改 建 成 的 底 孔 泄 洪 洞 i 、 中 国 的 刘 家 峡 的 导 流
洞 改 建 成 底 孔 泄 洪 洞 ii , 进 水 口 采 用 一 短 有 压 段 , 通 常 采 用 一 个 渥 奇 段 和 一 反 弧 段 将 高 位 洞
和 原 导 流 洞 衔 接 起 来 , 出 口 多 采 用 挑 流 消 能 , 也 有 采 用 底 流 消 能 的 。 由 于 导 流 洞 断 面 通 常 比
较 大 , 这 种 泄 洪 洞 通 常 具 有 较 大 的 泄 流 能 力 , 也 是 20 世 纪 中 、 后 期 国 内 外 广 泛 采 用 的 一 种
方 式 。 与 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 的 不 同 , 喇 叭 口 进 水 口 + 竖 井 / 斜 井 式 泄 洪 洞 主 要 是 进 水 口 的 形 式 不
同 , 这 种 结 构 形 式 通 常 要 建 一 座 很 大 的 喇 叭 口 式 进 水 口 , 如 果 要 采 用 闸 门 控 制 , 则 金 属 结 构
和 启 闭 机 比 较 复 杂 , 在 实 际 工 程 中 采 用 的 不 多 。
2.2 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 水 力 学 特 性
导 流 洞 改 建 成 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 的 主 要 水 力 学 特 性 :1) 渥 奇 段 末 端 压 力 低 ;2) 下 游 反 弧
段 末 段 位 于 高 速 水 流 区 , 易 产 生 空 化 空 蚀 破 坏 , 刘 家 峡 底 孔 泄 洪 洞 发 生 的 空 化 空 蚀 破 坏 就 是
一 个 典 型 案 例 ;3) 下 游 平 洞 段 流 速 比 较 高 , 改 建 利 用 的 导 流 洞 的 设 计 需 要 考 虑 高 速 水 流 作
用 及 空 化 空 蚀 破 坏 。 为 了 克 服 这 一 问 题 , 从 20 世 纪 中 期 开 始 , 国 际 上 通 过 开 展 掺 气 设 施 的
研 究 , 包 括 在 常 规 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 的 应 用 研 究 , 较 好 地 解 决 了 空 化 空 蚀 的 问 题 。 刘 家 峡 底 孔
泄 洪 洞 在 修 复 工 作 中 增 加 的 掺 气 设 施 。
当 泄 洪 水 头 比 较 大 , 反 弧 末 段 流 速 超 过 35~40 m/s 时 , 泄 洪 时 由 于 水 流 紊 动 强 烈 , 对 底
板 产 生 强 大 的 水 动 力 , 一 旦 通 过 施 工 缝 进 入 底 板 , 将 会 对 底 板 产 生 严 重 的 破 坏 。 出 口 如 采 用
挑 流 消 能 , 巨 大 的 能 量 需 要 在 下 游 河 道 内 的 水 体 内 消 刹 , 将 会 对 下 游 河 床 产 生 冲 刷 , 巨 大 的
挑 射 水 流 还 会 在 下 游 消 能 区 产 生 严 重 的 雾 化 , 对 交 通 和 周 围 环 境 都 将 造 成 不 同 程 度 的 影 响 。
2.3 洞 内 式 消 能
2.3.1 旋 流 竖 井 式 泄 洪 洞
旋 流 消 能 工 最 早 是 在 市 政 的 排 污 工 程 中 得 到 应 用 , 但 在 水 利 水 电 工 程 导 流 洞 改 建 为 泄 洪
洞 中 的 应 用 是 在 20 世 纪 下 半 叶 。
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
通 过 建 设 一 条 上 平 洞 、 旋 流 涡 室 和 竖 井 与 下 游 原 导 流 洞 衔 接 , 形 成 旋 流 竖 井 式 泄 洪 洞 ,
在 洞 内 完 成 消 能 。 这 种 布 置 方 式 最 大 的 优 点 是 进 水 口 位 置 的 选 择 灵 活 , 不 受 地 形 条 件 的 限 制 ,
上 游 衔 接 段 可 以 比 较 短 (

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
了 很 好 的 作 用 。
公 伯 峡 导 流 洞 改 建 为 水 平 旋 流 泄 洪 洞 于 2006 年 8 月 进 行 了 水 力 学 原 型 观 测
4 , 观 测 期
间 的 运 行 水 位 和 下 泄 流 量 接 近 设 计 指 标 , 主 要 观 测 的 内 容 有 上 下 游 水 位 、 压 力 、 流 速 、 水 流
空 化 噪 声 、 通 气 量 与 掺 气 浓 度 、 空 腔 长 度 、 结 构 振 动 等 。 观 测 结 果 表 明 , 该 泄 洪 洞 的 水 力 特
性 及 各 项 指 标 比 较 好 的 验 证 了 模 型 试 验 结 果 , 竖 井 段 的 环 状 通 气 槽 下 游 的 空 腔 长 度 和 通 气 量
大 于 模 型 试 验 值 , 泄 洪 洞 通 气 状 况 良 好 , 通 气 设 施 有 效 。 原 型 泄 洪 洞 的 消 能 率 达 到 了 85%,
与 模 型 试 验 结 果 基 本 一 致 。
小 浪 底 导 流 洞 改 建 为 孔 板 泄 洪 洞 的 设 计 工 作 中 , 对 孔 板 的 间 距 、 孔 板 形 式 和 孔 径 比 、 消
能 机 理 、 泄 洪 洞 的 水 力 特 性 与 孔 板 洞 的 空 化 特 性 间 的 关 系 以 及 模 型 比 尺 效 应 问 题 都 进 行 过 详
尽 的 研 究 。2000 年 和 2004 年 对 1# 和 2# 孔 板 洞 进 行 了 水 力 学 原 型 观 测 , 观 测 内 容 有 孔 板 洞
段 的 时 均 压 力 和 脉 动 压 力 、 水 流 空 化 噪 声 、 孔 板 振 动 特 性 、 弧 形 闸 门 流 激 振 动 、 闸 门 下 游 段
的 压 力 、 掺 气 和 水 流 空 化 噪 声 等 。 观 测 的 结 果 验 证 了 设 计 阶 段 的 试 验 研 究 工 作 成 果 , 孔 板 洞
具 有 较 好 的 消 能 效 果 , 三 级 孔 板 的 消 能 率 超 过 了 40%。1# 孔 板 洞 在 弧 门 开 度 为 0.85-0.92 期
间 , 监 测 到 孔 板 处 有 空 化 水 流 发 生 , 但 运 行 后 检 查 未 发 现 有 空 蚀 破 坏 xii 。 通 过 从 模 型 试 验 到
原 型 观 测 间 的 比 尺 效 应 研 究 , 可 以 进 一 步 分 析 该 泄 洪 洞 在 设 计 水 头 运 行 条 件 下 的 水 流 空
化 特 性 。
加 拿 大 麦 卡 高 土 石 坝 导 流 洞 改 建 为 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 在 投 入 运 行 后 , 对 反 弧 末 端 的 下 游 洞
段 进 行 过 水 力 学 及 结 构 观 测 , 观 测 结 果 表 明 泄 洪 洞 运 行 良 好 , 未 有 不 利 流 态 , 结 构 未 有 不 良
受 力 。
关 于 旋 流 竖 井 式 泄 洪 洞 和 孔 板 泄 洪 洞 的 消 能 机 理 、 水 流 特 性 和 掺 气 减 蚀 以 及 空 化 特 性 的
研 究 , 国 内 外 做 了 大 量 的 工 作 。 公 伯 峡 和 小 浪 底 工 程 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 的 水 力 学 原 型
较 好 地 验 证 了 设 计 和 试 验 研 究 的 成 果 , 有 助 于 这 项 技 术 逐 步 得 到 完 善 , 将 这 种 新 型 消 能 技 术
推 广 到 高 土 石 坝 ( 坝 高 超 过 200 m) 导 流 洞 改 为 永 久 泄 洪 洞 的 设 计 中 。
3 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 运 用 的 新 思 考
3.1 水 库 蓄 水 期 的 运 用
在 高 土 石 坝 导 流 洞 改 建 为 泄 洪 洞 的 利 用 中 , 结 合 蓄 水 期 的 运 用 要 求 , 后 期 导 流 洞 通 常 要
承 担 水 库 蓄 水 期 向 下 游 供 水 的 任 务 。 随 着 对 环 境 生 态 保 护 工 作 的 重 视 , 该 导 流 洞 不 仅 要 满 足
设 计 的 泄 流 能 力 要 求 , 对 有 特 殊 环 境 生 态 要 求 的 , 还 要 考 虑 能 够 进 行 水 文 过 程 的 调 节 。 对 高
土 石 坝 和 位 于 河 流 上 游 的 龙 头 水 库 , 应 该 开 展 在 水 库 蓄 水 期 从 考 虑 满 足 下 游 河 道 生 态 环 境 需
要 进 行 必 要 的 水 文 过 程 调 节 运 行 的 研 究 。
3.2 高 土 石 坝 后 期 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 的 综 合 利 用
高 土 石 坝 的 后 期 导 流 洞 在 水 库 蓄 水 期 一 般 要 运 行 半 年 甚 至 更 长 的 时 间 。 当 水 库 水 位 达 到
发 电 水 位 、 由 水 轮 发 电 机 组 承 担 向 下 游 供 水 的 任 务 后 , 导 流 洞 完 成 任 务 , 有 些 将 被 关 闭 和 封
堵 , 有 些 将 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 或 放 空 洞 。
洪 家 渡 面 板 堆 石 坝 坝 高 179.5 m, 设 计 阶 段 曾 经 考 虑 将 导 流 洞 改 建 为 旋 流 竖 式 泄 洪 洞 兼
放 空 洞 的 方 案 , 并 开 展 过 水 力 学 模 型 试 验 研 究 。 这 样 原 导 流 洞 将 承 担 三 项 工 作 , 即 施 工 导 流 、
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
后 期 参 与 永 久 运 行 期 的 泄 洪 和 放 空 运 行 。 导 流 洞 封 堵 后 , 布 置 了 两 层 进 水 口 , 下 面 一 层 的 进
水 口 位 置 比 较 低 , 按 水 库 放 空 运 行 要 求 设 计 , 上 面 一 层 的 进 水 口 高 程 按 水 库 正 常 泄 洪 运 行 要
求 设 计 。 通 过 建 设 两 条 不 同 高 程 的 联 接 洞 及 旋 流 涡 室 , 与 竖 井 衔 接 。 从 当 时 的 水 力 学 试 验 研
究 结 果 看 , 此 方 案 是 可 行 的 , 一 洞 多 用 的 方 案 兼 顾 了 不 同 时 期 过 流 任 务 , 充 分 发 挥 了 导 流 洞
的 作 用 , 可 以 大 大 节 省 投 资 。 鉴 于 当 时 沙 牌 导 流 洞 改 建 为 旋 流 竖 井 式 泄 洪 洞 尚 未 建 成 , 缺 少
原 型 过 流 的 运 行 经 验 , 此 方 案 最 终 未 被 采 用 。 从 公 伯 峡 面 板 堆 石 坝 水 平 旋 流 泄 洪 洞 的 运 行 观
测 成 果 看 , 将 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 兼 放 空 洞 在 技 术 上 是 可 行 的 。
中 国 目 前 正 在 设 计 的 双 江 口 和 两 河 口 等 300 m 级 的 高 土 石 坝 , 配 合 施 工 导 流 , 都 建 有
4-5 条 大 型 导 流 洞 , 有 的 改 建 为 电 厂 尾 水 洞 , 有 的 改 建 利 用 方 式 还 值 得 深 入 研 究 。 结 合 近 10
年 来 关 于 导 流 洞 改 建 为 旋 流 泄 洪 洞 的 研 究 和 实 践 经 验 , 可 以 开 展 兼 顾 永 久 运 行 期 的 泄 洪 和 水
库 放 空 运 用 要 求 、 合 理 设 置 孔 口 的 位 置 和 进 口 底 板 高 程 、 过 流 断 面 , 消 能 方 式 的 研 究 。
3.3 泄 水 建 筑 物 在 大 坝 抗 震 安 全 管 理 中 的 作 用
3.3.1 紫 屏 铺 面 板 堆 石 坝 泄 水 冲 沙 洞 震 后 运 用 情 况
紫 坪 铺 面 板 堆 石 坝 位 于 成 都 市 西 北 60 km 的 岷 江 上 游 , 距 2008 年 “5-12” 汶 川 地 震 中 心
17 km, 距 下 游 的 都 江 堰 市 9 km。 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 最 大 坝 高 156 m, 另 外 建 有 溢 洪 道 、 引
水 发 电 系 统 、 冲 沙 放 空 洞 ,1# 和 2# 泄 洪 排 沙 洞 均 为 施 工 导 流 洞 改 建 。 工 程 于 2006 年 建 成 。
地 震 发 生 后 , 该 工 程 于 震 后 7 min 便 成 功 启 动 首 台 机 组 空 载 过 流 , 两 台 机 组 又 相 继 开 启 ,
下 泄 流 量 达 到 100 m 3 /s, 向 下 游 都 江 堰 市 和 成 都 市 提 供 生 活 保 障 用 水 ;13 日 下 午 14:28( 震
后 24 h) 成 功 打 开 冲 沙 洞 , 增 加 下 泄 流 量 280 m 3 /s; 由 于 入 库 流 量 已 增 至 600 m 3 /s, 库 水 位
不 断 上 涨 , 电 厂 运 行 人 员 经 过 努 力 , 于 13 日 17:28( 震 后 27 h) 成 功 开 启 2# 泄 洪 洞 闸 门 ,
使 水 库 总 下 泄 量 达 到 850 m 3 /s, 大 于 入 库 流 量 , 从 而 使 水 库 水 位 得 到 控 制 , 大 坝 安 全 风 险 得
到 缓 解 。5 月 14 日 ~20 日 期 间 , 库 水 位 控 制 在 830.0 m~831.0 m, 一 方 面 有 效 控 制 库 水 位 、
保 证 大 坝 安 全 、 满 足 下 游 供 水 , 另 一 很 重 要 的 任 务 是 为 库 区 抗 震 救 灾 维 持 一 个 稳 定 的 水 路 通
道 xiii,xiv,xv 。 震 后 对 泄 水 建 筑 物 进 行 了 全 面 检 查 , 冲 沙 防 空 洞 存 在 一 些 轻 微 的 破 坏 , 无 压 段 存
在 3 处 表 观 错 位 ( 最 大 为 50 mm); 泄 洪 洞 进 水 塔 启 闭 机 室 、 液 压 启 闭 机 控 制 系 统 等 出 现 不
同 程 度 的 损 坏 , 导 致 1# 泄 洪 洞 闸 门 无 法 在 震 后 及 时 开 启 。
3.3.2 沙 牌 泄 洪 洞 震 后 的 运 用 情 况
沙 牌 碾 压 混 凝 土 拱 坝 1# 泄 洪 洞 由 导 流 洞 改 建 为 旋 流 竖 井 式 泄 洪 洞 , 工 程 完 建 后 直 至 地
震 发 生 前 , 该 泄 洪 洞 一 直 没 有 机 会 泄 洪 。 震 后 5 月 14 日 , 该 泄 洪 洞 以 人 工 方 式 开 启 , 闸 门
开 度 10 cm, 下 泄 流 量 约 10 m 3 /s( 当 时 水 库 水 位 约 在 1864 m), 以 此 方 式 运 行 了 近 20 天 。5
月 底 , 电 厂 运 行 人 员 再 次 进 入 工 地 , 开 启 了 2# 常 规 泄 洪 洞 泄 洪 , 将 水 位 降 至 1805 m。1# 泄
xvi
洪 洞 在 震 后 的 开 启 运 行 对 于 控 制 库 水 位 起 到 了 重 要 作 用 。
3.3.3 泄 水 建 筑 物 在 震 后 应 急 管 理 的 作 用
“5-12” 地 震 后 , 中 外 专 家 学 者 通 过 对 紫 屏 铺 工 程 等 泄 水 建 筑 物 在 地 震 后 的 运 用 情 况
分 析 和 现 场 考 察 , 总 结 了 大 坝 的 抗 震 安 全 管 理 经 验 及 教 训 15,xvii,xviii,xix,xx 。1) 大 坝 除 了 要 具 有
抗 震 性 能 外 , 还 有 其 他 风 险 管 理 问 题 , 比 如 放 空 水 库 ( 降 低 水 位 ) 的 设 施 是 否 具 备 xxi , 应 加
强 泄 洪 设 施 及 设 备 的 抗 震 安 全 性 , 确 保 应 急 条 件 下 的 使 用 。 对 处 于 高 地 震 烈 度 地 区 的 特 别 重
要 的 、 失 事 可 能 产 生 严 重 次 生 灾 害 的 泄 水 设 施 的 运 行 , 应 研 究 设 置 专 用 应 急 电 源 和 降 低 库 水
位 的 措 施 。2) 中 国 大 坝 专 家 潘 家 铮 院 士 认 为
19 , 除 了 要 考 虑 大 坝 结 构 的 抗 震 安 全 , 另 一 个
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水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
重 要 方 面 是 要 考 虑 大 坝 要 能 在 震 后 迅 速 脱 离 险 情 ( 例 如 能 迅 速 放 低 水 位 ), 以 利 修 复 , 保 证
安 全 。3) 国 际 大 坝 委 员 会 13 位 专 家 于 2009 年 4 月 1-2 日 对 在 “5-12” 地 震 中 几 座 大 坝 进
行 了 考 察 , 在 对 “ 紫 屏 铺 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 抗 震 安 全 评 估 ” 文 中 指 出 :“ 地 震 发 生 后 , 紫 屏
铺 工 程 的 大 坝 安 全 与 管 理 部 门 迅 速 采 取 了 行 动 , 采 取 的 多 项 应 急 措 施 , 如 控 制 水 位 、 加 强 安
全 监 测 、 观 测 防 渗 系 统 被 证 明 是 正 确 的 、 有 效 的 。 在 很 短 的 时 间 内 , 水 库 就 恢 复 了 泄 流 能 力 ,
供 水 、 供 电 功 能 也 恢 复 正 常 。 此 外 , 紫 屏 铺 水 库 在 救 援 行 动 中 发 挥 了 关 键 性 作 用 , 通 过 控 制
水 库 水 位 , 使 得 水 库 成 为 通 往 震 中 地 区 的 水 上 通 道 。 这 些 成 为 发 生 严 重 灾 难 时 大 坝 安 全 管 理
的 应 急 措 施 提 供 了 很 好 的 借 鉴 。
上 述 意 见 表 明 , 大 坝 在 震 后 能 够 安 全 泄 洪 是 应 急 管 理 、 避 免 发 生 次 生 灾 害 中 的 一 项 重 要
措 施 之 一 , 紫 屏 铺 工 程 泄 水 排 沙 洞 和 冲 沙 洞 的 运 用 给 出 了 最 好 的 例 证 , 也 赋 予 了 底 孔 泄 洪 洞
( 通 常 由 导 流 洞 改 建 ) 在 高 土 石 坝 震 后 安 全 管 理 中 的 新 使 命 。
4 结 语
1) 作 为 节 省 工 程 投 资 的 重 要 措 施 之 一 , 导 流 洞 改 建 为 永 久 泄 洪 洞 已 在 国 内 外 的 各 类 大
坝 中 得 到 广 泛 研 究 和 应 用 。 掺 气 减 蚀 技 术 的 发 展 为 高 土 石 坝 的 大 型 导 流 洞 改 建 为 高 水 头 大 流
量 泄 洪 洞 的 安 全 运 行 提 供 了 技 术 保 障 , 内 消 能 机 理 的 研 究 丰 富 了 消 能 工 的 形 式 。 各 种 类 型 的
导 流 洞 改 建 为 泄 洪 洞 都 有 成 功 的 改 建 和 运 行 案 例 。
2) 随 着 国 内 外 在 大 坝 的 建 设 中 越 来 越 重 视 对 生 态 环 境 的 保 护 , 导 流 洞 在 高 土 石 坝 的 后
期 导 流 和 初 期 发 电 期 间 承 担 了 重 要 的 向 下 游 供 水 的 重 要 任 务 , 特 别 应 关 注 满 足 下 游 生 态 环 境
需 要 的 运 用 方 式 的 研 究 。
3) 总 结 紫 屏 铺 面 板 堆 石 坝 在 “5·12” 汶 川 地 震 的 大 坝 抗 震 经 验 , 在 高 土 石 坝 的 设 计 中
设 置 1-2 条 进 水 口 比 较 低 的 底 孔 泄 洪 洞 或 放 空 洞 十 分 必 要 , 对 于 大 坝 在 正 常 运 行 条 件 下 检 修
和 维 护 、 以 及 在 震 后 的 安 全 管 理 起 到 了 重 要 作 用 , 这 也 为 导 流 洞 改 建 利 用 提 出 了 新 的 思 考 。
泄 水 建 筑 物 的 结 构 安 全 和 闸 门 及 其 启 闭 设 备 的 抗 震 安 全 同 等 重 要 , 应 注 重 开 展 这 类 设 施 的 风
险 分 析 评 价 技 术 和 评 价 准 则 的 研 究 。
参 考 文 献
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
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273

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
1
泄 洪 洞 模 型 进 口 立 轴 漩 涡 试 验 研 究
王 英 奎 江 春 波
( 清 华 大 学 水 沙 科 学 与 水 利 水 电 工 程 国 家 重 点 实 验 室 北 京 100084)
摘 要 泄 洪 洞 的 泄 洪 安 全 一 直 是 水 利 工 作 者 的 重 要 研 究 课 题 , 其 中 关 于 立 轴 漩 涡 的 研 究 也 是 一
个 重 点 。 本 文 在 溪 洛 渡 水 电 站 整 体 模 型 上 , 对 泄 洪 洞 进 口 立 轴 漩 涡 的 进 行 了 试 验 观 测 。 本 文 试 验
中 , 在 不 同 的 泄 洪 洞 进 口 淹 没 水 深 的 情 况 下 , 对 立 轴 漩 涡 的 产 生 发 展 过 程 进 行 了 细 致 观 测 , 研 究
了 立 轴 漩 涡 形 态 在 不 同 阶 段 的 变 化 过 程 。 同 时 , 为 了 研 究 立 轴 漩 涡 强 度 的 变 化 , 本 文 利 用 PIV
流 场 实 时 测 量 系 统 对 泄 洪 洞 进 口 处 的 漩 涡 表 面 流 场 进 行 了 试 验 观 测 , 对 漩 涡 的 大 小 及 强 度 变 化 进
行 了 深 入 研 究 。 试 验 结 果 显 示 , 淹 没 水 深 超 过 临 界 值 以 后 , 立 轴 漩 涡 的 强 度 随 淹 没 水 深 表 现 出 逐
渐 增 大 的 规 律 。
关 键 词 立 轴 漩 涡 ; 模 型 试 验 ;PIV 测 量 ; 泄 洪 洞 进 口
1 前 言
大 型 水 电 站 的 泄 洪 一 般 由 坝 身 孔 口 和 泄 洪 洞 共 同 承 担 , 如 二 滩 、 小 湾 、 紫 坪 铺 、 溪 洛 渡 、
锦 屏 一 级 水 电 站 等 工 程 。 这 些 水 电 站 的 特 点 是 所 处 位 置 河 谷 窄 、 泄 洪 量 大 , 因 此 在 泄 洪 过 程
中 存 在 一 系 列 水 力 学 问 题 , 包 括 泄 洪 洞 进 口 立 轴 漩 涡 、 有 压 段 明 满 流 交 替 现 象 、 掺 气 空 蚀 以
及 出 口 挑 流 消 能 等 问 题 [1] 。 水 电 站 因 水 力 学 问 题 而 破 坏 的 案 例 较 多 , 如 美 国 的 胡 佛 和 格 兰 峡
[2]
泄 洪 洞 , 我 国 的 刘 家 峡 和 二 滩 泄 洪 洞 等 都 曾 经 发 生 过 不 同 程 度 的 破 坏 。 因 此 水 电 站 泄 洪 消
能 的 水 力 学 问 题 , 长 期 以 来 得 到 了 国 内 外 学 者 和 工 程 界 的 广 泛 关 注 , 并 开 展 了 大 量 深 入 的 研
究 工 作 。
泄 洪 洞 进 口 的 立 轴 漩 涡 是 影 响 水 电 站 安 全 及 高 效 运 行 的 一 个 重 要 因 素 , 它 对 水 工 建 筑 物
的 安 全 运 行 带 来 的 危 害 , 主 要 表 现 如 吸 入 空 气 、 在 有 压 段 形 成 明 满 流 交 替 现 象 、 增 强 空 蚀 空
化 、 卷 入 漂 浮 物 等 , 这 些 都 将 威 胁 泄 洪 洞 的 安 全 运 行 , 甚 至 对 泄 洪 洞 的 内 壁 造 成 破 坏 。 因 此
对 泄 洪 洞 进 口 处 的 立 轴 漩 涡 进 行 研 究 就 显 得 尤 为 重 要 。 已 有 的 研 究 表 明 , 立 轴 漩 涡 的 产 生 与
进 口 的 流 速 V, 淹 没 水 深 H 和 直 径 D 等 多 种 水 力 参 数 有 关 , 并 由 此 推 导 出 多 个 无 量 纲 参 数
来 评 价 其 影 响 , 包 括 : 重 力 参 数 - 佛 汝 德 数 Fr = V gD 、 粘 性 参 数 - 雷 诺 数 Re = Q ( vD)
、
2
表 面 力 参 数 - 韦 伯 数 We = rV
D s 。
对 于 立 轴 漩 涡 的 产 生 和 发 展 机 理 的 研 究 , 数 值 模 拟 由 于 不 受 模 型 比 尺 的 限 制 , 是 一 个 有
[3]
发 展 前 途 的 方 法 。 赵 永 志 等 对 圆 柱 容 器 底 部 孔 口 的 漩 涡 进 行 了 模 拟 , 对 于 漩 涡 位 置 确 定 的
[4]
情 况 , 采 用 固 定 不 变 的 网 格 计 算 得 到 了 漏 斗 形 漩 涡 的 形 状 。 陈 云 良 等 对 电 站 进 口 的 流 态 进
行 了 研 究 , 以 k-ε 紊 流 模 型 为 理 论 基 础 , 并 引 入 VOF 模 型 来 处 理 自 由 水 面 , 对 电 站 进 水 口
[5]
的 流 场 进 行 了 数 值 模 拟 。LI Hai-feng 等 制 作 了 小 型 单 体 漩 涡 试 验 模 型 ( 水 槽 长 150cm, 宽
和 高 均 为 50cm), 用 PIV 方 法 量 测 漩 涡 不 同 发 展 阶 段 的 表 面 漩 涡 场 , 并 采 用 SST k-ε 紊 流
模 型 模 拟 漩 涡 。 该 研 究 指 出 由 于 漩 涡 位 置 的 不 确 定 性 及 其 漩 涡 表 面 的 梯 度 较 大 , 数 值 模 拟 漩
涡 核 心 的 流 场 几 乎 不 可 能 , 但 在 漩 涡 核 心 之 外 进 行 数 值 模 拟 是 可 行 的 , 在 漩 涡 核 心 区 需 要 采
作 者 简 介 : 王 英 奎 ( 1984—), 男 , 博 士 研 究 生 , 研 究 方 向 : 水 力 学 ,E-mail: wangyk06@mails.tsinghua.edu.cn
274

第 二 部 分 工 程 水 力 学
用 理 论 公 式 , 如 朗 金 (Rankine) 漩 涡 公 式 , 来 计 算 流 速 和 压 力 分 布 。
由 于 立 轴 漩 涡 产 生 和 发 展 的 复 杂 性 , 仅 仅 用 数 值 模 拟 的 方 法 还 不 能 完 全 解 决 问 题 , 物 理
模 型 试 验 方 法 在 研 究 立 轴 漩 涡 时 也 经 常 采 用 。Odgaard [6] 利 用 朗 金 模 型 对 表 面 吸 气 漩 涡 进 行
分 析 , 得 出 了 漩 涡 强 度 与 雷 诺 数 、 佛 汝 德 数 、 韦 伯 数 之 间 关 系 的 经 验 公 式 。 对 于 实 际 工 程 而
言 , 一 般 雷 诺 数 和 韦 伯 数 都 足 够 大 , 故 粘 性 力 和 表 面 张 力 的 影 响 可 忽 略 不 计 。 因 此 现 有 的 旋
涡 形 成 的 经 验 公 式 及 其 漩 涡 类 型 的 判 据 , 大 多 建 立 在 进 口 淹 没 水 深 和 佛 汝 德 数 的 基 础 上 。
Gordon [7] 通 过 试 验 观 测 , 将 漩 涡 形 成 的 主 要 影 响 参 数 简 化 为 佛 汝 德 数 和 进 水 口 淹 没 水 深 , 总
1 2
结 出 不 产 生 吸 气 漩 涡 的 最 小 淹 没 深 度 为 H
min
= KVD , 其 中 H
min
为 最 小 淹 没 水 深 ,K 为
综 合 影 响 系 数 。 在 目 前 的 电 站 进 水 口 设 计 规 范 中 通 常 都 采 用 这 一 公 式 。
Gordon 和 Gulliver [8] 等 都 是 通 过 总 结 试 验 资 料 和 原 型 资 料 来 得 到 成 果 的 。 随 着 数 字 粒 子
图 像 测 速 (PIV,Particle Image Velocimetry) 技 术 的 出 现 , 人 们 能 够 更 深 入 地 了 解 漩 涡 流 动
[9]
的 内 部 结 构 和 流 动 特 征 , 这 对 立 轴 漩 涡 形 成 的 机 理 研 究 提 供 了 一 个 有 力 的 工 具 。 唐 洪 武 等
早 在 1999 年 就 开 始 应 用 数 字 粒 子 图 像 技 术 观 测 进 水 口 漩 涡 流 场 , 试 验 模 型 为 有 机 玻 璃 圆 筒 ,
圆 筒 高 50 cm, 直 径 30 cm, 实 现 低 频 率 激 光 照 明 条 件 下 获 得 高 像 质 的 流 动 图 像 的 效 果 , 得 到
漩 涡 的 流 场 特 性 。Rajendran [10] 在 长 130 cm, 宽 30 cm, 深 46 cm 的 水 槽 中 , 利 用 PIV 技 术 测
[11]
量 了 自 由 表 面 漩 涡 的 流 场 。G. Echa´vez 等 通 过 制 作 小 型 单 体 漩 涡 模 型 , 模 型 直 径 和 高 度
均 为 70 cm, 利 用 Canon L1 Hi8 摄 像 机 对 漩 涡 形 成 过 程 进 行 记 录 , 通 过 漂 浮 物 运 动 速 度 来 量
测 漩 涡 的 切 向 速 度 。
本 文 在 溪 洛 渡 水 电 站 水 工 模 型 的 基 础 上 , 对 泄 洪 洞 进 口 处 的 立 轴 漩 涡 现 象 进 行 了 深 入 的
试 验 研 究 , 试 验 中 利 用 先 进 的 摄 像 技 术 对 立 轴 漩 涡 的 形 态 进 行 了 观 测 记 录 , 对 其 形 态 发 展 变
化 过 程 有 了 较 为 详 尽 的 研 究 ; 同 时 试 验 中 利 用 PIV 流 速 测 量 系 统 观 测 了 漩 涡 表 面 的 流 场 情
况 , 对 其 强 度 变 化 过 程 进 行 了 重 点 分 析 。 本 文 的 研 究 特 色 在 于 结 合 实 际 工 程 , 在 大 型 整 体 水
工 模 型 上 进 行 了 试 验 研 究 , 研 究 结 果 对 实 际 工 程 具 有 较 高 的 参 考 价 值 。
2 试 验 设 计
本 次 试 验 是 在 溪 洛 渡 水 电 站 水 工 模 型 上 进 行 的 。 该 水 电 枢 纽 工 程 主 要 建 筑 物 由 混 凝 土 双
曲 拱 坝 、 泄 洪 设 施 和 引 水 发 电 建 筑 物 组 成 , 混 凝 土 双 曲 拱 坝 坝 高 278 m。 在 校 核 和 设 计 洪 水
情 况 下 , 泄 洪 洞 的 总 泄 流 流 量 分 别 为 16648 m 3 /s、15430 m 3 /s。 该 工 程 右 岸 各 2 条 常 规 泄 洪
洞 , 其 中 泄 洪 洞 断 面 均 为 14.0 m×12.0 m, 长 度 均 超 过 了 1600 m。 对 该 工 程 进 行 泄 洪 消 能 模
型 试 验 研 究 , 采 用 整 体 、 正 态 模 型 , 模 型 比 尺 为 1:100。 试 验 范 围 : 拱 坝 上 游 约 800 m, 宽 720 m,
地 形 高 程 模 拟 至 610 m。 拱 坝 下 游 至 最 远 一 个 泄 洪 洞 (1# 泄 洪 洞 ) 以 下 约 1 km, 即 下 游 总 长
2.3 km, 模 拟 宽 度 原 型 460 m, 地 形 高 程 至 430 m, 整 个 模 拟 范 围 包 括 了 枢 纽 所 有 建 筑 物 及
其 进 出 口 , 并 延 伸 到 一 定 距 离 。 模 型 设 计 及 试 验 范 围 如 图 1 所 示 , 本 次 试 验 主 要 是 在 模 型 3
号 泄 洪 洞 进 口 处 进 行 的 。
在 本 次 模 型 试 验 中 , 对 不 同 水 位 情 况 下 立 轴 漩 涡 的 形 态 变 化 进 行 了 观 测 记 录 , 观 测 工 具
是 Panasonic NV-GS400 摄 像 机 。 同 时 为 了 清 楚 的 表 现 漩 涡 的 形 态 特 征 , 在 进 口 处 的 水 面 撒
上 了 一 层 白 色 塑 料 砂 , 这 些 砂 子 能 够 漂 浮 在 水 面 上 并 且 随 着 水 流 流 动 从 而 能 够 清 晰 的 表 现 出
漩 涡 的 形 态 特 征 。 另 外 , 在 泄 洪 洞 进 口 利 用 流 场 实 时 测 量 系 统 (VDMS) 对 漩 涡 表 面 流 场 进
行 了 详 细 的 观 测 。VDMS 是 采 用 粒 子 图 像 跟 踪 测 速 技 术 (PIV) 开 发 的 大 范 围 同 步 测 速 系 统 ,
275

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
可 实 现 对 大 范 围 的 恒 定 流 或 非 恒 定 流 流 场 的 实 时 测 量 。 利 用 该 系 统 对 不 同 水 位 情 况 下 的 立 轴
漩 涡 表 面 流 场 情 况 进 行 了 实 时 观 测 , 对 漩 涡 强 度 的 变 化 过 程 进 行 了 较 为 详 细 的 研 究 。
拱
坝
水 垫 塘
泄 洪 洞
进
口
体
型
设
计
实 验 观 测 区 域
地 形 布 置
泄 洪 洞
图 1 泄 洪 洞 进 口 模 型 设 计 图
3 试 验 结 果 及 分 析
3.1 立 轴 漩 涡 形 态 观 测
根 据 前 人 的 研 究 成 果 , 进 口 淹 没 水 深 条 件 对 立 轴 漩 涡 的 发 展 变 化 有 很 重 要 的 影 响 , 因 此
本 次 实 验 重 点 对 不 同 淹 没 水 深 条 件 下 的 立 轴 漩 涡 形 态 进 行 观 测 。 通 过 试 验 发 现 3# 泄 洪 洞 进
口 处 的 立 轴 漩 涡 形 态 比 较 明 显 , 变 化 过 程 比 较 清 晰 , 如 图 2 所 示 。 泄 洪 洞 的 洞 径 为 15 m,
喇 叭 口 的 高 度 为 25 m, 图 中 试 验 结 果 以 水 面 距 泄 洪 洞 底 的 水 深 表 示 , 下 同 。
如 图 所 示 , 在 较 低 水 位 情 况 下 ,3# 泄 洪 洞 进 口 的 水 流 条 件 一 直 比 较 平 稳 。 水 深 在 15m-35m
( 相 对 淹 没 深 度 H/D=1.00~2.33) 之 间 , 进 口 均 未 出 现 漩 涡 , 而 且 水 流 平 顺 地 流 入 泄 洪 洞 内 ,
几 乎 没 有 紊 动 。 随 着 水 位 的 增 加 , 水 面 开 始 出 现 波 动 , 水 面 开 始 形 成 不 规 则 流 动 , 并 逐 渐 开
始 出 现 漩 涡 现 象 。 水 深 达 到 39m(H/D=2.60) 时 , 泄 洪 洞 进 口 开 始 出 现 强 度 较 小 的 漩 涡 流 动 。
此 时 的 漩 涡 为 表 面 漩 涡 或 表 面 凹 漩 涡 , 其 强 度 非 常 小 , 对 泄 洪 洞 内 流 态 及 泄 洪 安 全 基 本 没 有
影 响 。 而 水 位 继 续 升 高 导 致 漩 涡 进 一 步 发 展 , 逐 渐 发 展 成 为 染 料 核 漩 涡 和 挟 物 漩 涡 。 当 水 深
增 大 至 41m(H/D=2.73) 时 , 泄 洪 洞 进 口 的 立 轴 漩 涡 变 为 强 烈 的 非 贯 通 性 漩 涡 , 其 位 置 及 大
小 均 比 较 稳 定 。 此 时 的 漩 涡 为 间 歇 吸 气 涡 , 该 漩 涡 对 进 口 流 态 已 经 产 生 较 大 影 响 , 同 时 吸 入
的 气 泡 对 泄 洪 洞 内 的 流 态 有 较 大 影 响 , 对 泄 洪 洞 的 泄 洪 安 全 也 是 个 威 胁 。 水 深 增 至 47m
(H/D=3.13) 时 , 漩 涡 已 经 发 展 成 为 较 稳 定 的 贯 通 性 的 漩 涡 , 并 且 随 着 水 深 的 增 加 , 其 强 度
有 继 续 增 大 的 趋 势 。 此 时 的 漩 涡 能 够 稳 定 的 吸 入 气 体 , 不 仅 减 小 了 泄 洪 洞 的 泄 流 量 , 同 时 吸
入 的 气 体 能 够 导 致 并 强 化 泄 洪 洞 内 壁 空 蚀 空 化 现 象 。 这 种 类 型 的 漩 涡 对 泄 洪 洞 泄 洪 安 全 威 胁
最 大 , 在 水 利 工 程 中 要 杜 绝 出 现 。
276

第 二 部 分 工 程 水 力 学
15 m 35 m
39 m 41 m
47 m 55 m
图 2 泄 洪 洞 进 口 处 (3#) 立 轴 漩 涡 变 化 过 程
3.2 立 轴 漩 涡 表 面 流 场 观 测
为 了 研 究 漩 涡 强 度 的 变 化 过 程 , 对 泄 洪 洞 进 口 的 表 面 流 场 进 行 了 测 量 , 试 验 结 果 如 图 3
所 示 ( 图 中 坐 标 系 是 基 于 设 计 方 案 中 提 供 的 坐 标 系 统 )。
277

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
15 m 41 m
47 m 55 m
图 3 泄 洪 洞 进 口 漩 涡 流 场 变 化 过 程
如 图 所 示 , 在 淹 没 水 深 较 低 的 情 况 下 泄 洪 洞 进 口 水 流 平 稳 的 流 入 泄 洪 洞 内 , 没 有 漩 涡 出
现 。 其 表 面 流 场 也 是 有 一 个 主 流 方 向 流 入 泄 洪 洞 , 没 有 太 大 的 紊 动 。 随 着 淹 没 水 深 的 升 高 ,
当 水 深 达 到 41m(H/D=2.73) 时 , 进 口 开 始 出 现 较 为 明 显 的 立 轴 漩 涡 , 其 表 面 流 场 开 始 出 现
明 显 的 漩 涡 流 动 。 淹 没 水 深 继 续 增 高 , 其 漩 涡 中 心 附 近 的 流 速 逐 渐 增 大 , 而 且 漩 涡 中 心 的 位
置 没 有 太 大 变 化 。 同 时 , 从 图 中 能 够 很 明 显 的 看 出 , 立 轴 漩 涡 的 强 度 随 淹 没 水 深 的 增 高 是 逐
渐 增 大 的 。 该 流 场 测 量 结 果 与 漩 涡 形 态 观 测 结 果 是 一 致 的 。
3.3 漩 涡 强 度 及 速 度 环 量 的 研 究
速 度 环 量 是 研 究 漩 涡 的 一 个 重 要 参 数 , 在 一 定 程 度 上 可 以 表 示 漩 涡 的 强 度 大 小 。 本 文 主
要 对 表 面 速 度 环 量 进 行 研 究 , 其 大 小 主 要 与 表 面 流 场 的 速 度 分 布 有 关 , 其 定 义 式 为 :
278

第 二 部 分 工 程 水 力 学
对 于 经 典 的 兰 肯 (Rankine) 涡 模 型 , 该 式 可 以 写 为 :
G = ò u × dL
(1)
L
G = 2pr
u
(2)
0
其 中 ,r 0 为 漩 涡 中 心 部 分 的 半 径 ,u 0 为 边 缘 速 度 。
本 次 试 验 中 , 对 不 同 淹 没 深 度 下 的 流 场 结 果 进 行 分 析 计 算 , 可 以 得 到 漩 涡 通 量 随 淹 没 深
度 的 变 化 过 程 , 如 图 4 所 示 。
0
速 度 环 量 Г/m 2 •s -1
40
35
30
25
20
15
10
5
0
速 度 环 量 Г
40 42 44 46 48 50 52 54 56
淹 没 水 深 /m
图 4 泄 洪 洞 进 口 漩 涡 速 度 环 量 变 化 过 程
由 图 可 知 , 随 着 淹 没 水 深 的 不 断 升 高 , 立 轴 漩 涡 的 速 度 环 量 也 逐 渐 增 加 , 这 也 表 明 了 漩
涡 强 度 逐 渐 增 强 的 趋 势 。 由 前 面 的 试 验 结 果 可 知 , 当 淹 没 水 深 较 小 (H/D=1.00~2.33) 时 ,
进 口 没 有 漩 涡 出 现 , 水 流 入 流 比 较 平 顺 , 其 速 度 环 量 几 乎 为 零 。 随 着 淹 没 水 深 增 加 , 开 始 出
现 微 弱 的 表 面 漩 涡 或 表 面 凹 漩 涡 。 然 而 在 淹 没 水 深 低 于 41 m(H/D=2.73) 时 , 进 口 水 面 紊
动 并 不 是 特 别 强 烈 , 漩 涡 强 度 较 小 , 其 速 度 环 量 可 以 忽 略 不 计 。 当 淹 没 水 深 继 续 增 加 , 进 口
的 漩 涡 发 展 成 为 较 为 强 烈 的 非 贯 通 性 漩 涡 , 其 速 度 环 量 超 过 10 m 2 /s。 此 时 的 速 度 环 量 虽 然
不 是 很 大 , 但 却 应 该 引 起 注 意 。 在 淹 没 深 度 继 续 升 高 的 情 况 下 , 进 口 处 的 立 轴 漩 涡 进 一 步 发
展 , 强 度 逐 渐 增 强 , 同 时 速 度 环 量 也 不 断 增 大 。 本 次 试 验 中 , 速 度 环 量 最 大 增 至 35 m 2 /s 左 右 ,
此 时 的 漩 涡 已 经 得 到 了 充 分 的 发 展 , 为 强 烈 的 贯 通 性 漩 涡 。
在 本 文 的 试 验 中 , 模 型 为 大 型 整 体 水 工 模 型 , 其 泄 洪 洞 进 口 的 雷 诺 数 及 韦 伯 数 都 已 经 足
够 大 了 , 可 以 不 用 考 虑 其 对 试 验 结 果 的 影 响 。 因 此 在 本 模 型 中 淹 没 水 深 是 立 轴 漩 涡 产 生 及 发
展 最 主 要 的 影 响 因 素 , 本 文 试 验 中 也 重 点 对 不 同 淹 没 水 深 情 况 下 进 行 了 试 验 观 测 。 试 验 结 果
表 明 , 不 同 的 淹 没 水 深 情 况 下 立 轴 漩 涡 的 形 态 及 强 度 都 各 不 相 同 : 淹 没 水 深 越 高 , 进 口 立 轴
漩 涡 越 明 显 , 漩 涡 强 度 越 大 , 相 应 的 漩 涡 速 度 环 量 也 越 大 。
4 结 论
本 文 在 泄 洪 洞 水 工 模 型 上 , 对 不 同 淹 没 水 深 情 况 下 的 立 轴 漩 涡 现 象 进 行 了 试 验 观 测 。 通
过 对 立 轴 漩 涡 形 态 的 观 测 , 对 立 轴 漩 涡 的 产 生 发 展 有 了 一 个 比 较 清 晰 的 认 识 。 相 对 淹 没 深 度
为 2.60 时 进 口 前 开 始 出 现 漩 涡 流 动 , 而 相 对 淹 没 深 度 为 2.73 时 开 始 出 现 稳 定 的 非 贯 通 性 漩
涡 。 同 时 , 本 文 利 用 PIV 速 度 测 量 系 统 对 进 口 前 立 轴 漩 涡 表 面 流 场 情 况 进 行 了 观 测 , 其 结
果 与 立 轴 漩 涡 的 形 态 观 测 是 一 致 的 。 通 过 对 漩 涡 速 度 环 量 的 计 算 , 对 立 轴 漩 涡 的 强 度 变 化 过
程 有 了 较 详 细 的 了 解 。 淹 没 水 深 超 过 2.73 时 , 进 口 非 贯 通 性 漩 涡 的 速 度 环 量 超 过 了 10 m 2 /s
279

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
并 随 淹 没 水 深 的 增 加 而 增 大 , 此 时 的 立 轴 漩 涡 将 会 对 泄 洪 洞 的 安 全 构 成 威 胁 。 这 些 试 验 结 果
对 于 实 际 工 程 中 预 防 和 消 除 立 轴 漩 涡 的 危 害 有 较 高 的 参 考 价 值 。
致 谢 : 研 究 获 得 973 计 划 ( 编 号 2006CB403304)、 国 家 自 然 科 学 基 金 (90610028) 和 水 沙
科 学 与 水 利 水 电 工 程 国 家 重 点 实 验 室 资 助 (2008-ZY-5)
参 考 文 献
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280

第 二 部 分 工 程 水 力 学
香 港 雨 洪 排 海 出 水 口 消 能 工 试 验 研 究
郭 永 鑫 王 涛 杨 开 林
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 北 京 复 兴 路 甲 1 号 100038 Guoyx_1123@163.com)
摘 要 通 过 对 香 港 荃 湾 、 葵 涌 和 青 衣 雨 水 排 放 隧 洞 出 口 工 程 水 力 性 能 及 其 结 构 进 行 物 理 模 型 试
验 评 估 , 提 出 相 应 优 化 方 案 。 通 过 在 隧 洞 出 口 扩 散 池 内 布 置 三 角 形 分 水 导 流 墩 , 构 建 墩 栅 涡 流 室
消 力 池 改 进 了 水 流 流 态 , 避 免 折 冲 水 流 ; 在 平 底 扩 散 池 末 端 布 置 合 适 尺 寸 的 消 力 墩 使 水 流 平 稳 进
入 下 游 台 阶 式 泄 水 道 , 消 除 了 台 阶 起 始 段 水 翅 现 象 的 发 生 ; 在 出 口 明 渠 以 等 角 度 散 射 状 对 称 布 置
消 力 墩 , 消 除 水 流 能 量 , 并 使 水 流 充 分 扩 散 到 下 游 海 域 ; 在 护 坦 段 布 置 消 力 墩 , 下 游 衔 接 带 排 水
孔 的 装 配 式 楔 状 混 凝 土 板 护 坦 , 保 护 近 岸 海 床 在 不 同 海 水 位 情 况 下 免 受 冲 刷 , 最 大 限 度 的 减 小 了
对 海 域 设 施 的 不 良 影 响 。 试 验 结 果 表 明 , 改 进 的 墩 栅 涡 流 室 消 力 池 与 台 阶 式 泄 水 道 相 结 合 的 排 水
口 结 构 工 程 , 水 流 流 态 良 好 , 消 能 效 果 明 显 , 且 兼 有 景 观 效 果 。
关 键 词 排 水 工 程 ; 模 型 试 验 ; 阶 式 溢 洪 道 ; 墩 栅 涡 流 室 消 力 池
1 工 程 概 况
香 港 荃 湾 、 葵 涌 和 青 衣 , 由 于 广 泛 都 市 化 和 高 速 发 展 , 已 铺 地 面 令 雨 水 较 快 地 进 入 排 水
系 统 , 加 上 现 有 排 水 系 统 的 不 断 老 化 , 在 猛 烈 暴 雨 时 极 易 产 生 水 浸 问 题 。 为 降 低 该 市 区 在 暴
雨 期 间 受 水 浸 的 威 胁 , 香 港 渠 务 署 (DSD) 拟 建 造 荃 湾 - 葵 涌 雨 水 排 放 隧 道 , 截 取 半 山 的 雨 水
排 出 大 海 , 雨 水 无 须 经 过 下 游 现 有 的 雨 水 排 放 系 统 , 长 远 解 决 市 区 水 浸 问 题 。 该 工 程 除 直 径
6.5 m, 长 约 5.13 km 的 隧 道 本 身 外 , 包 括 三 个 进 水 口 设 施 和 一 个 排 水 口 设 施 , 整 个 工 程 如
[1]
图 1 所 示 。 其 中 隧 洞 出 口 工 程 由 出 口 扩 散 池 、 台 阶 式 泄 水 道 、 箱 涵 、 明 渠 及 护 坦 段 组 成 。
本 研 究 通 过 物 理 模 型 试 验 对 排 水 出 口 的 水 力 学 性 能 及 结 构 进 行 评 估 , 并 提 出 相 应 优 化 方 案 。
图 1 荃 湾 、 葵 涌 和 青 衣 雨 水 排 放 整 体 工 程 示 意 图
281

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2 模 型 设 计 及 试 验 设 备
模 型 设 计 按 照 Froude 相 似 准 则 , 采 用 Lr=20 的 几 何 正 态 模 型 , 各 水 力 要 素 原 、 模 型 换
算 比 尺 见 表 1。 考 虑 糙 率 相 似 , 原 形 中 混 凝 土 糙 率 取 0.016, 则 模 型 材 料 糙 率 应 为 0.0097,
故 模 型 底 板 采 用 灰 塑 料 板 制 作 , 其 余 部 分 为 方 便 观 察 流 态 采 用 透 明 有 机 玻 璃 板 。
模 型 流 量 范 围 从 2 年 一 遇 (48.5 m 3 /s) 到 200 年 一 遇 (209.8 m 3 /s), 而 潮 水 位 变 幅 由
平 均 低 潮 位 0.3 m 到 200 年 一 遇 潮 水 位 3.5 m。 在 模 型 中 通 过 电 磁 流 量 计 控 制 隧 洞 出 口 流 量 ,
利 用 压 力 传 感 器 测 量 模 型 的 水 位 、 压 力 波 动 及 海 域 的 水 位 波 动 , 通 过 测 针 控 制 下 游 潮 位 , 用
LGY-Ⅲ 型 多 功 能 智 能 旋 浆 式 流 速 仪 测 量 模 型 流 速 。
表 1 原 、 模 型 换 算 比 尺
比 尺 类 型
Lr
Vr
Qr
fr
n
r
比 值 20 4.47 1788.85 0.22 1.64
3 原 始 方 案 布 置 及 模 型 试 验
3.1 原 始 方 案 布 置
模 型 原 始 方 案 布 置 如 图 2。 隧 洞 出 口 处 与 扩 散 池 中 轴 线 成 6° 夹 角 , 扩 散 池 扩 散 角 为 42°,
扩 散 池 内 布 置 两 排 消 力 墩 , 下 游 衔 接 18 级 高 1.6 m, 宽 2.0 m 的 台 阶 , 台 阶 段 坡 度 1:1.26
(38.4°), 台 阶 下 游 连 接 4 孔 宽 9 m, 高 3.2 m 的 箱 涵 , 通 过 桥 下 明 渠 段 水 流 流 入 大 海 。
为 了 保 护 海 床 免 受 冲 刷 , 在 入 海 口 处 用 级 配 700 的 块 石 铺 设 成 1.85 m 厚 、26 m 长 的 堆 石 护
坦 。 为 评 估 水 流 对 海 域 的 影 响 , 模 型 海 域 模 拟 范 围 宽 130 m, 长 170 m。
明 渠
台 阶 式 泄 水 道
主 排 水 洞
护 坦 箱 涵 扩 散 池
图 2 雨 洪 排 海 工 程 入 海 口 水 工 建 筑 物 布 置 示 意 图
3.2 试 验 结 果
通 过 对 原 模 型 进 行 试 验 , 原 始 设 计 方 案 中 存 在 的 主 要 问 题 为 :
282

2 00 0
第 二 部 分 工 程 水 力 学
1) 出 口 扩 散 池 水 流 分 布 不 均 , 右 侧 水 流 偏 多 , 且 有 明 显 折 冲 水 流 现 象 。 对 于 扩 散 式 消
[2]
力 池 , 为 使 水 流 能 均 匀 扩 散 , 扩 散 角 一 般 以 6°~12° 为 宜 , 本 工 程 由 于 条 件 限 制 , 扩 散 角
偏 大 , 为 42°, 水 流 进 入 扩 散 池 后 沿 出 流 方 向 径 直 冲 向 下 游 , 在 横 向 上 来 不 及 均 匀 扩 散 ,
再 加 上 隧 洞 与 扩 散 池 轴 线 呈 6° 夹 角 , 在 左 侧 形 成 巨 大 回 流 , 右 侧 水 位 明 显 高 于 左 侧 。
2) 台 阶 起 始 段 , 由 于 扩 散 池 末 端 消 力 墩 较 高 , 为 2.4 m>1.6 m( 台 阶 高 度 ), 扩 散 池
出 流 未 能 在 台 阶 上 形 成 有 效 的 衔 接 水 流 , 水 流 跃 过 台 阶 , 形 成 水 翅 , 期 间 伴 随 有 大 量 水 花 飞
溅 , 对 下 游 桥 梁 设 施 及 交 通 造 成 不 利 影 响 。 且 台 阶 段 水 流 分 布 不 均 匀 , 右 侧 水 流 偏 大 。
3) 箱 涵 内 消 力 墩 布 置 不 合 理 , 水 流 受 第 一 排 消 力 墩 作 用 , 在 箱 涵 内 形 成 强 制 水 跃 冲 击
顶 板 , 第 二 排 消 力 墩 消 能 作 用 不 明 显 。
4) 出 口 明 渠 段 末 端 由 于 没 有 设 置 有 效 的 消 能 设 施 , 水 流 以 急 流 形 式 流 向 下 游 护 坦 , 加
之 明 渠 段 底 板 与 护 坦 间 2 m 落 差 , 跌 落 水 流 对 下 游 堆 石 护 坦 形 成 明 显 冲 刷 , 右 侧 流 量 偏 大 ,
冲 刷 更 加 严 重 。
5) 海 域 出 口 水 流 流 速 较 大 , 对 海 域 船 只 和 其 它 海 上 设 施 易 造 成 不 利 影 响 。 尤 其 在 较 低
潮 位 , 如 平 均 低 潮 位 0.3 m 时 , 受 海 域 地 形 影 响 ( 海 域 左 侧 地 形 平 坦 且 较 高 , 右 侧 坡 度 较 陡
且 低 ), 水 流 呈 不 对 称 扩 散 , 水 流 偏 向 右 侧 , 其 流 速 也 偏 大 , 对 海 域 设 施 影 响 最 为 不 利 。
4 优 化 方 案 布 置 及 模 型 试 验
鉴 于 原 始 设 计 方 案 中 存 在 的 问 题 , 结 合 实 地 情 况 , 经 与 业 主 协 商 , 降 低 了 上 游 隧 洞 出 口
高 程 , 箱 涵 及 明 渠 段 底 板 高 程 也 由 原 先 的 4.5 m 降 低 到 2.8 m, 台 阶 级 数 相 应 地 由 原 设 计 方
案 的 18 级 减 少 到 13 级 。 为 了 不 让 各 种 杂 物 , 如 石 块 、 泥 沙 大 量 滞 留 在 排 水 系 统 流 道 中 , 设
计 采 用 消 力 墩 作 为 主 要 消 能 设 施 , 通 过 对 模 型 进 行 多 方 案 的 试 验 比 较 及 改 进 , 确 定 优 化 方 案
布 置 如 图 3 所 示 。 经 过 系 统 模 型 试 验 , 试 验 了 不 同 流 量 及 潮 水 位 组 合 下 出 水 口 结 构 的 水 力 性
能 及 水 流 流 态 , 验 证 了 模 型 的 结 构 特 性 及 对 海 域 的 影 响 。
护 坦 明 渠 箱 涵
台 阶 扩 散 池
F A L L 1 IN 1 1 0
1600
0 .0m P D
2.8m P D
图 3 优 化 方 案 出 水 口 结 构 布 置 示 意 图
283

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
1) 出 口 扩 散 段
由 于 要 满 足 使 3 m 宽 工 程 检 测 车 可 以 自 由 出 入 隧 洞 的 限 制 条 件 , 不 宜 在 隧 洞 出 口 建 分 水
导 流 墙 , 为 使 扩 散 池 内 水 流 均 匀 扩 散 , 在 池 内 增 设 两 个 三 角 形 分 水 导 流 墩 , 一 个 边 长 2 m
高 4 m, 贴 在 右 侧 边 墙 上 ; 另 一 个 边 长 2 m 高 3 m, 安 放 在 扩 大 池 轴 线 附 近 , 同 时 , 在 池 内
布 设 两 排 高 4 m 的 消 力 墩 , 流 出 隧 洞 出 口 的 高 速 水 流 被 分 水 导 流 后 , 受 第 一 排 消 力 墩 的 阻 挡 、
消 能 作 用 , 水 流 由 急 流 过 渡 为 缓 流 , 在 第 一 排 消 力 墩 前 形 成 墩 池 式 混 合 流 , 水 流 在 池 内 通 过
掺 混 、 紊 动 、 水 跃 等 形 式 将 动 能 转 化 为 热 能 和 势 能 , 且 使 水 流 横 向 分 布 , 均 匀 扩 散 ; 在 消 力
墩 后 , 由 于 水 流 的 分 离 掺 入 较 多 空 气 , 使 水 流 的 掺 混 紊 动 和 碰 撞 加 强 , 水 流 有 水 平 和 垂 直 两
个 方 向 的 掺 混 和 交 换 , 形 成 较 强 的 回 流 和 旋 滚 。 通 过 加 设 第 二 排 消 力 墩 进 一 步 平 稳 水 流 流 态 ,
改 善 水 流 分 布 , 增 加 消 能 效 果 。
2) 平 底 扩 散 池 与 台 阶 式 消 能 工 的 衔 接
在 第 二 排 消 力 墩 后 , 水 流 仍 有 较 高 势 能 将 转 化 为 动 能 , 因 此 需 布 置 第 三 排 消 力 墩 , 进 一
步 消 能 , 以 使 扩 散 池 段 水 流 均 匀 、 平 稳 地 进 入 台 阶 段 , 消 除 台 阶 段 水 翅 现 象 。 水 翅 主 要 影 响
因 素 为 水 翅 起 始 台 阶 高 度 及 台 阶 式 溢 洪 道 坡 度 , 当 底 坡 一 定 时 , 在 台 阶 式 溢 洪 道 上 游 段 即 水
[3]
翅 极 易 产 生 的 部 位 设 置 尺 寸 较 小 的 过 渡 台 阶 可 以 抑 制 水 翅 的 产 生 。 将 扩 散 池 第 三 排 消 力 墩
假 想 为 一 级 台 阶 , 则 适 当 降 低 其 高 度 可 以 抑 制 水 翅 的 产 生 , 通 过 试 验 测 试 , 其 高 度 参 考 台 阶 高
度 为 1.6 m, 距 离 台 阶 段 起 始 边 缘 2 m。 水 流 由 扩 散 池 流 出 经 第 三 排 消 力 墩 进 一 步 阻 挡 消 能 ,
部 分 水 流 从 消 力 墩 顶 部 溢 流 而 出 ; 其 余 的 从 墩 间 分 股 流 出 , 并 在 墩 后 发 生 转 折 、 互 相 撞 击 等
强 烈 紊 动 , 增 加 消 能 效 果 , 缩 短 了 出 流 水 舌 的 长 度 , 从 而 使 水 流 平 滑 地 进 入 下 游 台 阶 段 。
3) 台 阶 式 泄 水 道
台 阶 式 消 能 工 由 于 其 较 高 的 消 能 率 和 便 捷 的 施 工 技 术 在 水 利 工 程 中 得 到 广 泛 应 用 , 国 内
[4]
外 研 究 者 对 其 进 行 了 大 量 的 研 究 。 台 阶 式 泄 水 道 水 流 流 态 一 般 分 为 跌 落 水 流 、 滑 行 水 流 、
处 于 二 者 之 间 的 过 渡 水 流 。 基 于 大 量 的 实 验 及 工 程 验 证 表 明 , 台 阶 式 泄 水 道 各 流 态 的 消 能 率
相 差 很 小 , 其 总 消 能 率 最 大 可 达 到 95% 左 右 , 台 阶 段 部 分 的 消 能 量 最 少 占 总 消 能 量 的 85% 以
上 。
水 流 自 扩 散 池 均 匀 、 平 滑 进 入 台 阶 段 , 在 较 低 流 量 时 台 阶 段 水 流 以 跌 落 水 流 为 主 , 当 流
量 增 大 时 逐 渐 过 渡 到 滑 行 水 流 。 在 200 年 一 遇 洪 水 流 量 下 , 水 流 为 滑 行 水 流 , 流 过 台 阶 表 面
的 水 流 与 假 想 底 层 ( 即 各 台 阶 尖 端 点 的 连 线 ) 平 行 , 流 线 没 有 较 大 的 弯 曲 , 台 阶 的 存 在 仅 仅 相
当 于 增 加 了 泄 水 道 底 部 的 粗 糙 度 , 从 而 增 加 了 水 流 的 阻 力 , 水 面 线 距 假 想 底 层 约 为 0.5 m,
远 小 于 泄 水 道 边 墙 高 度 4.3 m, 通 过 压 力 测 量 , 台 阶 段 不 会 发 生 明 显 的 空 蚀 破 坏 , 因 此 台 阶
式 泄 水 道 的 设 计 合 理 。
4) 箱 涵 及 明 渠 出 口 段
由 于 原 始 方 案 箱 涵 及 明 渠 段 底 板 高 程 较 高 , 为
4.5 m, 水 流 流 出 结 构 物 后 仍 有 较 大 的 势 能 , 势 必 会 对
下 游 护 坦 及 海 域 造 成 冲 刷 , 因 此 结 合 工 程 实 际 情 况 ,
适 当 降 低 其 高 程 到 2.8 m, 使 水 流 能 量 主 要 耗 散 在 结
构 物 内 。 同 时 为 使 明 渠 出 流 尽 可 能 扩 散 , 以 减 小 下 游
海 域 流 速 , 明 渠 出 口 宽 度 由 原 设 计 方 案 的 41 m 增 宽 到
49.2 m。
箱 涵 段 进 口 即 台 阶 末 端 布 置 一 排 缓 冲 墩 , 高 速 下
22620
2010 2200 2300 2400 2600 3000 3400 3800
910
45°
2 2 6 0 0
图 4 明 渠 段 等 角 度 散 射 状 消 力 墩
布 置 示 意 图
泄 水 流 受 缓 冲 墩 作 用 , 发 生 强 制 水 跃 , 在 水 跃 内 部 受 缓 冲 墩 作 用 , 动 水 压 力 减 小 , 水 跃 下 游
284

第 二 部 分 工 程 水 力 学
水 深 和 水 跃 长 度 都 相 应 减 小 , 箱 涵 内 水 流 紊 动 剧 烈 , 水 流 能 量 进 一 步 耗 散 。
在 明 渠 末 端 以 等 角 度 散 射 状 对 称 布 置 一 排 消 力 墩 , 其 散 射 角 为 90°, 相 邻 消 力 墩 之 间
的 夹 角 为 5°, 其 作 用 : 一 是 提 供 箱 涵 段 出 流 发 生 水 跃 的 下 游 水 深 , 二 是 通 过 消 力 墩 的 导 流
和 阻 挡 掺 气 功 能 进 一 步 消 能 , 第 三 , 消 力 墩 呈 等 角 渐 变 散 射 状 布 置 , 消 力 墩 间 的 空 隙 越 靠 近
明 渠 轴 线 空 隙 越 小 , 向 两 侧 逐 渐 增 大 , 该 结 构 可 有 效 地 扩 大 水 流 的 散 射 范 围 , 使 明 渠 出 流 尽
可 能 扩 散 , 并 形 成 较 大 扇 面 的 流 动 , 避 免 下 游 海 域 因 水 流 集 中 在 轴 线 附 近 形 成 局 部 高 流 速 ,
减 小 下 游 海 域 水 流 的 速 度 , 从 而 减 小 水 流 对 下 游 入 海 口 的 影 响 。 其 布 置 如 图 4 所 示 。
5) 下 游 护 坦 段
由 于 流 量 和 潮 水 位 组 合 变 幅 较 大 , 尤 其 在 200 年 一 遇 洪 水 + 平 均 低 潮 位 0.3 m 的 最 不 利 工
况 下 , 水 流 流 出 结 构 物 后 仍 有 较 大 能 量 ( 包 括 2.8 m 的 势 能 将 转 化 为 动 能 ), 加 之 下 游 潮 位 低 ,
近 岸 段 不 足 以 提 供 发 生 完 全 水 跃 的 跃 后 水 深 , 为 减 轻 水 流 对 海 域 设 施 的 影 响 , 其 能 量 应 最 大
限 度 地 耗 散 在 护 坦 段 。
经 多 方 案 的 比 较 , 将 护 坦 高 程 降 低 到 0 m, 并 在 长 16 m, 宽 102 m 的 护 坦 范 围 内 ( 考 虑 环
境 及 公 众 影 响 等 因 素 ) 构 建 两 排 消 力 墩 , 该 结 构 不 仅 可 以 形 成 消 力 墩 式 消 力 池 , 在 低 潮 位 工
况 下 , 使 水 流 在 池 内 充 分 扩 散 消 能 后 流 出 护 坦 , 由 于 其 显 著 增 加 了 射 流 的 出 口 扩 散 宽 度 , 可
以 有 效 地 减 轻 对 下 游 海 域 的 影 响 , 同 时 消 力 墩 的 存 在 可 以 起 到 防 浪 护 堤 的 作 用 。
在 消 力 墩 后 铺 设 装 配 式 楔 状 混 凝 土 板 护 坦 , 该 结 构 为 柔 性 连 接 , 适 宜 软 基 础 铺 设 , 可 以
最 大 限 度 地 适 应 基 础 均 匀 或 不 均 匀 沉 陷 引 起 的 混 凝 土 板 偏 移 、 变 形 , 稳 定 性 好 , 不 易 被 水 冲
[5]
动 , 能 有 效 地 保 护 海 床 不 受 侵 蚀 , 进 而 维 护 消 力 墩 的 稳 定 性 ; 同 时 搭 接 式 结 构 增 加 了 护 坦
的 糙 率 , 在 较 低 水 位 时 可 以 进 一 步 耗 散 水 流 能 量 , 减 小 海 域 流 速 。 其 单 体 形 状 如 图 5 所 示 。
排 水 孔
图 5 装 配 式 楔 状 混 凝 土 板 单 体 结 构 示 意 图
5 结 语
系 统 试 验 表 明 , 改 进 的 出 水 口 结 构 , 台 阶 上 水 流 分 布 均 匀 , 流 态 良 好 , 无 严 重 水 花 飞 溅
现 象 和 水 翅 发 生 , 无 水 流 翻 溢 边 墙 现 象 ; 海 域 水 流 扩 散 充 分 , 流 速 最 大 限 度 的 降 低 , 除 较 低
潮 位 近 岸 段 发 生 水 跃 外 , 海 域 波 动 较 小 ; 消 力 墩 式 消 力 池 结 合 台 阶 式 泄 水 道 的 泄 洪 消 能 方 式 ,
能 有 效 的 消 除 水 流 能 量 , 且 跌 落 水 流 的 消 能 率 大 于 滑 行 水 流 的 消 能 率 , 从 隧 洞 出 口 到 明 渠 段
结 构 不 同 暴 雨 重 现 期 的 消 能 率 如 表 2 所 示 。
表 2 出 水 口 建 筑 物 消 能 率
暴 雨 重 现 期 2 年 5 年 10 年 50 年 100 年 200 年
消 能 率 (%) 93.84 91.48 91.46 89.53 89.70 89.61
随 着 城 市 化 发 展 , 在 山 区 城 镇 的 低 洼 地 带 , 在 暴 雨 期 极 易 遭 受 山 区 洪 水 及 雨 浸 危 害 , 通
过 有 效 的 排 洪 设 施 将 雨 水 及 时 有 效 地 收 集 并 排 向 河 流 或 大 海 是 切 实 有 效 的 措 施 之 一 。 通 过 墩
栅 涡 流 室 消 能 工 与 台 阶 式 泄 洪 道 相 结 合 , 将 山 区 收 集 的 洪 水 经 消 能 后 排 放 , 不 仅 消 除 了 洪 水
285

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
及 雨 浸 危 害 , 而 且 有 很 好 的 景 观 效 果 , 本 工 程 对 其 它 城 市 雨 洪 排 水 工 程 有 积 极 的 借 鉴 及 参 考
价 值 。
参 考 文 献
[1] Kailin Yang, Xinlin Dong,Tao Wang,etc.New Structures of Energy Dissipation for Coastal Outfall of a
Drainage Project [A].32nd Congress of IAHR [C].Venice,Italy,2007,7.
[2] SL 253-2000. 溢 洪 道 设 计 规 范 [S].
[3] 韩 玙 , 冯 瑞 林 , 田 嘉 宁 , 等 . 大 坡 度 台 阶 式 溢 洪 道 中 的 水 翅 现 象 [J]. 水 力 发 电 学 报 ,2006,25:114-118.
[4] Kathleen H . Frizell . Research state of the art and needs for hydraulic design of stepped
spillways[D].Denver,Colorado,U.S.:epartment of the Interior Bureau of Reclamation,June 2006.
[5] ДаппоДД , 等 . 泄 水 建 筑 物 水 力 计 算 手 册 [M]. 陈 肇 和 等 译 .1993,529-531.
286

第 二 部 分 工 程 水 力 学
尚 嘎 尼 水 利 工 程 泄 洪 消 能 试 验 研 究
武 彩 萍 郭 慧 敏 宋 莉 萱 吴 国 英
( 黄 河 水 利 科 学 研 究 院 水 利 部 黄 河 泥 沙 重 点 实 验 室 河 南 郑 州 450003 Cp.wu@yahoo.com.cn)
摘 要 本 文 配 合 尚 嘎 尼 水 利 工 程 设 计 , 进 行 了 三 个 方 案 的 比 较 试 验 。 方 案 一 经 过 体 型 修 改 后 ,
下 游 冲 刷 深 度 浅 且 距 坝 远 , 但 两 侧 隔 墙 承 受 较 大 的 动 水 压 力 。 方 案 二 左 右 坝 段 采 用 宽 尾 墩 和 台 阶
式 联 合 消 能 , 各 级 流 量 下 , 宽 尾 墩 不 能 将 水 流 纵 向 拉 开 , 仅 起 到 了 约 束 水 流 , 坝 面 以 收 缩 叠 加 水
股 的 方 式 下 泄 , 剩 余 坝 面 阶 梯 不 能 得 到 有 效 利 用 , 消 能 效 果 不 佳 。 方 案 三 左 右 坝 段 采 用 台 阶 式 消
能 , 结 果 表 明 , 台 阶 对 减 小 坝 面 流 速 作 用 是 有 限 的 , 两 侧 阶 梯 溢 流 坝 面 与 山 坡 交 汇 处 水 流 流 速 较
大 , 达 到 22.7 m/s, 这 进 入 高 速 水 流 范 畴 , 根 据 台 阶 溢 流 坝 水 力 学 模 型 试 验 成 果 和 原 型 工 程 运
用 实 践 , 无 论 从 台 阶 溢 流 面 的 空 蚀 和 坝 肩 岩 石 抗 冲 能 力 , 台 阶 溢 流 面 和 坝 肩 山 体 都 是 不 安 全 的 。
关 键 词 水 流 工 程 ; 模 型 试 验 ; 溢 流 坝 ; 宽 尾 墩
1 概 述
尚 嘎 尼 水 利 工 程 (Shangani Dam) 位 于 津 巴 布 韦 西 北 部 的 呱 邑 河 (Gwayi River) 上 ,
距 布 拉 瓦 约 市 (Bulawayo City) 约 270 km, 控 制 流 域 面 积 38740 km 2 , 水 库 总 库 容 大 于 10
亿 m 3 , 工 程 以 供 水 为 主 、 兼 顾 发 电 。
[1]
根 据 设 计 部 门 提 出 的 试 验 任 务 和 要 求 , 模 型 按 佛 汝 德 相 似 定 律 设 计 , 为 局 部 动 床 正 态
模 型 , 几 何 比 尺 1:120。 下 游 河 床 的 岩 体 主 要 为 石 英 岩 , 模 型 以 天 然 石 子 散 粒 料 作 为 模 拟 岩
基 冲 刷 材 料 , 用 基 岩 的 抗 冲 流 速 10 m/s 确 定 散 粒 料 的 粒 径 ( 平 均 粒 径 3 cm)。 共 进 行 了 三
个 方 案 的 比 较 试 验 。
方 案 一 , 混 凝 土 重 力 坝 最 大 坝 高 71 m, 溢 流 坝 段 宽 201 m, 堰 型 为 WES 实 用 堰 , 堰 顶
高 程 906m。 下 游 消 能 采 用 连 续 式 挑 流 鼻 坎 , 挑 流 鼻 坎 高 程 870.2 m, 挑 坎 反 弧 半 径 20 m,
挑 角 30°, 溢 流 坝 两 侧 边 墙 向 河 道 收 缩 , 挑 坎 过 流 宽 度 118 m。 设 计 洪 水 位 917 m, 对 应 泄
量 14940 m 3 /s。 该 方 案 平 面 布 置 如 图 1。
918.4
931
910.4
900
925
876
919.4
915.8
902.6
900.0
901.3
898.0
903.6
869
878
883
878
902
924
930
911.9
907.4
904.7
902.6
901.2
866 867
868
885
882
889
886
892
893
896
912
922
920
927
929
931
892
894
919
867
872
881
885
885
901
899
902
902
906
917
916
918
934
936
图 1 方 案 一 枢 纽 平 面 布 置
方 案 二 , 该 体 型 与 方 案 一 相 比 , 将 溢 流 坝 段 分 为 三 部 分 , 中 间 坝 段 两 侧 导 墙 改 为 直 导 墙 ,
溢 流 坝 段 宽 98 m, 坝 顶 高 程 以 及 体 型 其 它 尺 寸 不 变 。 两 侧 溢 流 坝 坝 顶 高 程 由 906 m 抬 高 至
287

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
910 m, 左 侧 溢 流 坝 坝 段 分 4 孔 , 每 孔 净 宽 16 m, 右 侧 溢 流 坝 坝 段 分 3 孔 , 每 孔 净 宽 16 m。
两 侧 均 采 用 阶 梯 式 和 宽 尾 墩 联 合 消 能 , 阶 梯 台 阶 高 1 m, 宽 0.75 m, 阶 梯 与 山 体 自 然 衔 接 。
平 面 布 置 如 图 2。
918.4
912.2
895.6
900
876
902.6
878
915.8
900.0
878
883
902
885
911.9
907.4
882
886
889
892
922
927
929
920
图 2 方 案 二 枢 纽 平 面 布 置
方 案 三 , 该 体 型 是 根 据 方 案 一 和 方 案 二 模 型 试 验 结 果 而 提 出 的 , 中 间 溢 流 坝 段 两 侧 导 墙
仍 然 向 内 收 缩 , 但 收 缩 角 度 较 方 案 一 小 , 中 段 坝 顶 宽 138.6 m, 挑 流 鼻 坎 坎 顶 过 流 宽 度 为 106 m,
坝 顶 高 程 以 及 体 型 其 它 尺 寸 不 变 。 两 侧 溢 流 坝 坝 顶 高 程 较 方 案 二 抬 高 1 m, 去 掉 宽 尾 墩 , 左
岸 溢 流 坝 宽 度 为 69.3 m, 右 两 岸 溢 流 坝 宽 度 均 为 37.5 m, 两 侧 坝 段 均 采 用 阶 梯 式 消 能 , 阶
梯 台 阶 高 1 m, 宽 0.75 m, 阶 梯 与 山 体 自 然 衔 接 , 平 面 布 置 如 图 3。
910.4
900
925
915.8
902.6
900.0
901.3
898.0
903.6
882.0
869
871
873.5
869
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图 3 方 案 三 枢 纽 平 面 布 置
2 方 案 一 试 验 结 果
2.1 泄 流 能 力
试 验 对 溢 流 坝 水 位 与 流 量 关 系 进 行 了 量 测 , 结 果 表 明 , 试 验 量 测 各 库 水 位 下 溢 流 坝 泄 流
量 均 较 设 计 值 大 , 如 库 水 位 917 m 时 , 溢 流 坝 过 流 17500 m 3 /s 较 设 计 14940 m 3 /s 大 17%,
由 试 验 值 推 求 917 m 水 位 时 综 合 流 量 系 数 为 0.564。 库 水 位 917 m 时 , 对 应 坝 上 水 头 11 m, 较 溢
流 坝 设 计 水 头 H
d
=8.25 m 大 , 且 坝 高 p =60 m, P / H
d
=5.45>1.33, 属 于 高 堰 , 因 而 流 量 系
数 偏 大 。
2.2 堰 面 及 侧 墙 压 力
试 验 结 果 表 明 , 当 溢 流 坝 下 泄 14940 m 3 /s 流 量 时 , 库 水 位 916.25 m, 溢 流 堰 堰 面 上 产 生
[2]
负 压 , 最 大 负 压 为 2.82 m 水 柱 , 但 满 足 设 计 规 范 要 求 。 由 于 两 侧 边 墙 与 溢 流 坝 下 泄 水 流
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
有 一 定 的 夹 角 , 各 级 泄 量 情 况 下 , 两 侧 边 墙 均 受 到 水 流 冲 击 , 承 受 较 大 的 动 水 压 力 , 其 压 力
是 随 着 泄 量 的 加 大 而 增 大 , 在 库 水 位 916.24 m 时 , 试 验 量 测 到 边 墙 上 最 大 压 力 达 到 29.69 m
水 柱 。
2.3 水 流 流 态
各 级 泄 量 情 况 下 , 溢 流 坝 上 游 进 流 平 顺 , 堰 面 下 泄 水 流 连 续 光 滑 , 但 由 于 溢 流 坝 两 侧 边
墙 向 内 收 缩 , 两 侧 各 孔 下 泄 水 流 直 冲 边 墙 , 沿 边 墙 向 上 翻 滚 , 试 验 量 测 边 墙 处 最 大 水 柱 高 度
达 到 17.28 m。 在 高 水 位 大 流 量 时 , 部 分 水 流 翻 过 边 墙 顺 着 两 岸 山 坡 流 入 下 游 河 道 , 冲 刷 坝
坡 脚 。 另 外 , 由 于 两 侧 边 墙 的 收 缩 , 在 挑 流 鼻 坎 出 口 段 两 侧 水 流 集 中 , 且 向 中 间 挤 压 水 舌 ,
挑 坎 断 面 水 流 分 布 不 均 , 两 侧 水 深 大 流 速 小 , 水 舌 挑 距 近 。
2.4 坝 下 冲 刷
溢 流 坝 下 泄 水 流 对 下 游 河 道 冲 刷 情
况 , 与 库 区 上 游 来 水 洪 峰 大 小 、 洪 水 持 续
时 间 等 有 关 , 模 型 是 按 照 库 区 不 同 标 准 洪
水 流 量 进 行 冲 刷 试 验 。 模 型 在 放 水 前 按 照
原 始 地 形 铺 设 完 成 后 , 先 进 行 3000 m 3 /s
流 量 的 冲 刷 , 待 冲 刷 稳 定 后 ( 模 型 时 间 约
901.3
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3.5 小 时 , 相 当 于 原 型 38 小 时 ), 进 行 地 形
测 量 , 接 着 进 行 下 一 级 流 量 8000 m 3 /s 和
14960 m 3 /s 的 冲 刷 。
试 验 结 果 表 明 , 溢 流 坝 下 泄 各 级 流 量
时 , 挑 流 水 舌 跌 入 下 游 河 道 后 , 在 水 舌 入
水 点 前 后 形 成 两 个 大 漩 滚 , 漩 滚 区 内 水 流
紊 动 剧 烈 , 水 流 冲 刷 河 床 形 成 冲 刷 坑 , 被
图 4 方 案 一 冲 刷 坑 地 形 图 (14960m 3 /s)
冲 出 的 岩 块 推 向 下 游 并 堆 积 下 来 形 成 堆 积
体 , 随 着 冲 坑 的 加 深 , 在 水 垫 塘 两 侧 产 生 迴 流 , 淘 刷 河 道 两 岸 边 坡 。 试 验 量 测 流 量 3000 m 3 /s 、
8000 m 3 /s 、14940 m 3 /s 时 , 水 垫 塘 中 最 大 迴 流 流 速 分 别 为 1.75 m/s、3.94 m/s、5.89 m/s。
坝 下 100 m 断 面 最 大 流 速 分 别 为 8.47 m/s、13.32 m/s、 16.35 m/s。 各 级 流 量 时 , 冲 坑 最
深 点 深 度 及 距 坝 距 离 见 表 1, 图 4 为 流 量 14940 m 3 /s 时 坝 下 冲 坑 地 形 图 , 从 图 中 可 以 看 出 ,
冲 刷 坑 形 状 规 则 。
表 1 各 方 案 冲 坑 最 深 点 深 度 及 距 坝 的 距 离 统 计
流 量
方 案 一 冲 坑 最 深 点
方 案 一 修 改 冲 坑
最 深 点
方 案 二 冲 坑 最 深 点
方 案 三 冲 坑 最 深 点
(m 3 /s) 深 度
距 坝
深 度
距 坝
深 度
距 坝
深 度
距 坝
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
3000 6.76 60 4.6 72 5.5 82 5 84
8000 19.42 84 9.52 96 5.56 108 8.7 96
14940 22.52 96 14.41 120 2.1 96 16.9 84
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水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2.5 方 案 一 修 改 试 验 结 果
方 案 一 原 设 计 方 案 试 验 结 果 表 明 , 溢 流 坝 泄 量 有 较 大 富 余 , 水 流 对 两 侧 边 墙 冲 击 力 较 大 ,
边 墙 处 水 深 较 大 , 且 挑 坎 水 流 厚 薄 不 均 , 水 舌 挑 距 近 , 下 游 河 道 冲 刷 较 深 。 为 此 对 原 设 计 方
案 进 行 了 修 改 , 即 将 溢 流 坝 堰 顶 宽 度 由 201 m 缩 窄 至 180 m, 并 将 两 侧 边 墙 收 缩 角 减 小 , 挑
流 鼻 坎 处 两 侧 边 墙 各 向 外 移 动 10 m, 挑 流 鼻 坎 宽 度 由 118 m 增 加 到 138 m, 溢 流 堰 和 挑 流 鼻
坎 的 体 型 尺 寸 与 原 方 案 相 同 , 对 该 方 案 进 行 试 验 。
试 验 结 果 表 明 , 溢 流 坝 段 缩 窄 后 , 库 水 位 917 m 时 , 溢 流 坝 泄 量 为 15300 m 3 /s, 试 验 值
较 设 计 大 2.4%, 泄 量 仍 然 满 足 设 计 要 求 。
泄 量 14940 m 3 /s 时 , 对 应 库 水 位 916.84 m
较 原 设 计 高 , 溢 流 坝 最 大 负 压 (3.9 m 水 柱 )
[2]
较 原 设 计 略 有 增 大 , 但 仍 满 足 设 计 规 范 要
求 。 由 于 溢 流 坝 两 侧 边 墙 收 缩 角 减 小 , 因 而
溢 流 坝 两 侧 边 墙 动 水 压 力 也 略 有 减 小 , 但 最
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大 压 力 仍 有 28.8 m 水 柱 。 边 墙 最 大 水 深 由
17.28 m 减 小 为 12.72 m。
试 验 量 测 流 量 3000 m 3 /s 、8000 m 3 /s 、
14940 m 3 /s 时 , 坝 下 100 m 断 面 最 大 流 速 分
别 为 7.14 m/s、12.54 m/s、15.70 m/s。 各
级 流 量 时 , 冲 坑 最 深 点 深 度 及 距 坝 距 离 见 表
1, 图 5 为 流 量 14940 m 3 /s 时 坝 下 冲 坑 地 形
图 5 方 案 一 修 改 冲 刷 坑 地 形 图 (14960m 3 /s)
图 , 试 验 结 果 表 明 , 体 型 修 改 后 , 水 舌 入 水 宽 度 较 原 设 计 大 , 对 应 下 游 河 道 断 面 流 速 略 有 减
小 。 各 级 流 量 时 冲 坑 深 度 较 原 设 计 时 浅 , 冲 坑 最 深 点 距 坝 远 。 但 冲 坑 形 状 不 如 原 设 计 方 案 规
则 , 冲 刷 坑 宽 度 增 大 。
3 方 案 二 试 验 结 果
该 方 案 同 方 案 一 相 比 , 溢 流 坝 段 宽 度 由 201 m 增 加 至 305 m, 中 间 溢 流 坝 段 (98 m) 仍
采 用 连 续 式 挑 流 鼻 坎 消 能 。 两 侧 溢 流 坝 坝 顶 高 程 抬 高 4 m, 左 岸 溢 流 净 宽 100 m, 右 岸 溢 流
净 宽 96 m, 采 用 阶 梯 式 和 宽 尾 墩 联 合 消 能 , 阶 梯 高 1 m, 宽 0.75 m。
试 验 结 果 表 明 , 溢 流 坝 过 流 能 力 满 足 设 计 要 求 , 库 水 位 917 m, 溢 流 坝 过 流 15600 m 3 /s,
试 验 值 较 设 计 大 4.4%。 试 验 结 果 表 明 , 各 级 流 量 时 , 溢 流 坝 中 间 坝 段 水 流 平 顺 , 经 过 挑 流
鼻 坎 , 均 匀 平 顺 挑 入 下 游 河 道 。 但 左 右 两 侧 坝 段 的 边 孔 过 流 均 是 沿 着 两 岸 山 坡 沟 壑 流 动 , 流
态 凌 乱 而 复 杂 。 为 此 将 左 右 两 侧 边 孔 封 堵 , 左 岸 溢 流 净 宽 64 m, 右 岸 溢 流 净 宽 48 m, 并 进
行 试 验 量 测 。 结 果 表 明 , 由 于 溢 流 坝 过 流 宽 度 减 小 , 溢 流 坝 总 过 流 能 力 减 小 , 库 水 位 917 m,
溢 流 坝 过 流 12700 m 3 /s, 较 设 计 值 小 18%, 流 量 14940 m 3 /s 对 应 库 水 位 917.9 m。
各 级 流 量 时 , 溢 流 坝 中 间 坝 段 过 流 平 顺 , 经 挑 流 鼻 坎 均 匀 挑 入 下 游 河 道 。 两 侧 溢 流 坝 段
虽 然 加 设 宽 尾 墩 和 阶 梯 , 由 于 堰 上 水 头 和 流 速 小 , 水 舌 经 过 宽 尾 墩 后 , 不 能 实 现 纵 向 拉 开 ,
而 是 沿 坝 面 以 收 缩 叠 加 水 股 的 方 式 下 泄 , 溢 流 坝 只 有 少 部 分 坝 面 过 水 , 剩 余 坝 面 阶 梯 不 能 得
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
到 有 效 利 用 , 消 能 效 果 不 佳 。 左 右 两 侧 各 孔 下 泄 水 流 冲 至 山 坡 , 形 成 一 股 股 水 冠 再 顺 坡 下 泄 ,
试 验 量 测 两 岸 山 坡 水 流 流 速 达 到 20~25 m/s, 远 大 于 岩 石 的 抗 冲 流 速 10 m/s。 左 岸 顺 坡 水
流 直 冲 左 导 墙 末 端 , 涌 起 水 浪 最 大 高 度 达 10 m。 两 岸 顺 坡 水 流 淘 刷 坝 脚 和 两 岸 坡 脚 。
试 验 量 测 流 量 3000 m 3 /s 、8000 m 3 /s 、12700 m 3 /s 时 , 坝 下 100m 断 面 最 大 流 速 分 别
为 7.94 m/s、12.78 m/s、15.32 m/s, 与 方 案 一 修 改 体 型 相 比 下 游 河 道 流 速 变 化 不 大 。 各
级 流 量 时 , 冲 坑 最 深 点 深 度 及 距 坝 距 离 见 表 1, 图 6 为 流 量 14940 m 3 /s 时 坝 下 冲 坑 地 形 图 ,
试 验 结 果 表 明 , 与 前 两 个 方 案 相 比 , 冲 刷 坑 最 深 点 变 浅 了 , 特 别 是 大 流 量 时 由 于 水 流 淘 刷 两
侧 岸 坡 , 一 部 分 冲 积 物 堆 在 下 游 河 道 内 造 成 冲 坑 变 浅 , 冲 坑 宽 度 较 方 案 一 增 大 约 20 m, 但
冲 坑 形 状 更 不 规 则 , 在 左 右 坝 脚 处 淘 刷 岸 坡 , 有 可 能 危 及 坝 的 安 全 。
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图 6 方 案 二 冲 刷 坑 地 形 图 (14960m 3 /s)
图 7 方 案 三 冲 刷 坑 地 形 图 (14960m 3 /s)
4 方 案 三 试 验 结 果
该 方 案 同 方 案 二 相 比 , 去 掉 宽 尾 墩 , 连 续 式 挑 流 鼻 坎 消 能 的 中 间 坝 段 宽 度 由 98 m 增 加
至 137.8 m, 坝 顶 高 程 不 变 。 中 间 坝 段 两 边 隔 墙 向 内 收 缩 , 至 挑 流 鼻 坎 坎 顶 过 流 宽 度 减 小 至
106 m。 两 岸 溢 流 坝 坝 顶 高 程 由 910 m 抬 高 至 911 m, 左 岸 溢 流 坝 宽 度 为 69.3 m, 右 岸 溢 流
坝 宽 度 为 37.5 m, 均 采 用 阶 梯 式 消 能 , 阶 梯 高 1 m 宽 0.75 m。
4.1 泄 流 能 力
库 水 位 917 m, 溢 流 坝 过 流 14900 m 3 /s, 中 间 溢 流 坝 段 过 流 11330 m 3 /s, 左 、 右 阶 梯 溢
流 坝 段 分 别 过 流 2320 m 3 /s 和 1250 m 3 /s, 泄 流 能 力 基 本 满 足 设 计 要 求 。
4.2 堰 面 及 隔 墙 压 力 分 布
试 验 结 果 表 明 , 溢 流 坝 下 泄 3000 m 3 /s 流 量 时 , 只 有 溢 流 坝 中 段 过 水 , 其 两 侧 隔 墙 收 到 水
流 冲 击 , 试 验 量 测 溢 流 坝 左 侧 隔 墙 末 端 压 力 为 1.56 m 水 柱 。 溢 流 坝 下 泄 8000 m 3 /s 流 量 时 ,
溢 流 坝 全 断 面 过 水 , 溢 流 坝 两 隔 墙 除 了 中 间 坝 段 水 流 冲 击 外 , 在 其 末 端 分 别 受 到 左 右 两 岸 坝
段 水 流 冲 击 , 外 侧 冲 击 力 大 于 内 侧 , 试 验 量 测 溢 流 坝 左 侧 隔 墙 末 端 最 大 冲 击 压 力 为 7.2 m 水 柱 。
在 14900 m 3 /s 流 量 时 , 中 间 坝 段 堰 面 产 生 负 压 , 最 大 负 压 约 为 4.14 m 水 柱 , 左 右 两 岸 坝 段
台 阶 上 未 量 测 到 负 压 。 在 该 流 量 时 左 隔 墙 末 端 受 到 左 坝 段 水 流 冲 击 , 冲 击 力 约 为 7.68 m 水 柱 。
291

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
4.3 水 流 流 态 及 坝 下 冲 刷
试 验 表 明 , 溢 流 坝 下 泄 各 级 流 量 时 , 溢 流 坝 中 段 水 流 连 续 光 滑 , 由 于 溢 流 坝 两 侧 隔 墙 向
内 收 缩 , 溢 流 坝 各 孔 下 泄 水 流 冲 至 两 边 墙 后 折 向 中 部 , 使 得 挑 流 鼻 坎 两 侧 水 流 集 中 , 挤 压 挑
坎 水 流 , 导 致 水 舌 厚 薄 不 均 , 影 响 挑 坎 挑 流 。 左 右 坝 段 各 孔 下 泄 水 流 经 过 阶 梯 消 能 后 冲 至 山
坡 , 形 成 一 股 股 水 冠 再 顺 坡 下 泄 。 左 右 两 岸 阶 梯 坝 段 过 流 , 虽 然 经 过 阶 梯 消 除 部 分 能 量 , 但 与
山 坡 交 汇 处 流 速 仍 然 较 大 , 如 14900 m 3 /s 流 量 时 坝 肩 处 最 大 流 速 达 22 m/s 以 上 , 冲 击 坝 肩 , 两
岸 山 坡 上 流 速 也 较 大 。
各 级 流 量 时 , 冲 坑 最 深 点 深 度 及 距 坝 距 离 见 表 1, 图 7 为 流 量 14940 m 3 /s 时 坝 下 冲 坑 地
形 图 , 试 验 结 果 表 明 , 在 小 流 量 时 , 溢 流 坝 下 游 冲 坑 深 度 位 置 与 其 它 方 案 相 差 不 大 , 随 着 溢
流 坝 下 泄 流 量 的 增 加 , 左 右 岸 坝 段 过 流 增 多 , 冲 刷 坑 最 深 点 位 置 发 生 变 化 , 如 流 量 14940 m 3 / 时
冲 坑 最 深 点 较 8000 m 3 /s 时 靠 近 上 游 。 随 着 两 岸 坝 段 两 股 水 流 强 度 增 加 , 水 流 淘 刷 两 岸 坡 脚 ,
需 要 加 强 防 护 。
5 不 同 方 案 试 验 比 较
试 验 结 果 表 明 , 方 案 一 经 过 体 型 修 改 后 , 各 级 流 量 时 , 挑 坎 水 流 分 布 较 修 改 前 相 对 均 匀 ,
下 游 冲 刷 深 度 浅 且 距 坝 远 。 但 两 侧 隔 墙 仍 然 受 到 水 流 冲 击 , 承 受 较 大 的 动 水 压 力 。 方 案 二 将
溢 流 坝 分 成 三 段 , 左 右 坝 段 采 用 宽 尾 墩 和 台 阶 式 联 合 消 能 。 各 级 流 量 下 , 宽 尾 墩 不 能 将 水 流
纵 向 拉 开 , 仅 起 到 了 约 束 水 流 , 坝 面 以 收 缩 叠 加 水 股 的 方 式 下 泄 , 剩 余 坝 面 阶 梯 不 能 得 到 有
效 利 用 , 消 能 效 果 不 佳 。 左 右 两 坝 段 各 孔 下 泄 水 流 冲 击 坝 肩 坡 脚 , 形 成 水 冠 再 顺 坡 下 泄 , 流
态 较 为 复 杂 , 山 坡 上 水 流 流 速 达 到 20~25 m/s, 并 冲 击 中 间 坝 段 隔 墙 。 方 案 三 各 级 流 量 时 ,
左 右 两 侧 坝 段 各 孔 下 泄 水 流 冲 至 山 坡 , 形 成 一 股 股 水 冠 再 顺 坡 下 泄 , 作 为 辅 助 消 能 工 的 台 阶 ,
减 小 坝 面 流 速 作 用 是 有 限 的 , 两 侧 阶 梯 溢 流 坝 面 与 山 坡 交 汇 处 水 流 流 速 较 大 , 达 到 22.7 m/s,
这 进 入 高 速 水 流 范 畴 , 根 据 台 阶 溢 流 坝 水 力 学 模 型 试 验 成 果 和 原 型 工 程 运 用 实 践 , 无 论 从 台
阶 溢 流 面 的 空 蚀 和 坝 肩 岩 石 抗 冲 能 力 , 台 阶 溢 流 面 和 坝 肩 山 体 都 是 不 安 全 的 。 综 合 各 方 面 因
素 , 推 荐 方 案 一 修 改 体 型 。
参 考 文 献
[1] 南 京 水 利 科 学 研 究 院 等 编 . 水 工 模 型 试 验 ,2 版 [M]. 北 京 : 水 利 水 电 出 版 社 ,1985.12.
[2] 混 凝 土 重 力 坝 设 计 规 范 SDJ21¾78[S]. 北 京 : 水 利 出 版 社 .
[3] 清 华 大 学 水 力 学 教 研 组 编 . 水 力 学 [M]. 北 京 : 人 民 教 育 出 版 社 .
292

第 二 部 分 工 程 水 力 学
中 低 水 头 拱 坝 泄 洪 消 能 技 术 探 讨
王 立 杰
1
李 延 农
1
张 雄
1
吴 沛 涛
2
梁 晖
1
(1. 中 国 水 电 顾 问 集 团 中 南 勘 测 设 计 研 究 院 湖 南 长 沙 410014 wangbing8000@126.com
2. 中 国 水 电 顾 问 集 团 中 南 勘 测 设 计 研 究 院 宜 昌 设 计 院 湖 北 宜 昌 443005)
摘 要 本 文 在 两 座 中 水 头 拱 坝 的 泄 洪 消 能 问 题 试 验 研 究 的 基 础 上 , 考 虑 到 中 低 水 头 拱 坝 泄 洪 消
能 的 特 殊 性 , 进 一 步 探 讨 了 中 低 水 头 拱 坝 的 坝 身 泄 洪 功 率 、 表 孔 的 高 低 坎 大 差 动 型 式 、 中 孔 的 窄
缝 型 式 以 及 坝 下 消 能 防 冲 建 筑 物 的 基 本 型 式 。 本 研 究 对 解 决 中 低 水 头 拱 坝 泄 洪 消 能 问 题 具 有 一 定
参 考 价 值 。
关 键 词 中 低 水 头 拱 坝 ; 泄 洪 消 能 ; 泄 洪 功 率 ; 高 低 坎 大 差 动 ; 水 垫 塘
1 概 述
我 国 在 峡 谷 河 段 的 水 利 水 电 枢 纽 建 设 中 , 采 用 拱 坝 的 越 来 越 多 , 而 且 随 着 水 电 开 发 的 深
入 , 不 少 高 拱 坝 的 坝 高 已 经 达 到 300m, 由 于 高 拱 坝 的 特 殊 性 , 不 少 研 究 机 构 针 对 高 拱 坝 的
泄 洪 消 能 问 题 进 行 了 较 为 深 入 的 研 究 , 高 拱 坝 的 泄 洪 消 能 问 题 基 本 能 够 得 到 较 好 的 解 决 。 但
是 , 在 一 些 峡 谷 河 道 地 区 , 还 有 一 些 水 头 较 低 的 拱 坝 , 其 设 计 坝 高 一 般 在 百 米 左 右 , 泄 洪 水
头 从 几 十 米 到 上 百 米 不 等 , 泄 洪 功 率 一 般 在 百 万 千 瓦 级 。 这 些 拱 坝 的 泄 洪 消 能 问 题 虽 然 没 有
高 拱 坝 泄 洪 消 能 问 题 那 么 突 出 , 但 由 于 该 类 型 拱 坝 坝 身 较 低 , 泄 洪 消 能 范 围 较 小 , 消 能 水 体
有 限 , 在 泄 洪 功 率 较 大 的 情 况 下 , 泄 洪 消 能 问 题 仍 较 难 解 决 。 本 文 根 据 结 合 工 程 实 践 中 所 研
究 的 两 个 中 水 头 拱 坝 的 泄 洪 消 能 问 题 , 并 参 照 国 内 类 似 工 程 的 解 决 方 案 , 旨 在 较 为 全 面 探 讨
中 低 水 头 的 泄 洪 消 能 解 决 方 案 , 为 今 后 类 似 工 程 提 供 一 定 的 技 术 支 持 。
2 两 座 百 米 级 拱 坝 的 泄 洪 消 能 试 验 研 究
2.1 淋 溪 河 水 电 站 拱 坝 坝 身 泄 洪 消 能 的 试 验 研 究
淋 溪 河 水 电 站 位 于 溇 水 上 游 河 段 , 地 处 湖 北 省 鹤 峰 县 与 湖 南 省 桑 植 县 交 界 的 溇 水 界 河
上 。 拱 坝 最 大 坝 高 为 88 m, 上 下 游 水 头 差 在 60 m 左 右 。 水 文 统 计 资 料 知 道 ,P=2%、P=0.5%
洪 水 的 下 泄 流 量 分 别 为 6099 m 3 /s 和 6899 m 3 /s, 该 拱 坝 最 大 坝 高 为 88 m, 上 下 游 水 头 差 在
60 m 左 右 , 由 此 计 算 淋 溪 河 水 电 站 的 2% 设 计 洪 水 功 率 为 341 万 kW, 最 大 泄 洪 功 率 接 近 400
万 kW。 国 内 类 似 百 米 级 拱 坝 的 最 大 泄 洪 功 率 一 般 在 200 万 KW 左 右 , 这 就 给 本 水 电 站 的 泄 洪
消 能 提 出 了 很 大 的 难 题 。
原 设 计 方 案 中 , 表 孔 采 用 反 弧 型 式 , 深 孔 采 用 了 跌 坎 式 。 试 验 发 现 , 由 于 拱 坝 高 度 较 小 ,
各 孔 出 流 高 度 集 中 , 表 孔 及 深 孔 水 舌 落 点 均 在 坝 下 游 60 m~70 m 左 右 处 , 这 样 单 位 面 积 水
体 所 承 受 的 水 流 动 能 很 大 , 最 大 冲 坑 深 度 超 过 了 40 m, 原 方 案 不 能 满 足 要 求 。
[3]
[11]
在 试 验 中 , 结 合 淋 溪 河 水 电 站 的 特 点 , 分 别 采 用 了 表 孔 大 差 动 与 深 孔 收 缩 的 结 合
以 及 表 孔 大 差 动 空 中 碰 撞 与 深 孔 收 缩 等 两 种 方 案 的 试 验 研 究 , 此 两 种 方 案 均 采 用 了 护 坡 不 护
底 的 型 式 , 但 由 于 泄 洪 功 率 太 大 , 而 天 然 河 道 的 消 能 水 体 明 显 不 能 满 足 要 求 , 以 至 在 上 述 两
293

1:1.2
10
1:2.16148
1:1
1:1.2
210.000
227.000
水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
种 方 案 下 , 下 游 河 床 的 冲 坑 深 度 仍 超 过 了 30 m。
以 上 三 种 方 案 说 明 100 米 级 拱 坝 在 泄 洪 功 率 很 大 ( 接 近 或 达 到 400 万 kW) 的 情 况 下 ,
在 本 水 电 站 所 涉 及 的 下 游 河 床 条 件 下 , 在 水 流 集 中 甚 至 水 流 纵 向 拉 开 的 情 况 下 , 护 坡 不 护 底
的 方 案 均 难 以 满 足 下 游 的 冲 坑 安 全 要 求 , 应 寻 求 分 流 降 低 坝 身 泄 洪 功 率 的 方 式 , 或 者 构 建 护
底 水 垫 塘 , 利 用 足 够 的 消 能 水 体 来 消 杀 水 流 能 量 , 从 而 解 决 泄 洪 消 能 问 题 。 综 合 淋 溪 河 水 电
站 的 实 际 , 本 研 究 拟 采 用 构 建 水 垫 塘 来 解 决 淋 溪 河 水 电 站 的 泄 洪 消 能 问 题 , 方 案 平 面 及 剖 面
图 如 图 1— 图 3 所 示 :
25
210.000
1:1
1:0.5
坝 ±000.000
220.000
245.000
图 1 淋 溪 河 水 垫 塘 方 案 平 面 布 置 图
281.00
281.00
251.785
250.575
图 2 右 表 孔 左 侧 剖 面 图
图 3 右 表 孔 右 侧 剖 面 图
在 上 述 试 验 研 究 的 基 础 上 , 对 二 边 表 孔 位 置 重 新 布 置 , 边 表 孔 轴 线 向 岸 边 靠 , 顺 应 地 形 ,
泄 槽 长 度 进 一 步 延 长 , 并 采 用 斜 鼻 坎 型 式 , 使 两 孔 落 点 分 开 并 纵 向 拉 开 水 舌 , 同 时 在 下 游 河
床 冲 坑 区 预 挖 水 垫 塘 并 设 置 二 道 坝 , 利 用 水 垫 塘 集 中 消 能 。
试 验 表 明 “ 水 垫 塘 + 二 道 坝 ” 的 泄 洪 消 能 布 置 型 式 基 本 解 决 了 淋 溪 河 水 电 站 的 泄 洪 消 能
问 题 , 水 垫 塘 内 的 流 速 分 布 以 及 时 均 压 强 、 脉 动 压 强 的 分 布 规 律 基 本 合 理 。 各 工 况 下 水 垫 塘
内 的 水 流 紊 动 强 烈 , 有 较 好 的 消 能 效 果 。
2.2 铁 川 桥 水 电 站 拱 坝 坝 身 泄 洪 消 能 的 试 验 研 究
铁 川 桥 水 电 站 坝 址 位 于 云 南 省 宾 川 县 平 川 镇 诸 苦 拉 村 下 游 约 500 m, 距 下 游 铁 川 吊 桥 约
1.2 km。 碾 压 混 凝 土 拱 坝 最 大 坝 高 94.5 m, 正 常 蓄 水 位 1272.00 m。 设 计 洪 水 (P=2%) 入 库
洪 峰 流 量 Q=1550 m 3 /s; 校 核 洪 水 (P=0.1%) 入 库 洪 峰 流 量 Q=2830 m 3 /s; 消 能 防 冲 (P=3.33%)
洪 峰 流 量 Q=1340 m 3 /s。 由 此 计 算 得 出 铁 川 桥 水 电 站 的 设 计 洪 水 泄 洪 功 率 为 98.8 万 kW, 最
大 泄 洪 功 率 为 180 万 kW。 虽 然 铁 川 桥 水 电 站 泄 洪 功 率 不 及 淋 溪 河 水 电 站 50 年 一 遇 泄 洪 功 率
的 1/3, 但 坝 址 下 游 处 河 宽 一 般 不 足 60 m, 河 床 的 最 大 抗 冲 流 速 只 有 5 m/s 左 右 , 且 采 用 只
294

第 二 部 分 工 程 水 力 学
护 坡 不 护 底 的 消 能 防 冲 型 式 ( 水 垫 塘 内 10 m 左 右 的 覆 盖 层 已 挖 除 ), 这 也 给 泄 洪 消 能 防 冲
问 题 的 解 决 带 来 了 一 定 的 难 度 。
原 设 计 方 案 , 为 了 避 免 水 流 对 坝 下 0+120.000 m 处 的 垮 塌 体 造 成 危 害 , 各 表 孔 及 冲 沙 孔
的 出 流 均 采 用 了 下 俯 式 , 这 样 各 孔 水 流 入 水 集 中 , 在 渲 泄 设 计 洪 水 时 , 下 游 冲 坑 深 度 超 过
15 m, 而 且 淘 刷 位 置 距 离 坝 体 较 近 , 威 胁 大 坝 安 全 。
[2][4][6]
通 过 分 析 对 比 , 初 步 确 定 将 表 孔 出 口 改 为 大 差 动 高 低 坎 的 型 式 ( 如 图 4— 图 6 所
示 ), 以 使 出 口 水 流 纵 向 拉 开 、 横 向 分 散 。 两 边 表 孔 出 口 低 坎 半 径 为 15 m, 呈 水 平 式 , 高
坎 反 弧 半 径 为 17 m 挑 角 为 20 度 , 其 中 右 边 表 孔 的 高 坎 位 于 该 孔 右 侧 ; 中 表 孔 低 坎 仍 采 用 下
俯 式 , 高 坎 为 5 m 半 径 反 弧 , 挑 角 为 26 度 , 而 冲 沙 孔 也 将 原 来 的 下 俯 式 调 整 为 水 平 出 口 。
体 型 修 改 后 , 中 表 孔 水 流 呈 现 扇 形 状 , 入 水 面 积 大 大 增 加 , 其 主 流 位 于 水 垫 塘 的 最 前 端 ,
两 边 表 孔 水 流 也 实 现 了 前 后 分 层 , 入 水 面 积 扩 大 , 而 且 高 坎 位 于 右 侧 的 右 边 表 孔 的 主 流 更 靠
近 河 道 中 心 线 , 有 利 于 降 低 对 护 坡 的 冲 刷 , 冲 沙 孔 水 舌 挑 距 最 远 , 距 离 表 孔 水 舌 落 点 约 30 m。
这 样 水 流 在 纵 向 上 分 成 三 部 分 , 入 水 面 积 增 加 , 单 宽 能 量 降 低 , 在 下 泄 设 计 洪 水 时 , 护 坡 坡
脚 的 淘 刷 深 度 一 般 未 超 过 5 m, 最 大 冲 坑 深 度 也 只 有 10 m 左 右 , 该 方 案 达 到 了 较 为 理 想 的
效 果 。
图 4 铁 川 桥 水 电 站 泄 洪 建 筑 物 平 面 图
图 5 中 表 孔 剖 面 图
图 6 边 表 孔 剖 面 图
3 中 低 水 头 拱 坝 泄 洪 消 能 技 术 问 题 探 讨
中 水 头 拱 坝 泄 洪 消 能 一 直 是 设 计 研 究 机 构 关 心 的 重 点 , 但 是 由 于 泄 洪 功 率 、 水 头 、 地 质
条 件 等 影 响 因 素 的 不 同 , 在 解 决 泄 洪 消 能 问 题 的 方 式 上 也 有 很 大 的 不 同 , 本 文 通 过 查 阅 国 内
数 十 个 类 似 工 程 拱 坝 泄 洪 消 能 方 式 的 解 决 方 案 , 旨 在 进 一 步 明 确 中 低 水 头 拱 坝 泄 洪 消 能 的 总
295

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
体 解 决 方 式 , 以 便 为 今 后 类 似 工 程 提 供 指 导 。
3.1 坝 身 泄 洪 功 率 的 控 制
中 低 水 头 拱 坝 由 于 坝 高 较 小 , 各 孔 水 流 如 靠 纵 向 拉 开 设 计 难 度 较 大 , 不 能 像 高 拱 坝 一 样
通 过 表 、 中 、 深 孔 的 联 合 泄 流 , 实 现 分 层 出 流 、 上 下 差 动 、 水 流 撞 击 , 使 射 流 水 股 在 入 水 处
纵 向 尽 可 能 拉 开 和 分 散 , 有 效 地 削 弱 入 水 射 流 的 集 中 强 度 , 减 轻 射 流 对 水 垫 塘 底 部 的 破 坏 能
力 。 中 低 水 头 拱 坝 如 果 泄 洪 功 率 太 大 , 加 之 水 流 的 径 向 集 中 , 极 易 在 坝 下 形 成 能 量 过 度 集 中 。
为 此 , 认 为 中 低 水 头 拱 坝 坝 身 泄 洪 消 能 问 题 , 可 由 下 式 来 定 性 描 述 :
Wmax = f ( Q, h, n e
,S)
其 中 , W max
—— 最 大 适 合 坝 身 泄 洪 功 率 ,KW;Q —— 坝 身 的 泄 洪 量 ,m 3 /s;h —— 泄 洪
水 头 ,m; n e
—— 基 岩 的 抗 冲 流 速 ,m/s; S —— 入 水 面 积 ,m 2 , 与 坝 身 泄 洪 方 式 有 关 。
通 过 对 国 内 类 似 工 程 泄 洪 消 能 解 决 方 案 的 调 研 , 一 般 情 况 下 泄 洪 功 率 200 万 KW 左 右 时 ,
问 题 较 易 解 决 , 可 采 用 只 护 坡 不 护 底 的 消 能 防 冲 型 式 ; 当 泄 洪 功 率 在 400 万 千 瓦 的 量 级 上 时 ,
各 种 泄 洪 消 能 方 式 下 , 下 游 冲 刷 均 较 为 严 重 , 坝 体 安 全 不 能 保 证 , 以 专 门 构 建 水 垫 塘 泄 洪 消
能 为 宜 。 如 本 研 究 涉 及 的 淋 溪 河 水 电 站 , 不 仅 设 置 了 人 工 衬 砌 水 垫 塘 , 而 且 为 了 避 免 集 中 能
量 对 水 垫 塘 的 冲 击 , 两 边 表 孔 最 终 优 化 为 类 岸 边 溢 洪 道 型 式 , 以 达 到 水 流 纵 向 拉 开 , 降 低 冲
击 水 流 对 水 垫 塘 底 板 的 不 利 影 响 。 而 铁 川 桥 水 电 站 则 由 于 坝 身 泄 洪 功 率 较 小 , 只 通 过 表 孔 以
及 冲 沙 孔 的 适 当 优 化 即 解 决 了 泄 洪 消 能 问 题 。
3.2 坝 身 泄 洪 建 筑 物 的 体 型 特 点
坝 身 泄 洪 建 筑 物 的 设 计 是 拱 坝 泄 洪 消 能 需 解 决 的 关 键 问 题 之 一 , 通 过 对 数 个 中 低 水 头 拱
坝 坝 身 泄 洪 建 筑 物 的 调 查 研 究 发 现 , 坝 身 泄 洪 建 筑 物 有 以 下 特 点 :
在 拱 坝 泄 洪 量 不 太 大 , 也 不 需 要 考 虑 排 沙 要 求 的 情 况 下 , 不 少 水 电 站 以 表 孔 单 独 泄 洪 为
[13]
[4]
[10]
[5]
主 。 如 陕 西 蔺 河 口 水 电 站 、 湖 北 龙 桥 水 电 站 、 长 潭 岗 水 电 站 、 广 西 下 桥 水 电 站 、
[7]
园 满 贯 水 电 站 等 , 均 采 用 了 表 孔 单 独 泄 洪 的 型 式 , 纵 观 表 孔 单 独 泄 洪 的 基 本 型 式 主 要 有 :
1) 表 孔 的 大 差 动 、 高 低 坎 型 式 ;2) 表 孔 的 间 隔 宽 尾 墩 型 式 ;3) 采 用 偏 流 扩 散 装 置 ;4) 坝
身 岸 边 溢 洪 道 型 式 ;5) 其 它 型 式 。 通 过 以 上 表 孔 型 式 的 选 择 , 拱 坝 表 孔 的 泄 洪 一 般 可 实 现
纵 向 拉 开 、 横 向 碰 撞 、 扩 大 入 水 面 积 、 减 小 岸 坡 冲 刷 等 目 的 , 有 效 解 决 了 拱 坝 的 泄 洪 消 能 问
题 。
但 是 , 在 泄 洪 量 较 大 , 同 时 又 要 兼 顾 库 区 排 沙 等 问 题 情 况 下 , 应 设 计 泄 洪 中 孔 。 通 过 本
研 究 以 及 其 它 一 些 类 似 工 程 的 经 验 认 为 , 在 泄 洪 功 率 较 大 , 采 用 表 孔 与 中 孔 联 合 泄 洪 时 , 应
避 免 表 孔 与 中 孔 水 流 重 合 交 汇 , 否 则 , 不 仅 可 能 造 成 天 然 河 床 的 严 重 冲 刷 , 也 不 利 于 有 护 底
水 垫 塘 的 安 全 运 行 。 通 过 试 验 发 现 , 如 采 用 传 统 方 式 不 能 解 决 表 孔 与 中 孔 水 流 纵 向 拉 开 的 问
题 , 则 可 采 用 中 孔 的 窄 缝 收 缩 型 式 , 这 样 可 大 大 减 轻 对 下 游 河 床 或 水 垫 塘 的 冲 刷 。
3.3 坝 下 消 能 防 冲 建 筑 物 的 体 型 特 点
由 于 中 水 头 拱 坝 的 总 投 资 控 制 较 小 , 这 样 消 能 防 冲 建 筑 物 的 投 资 就 占 到 了 整 个 水 电 站 的
很 大 一 部 分 , 因 而 泄 洪 建 筑 物 在 设 计 上 应 采 取 简 单 易 行 的 形 式 , 尤 其 是 坝 下 消 能 防 冲 建 筑 物 ,
设 计 上 首 先 考 虑 的 是 护 坡 不 护 底 的 型 式 , 其 次 采 用 短 护 坦 加 护 坡 的 型 式 , 再 次 是 采 用 衬 砌 水
垫 塘 的 型 式 。
296

第 二 部 分 工 程 水 力 学
通 过 调 查 分 析 , 护 坡 不 护 底 的 水 垫 塘 重 要 的 是 防 止 水 流 对 护 坡 坡 脚 的 冲 刷 , 在 有 短 护 坦
的 情 况 下 , 应 避 免 各 孔 水 流 直 接 砸 向 护 坦 造 成 破 坏 。
而 通 过 对 衬 砌 水 垫 塘 的 调 查 分 析 发 现 , 近 年 来 为 了 保 证 拱 坝 泄 洪 消 能 的 安 全 , 坝 下 利 用
衬 砌 水 垫 塘 来 泄 洪 消 能 已 经 逐 渐 成 为 研 究 者 关 注 的 重 点 之 一 , 其 水 垫 塘 的 基 本 型 式 也 屡 有 创
[9]
新 , 如 最 基 本 的 有 平 底 水 垫 塘 , 还 有 勺 型 水 垫 塘 、 反 拱 水 垫 塘 、 多 坎 式 水 垫 塘 等 , 同 时 也
有 一 些 水 垫 塘 有 辅 助 的 二 道 坝 以 及 消 能 墩 等 。 在 这 些 水 垫 塘 的 设 计 上 应 考 虑 多 种 因 素 : 首 先
[1]
是 水 垫 塘 长 度 及 型 式 的 水 力 设 计 , 充 分 挖 掘 水 垫 塘 的 消 能 潜 力 , 使 有 效 消 能 水 体 最 大 化 ,
水 垫 塘 结 构 体 型 最 简 化 ; 其 次 , 水 垫 塘 底 板 时 均 冲 击 压 力 的 控 制 , 工 程 上 以
[8]
D p / g = p / g - H £ 15m
作 为 常 用 的 控 制 标 准 ; 再 次 , 要 做 水 垫 塘 的 静 态 及 动 态 稳 定
s
1
分 析 。 如 果 水 垫 塘 内 设 置 消 能 墩 或 有 二 道 坝 的 情 况 , 应 研 究 消 能 墩 的 结 构 型 式 及 其 稳 定 性 ,
还 要 优 化 二 道 坝 的 高 度 , 避 免 由 于 二 道 坝 过 高 产 生 二 次 水 跃 。
4 本 文 研 究 结 论
本 文 通 过 对 淋 溪 河 及 铁 川 桥 水 电 站 两 座 中 水 头 拱 坝 的 试 验 研 究 以 及 中 水 头 拱 坝 所 涉 及
的 技 术 问 题 探 讨 , 所 取 得 的 主 要 结 论 如 下 :
1. 中 水 头 拱 坝 坝 身 泄 洪 功 率 受 泄 洪 量 、 水 头 、 基 岩 条 件 、 入 水 面 积 等 的 影 响 , 在 采 用 不
同 的 下 游 消 能 防 冲 型 式 时 , 应 重 点 控 制 坝 身 的 泄 洪 功 率 。
2. 坝 身 泄 洪 建 筑 物 多 以 表 孔 、 表 孔 和 中 孔 联 合 泄 洪 的 型 式 , 设 计 中 应 重 点 考 虑 表 孔 的 大
差 动 高 低 坎 以 及 中 孔 的 收 缩 型 式 , 以 有 利 于 坝 下 的 消 能 防 冲 。
3. 在 有 利 于 提 高 坝 下 消 能 防 冲 效 果 的 情 况 下 , 应 尽 可 能 比 选 更 为 合 适 的 坝 下 水 垫 塘 型 式 。
参 考 文 献
[1] 谭 立 新 , 等 . 泄 水 水 垫 塘 内 单 位 体 积 消 能 率 研 究 [J]. 水 动 力 学 研 究 与 进 展 ,2000.9(3):271-275.
[2] 花 立 峰 , 等 . 洞 河 水 库 双 曲 拱 坝 表 孔 泄 洪 消 能 问 题 的 试 验 研 究 [J]. 水 利 与 建 筑 学 报 ,2009.3(1):
68-70.
[3] 槐 文 信 , 等 . 双 曲 拱 坝 坝 顶 表 孔 泄 洪 消 能 布 置 试 验 研 究 [J]. 四 川 大 学 学 报 ( 工 程 科 学 版 ),2007.1
(1):1-5.
[4] 李 海 涛 , 等 . 龙 桥 水 电 站 拱 坝 泄 洪 表 孔 布 置 设 计 [J]. 湖 北 水 力 发 电 ,2007.4(69):29-31.
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[6] 杨 纪 元 , 等 . 三 江 口 水 利 枢 纽 工 程 泄 洪 消 能 试 验 研 究 [J]. 西 北 水 电 ,2003(1):48-52.
[7] 张 全 意 , 等 . 桐 梓 河 园 满 贯 水 电 站 工 程 泄 洪 消 能 设 计 [J]. 贵 州 水 力 发 电 ,2006.12(6):35-37.
[8] 尹 洪 昌 , 等 . 泄 水 工 程 水 力 学 [M]. 吉 林 : 吉 林 科 学 技 术 出 版 社 ,2002.10,256-309.
[9] 孙 建 . 高 拱 坝 坝 身 泄 洪 和 消 能 防 冲 [M]. 西 安 : 西 北 工 业 大 学 出 版 社 ,2002.8,146-152.
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1997.10.
[11] 张 磊 . 大 花 水 水 电 站 拱 坝 中 孔 跌 坎 窄 缝 消 能 工 试 验 研 究 [D]. 西 北 农 林 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ,
2007.6.
[12] 刁 明 军 . 高 坝 大 流 量 泄 洪 消 能 数 值 模 拟 与 实 验 研 究 [D]. 四 川 大 学 博 士 学 位 论 文 ,2004.11.
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297

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
柬 埔 寨 某 水 电 站 溢 流 表 孔 消 能 试 验 研 究
曾 德 坚
1
闭 多 能
1
罗 秉 珠
2
(1. 广 西 水 电 科 学 研 究 院 南 宁 530021 zengdejian@163.com
2. 广 西 电 力 工 业 勘 察 设 计 研 究 院 南 宁 530023)
摘 要 柬 埔 寨 某 水 电 站 最 大 坝 高 45.5 m, 坝 后 式 厂 房 。 依 据 水 力 条 件 , 溢 流 表 孔 宜 采 用 挑 流
消 能 最 经 济 , 设 计 曾 尝 试 将 挑 流 坎 顶 置 于 水 下 形 成 附 着 挑 流 , 借 助 下 游 水 体 的 顶 托 作 用 使 挑 距 增
大 , 将 冲 刷 坑 最 深 点 推 往 下 游 , 以 确 保 主 体 工 程 安 全 。 但 试 验 结 果 表 明 , 流 速 衰 减 慢 , 流 态 恶 劣 ,
引 起 大 范 围 河 底 冲 刷 淤 积 , 尾 水 位 抬 高 , 使 坝 后 式 厂 房 电 站 低 效 率 运 行 而 不 能 使 用 , 只 能 通 过 水
跃 消 能 方 式 解 决 消 能 难 题 。 本 文 采 用 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 联 合 消 能 工 , 解 决 了
尾 水 很 浅 消 力 池 底 板 不 能 降 低 的 难 题 。 这 种 消 能 工 能 在 消 力 池 首 水 跃 淹 没 度 仅 为 0.63~0.67 及
池 底 水 深 淹 没 度 为 0.75~0.81 的 情 况 下 , 仍 能 形 成 漩 滚 水 跃 消 能 , 坎 后 流 态 得 到 改 善 , 且 池 长
约 为 常 规 消 力 池 的 一 半 。
关 键 词 宽 尾 墩 ; 附 着 挑 流 ; 跌 坎 消 力 池 ; 强 制 水 跃 坎 ; 联 合 消 能
1 工 程 概 况 与 溢 流 表 孔 消 能 防 冲 工 程 难 点
1.1 工 程 概 况
该 水 电 站 位 于 柬 埔 寨 王 国 西 部 的 沃 代 河 上 , 水 库 正 常 蓄 水 位 515.0 m, 相 应 库 容 为
4.438×10 8 m 3 , 装 机 2 台 , 总 装 机 容 量 20 MW。 主 要 水 工 建 筑 物 由 混 凝 土 重 力 挡 水 坝 、2 孔
溢 流 坝 、1 孔 冲 沙 底 孔 、 引 水 系 统 和 左 岸 坝 后 式 厂 房 等 组 成 。 最 大 坝 高 45.5 m。 溢 流 坝 为
WES 型 实 用 堰 , 堰 顶 高 程 503.0 m, 溢 流 孔 净 宽 12.0 m, 采 用 弧 形 闸 门 , 挡 水 尺 寸 为 12.0 m×
12.0 m( 宽 × 高 )。 设 计 洪 水 流 量 (P=1%) 为 2520 m 3 /s, 设 计 洪 水 位 为 515.01 m, 校 核 洪 水
流 量 (P=0.1%)3710 m 3 /s, 校 核 洪 水 位 为 516.36 m; 消 能 防 冲 按 50 年 一 遇 洪 水 设 计 , 相 应
流 量 (P=2%)2170 m 3 /s。 电 站 枢 纽 平 面 布 置 见 图 1。
图 1 电 站 枢 纽 平 面 布 置 图
298

第 二 部 分 工 程 水 力 学
1.2 消 能 防 冲 工 程 难 点
(1) 枢 纽 布 置 格 局 不 能 改 变 。 根 据 坝 高 、 洪 水 流 量 与 上 、 下 游 水 位 、 地 质 构 造 、 消 能
防 冲 工 程 等 因 素 考 虑 , 溢 流 表 孔 应 设 置 3 孔 , 以 减 少 单 宽 流 量 , 但 有 关 部 门 决 定 只 能 采 用 2
孔 溢 流 。
(2) 受 坝 址 地 质 构 造 制 约 。 坝 址 地 质 构 造 , 由 上 而 下 依 次 为 : 河 床 砾 石 层 — 砂 岩 — 泥
岩 — 砂 岩 , 即 坝 下 河 床 抗 冲 能 力 为 : 极 低 — 稍 强 — 较 弱 — 较 强 。 坝 基 及 消 能 工 建 基 面 应 放 在
高 程 为 469.0 m 以 上 的 砂 岩 上 , 不 得 置 于 下 层 的 泥 岩 之 中 。 下 游 河 床 岩 层 分 布 与 抗 冲 流 速 如
表 1 所 示 。
(3) 由 于 坝 址 地 区 的 交 通 非 常 不 便 , 物 资 匮 乏 , 水 泥 、 钢 材 等 建 筑 材 料 的 当 地 价 格 较
高 , 工 程 量 的 增 加 将 使 工 程 造 价 大 幅 提 高 。
表 1 河 床 岩 层 分 布 与 允 许 流 速 建 议 值
岩 层 高 程 Z(m) 岩 性 埋 深 h=477.5-Z(m) 允 许 流 速 (m/s)
1 475~473 漂 石 , 强 风 化 砂 岩 2.5~4.5 1.8~2.4
2 473~465 弱 风 化 泥 岩 4.5~12.5 2.9~4.0
3 465~443 微 风 化 细 砂 岩 12.5~34.5 5.0~8.0
2 模 型 制 作
模 型 按 重 力 相 似 准 则 设 计 , 几 何 比 尺 Lr=66.66, 为 正 态 整 体 水 工 模 型 。 模 型 取 原 型 上 游 河
段 600 m, 下 游 河 段 650 m, 两 岸 地 形 上 下 游 分 别 取 至 520 m 和 494 m 高 程 。 地 形 用 水 泥 砂
浆 抹 面 , 重 力 坝 、 溢 流 坝 、 厂 房 、 导 墙 等 用 水 泥 砂 浆 刮 模 制 作 , 并 用 水 砂 纸 打 光 上 蜡 。 冲 沙
底 孔 、 闸 墩 、 弧 形 闸 门 用 有 机 玻 璃 制 作 。
下 游 河 床 自 坎 末 至 下 0+250 m 做 成 动 床 , 模 型 沙 按 岩 层 与 抗 冲 流 速 分 层 铺 设 。
3 溢 流 表 孔 原 方 案 消 能 防 冲 设 计 思 路 与 修 改
3.1 原 方 案 试 验
根 据 工 程 坝 高 、 地 形 、 地 震 与 水 力 条 件 计 算
比 较 后 得 知 : 溢 流 表 孔 消 能 无 使 用 面 流 消 能 条
件 ; 底 流 消 能 将 明 显 增 大 工 程 投 资 ; 用 常 规 自 由
挑 流 消 能 , 因 挑 距 短 , 不 利 坝 基 与 厂 坝 导 墙 安 全
稳 定 。 原 设 计 方 案 尝 试 将 挑 流 坎 顶 放 在 下 游 水 面
之 下 , 通 过 附 着 挑 流 消 能 方 式 , 想 借 助 下 游 水 体
对 附 着 挑 流 水 舌 的 顶 托 作 用 , 使 挑 距 增 大 、 冲 刷
坑 变 浅 变 远 , 确 保 主 体 工 程 安 全 。 其 结 构 型 式 见
图 2。
试 验 结 果 表 明 , 在 消 能 防 冲 设 计 流 量
2170 m 3 /s 时 , 坎 内 水 深 小 无 反 向 漩 滚 体 , 坎 后
图 2 原 方 案 溢 流 坝 消 能 工 剖 面 图
涌 浪 加 剧 , 出 坎 水 流 未 能 有 效 扩 散 , 水 舌 宽 度 几 乎 与 孔 口 等 宽 。 坎 末 水 舌 下 缘 顺 流 方 向 有 一 长
约 12 m 的 空 腔 。 附 挑 水 舌 挑 距 远 , 约 距 挑 坎 44 m 处 入 水 。 由 于 下 游 水 浅 , 再 以 远 驱 水 跃 形
299

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
式 与 下 游 衔 接 , 同 冲 沙 底 孔 出 流 水 舌 汇 合 后 , 涌 浪 加 剧 , 在 下 游 河 道 形 成 强 烈 的 多 级 人 字 形
水 跃 波 , 一 直 延 伸 至 下 游 500 m 以 下 。 因 下 游 主 流 偏 于 左 岸 , 导 致 右 岸 自 下 0+120 m 至 下
0+400 m 为 回 流 区 , 最 大 回 流 流 速 达 5.35 m/s; 左 岸 回 流 区 范 围 虽 小 , 但 强 度 较 大 , 最 大 回
流 流 速 达 5.25 m/s。 岸 边 回 流 压 迫 主 流 使 有 效 过 水 断 面 减 少 , 流 速 增 大 。 河 床 最 大 底 部 流
速 达 19.60 m/s; 最 大 面 流 速 16.74 m/s。 最 大 岸 边 波 浪 爬 高 达 8.82 m。 试 验 结 果 见 表 2。
试 验 结 果 表 明 , 原 方 案 消 能 率 很 低 , 下 游 余 能 较 大 , 势 必 引 起 严 重 的 冲 刷 , 泥 沙 堆 积 会 抬 高
下 游 水 位 降 低 电 站 水 头 , 影 响 到 坝 后 厂 房 的 正 常 运 行 和 电 站 的 发 电 效 益 , 故 不 能 采 用 , 必 须
修 改 。
表 2 消 能 工 方 案 比 较 试 验 成 果 表
Q2%=2170m 3 /s H 上 =513.69m H 下 400m=483.99m
试 验 方 案
原 方 案
( 附 着 挑 流 )
修 改 方 案
( 原 方 案 +
宽 尾 墩 + 消 力 坎 )
推 荐 方 案
( 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强
制 水 跃 坎 )
池 底 流 速 (m/s) 26.30 / 13.88
尾 坎 顶 面 流 速 (m/s)
24.38
11.34 11.72
尾 坎 顶 底 流 速 (m/s)
16.27 8.00
下 游 河 道 最 大 面 流 速 (m/s) 16.74 13.60 12.14
下 游 河 道 最 大 底 流 速 (m/s) 19.60 14.20 4.88
下 游 岸 边 最 大 流 速
左 岸 6.34 3.40 5.46
(m/s) 右 岸 -5.35 3.22 6.25
下 游 岸 边 最 大 波 浪 爬 高
左 岸 7.08 3.06 2.53
(m) 右 岸 8.82 2.89 3.83
厂 坝 导 墙 边 最 高 水 位 (m) 491.87 493.80 490.64
尾 坎 跌 水 落 差 (m) 2.27 2.67 5.27
4 消 能 方 案 修 改 思 路 与 过 程
4.1 宽 尾 墩 与 附 着 挑 流 消 能 工 联 合 作 用 的 探 索 试 验
借 鉴 我 院 在 岩 滩 高 坝 用 “Y 型 宽 尾 墩 ”、 平 班 中 坝 用 “ 顶 部 跌 流 型 宽 尾 墩 ” 的 成 功 经 验 ,
在 原 方 案 的 基 础 上 加 入 宽 尾 墩 和 消 力 坎 作 为
修 改 方 案 。 宽 尾 墩 收 缩 比 为 0.36, 收 缩 角
19.38°。 消 力 坎 设 于 堰 面 反 弧 与 窄 缝 的 直 段
连 接 处 , 坎 高 2.5 m, 宽 2.5 m。 其 结 构 型 式
见 图 3。
设 置 辅 助 消 能 工 , 旨 在 增 加 水 流 阻 抗 , 强
迫 消 能 。 试 验 结 果 显 示 出 较 好 的 效 果 , 下 游 流
态 较 原 方 案 明 显 得 到 改 善 , 尾 坎 前 水 深 增 加 ,
底 流 流 速 降 低 , 在 宽 尾 墩 和 消 力 坎 的 联 合 作 用 图 3 修 改 方 案 溢 流 坝 消 能 工 剖 面 图
下 , 下 泄 水 流 受 阻 后 水 流 分 散 , 促 进 消 能 。 尾
300

第 二 部 分 工 程 水 力 学
坎 后 流 速 分 布 趋 于 均 匀 , 消 能 效 果 显 著 , 下 游 水 面 衔 接 平 顺 。 当 下 泄 消 能 防 冲 设 计 流 量 2170
m 3 /s 时 , 二 次 跌 水 最 大 落 差 2.67 m。 河 床 最 大 底 流 速 14.20 m/s, 最 大 面 流 速 13.60 m/s, 最 大
波 浪 爬 高 为 3.06 m, 尾 坎 末 2 # 孔 中 线 上 的 面 、 底 流 速 分 别 为 11.34 m/s 和 16.27 m/s。 试 验
成 果 见 表 2。 但 下 泄 高 速 水 流 直 冲 底 板 和 消 力 坎 , 消 力 坎 处 流 速 大 , 高 达 26.0 m/s, 冲 击 能
量 巨 大 , 水 流 剧 烈 翻 腾 , 涌 浪 很 高 , 超 过 厂 坝 导 墙 顶 部 , 底 板 和 消 力 坎 都 承 受 很 大 的 冲 击 力
而 不 宜 使 用 。
4.2 提 出 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 式 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 联 合 消 能 工
根 据 我 国 目 前 应 用 跌 坎 消 力 池 较 多 , 这 种 消 能 工 使 高 速 水 流 脱 离 底 板 , 增 加 底 板 稳 定 性 ,
跌 坎 后 产 生 漩 滚 增 加 水 流 消 能 的 作 用 。 并 依 据 前 人 试 验 研 究 表 明 , 应 用 强 制 水 跃 坎 有 降 低 底
流 消 能 尾 水 深 度 和 缩 短 池 长 的 作 用 。
经 设 计 和 试 验 人 员 共 同 研 究 , 提 出 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 的 消 能 方 案 ,
宽 尾 墩 收 缩 比 为 0.3, 收 缩 角 22.78°。 经 多 次 修 改 优 化 后 的 推 荐 方 案 见 图 4。
图 4 推 荐 方 案 溢 流 坝 消 能 工 剖 面 图
以 下 泄 消 能 防 冲 设 计 流 量 2170 m 3 /s 的 试 验 为 例 , 因 受 到 宽 尾 墩 的 约 束 作 用 和 顶 部 跌 流
的 影 响 , 过 闸 水 流 被 收 缩 成 下 部 窄 上 部 宽 的 射 流 , 在 横 断 面 上 射 流 呈 中 间 低 两 侧 高 的 “Y”
字 型 ; 为 三 元 水 流 , 收 缩 主 流 贴 堰 面 而 下 , 上 部 水 舌 呈 跌 流 状 和 消 能 池 底 板 成 一 锐 角 注 入 池
内 , 其 水 平 方 向 的 分 量 参 与 底 流 消 能 , 其 竖 直 方 向 的 分 量 和 消 能 池 内 水 垫 碰 撞 消 能 , 从 而 加
剧 水 流 掺 混 、 紊 动 和 动 能 的 消 刹 , 掺 气 量 剧 增 , 消 能 充 分 。 下 游 河 道 流 速 的 分 布 沿 流 程 逐 渐
均 化 , 于 下 0+250 m 处 断 面 流 速 分 布 趋 于 均 匀 , 与 天 然 情 况 接 近 。
池 底 流 速 明 显 降 低 , 已 降 到 13.38 m/s, 仅 为 入 池 流 速 的 53%, 对 结 构 安 全 有 利 。 在 实
际 运 行 中 , 小 洪 水 的 频 率 相 当 大 , 因 此 , 消 力 池 底 板 出 现 高 流 速 运 行 的 工 况 不 多 , 这 对 底 板
的 安 全 运 行 是 有 利 的 。
冲 刷 坑 最 深 点 靠 近 右 岸 , 坑 底 高 程 为 467.71 m, 位 于 下 0+113 m, 算 至 护 坦 末 后 坡 比 大
于 1:3; 冲 坑 前 坡 有 堆 丘 , 淤 积 量 较 大 , 但 因 冲 坑 不 深 , 后 坡 比 很 缓 , 不 致 于 影 响 坝 体 的 安
全 。 冲 沙 底 孔 边 基 本 不 冲 , 或 有 些 回 淤 。 冲 沙 底 孔 出 口 右 前 方 有 一 冲 刷 坑 , 冲 坑 平 面 呈 长 形
301

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
偏 斜 , 冲 刷 坑 最 深 点 高 程 469.71 m, 位 于 下 0+145 m, 距 孔 口 较 远 。 厂 房 尾 水 渠 有 极 少 量 的
分 散 的 颗 粒 外 , 厂 房 尾 水 渠 至 下 0+150 m 未 发 现 淤 积 。
表 3 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 联 合 消 能 工 水 力 要 素 表
洪 水 频 率 0.1 1 2
设 计 工 况 校 核 设 计 消 能 防 冲
表 孔 下 泄 流 量 Q(m 3 /s) 2346 1804 1701
表 孔 单 宽 流 量 q(m 3 /s) 98.0 82.5 70.9
消 力 池 跌 坎 高 程 (m) 473.5 473.5 473.5
消 力 池 底 板 高 程 (m) 471.0 471.0 471.0
跌 坎 顶 能 头 E(m) 42.86 41.51 41.5
跌 坎 顶 收 缩 水 深 h1(m) 3.80 3.27 2.83
下 游 水 位 至 跌 坎 顶 水 深 ht1(m) 13.06 12.29 11.79
下 游 水 位 至 池 底 板 水 深 ht2(m) 15.56 14.79 14.29
跌 坎 顶 淹 没 度 σ1= ht1/ h” 0.627 0.646 0.667
池 底 板 淹 没 度 σ2= ht2/ h” 0.747 0.777 0.809
跌 坎 顶 平 均 流 速 计 算 值 V1(m/s) 25.71 25.20 25.05
实 测 池 底 流 速 V2(m/s) 20.02 19.47 13.38
流 速 比 值 α1=V2/V1 0.78 0.77 0.53
按 常 规 计 算 消 力 池 长 度 L0(m) 85.2( 以 消 能 防 冲 设 计 流 量 计 算 )
本 方 案 跌 坎 至 尾 坎 末 池 长 L1(m) 45.1
本 方 案 跌 坎 至 护 坦 末 端 池 长 L2(m) 55.1
池 长 比 值
α2=L1/L0 0.53
α3=L2/L0 0.65
5 推 荐 方 案 消 能 工 的 消 能 效 果
本 工 程 最 终 采 用 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 联 合 消 能 工 , 有 关 特 征 值 见 表 3,
从 表 中 可 知 :
1) 根 据 计 算 , 跌 坎 顶 水 深 远 远 小 于 共 轭 水 深 h”, 池 底 板 以 上 的 水 深 也 小 于 h”。 在 联 合
消 能 工 的 作 用 下 , 池 内 出 现 淹 没 漩 滚 水 跃 , 并 大 大 降 低 了 形 成 淹 没 水 跃 所 需 的 池 深 ;
2) 减 小 了 消 力 池 临 底 流 速 , 增 加 底 板 的 稳 定 性 , 减 少 高 速 水 流 对 底 板 的 冲 蚀 破 坏 ;
3) 与 常 规 底 流 水 跃 消 力 池 相 比 , 除 了 减 少 开 挖 深 度 外 , 其 池 长 也 缩 短 约 一 半 , 与 之 相 关 的
导 墙 、 施 工 围 堰 及 护 岸 的 工 程 量 将 大 幅 度 减 少 。
6 结 语
本 文 提 出 “ 宽 尾 墩 + 跌 坎 消 力 池 + 强 制 水 跃 坎 ” 联 合 消 能 方 案 表 明 , 在 中 低 坝 水 电 工 程
中 , 当 单 宽 流 量 较 大 , 下 游 尾 水 浅 , 因 条 件 限 制 不 能 采 用 挑 流 消 能 方 式 时 , 当 用 底 流 水 跃 消
能 , 池 底 高 程 又 不 能 降 低 至 常 规 消 力 池 的 情 况 下 , 只 要 正 确 选 择 跌 坎 消 力 池 的 跌 坎 高 度 , 强
制 水 跃 坎 的 位 置 及 结 构 型 式 , 就 可 以 获 得 水 跃 消 能 的 效 果 。 虽 然 池 内 水 流 紊 动 剧 烈 , 但 坝 后
302

第 二 部 分 工 程 水 力 学
流 态 良 好 , 避 免 了 下 游 产 生 过 大 冲 淤 , 整 个 池 长 比 常 规 消 力 池 短 47%, 对 节 省 工 程 投 资 , 有
重 要 价 值 。
参 考 文 献
[1] 谢 省 宗 , 李 世 琴 , 李 桂 芬 . 宽 尾 墩 联 合 消 能 工 在 我 国 的 发 展 [J]. 红 水 江 ,1995(3):3-11.
[2] 谢 省 宗 , 李 世 琴 , 李 桂 芬 . 宽 尾 墩 联 合 消 能 工 在 我 国 的 发 展 [J]. 红 水 江 ,1996(1):24-1.
[3] 谢 省 宗 , 林 秉 南 . 宽 尾 墩 联 合 消 能 工 的 消 能 机 理 及 其 水 力 计 算 方 法 [J]. 水 力 发 电 ,1991(1):50-53.
[4] 罗 秉 珠 . 宽 尾 墩 与 戽 式 消 力 池 联 合 消 能 工 在 岩 滩 水 电 站 的 应 用 [J]. 红 水 河 ,1993(2):35-38.
[5] 孙 双 科 , 柳 海 涛 , 夏 庆 福 , 等 . 跌 坎 型 底 流 消 力 池 的 水 力 特 性 与 优 化 研 究 [J]. 水 利 学 报 ,2005(10):
1188-1193.
[6] 罗 秉 珠 , 黎 戈 , 陈 龙 , 等 . 顶 部 跌 流 型 宽 尾 墩 在 平 班 水 电 站 中 坝 的 应 用 及 效 果 [C]. 水 利 学 与 水 利 信
息 学 进 展 ,2005,36-41.
303

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
大 变 幅 上 下 游 水 位 差 冲 沙 闸 消 能 形 式 试 验 研 究
杨 云 川
1
丁 浩 铎
1
牛 争 鸣
1
张 宗 孝
1
乔 明 秋
2
(1. 西 安 理 工 大 学 西 安 710048 yyunchuan@163.com
2. 北 京 国 电 水 利 水 电 工 程 有 限 公 司 北 京 100000)
摘 要 结 合 陕 西 汉 江 旬 阳 水 电 站 泄 洪 冲 沙 闸 的 单 体 模 型 试 验 , 研 究 了 上 下 游 水 位 差 大 幅 变 化 运
行 条 件 下 , 泄 洪 冲 沙 闸 下 游 不 同 消 能 形 式 下 流 态 、 速 度 分 布 与 河 床 的 冲 刷 特 性 。 观 测 结 果 表 明 ,
上 下 游 水 位 差 大 幅 变 化 时 , 会 出 现 三 种 较 典 型 的 流 态 与 水 面 线 的 变 化 , 不 同 消 能 形 式 时 流 速 分 布
与 对 河 床 的 冲 刷 明 显 不 同 。 在 上 下 游 水 位 差 变 幅 较 大 时 , 应 首 先 考 虑 消 力 池 形 式 , 必 要 时 可 增 加
辅 助 消 能 工 ; 在 上 下 游 水 位 变 幅 较 小 时 , 基 岩 底 板 、 护 坦 与 消 力 池 消 能 形 式 均 可 , 可 优 先 选 用 直
接 为 基 岩 底 板 的 消 能 形 式 。
关 键 词 泄 洪 冲 沙 闸 ; 上 下 游 水 位 差 ; 速 度 分 布 ; 河 床 冲 刷 ; 消 能 形 式
1 前 言 与 结 合 工 程 简 介
据 不 完 全 统 计 , 我 国 经 过 规 划 的 水 头 在 25 m 以 下 的 低 水 头 水 电 站 约 为 13400 MW, 而 年
发 电 量 仅 为 600 亿 kW·h [1] , 水 力 资 源 利 用 并 不 充 分 。 这 类 水 电 站 多 具 有 中 低 水 头 、 大 流 量
以 及 泄 水 建 筑 物 运 行 时 上 下 游 水 位 落 差 变 幅 大 等 特 点 。 按 和 谐 水 利 水 电 工 程 的 建 设 理 念 , 尽
量 不 改 变 天 然 河 道 的 水 流 特 性 , 减 少 移 民 与 淹 没 成 为 这 类 水 利 水 电 工 程 建 设 的 基 本 原 则 之
一 。 这 就 需 要 研 究 大 泄 量 、 中 低 水 头 、 大 单 宽 和 大 变 幅 上 下 游 水 位 差 运 行 条 件 下 泄 洪 冲 沙 闸
的 水 力 特 性 , 以 解 决 其 运 行 时 的 消 能 防 冲 问 题 。 在 此 , 本 文 结 合 陕 西 汉 江 旬 阳 水 电 站 泄 洪 冲
沙 闸 单 体 模 型 试 验 , 对 这 类 问 题 进 行 了 相 关 研 究 。
陕 西 汉 江 旬 阳 水 电 站 是 汉 江 干 流 规 划 的 七 个 梯 级 中 的 第 五 级 梯 级 , 位 于 旬 阳 县 城 南 约 2 km,
上 距 安 康 水 电 站 65 km, 下 距 丹 江 口 水 电 站 约 200 km。 旬 阳 水 电 站 为 百 年 设 计 (Q=27400m 3 /s),
千 年 校 核 (Q=32600 m 3 /s), 相 应 水 位 为 240.25 m 和 243.28 m, 总 库 容 3.9 亿 m 3 。 最 大 坝 高
55 m, 坝 顶 高 程 244 m, 正 常 蓄 水 位 241 m, 死 水 位 239 m, 汛 期 排 沙 水 位 233 m。 装 机 容
量 为 320 MW, 年 均 发 电 量 8 亿 KW·h, 电 站 保 证 出 力 48 MW, 水 量 利 用 系 数 81%。 水 电 站 枢
纽 工 程 原 设 计 主 要 建 筑 物 包 括 左 岸 非 溢 流 坝 段 、 安 装 场 、 主 机 间 ( 下 游 侧 布 置 副 厂 房 )、4
孔 冲 砂 闸 、 左 3 孔 泄 洪 闸 、 右 4 孔 泄 洪 闸 及 右 岸 非 溢 流 坝 段 等 建 筑 物 , 堰 型 、 堰 高 与 堰 宽 均
有 所 不 同 。 根 据 运 行 条 件 不 同 , 下 游 消 能 形 式 可 能 采 用 消 力 池 方 案 、 护 坦 方 案 和 直 接 开 挖 后
[1]
的 基 岩 底 板 方 案 ( 底 板 不 进 行 衬 砌 , 以 下 简 称 基 岩 方 案 ) 之 一 。 原 设 计 方 案 的 试 验 结 果 表 明 ,
受 大 淹 没 度 与 泄 水 建 筑 物 局 部 阻 水 影 响 , 泄 流 能 力 不 能 满 足 设 计 要 求 ; 在 下 游 水 位 较 高 时 ,
堰 型 与 堰 高 对 泄 流 量 影 响 较 小 , 泄 洪 闸 与 冲 沙 闸 的 下 游 消 能 形 式 采 用 基 岩 或 护 坦 方 案 均 可 。
按 这 一 研 究 成 果 , 设 计 院 统 一 了 堰 型 、 堰 宽 与 堰 高 , 采 用 冲 沙 闸 堰 型 作 为 泄 洪 闸 和 冲 沙 闸 的
统 一 堰 型 与 堰 高 , 闸 孔 数 由 原 来 的 11 孔 增 加 至 12 孔 ,4 孔 冲 沙 闸 下 游 采 用 消 力 池 消 能 形 式 ,
304

第 二 部 分 工 程 水 力 学
泄 洪 闸 采 用 护 坦 或 基 岩 消 能 形 式 , 修 改 设 计 其 他 主 要 建 筑 物 不 变 。 冲 砂 闸 纵 剖 面 如 图 1 所 示 ,
泄 洪 闸 与 冲 砂 闸 体 型 与 下 游 消 能 各 方 案 说 明 见 表 1。
图 1 泄 洪 冲 刷 闸 消 力 池 方 案 纵 剖 面 图
表 1 泄 洪 闸 与 冲 砂 闸 体 型 与 下 游 消 能 各 方 案
方 案
闸 室 内 低 实 用 堰 ( 堰 顶 高 程 216.00 m)
前 半 段 体 型
后 半 段 体 型
闸 室 段 后 体 型
下 游 侧 为 1:3.36 斜 坡 , 斜 坡 前 由
闸 室 段 后 挖 深 式 消 力 池 , 池 长 60 m,
消 力 池 方 案
y
1.836
= 0.04276x
曲 线 连 接 , 斜 坡 后 由
宽 65.5 m, 底 板 高 程 209.50 m, 消
( 冲 沙 闸 )
圆 弧 半 径 为 27 m、 角 度 17 0 的 圆 弧
力 池 末 端 点 桩 号 为 坝 0+104.00 m,
护 坦 方 案
( 泄 洪 闸 )
基 岩 底 板 方
案
( 泄 洪 闸 )
上 游 侧 为 半
径 3 m 的 1/4
圆 弧 , 后 接
16 m 长 平
段 。
连 接 , 总 长 28 m。
下 游 侧 为 1:10.23 斜 坡 , 斜 坡 前 后
由 正 、 反 圆 弧 相 切 连 接 , 圆 弧 半 径
分 别 为 30 m 和 20 m, 角 度 为 6 0 ,
总 长 28 m, 末 端 高 程 213.5 m。
下 游 侧 为 1:3.50 斜 坡 , 斜 坡 前 后 由
正 、 反 圆 弧 相 切 连 接 , 圆 弧 半 径 分
别 为 30 m 和 20 m, 角 度 为 16 0 , 总
长 28 m, 末 端 高 程 210 m。
消 力 坎 顶 部 高 程 214 m。
闸 室 段 后 接 护 坦 , 护 坦 长 70 m, 宽
65.5 m, 底 板 高 程 213.5 m, 护 坦
末 端 点 桩 号 为 坝 0+114.00 m。
闸 室 段 后 直 接 为 天 然 开 挖 底 板 基
岩 , 其 长 60 m, 宽 65.5 m, 底 板
高 程 210 m, 基 岩 末 端 点 桩 号 为 坝
0+104.00 m。
2 模 型 设 计 与 量 测
本 试 验 模 型 为 单 体 断 面 模 型 , 即 1 个 完 整 闸 孔 ( 含 闸 墩 ) 和 两 侧 1/4 闸 孔 , 模 型 按 重 力
相 似 准 则 设 计 , 模 型 比 尺 为 1:50, 用 有 机 玻 璃 制 作 。 为 了 掌 握 冲 砂 闸 闸 室 、 堰 面 、 消 力 池
( 或 护 坦 、 基 岩 ) 等 过 流 壁 面 压 强 分 布 , 在 其 轴 线 上 分 别 布 置 了 29 个 测 压 孔 。 泄 流 量 采 用
矩 形 堰 量 测 , 壁 面 压 强 采 用 测 压 管 测 量 , 流 速 使 用 毕 托 管 测 量 。 主 要 试 验 工 况 见 表 2。
305

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
表 2 冲 砂 闸 模 型 试 验 主 要 工 况
试 验 工 况 洪 水 标 准 库 水 位 (m) 下 游 350 米 处 水 位 (m) 设 计 泄 流 量 (m 3 /s)
1 常 遇 洪 水 前 233 222.370 2227.53
2 常 遇 洪 水 前 233 225.440 2227.53
3 常 遇 洪 水 (p=50%) 233 228.820 2227.53
4 5 年 一 遇 (p=20%) 233 231.600 2227.53
5 20 年 一 遇 (p=5%) 236.27 235.510 2721.105
6 50 年 一 遇 (p=2%) 239.38 238.430 3202.53
7 100 年 一 遇 (p=1%) 240.25 239.480 3368.085
8 1000 年 一 遇 (p=0.1%) 243.28 242.100 3898.2
3 试 验 主 要 水 力 特 性 分 析
3.1 流 态 与 水 面 线
冲 砂 闸 堰 型 为 开 敞 式 低 实 用 堰 , 下 游 水 位 对 水 流 流 态 影 响 很 大 , 冲 沙 闸 不 同 下 游 消 能 形
式 下 典 型 工 况 水 面 线 的 沿 程 变 化 如 图 2 所 示 。 当 流 量 小 、 下 游 水 位 较 低 时 , 冲 砂 闸 闸 室 进 口
侧 收 缩 明 显 , 在 闸 室 末 端 处 水 位 振 荡 高 差 较 大 。 消 力 池 ( 护 坦 或 基 岩 ) 内 流 态 为 底 流 流 态 ,
流 态 受 堰 面 体 型 和 闸 室 后 池 内 底 板 高 程 的 影 响 比 较 大 , 消 力 池 方 案 因 消 力 坎 和 基 岩 方 案 因 池
后 坚 实 基 岩 的 阻 尼 作 用 , 使 池 内 水 位 抬 高 , 具 有 淹 没 水 跃 , 跃 首 位 置 来 回 摆 动 至 弧 门 支 座 处 ;
护 坦 方 案 底 板 抬 高 , 水 流 呈 急 流 下 泄 , 水 跃 不 稳 定 , 但 水 流 流 速 大 , 波 动 范 围 长 。 三 种 下 游
消 能 形 式 流 态 具 有 共 同 特 性 , 即 水 面 波 动 大 , 水 流 紊 动 剧 烈 , 掺 混 大 量 白 色 气 泡 , 水 流 流 速
大 , 下 游 河 床 水 面 波 动 也 较 大 , 并 产 生 二 次 水 跃 , 在 较 大 范 围 内 对 河 床 有 明 显 的 冲 刷 。
高 程 (m)
247
242
237
232
227
222
217
212
207
-50 -30 -10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210
桩 号 (m)
工 况 1( 消 力 池 方 案 ) 工 况 5( 消 力 池 方 案 ) 工 况 1( 护 坦 方 案 )
工 况 5( 护 坦 方 案 ) 工 况 1( 基 岩 方 案 ) 工 况 5( 基 岩 方 案 )
图 2 冲 沙 闸 不 同 消 能 形 式 及 典 型 工 况 水 面 线 沿 程 变 化
随 着 流 量 的 增 大 、 下 游 水 位 的 升 高 , 流 态 受 堰 面 体 型 和 闸 室 后 底 板 高 程 的 影 响 相 应 减 小 ,
闸 室 进 口 侧 收 缩 变 弱 , 闸 室 内 水 面 跌 落 随 之 减 小 , 三 种 下 游 消 能 形 式 在 堰 后 均 形 成 淹 没 式 水
跃 , 其 跃 首 位 置 仍 然 处 在 弧 门 支 座 处 , 在 闸 室 末 端 处 水 位 振 荡 幅 度 随 之 降 低 , 闸 室 、 消 力 池
( 护 坦 或 基 岩 ) 及 下 游 河 床 段 水 流 波 动 减 小 , 流 速 降 低 , 逐 渐 趋 向 平 稳 。
随 着 来 流 流 量 的 进 一 步 增 大 , 下 游 水 位 的 抬 高 , 消 力 池 ( 护 坦 或 基 岩 ) 水 垫 高 度 增 加 ,
306

第 二 部 分 工 程 水 力 学
水 垫 的 顶 托 作 用 增 强 , 池 内 水 流 由 底 流 流 态 转 变 为 面 流 流 态 。 当 上 游 水 位 235 m~236 m,
上 下 游 水 位 差 小 于 1.05 m 时 , 弧 门 支 座 处 的 锚 块 开 始 与 水 接 触 。 流 量 的 继 续 增 大 , 下 游 水
位 进 一 步 抬 高 , 上 游 受 到 牛 腿 的 阻 水 影 响 , 在 闸 室 内 有 一 定 的 水 位 落 差 , 锚 块 阻 水 较 为 明 显 ,
出 现 壅 水 现 象 , 在 闸 室 末 端 跌 落 , 与 池 内 水 流 衔 接 , 局 部 水 面 小 幅 度 波 动 。
综 上 , 从 冲 砂 闸 的 流 态 与 水 面 线 观 测 结 果 表 明 , 下 游 水 位 变 化 时 , 会 出 现 三 种 较 典 型 的
流 态 与 水 面 线 变 化 , 流 速 分 布 及 对 河 床 的 冲 刷 也 有 明 显 不 同 。 下 游 水 位 较 高 时 , 堰 型 、 堰 高
及 下 游 的 消 能 形 式 对 流 态 、 水 面 线 和 泄 流 能 力 的 影 响 较 小 , 堰 后 为 波 状 水 跃 面 流 流 态 , 牛 腿 、
锚 块 阻 水 明 显 , 在 闸 室 前 后 形 成 前 壅 后 跌 、 局 部 波 动 的 水 面 变 化 , 并 对 泄 流 能 力 产 生 较 大 的
影 响 ; 下 游 水 位 适 中 时 , 堰 后 为 典 型 的 淹 没 式 水 跃 流 态 , 下 游 的 消 能 形 式 与 淹 没 度 对 流 态 和
泄 流 能 力 有 一 定 的 影 响 ; 下 游 水 位 较 低 时 , 堰 后 形 成 远 趋 式 水 跃 , 下 游 的 消 能 形 式 对 流 态 和
消 能 有 明 显 的 影 响 。
3.2 不 同 运 行 工 况 和 不 同 下 游 消 能 形 式 的 流 速 分 布
根 据 试 验 测 量 结 果 得 到 泄 洪 冲 砂 闸 不 同 下 游 消 能 形 式 时 的 流 速 分 布 分 别 见 图 3— 图 5。
离 水 底 高 度 (m)
24
21
18
15
12
9
6
3
离 水 底 高 度 ( m)
24
21
18
15
12
9
6
3
0
-3 0 3 6 9 12 15 18
流 速 (m/s)
坝 0-039.50m 坝 0-002.50m 坝 0+015.00m 坝 0+045.00m
坝 0+057.00m 坝 0+074.00m 坝 0+102.00m
图 3 消 力 池 方 案 工 况 1 流 速 剖 面 沿 程 变
0
-3 0 3 6 9 12 15
流 速 (m/s)
坝 0-039.50m 坝 0-002.50m 坝 0+015.00m 坝 0+045.00m
坝 0+057.00m 坝 0+074.00m 坝 0+102.00m
图 4 基 岩 底 板 方 案 工 况 1 流 速 剖 面 沿 程 变 化
由 图 3— 图 5 可 见 , 下 游 消 能 形 式 不 同 时 , 较
低 的 下 游 水 位 , 堰 后 底 板 上 的 流 速 分 布 是 显 著 不
同 的 。 以 最 大 上 下 游 水 位 差 为 10.63 m 的 工 况 1
为 例 , 泄 洪 冲 砂 闸 下 游 消 能 形 式 为 消 力 池 时 最 大
流 速 为 14.28 m/s, 出 现 在 闸 室 堰 面 凸 曲 线 段 ( 坝
0+015.00 m); 下 游 消 能 形 式 为 基 岩 时 最 大 流 速 为
15.21 m/s, 出 现 在 闸 墩 尾 部 ( 坝 0+045.00 m);
因 护 坦 方 案 池 内 底 板 抬 高 至 213.5 m, 在 小 流 量 、
低 水 位 工 况 时 闸 室 内 水 面 跌 落 较 大 , 水 流 形 成 急
流 , 流 速 值 明 显 大 于 其 他 两 种 方 案 , 沿 程 最 大 流
速 值 后 移 , 移 至 闸 室 后 的 护 坦 内 ( 坝 0+044.00 m~
坝 0+114.00 m), 在 护 坦 内 最 大 流 速 为 16.08 m/s~
16.57 m/s, 断 面 平 均 流 速 达 15 m/s 左 右 , 并 且
307
离 水 底 高 度 ( m )
24
21
18
15
12
9
6
3
0
-3 0 3 6 9 12 15 18
流 速 (m/s)
坝 0-039.50m 坝 0-002.50m 坝 0+015.00m
坝 0+057.00m 坝 0+074.00m 坝 0+102.00m
图 5 护 坦 方 案 工 况 1 流 速 剖 面 沿 程 变 化
下 游 河 床 水 流 流 速 仍 然 较 大 , 对 河 床 有 明 显 的 冲 刷 。 以 上 各 种 消 能 形 式 的 近 底 流 速 均 远 大 于

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
河 床 的 抗 冲 流 速 3.5 m/s~4.5 m/s, 在 闸 室 出 口 后 , 水 面 下 回 流 区 的 范 围 均 约 在 坝 0+044.00 m~
坝 0+74.00 m 范 围 内 , 最 大 的 回 流 流 速 在 1.71~3.57 m/s 之 间 。
就 低 水 位 工 况 1、2、3 而 言 , 冲 砂 闸 三 种 下 游 消 能 形 式 中 , 闸 前 水 流 流 速 值 较 小 且 分 布
较 均 匀 ; 闸 室 内 流 速 沿 水 深 方 向 为 减 小 趋 势 , 至 临 近 水 面 附 近 流 速 最 小 。 消 力 池 形 式 与 基 岩
形 式 , 闸 室 后 的 流 速 沿 水 深 方 向 先 增 大 后 减 小 , 至 临 近 水 面 附 近 流 速 最 小 , 甚 至 会 出 现 回 流 ,
其 最 大 流 速 一 般 在 中 间 水 深 层 , 底 部 流 速 也 较 大 。 消 力 池 消 能 形 式 时 , 消 力 池 末 端 底 部 流 速
在 8.28 m/s~10.66 m/s 之 间 , 基 岩 消 能 形 式 时 , 基 岩 末 端 底 部 流 速 在 7.14 m/s~10.52 m/s
之 间 , 两 种 消 能 形 式 速 度 分 布 变 化 规 律 相 似 。 护 坦 方 案 的 护 坦 末 端 底 部 流 速 在 9.44 m/s~
15.76 m/s 之 间 , 流 速 沿 程 变 化 和 沿 水 深 分 布 规 律 明 显 与 前 两 种 消 能 形 式 不 同 , 在 堰 面 上 近
壁 流 速 最 大 , 沿 水 深 逐 渐 均 化 , 到 护 坦 上 , 水 深 减 小 , 流 速 增 大 , 流 速 沿 水 深 方 向 先 增 大 后
减 小 , 近 壁 的 速 度 可 达 15 m/s 以 上 。
3.3 不 同 运 行 工 况 及 下 游 消 能 形 式 的 下 游 河 床 冲 刷
冲 砂 闸 不 同 运 行 工 况 及 下 游 消 能 形 式 的 下 游 河 道 冲 刷 见 图 6。 由 图 知 , 运 行 工 况 及 下 游
消 能 形 式 不 同 时 , 因 上 下 游 水 位 差 由 工 况 1 的 10.63 m 到 工 况 8 的 0.76 m 范 围 内 变 化 , 近
壁 流 速 沿 程 变 化 很 大 , 因 此 对 河 道 的 冲 刷 作 用 显 著 不 同 ; 但 随 着 流 量 的 增 大 , 上 下 游 水 位 差
的 减 小 , 泄 洪 冲 砂 闸 后 水 深 较 大 , 流 速 分 布 基 本 趋 向 于 均 匀 且 流 速 值 较 小 , 池 内 底 部 流 速 与
河 床 基 岩 的 抗 冲 流 速 相 差 不 大 , 各 种 运 行 工 况 和 不 同 消 能 形 式 下 , 对 下 游 河 床 均 不 产 生 明 显
冲 刷 ( 例 如 在 运 行 工 况 4, 下 游 水 位 高 于 231.6 m 以 后 )。 在 较 大 上 下 游 水 位 差 的 工 况 1 和
工 况 2 中 , 消 力 池 消 能 形 式 时 , 冲 刷 最 低 点 位 于 工 况 1 的 坝 0+155.00 m 处 , 最 大 冲 深 为 9.12 m,
冲 刷 范 围 在 坝 0+104.00 m~ 坝 0+210.00 m 之 间 ; 基 岩 底 板 消 能 形 式 时 冲 刷 最 低 点 位 于 工 况
1 的 坝 0+140.00m 处 , 最 大 冲 深 为 12.8 m, 冲 刷 范 围 在 坝 0+104.00 m~ 坝 0+190.00 m 之 间 ;
护 坦 消 能 形 式 时 冲 刷 最 低 点 位 于 工 况 1 的 坝 0+184.00 m 处 , 最 大 冲 深 为 5.625 m, 冲 刷 范
围 在 坝 0+114.00 m~ 坝 0+290.00 m 之 间 。
显 然 在 较 大 的 上 下 游 水 位 差 时 , 消 力 池 消 能 形 式 方 案 最 好 , 其 次 为 基 岩 底 板 方 案 , 护 坦
方 案 虽 冲 深 最 小 , 但 冲 刷 的 范 围 很 大 。
高 程 (m)
216
213
210
207
204
201
198
195
100 130 160 190 220 250 280 310
桩 号 (m)
工 况 1( 消 力 池 方 案 ) 工 况 2( 消 力 池 方 案 ) 工 况 1( 基 岩 方 案 )
工 况 2( 基 岩 方 案 ) 工 况 1( 护 坦 方 案 ) 工 况 2( 护 坦 方 案 )
下 游 河 床 高 程
图 6 不 同 消 能 方 案 工 况 1 和 工 况 2 下 游 河 床 冲 刷 对 比 图
通 过 以 上 的 对 比 分 析 可 知 , 三 种 下 游 消 能 形 式 方 案 的 流 速 分 布 和 对 河 床 冲 刷 因 上 下 游 水
位 差 和 下 游 水 位 的 变 化 有 很 大 的 差 异 , 具 体 设 计 应 充 分 考 虑 其 运 行 方 式 , 选 择 合 理 的 下 游 消
308

: 1
: 1
第 二 部 分 工 程 水 力 学
能 形 式 方 案 。
4 优 化 设 计 与 试 验 研 究
根 据 上 述 分 析 , 针 对 消 力 池 消 能 形 式 方 案 在 小 流 量 、 低 下 游 水 位 的 工 况 下 , 池 内 和 下 游
河 床 流 速 大 、 河 床 冲 刷 明 显 及 消 力 池 尾 坎 后 存 在 二 次 水 跃 等 问 题 , 通 过 给 池 中 增 设 消 力 墩 、
尾 坎 改 为 差 动 式 尾 坎 来 优 化 消 力 池 的 体 型 。 试 验 表 明 , 优 化 方 案 增 加 了 消 能 率 , 降 低 了 池 中
流 速 , 消 除 了 二 次 水 跃 , 减 小 了 对 下 游 河 床 冲 刷 , 改 善 了 整 体 流 态 。 为 了 对 比 分 析 , 现 采 取
两 种 优 化 方 案 , 优 化 方 案 Ⅰ 为 消 力 池 方 案 + 第 一 排 消 力 墩 + 差 动 式 尾 坎 , 优 化 方 案 Ⅱ 则 为 消 力
池 方 案 + 两 排 消 力 墩 + 差 动 式 尾 坎 。 具 体 优 化 措 施 如 图 7 所 示 。
第 一 排 墩
第 二 排 墩
齿 形 尾 坎
:0.5
坝 0+045.00
坝 0+065.00
坝 0+080.00
坝 0+104.00
动
床
剖 面 图
1 : 2 . 5
1 : 0 . 5
1 : 1
1 : 1
坝 0+045.00
坝 0+065.00
坝 0+080.00
坝 0+104.00
俯 视 图
说 明 : 图 中 高 程 及 其 余 尺 寸 的 单 位 均 为
图 7 消 力 墩 和 差 动 式 尾 坎 剖 面 图 和 俯 视 图
通 过 流 态 观 察 和 水 面 线 对 比 , 两 种 优 化 方 案 的 工 况 1 和 工 况 2 在 闸 室 内 水 面 跌 落 较 大 ,
工 况 1 时 优 化 方 案 Ⅰ 和 优 化 方 案 Ⅱ 的 分 别 在 坝 0+045.00 m 和 坝 0+040.00 m 处 产 生 强 水 跃 ,
工 况 2 则 分 别 在 坝 0+040.00m 和 坝 0+035.00 m 处 产 生 淹 没 式 水 跃 , 消 力 池 内 水 流 紊 动 较 大 ,
水 面 有 较 大 波 动 , 掺 混 大 量 气 泡 , 消 力 池 内 水 位 有 所 抬 高 , 至 消 力 池 尾 部 以 后 水 面 趋 于 平 稳 。
从 流 速 角 度 看 , 两 种 优 化 方 案 总 体 流 速 分 布 合 理 , 沿 程 最 大 流 速 都 位 于 第 一 排 消 力 墩 前 的 坝
0+045.00 m 附 近 , 优 化 方 案 Ⅰ 和 优 化 方 案 Ⅱ 最 大 流 速 分 别 在 13.06 m/s ~15.08 m/s 和 13.10 m/s~
15.01 m/s 之 间 , 因 受 消 力 池 中 消 力 墩 和 尾 部 差 动 式 尾 坎 的 分 流 消 能 作 用 , 消 力 墩 后 的 流 速
明 显 降 低 , 底 部 流 速 分 别 在 2.8m/s~5.13 m/s 和 0.99 m/s~3.7 m/s 之 间 , 与 抗 冲 流 速 相
近 , 河 床 已 无 明 显 冲 刷 , 达 到 了 消 能 和 防 止 下 游 河 床 冲 刷 的 作 用 。 可 以 看 出 , 两 种 优 化 方 案
的 流 速 分 布 基 本 类 似 , 消 能 效 果 差 别 不 大 。 所 以 采 用 优 化 方 案 Ⅰ( 即 消 力 池 方 案 + 第 一 排 消
力 墩 + 差 动 式 尾 坎 ) 是 可 行 的 。
鉴 于 安 全 考 虑 , 试 验 中 对 不 同 方 案 不 同 工 况 进 行 了 水 流 空 化 数 的 计 算 , 结 果 表 明 : 以 上
各 方 案 中 , 工 况 2~ 工 况 4 空 化 数 最 小 值 均 在 0.5 左 右 , 工 况 5~ 工 况 9 空 化 数 都 在 1 以 上 ,
309

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
均 大 于 空 化 的 临 界 值 0.3 [4] ; 因 此 , 各 工 况 中 存 在 空 化 的 可 能 性 很 小 。
5 结 论
通 过 上 述 对 变 幅 上 下 游 水 位 差 及 不 同 下 游 消 能 形 式 方 案 的 冲 沙 闸 流 态 、 速 度 分 布 和 河 床
冲 刷 试 验 研 究 , 得 出 以 下 结 论 :
1) 下 游 水 位 较 高 时 , 堰 型 、 堰 高 及 下 游 的 消 能 形 式 对 流 态 、 水 面 线 的 影 响 减 小 , 堰 后
为 波 状 水 跃 面 流 流 态 , 牛 腿 、 锚 块 阻 水 明 显 , 在 闸 室 前 后 形 成 前 壅 后 跌 , 局 部 波 动 的 水 面 变
化 ; 下 游 水 位 适 中 时 , 堰 后 为 典 型 的 淹 没 式 水 跃 流 态 , 下 游 消 能 形 式 与 淹 没 度 对 流 态 和 水 面
线 变 化 有 一 定 影 响 ; 下 游 水 位 较 低 时 , 堰 后 形 成 远 趋 式 水 跃 , 下 游 消 能 形 式 对 流 态 和 水 面 线
有 明 显 的 影 响 。
2) 不 同 运 行 工 况 下 , 因 上 下 游 水 位 差 变 幅 较 大 , 同 一 消 能 形 式 近 壁 流 速 沿 程 变 化 很 大 ,
但 随 上 下 游 水 位 差 的 减 小 流 速 分 布 趋 于 一 致 ; 不 同 下 游 消 能 方 案 在 较 低 下 游 水 位 工 况 时 , 堰
后 底 板 上 的 流 速 分 布 是 显 著 不 同 的 。
3) 对 不 同 运 行 工 况 及 下 游 消 能 形 式 方 案 , 由 于 上 下 游 水 位 差 变 化 较 大 , 近 壁 流 速 沿 程
变 化 很 大 , 因 此 对 河 道 的 冲 刷 作 用 显 著 不 同 ; 但 随 着 流 量 的 增 大 , 上 下 游 水 位 差 的 减 小 , 泄
洪 冲 砂 闸 后 水 深 增 大 , 各 种 运 行 工 况 及 消 能 方 案 下 , 水 流 对 下 游 河 床 均 无 明 显 冲 刷 。
4) 在 中 低 水 头 、 大 泄 量 及 大 变 幅 上 下 游 水 位 差 条 件 下 , 下 游 消 能 方 案 的 选 择 应 考 虑 其
运 行 方 式 。 在 上 下 游 水 位 差 变 幅 较 大 时 , 例 如 正 常 高 水 位 一 般 概 率 年 泄 洪 时 应 首 先 考 虑 消 力
池 方 案 , 必 要 时 可 增 加 辅 助 消 能 工 ; 在 上 下 游 水 位 变 幅 较 小 时 , 下 游 基 岩 、 护 坦 与 消 力 池 消
能 方 案 均 可 , 可 优 先 选 用 基 岩 消 能 方 案 。
参 考 文 献
[1] 汉 江 旬 阳 水 电 站 泄 洪 闸 、 冲 砂 闸 水 工 模 型 试 验 报 告 [R]. 西 安 理 工 大 学 水 力 学 研 究 所 ,2007.8.
[2] 郭 子 中 . 消 能 防 冲 原 理 与 水 力 设 计 [M]. 北 京 : 科 技 出 版 社 ,1982.
[3] 吴 持 恭 . 水 力 学 ( 第 三 版 )[M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,2003.
[4] 李 建 中 , 宁 利 中 . 高 速 水 力 学 [M]. 西 安 : 西 北 工 业 大 学 出 版 社 ,1994.
310

第 二 部 分 工 程 水 力 学
亭 子 口 水 利 枢 纽 工 程 泄 洪 消 能 试 验 研 究
石 教 豪 王 罗 斌 李 莉
( 长 江 科 学 院 武 汉 430010 shijiaohao@126.com)
摘 要 本 文 通 过 对 亭 子 口 水 利 枢 纽 的 表 、 底 孔 体 型 及 消 能 工 优 化 分 析 后 , 表 孔 采 用 宽 尾 墩 消 力
池 联 合 消 能 型 式 , 底 孔 采 用 突 扩 跌 坎 型 式 , 经 过 整 体 模 型 试 验 研 究 表 明 表 、 底 孔 泄 流 能 力 及 其 消
能 防 冲 均 能 满 足 设 计 要 求 , 各 种 工 况 下 消 力 池 消 能 充 分 , 压 力 基 本 呈 静 水 分 布 , 下 游 水 流 衔 接 平
顺 , 流 速 分 布 均 匀 , 下 游 冲 刷 不 会 危 及 护 坦 稳 定 , 但 表 孔 左 右 边 孔 在 宣 泄 大 流 量 时 有 水 舌 击 打 消
力 池 导 墙 现 象 , 通 过 左 右 边 宽 尾 墩 布 置 适 当 优 化 后 消 除 了 此 不 利 流 态 , 成 果 可 供 设 计 参 考 。
关 键 词 亭 子 口 水 利 枢 纽 ; 宽 尾 墩 ; 泄 洪 消 能 ; 体 型 优 化
1 概 述
亭 子 口 水 利 枢 纽 位 于 四 川 省 广 元 市 苍 溪 县 境 内 , 所 选 择 的 李 家 咀 坝 址 上 距 广 元 市 区 160 km,
下 距 苍 溪 县 城 15 km, 控 制 流 域 面 积 62550 km 2 , 河 谷 呈 浅 “U” 型 , 河 段 平 直 , 河 床 宽 阔 ,
便 于 枢 纽 布 置 和 施 工 导 流 , 是 嘉 陵 江 干 流 开 发 中 的 控 制 性 梯 级 工 程 , 枢 纽 开 发 的 主 要 任 务 是
防 洪 、 灌 溉 、 发 电 、 航 运 等 。 枢 纽 主 要 建 筑 物 有 混 凝 土 重 力 坝 、 左 岸 坝 后 式 厂 房 、 河 床 9 表
孔 、5 底 孔 泄 水 建 筑 物 及 右 岸 通 航 建 筑 物 。 正 常 蓄 水 位 458 m, 设 计 洪 水 位 461.3 m, 校 核 洪 水
位 463.04 m, 总 库 容 42 亿 m 3 , 灌 溉 面 积 为 340 万 亩 。 电 站 装 机 四 台 , 装 机 容 量 为 75 万 kW,
多 年 平 均 发 电 量 为 33.7 亿 kW·h, 通 航 船 只 可 达 300t~500t 级 。
坝 址 出 露 岩 层 为 硝 砂 岩 , 长 石 石 英 砂 岩 及 薄 层 黏 土 岩 , 岩 层 完 整 , 抗 压 、 抗 冲 强 度 大 ,
抗 冲 流 速 为 5 m/s。
根 据 坝 址 地 形 和 地 质 条 件 , 泄 洪 建 筑 物 布 置 在 河 床 主 河 槽 , 厂 房 和 升 船 机 分 别 建 在 左 右
两 岸 岸 边 。 枢 纽 整 体 布 置 自 左 至 右 为 : 左 岸 重 力 坝 段 长 305 m, 厂 房 挡 水 坝 段 长 108.8 m,
底 孔 门 库 段 长 15 m, 底 孔 坝 段 长 80 m, 表 孔 坝 段 长 162.6 m, 表 孔 门 库 段 长 25 m, 升 船 机
坝 段 长 42 m, 右 岸 砼 重 力 坝 段 长 259 m, 总 计 坝 线 挡 水 前 缘 长 度 997.4 m。 坝 顶 高 程 ▽466.0 m。
该 电 站 坝 址 所 在 处 河 谷 比 较 开 阔 , 呈 U 型 。 但 由 于 泄 洪 落 差 与 泄 洪 单 宽 流 量 均 较 大 , 河
床 基 岩 软 弱 , 抗 冲 流 速 低 , 导 流 建 筑 物 、 通 航 建 筑 物 、 泄 水 建 筑 物 以 及 电 站 尾 水 出 口 的 布 置
又 相 对 比 较 集 中 , 所 以 泄 洪 的 安 全 问 题 及 其 影 响 成 为 枢 纽 必 须 妥 善 解 决 的 关 键 技 术 问 题 之
一 。 为 此 , 对 枢 纽 的 泄 洪 消 能 及 水 力 设 计 的 合 理 性 进 行 研 究 论 证 , 确 定 泄 洪 消 能 布 置 形 式 。
2 模 型 设 计
2.5 5
模 型 按 照 重 力 相 似 准 则 设 计 , 几 何 比 尺 为 : Lr = 100 , 流 量 比 尺 为 : Qr = Lr = 10 ,
0.5
0.5
流 速 比 尺 为 : Vr = Lr = 10 , 时 间 比 尺 为 : Tr = Lr = 10 。
模 型 护 坦 后 300 m 范 围 作 为 动 床 模 拟 , 铺 沙 高 程 ▽370.00 m。 根 据 设 计 提 供 的 岩 基 抗 冲
流 速 为 5 m/s, 采 用 下 式 计 算 模 型 砂 中 值 粒 径 D50=5.9 mm。 模 型 动 床 冲 刷 时 间 为 3 小 时 。
311

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
g - g
w
V = k 2gD
(1)
50
g
w
式 中 : g w
为 水 的 容 重 , 取 9.8 kN/m 3 ,g 为 白 麻 石 的 容 重 , 取 24.5 kN/m 3 ,k 为 常 数 , 取 1.2。
3 原 设 计 方 案 存 在 的 问 题
3.1 表 孔 原 设 计 方 案
表 孔 采 用 开 敞 式 溢 流 堰 , 孔 口 宽 12.4 m, 堰 顶 高 程 ▽438.5 m, 堰 面 WES 曲 线 方 程
1.85
y = 0.04004x
, 坝 面 设 计 水 头 19.5 m, 相 应 坝 面 堰 顶 上 游 三 段 圆 弧 半 径 分 别 为 0.78 m、
3.9 m 和 9.7 m,WES 曲 线 下 游 与 1:0.8 坡 度 的 直 线 段 相 衔 接 , 直 线 段 连 接 半 径 35m 的 反 弧
段 。 试 验 表 明 在 表 、 底 孔 联 泄 五 千 年 一 遇 洪 水 (H 上 =463.04 m、Q 总 =37600 m3/s、Q 表 =28258 m 3 /s、
H 下 =390.28 m) 时 , 坝 面 堰 顶 附 近 出 现 较 低 压 力 , 最 低 压 力 -4×9.81 Kpa。
设 计 方 案 消 能 工 型 式 : 消 力 池 长 度 172.16 m, 底 板 高 程 ▽357 m, 尾 坎 高 度 12 m, 尾 坎
顶 部 高 程 ▽369 m。 消 能 验 证 试 验 表 明 , 在 表 孔 单 泄 五 年 一 遇 洪 水 与 十 年 一 遇 洪 水 时 , 消 力
池 内 产 生 远 驱 水 跃 , 池 内 外 水 面 波 动 大 , 表 明 消 力 池 深 度 不 足 ; 在 表 、 底 孔 联 泄 设 计 洪 水 与
校 核 洪 水 时 , 水 跃 尾 部 分 明 显 超 出 消 力 池 范 围 , 表 明 消 力 池 长 度 不 足 。
原 设 计 方 案 检 修 门 槽 采 用 标 准 门 槽 体 型 , 宽 深 比 1.6, 试 验 结 果 表 明 原 设 计 方 案 在 表 、
底 孔 联 泄 五 百 年 一 遇 洪 水 与 五 千 年 一 遇 洪 水 运 行 工 况 下 , 检 修 门 槽 内 出 现 了 较 低 的 压 力 , 最
低 压 力 -6.84×9.81 kPa, 门 槽 处 水 流 流 动 方 向 与 水 平 面 的 夹 角 为 30~35°, 则 实 际 运 行 的
门 槽 宽 深 比 2.1~2.2, 比 合 宜 的 宽 深 比 偏 大 , 应 该 减 小 门 槽 宽 深 比 。
3.2 底 孔 原 设 计 方 案
底 孔 底 板 原 设 计 高 程 ▽385.00 m, 考 虑 三 期 导 流 时 将 底 孔 兼 做 放 空 洞 使 用 , 将 底 孔 底 板
高 程 降 至 ▽375.00 m, 进 行 调 洪 演 算 后 又 降 至 372.00 m; 底 孔 孔 口 尺 寸 设 计 原 为 6.5 m×10 m
( 宽 × 高 ), 考 虑 孔 口 尺 寸 太 大 , 对 闸 门 金 结 的 要 求 很 高 , 工 程 量 巨 大 ( 三 峡 工 程 底 孔 孔 口 尺
寸 为 7 m×9 m( 宽 × 高 )), 故 将 孔 口 尺 寸 改 为 6 m×9 m( 宽 × 高 ); 原 设 计 消 力 池 底 板 高 程
▽357 m、 水 平 长 200 m、 连 续 尾 坎 高 13 m, 模 型 试 验 表 明 : 在 限 制 性 洪 水 位 447 m 底 孔 单 泄
频 率 20% 的 洪 水 时 , 消 力 池 内 发 生 远 驱 水 跃 , 坎 后 水 面 落 差 达 8 m, 池 深 明 显 不 足 。
4 表 、 底 孔 体 型 及 消 能 工 优 化
4.1 表 孔 体 型 及 消 能 工 优 化
将 坝 面 增 肥 , 堰 面 WES 曲 线 方 程 调 整 为 Y = 0.03759X
1.85
, 相 应 的 坝 面 设 计 水 头 增 加 为
21 m, 堰 顶 上 游 三 段 圆 弧 半 径 分 别 为 0.84 m、4.2 m 和 10.5 m, 反 弧 半 径 调 整 为 45 m, 坎
后 接 30 m 长 护 坦 , 后 以 1:4 的 逆 坡 与 下 游 河 床 地 形 连 接 。 将 检 修 门 槽 宽 深 比 设 置 为 1.6,
考 虑 门 槽 轴 线 与 来 流 斜 交 条 件 下 门 槽 实 际 过 流 宽 深 比 1.85~1.95, 在 合 宜 的 宽 深 比 范 围 内 。
为 解 决 池 深 、 池 长 不 足 问 题 , 并 兼 顾 地 质 条 件 及 经 济 节 省 的 原 则 , 根 据 目 前 安 康 、 五 强
溪 、 清 江 隔 河 岩 、 高 坝 洲 等 工 程 成 功 的 经 验 , 本 工 程 采 用 “ 宽 尾 墩 + 消 力 池 ” 联 合 消 能 方 案 。
312

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 孔 采 用 宽 尾 墩 , 收 缩 比 为 0.3, 墩 尾 折 角 为 12.24°, 起 始 收 缩 点 位 置 参 数 为
y
V = 1.36,
V = 0.88, 水 平 长 度 20 m。 消 力 池 型 式 , 长 度 135 m, 底 板 高 程 ▽355 m, 尾 坎 高 度 12 m,
尾 坎 顶 部 高 程 ▽367 m。
4.2 底 孔 体 型 及 消 能 工 优 化
通 过 模 型 试 验 优 化 提 出 了 推 荐 方 案 : 底 孔 采 用 有 压 短 管 加 明 流 泄 槽 型 式 , 进 口 底 板 高 程
▽373.5 m, 顶 高 程 ▽389.2 m, 顶 曲 线 (X/12.3) 2 +(Y/4.1) 2 =1, 侧 曲 线 (X/4.5) 2 +(Y/1.5) 2 =1,
考 虑 弧 门 止 水 要 求 , 有 压 短 管 后 工 作 门 门 座 采 用 突 扩 跌 坎 形 式 , 左 右 侧 各 扩 0.5 m, 跌 坎 高
1.6 m, 通 气 孔 直 径 1 m, 明 槽 斜 坡 1:4.5, 消 力 池 底 板 高 程 ▽355 m, 池 长 170 m, 尾 坎 高
程 ▽367 m( 坎 高 12 m)。
5 泄 洪 消 能 试 验 研 究
5.1 泄 流 能 力
1) 表 孔 单 泄
表 孔 单 泄 泄 流 能 力 模 型 试 验 成 果 见 表 1, 流 量 系 数 m 按 式 (2) 计 算 :
Q
m = (2)
nB 2 gH
1.5
0
x
式 中 :Q 为 泄 量 ,n 为 孔 数 , 取 9,B 为 堰 孔 总 宽 , 取 111.6 m,H 为 包 括 行 进 流 速 水 头 的 堰
顶 水 头 。
试 验 表 明 , 在 H 上 =465.53 m~441.61 m 时 , 模 型 试 验 的 流 量 系 数 m 在 0.466~0.363 之 间 ,
随 着 库 水 位 的 减 小 而 减 小 。 在 校 核 洪 水 位 条 件 下 ,m 为 0.463, 在 设 计 洪 水 位 条 件 下 ,m 为
0.459。
表 1 堰 流 泄 水 能 力 表
Table 1 Weir capacity stemming the flow of water table
上 游 水 位 (m) 流 量 Q(m 3 /s) 流 量 系 数 m
465.53 32375 0.466
461.85 25660 0.460
459.46 21690 0.457
456.97 17825 0.454
453.67 13110 0.449
449.31 7560 0.430
445.87 4000 0.404
441.61 985 0.363
2) 底 孔 单 泄
底 孔 设 计 计 算 、 断 面 模 型 试 验 及 整 体 模 型 试 验 泄 流 能 力 成 果 见 表 2。 流 量 系 数 μ 按 式 (3)
计 算 :
313

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
Q
m = (3)
nA 2gH
式 中 :Q —— 泄 量 ,n 为 孔 数 , 取 5,A 为 出 口 断 面 面 积 ,H 为 孔 口 上 缘 水 头 , 这 里 忽 略 行 进 流
速 水 头 。
在 H 上 =463.05 m~394.77 m 时 , 模 型 试 验 的 流 量 系 数 μ 在 0.906~0.913 范 围 , 流 量 系
数 μ 随 着 库 水 位 的 减 小 而 增 大 。 在 校 核 洪 水 位 H 上 =463.04 m(0.02%) 条 件 下 , 模 型 试 验 的
泄 流 量 为 9819 m 3 /s,μ 为 0.905, 设 计 校 核 流 量 为 9974 m 3 /s, 模 型 换 算 值 比 设 计 值 小 1.6%,
其 他 工 况 模 型 换 算 值 比 设 计 值 小 1.5%~1.7%。 在 流 量 9800 m 3 /s 时 , 对 应 的 上 游 水 位 为 462.27 m。
表 2 设 计 计 算 、 断 面 模 型 、 整 体 模 型 试 验 底 孔 泄 流 能 力 成 果 表
Table 2 Design and calculation, cross-section model, the overall model test results of bottom outlet
discharge capacity table
计 算 值 断 面 模 型 试 验 值 整 体 模 型 试 验 值
流 量 (m 3 /s)
上 游 水 位
流 量 系 数 μ 流 量 (m 3 /s)
(m)
上 游 水 位
(m)
流 量 系 数
μ
流 量
(m 3 /s)
上 游 水 位
(m)
流 量 系 数
μ
9776.0 460.00 0.920 9880.0 464.32 0.905 9820 463.05 0.906
9418.0 454.00 0.922 9796.7 462.56 0.907 8920 448.93 0.905
8983.0 447.00 0.925 9366.7 454.72 0.912 8150 438.24 0.901
8252.0 436.00 0.930 8780.0 445.90 0.911 7000 423.01 0.903
7825.0 430.00 0.935 8333.3 439.30 0.913 6130 413.01 0.906
7373.0 424.00 0.940 7833.3 431.96 0.918 4050 394.77 0.913
6892.0 418.00 0.947 6683.3 416.76 0.935 -- -- --
6374.0 412.00 0.957 5976.7 408.80 0.948 -- -- --
上 游 水 位 m
480
460
440
420
400
断 面 模 型
计 算 值
整 体 模 型
380
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
图 1 底 孔 模 型 试 验 泄 流 能 力 和 设 计 泄 流 能 力 比 较 图
流 量 m3/s
Fig.1 Bottom model test discharge capacity and discharge capacity of the design plans
从 表 2 和 图 1 可 以 看 出 , 底 孔 泄 流 能 力 在 同 一 工 况 下 的 设 计 计 算 值 、 断 面 模 型 、 整 体 模
型 的 试 验 值 基 本 相 等 , 可 以 满 足 设 计 要 求 。 整 体 模 型 较 断 面 模 型 的 底 孔 泄 流 能 力 略 偏 小 , 这
是 由 于 整 体 模 型 中 两 侧 边 孔 进 口 为 斜 向 进 流 。
314

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3) 表 、 底 孔 联 泄 泄 流 能 力
由 于 表 、 底 孔 分 别 布 置 在 不 同 的
坝 段 , 在 表 、 底 孔 联 泄 时 它 们 的 相 互
影 响 很 小 , 可 以 忽 略 不 计 , 因 此 表 、
底 孔 联 泄 泄 流 能 力 可 以 通 过 将 表 、 底
孔 单 泄 泄 流 能 力 进 行 叠 加 计 算 获 得 ,
如 图 2, 结 果 表 明 , 在 校 核 洪 水 位
H 上 =463.04 m(0.02%) 条 件 下 , 下 泄 流
量 为 37586 m 3 /s, 设 计 的 泄 流 量 为
37610 m 3 /s。 在 设 计 洪 水 位 H 上 =461.3 m
(0.2%) 条 件 下 , 下 泄 流 量 为 34644 m 3 /s,
设 计 的 泄 流 量 为 34500 m 3 /s。 泄 流 能 力
满 足 设 计 要 求 。
图 2 泄 流 能 力 图
Fig.2 Discharge capacity graph
5.2 流 态 及 水 面 线
1) 底 孔 单 泄
在 底 孔 单 泄 运 行 工 况 ( 泄 流 量 为 9800 m 3 /s, 上 游 水 位 462.27 m), 上 游 水 面 平 静 , 偶 有 小
旋 涡 在 坝 轴 线 附 近 摆 动 , 在 水 面 的 直 径 2~3 m; 底 孔 出 口 为 自 由 出 流 , 消 力 池 内 形 成 远 驱
水 跃 , 池 内 水 流 紊 乱 , 消 能 不 够 充 分 , 由 于 跃 后 水 深 较 大 , 而 下 游 水 位 较 低 , 出 池 后 水 面 落
差 较 大 , 与 下 游 水 位 差 为 6.00 m, 在 护 坦 上 形 成 弱 水 跃 , 尾 坎 100 m 后 水 流 平 顺 , 在 电 站
尾 水 渠 、 表 孔 消 力 池 、 下 游 引 航 道 形 成 回 流 区 , 下 游 引 航 道 波 浪 较 大 。
2) 表 孔 单 泄
在 表 孔 单 泄 运 行 工 况 ( 泄 流 量 为 19000 m 3 /s, 均 匀 控 泄 ), 库 区 水 面 平 静 , 表 孔 左 、 右
边 孔 斜 向 进 流 现 象 较 明 显 , 相 应 闸 门 槽 内 立 轴 旋 涡 较 明 显 。 各 表 孔 水 舌 外 缘 整 齐 , 均 位 于 池
首 段 入 池 。 池 内 水 体 呈 白 色 , 紊 动 剧 烈 , 掺 气 充 分 , 消 能 效 果 较 佳 , 出 池 后 水 流 衔 接 平 顺 ,
在 电 站 尾 水 渠 、 底 孔 消 力 池 、 下 游 引 航 道 形 成 回 流 区 , 下 游 引 航 道 波 浪 较 大 。
3) 表 、 底 孔 联 泄
各 试 验 工 况 下 底 孔 出 口 均 为 自
由 出 流 , 均 形 成 淹 没 水 跃 。 表 孔 入
池 水 舌 整 齐 , 均 位 于 池 首 段 , 池 内
水 体 呈 白 色 , 紊 动 剧 烈 , 掺 气 充 分 。
表 、 底 孔 水 流 过 尾 坎 后 与 下 游 水 面
衔 接 平 顺 , 无 明 显 跌 落 现 象 。 下 游
河 床 主 流 居 中 , 引 航 道 的 口 门 区 和
电 站 的 尾 水 区 形 成 两 个 回 流 区 , 回
流 范 围 随 着 泄 流 量 的 增 大 而 增 大 :
左 侧 , 从 底 孔 左 隔 墙 末 端 下 延 3 米
左 右 , 在 电 厂 尾 水 区 形 成 一 个 回 流 , 图 3 流 量 34500 m 3 /s 表 、 底 孔 联 合 敞 泄 泄 洪 流 态 图
回 流 流 速 较 小 ; 右 侧 , 从 航 道 口 门 Fig.3 Flow 34500m 3 / s form a joint open vent outlet
下 延 2 米 左 右 , 在 航 道 口 门 区 形 成
spillway flow pattern map
315

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
一 个 回 流 区 , 回 流 流 速 较 大 。
表 、 底 孔 联 泄 可 分 为 表 孔 控 泄 、 底 孔 敞 泄 和 表 、 底 孔 敞 泄 的 联 合 泄 洪 两 种 情 况 。
表 孔 控 泄 、 底 孔 敞 泄 的 联 合 泄 洪 的 泄 洪 流 量 分 别 为 28000 m 3 /s、25100 m 3 /s、21200 m 3 /s
三 种 工 况 , 试 验 表 明 , 两 侧 表 孔 受 水 库 边 界 影 响 , 进 流 偏 折 现 象 明 显 , 致 使 表 孔 左 右 边 孔 出
口 水 舌 冲 击 左 右 边 墙 , 表 孔 闸 门 槽 内 产 生 立 轴 旋 涡 , 旋 涡 位 于 左 右 边 孔 的 岸 边 侧 , 旋 涡 大 小
随 流 量 的 增 大 而 增 大 。 在 流 量 Q=28000 m 3 /s、25100 m 3 /s 时 , 池 内 水 面 翻 越 表 孔 左 隔 墙 。
在 表 、 底 孔 敞 泄 的 联 合 泄 洪 的 泄 洪 流 量 分 别 为 37600 m 3 /s、34500 m 3 /s 和 14800 m 3 /s
三 种 工 况 下 , 库 区 水 面 平 静 , 但 表 孔 边 墩 侧 向 进 流 现 象 比 较 严 重 , 两 边 孔 闸 门 槽 内 水 位 差 较
大 , 约 3~4 m, 表 孔 左 右 边 孔 出 口 水 舌 冲 击 左 右 边 墙 , 有 必 要 对 边 表 孔 出 口 体 型 进 行 适 当
的 优 化 。
鉴 于 此 , 将 边 表 孔 的 收 缩 比 进 行 适 当 扩 大 , 将 左 右 边 表 孔 外 侧 宽 尾 墩 的 墩 尾 折 角 改 为
18.51°, 内 侧 墩 尾 折 角 改 为 4° , 孔 口 收 缩 比 由 原 来 的 0.3 改 为 0.35, 试 验 结 果 表 明 , 在
表 孔 宣 泄 大 流 量 时 左 右 边 孔 水 舌 相 对 稳 定 , 水 体 击 打 导 墙 现 象 消 失 , 说 明 将 边 表 孔 收 缩 比 进
行 适 当 扩 大 是 合 理 可 行 的 。
表 孔 控 泄 、 底 孔 敞 泄 的 联 合 泄 洪 流 态 见 图 3。
5.3 时 均 压 力 分 布
试 验 成 果 表 明 : 在 表 、 底 孔 联 泄 五 百 年 一 遇 洪 水 与 五 千 年 一 遇 洪 水 运 行 工 况 下 , 门 槽 内
最 低 压 -0.87×9.81kPa, 表 明 检 修 门 槽 宽 深 比 1.6 是 适 宜 的 。
表 孔 闸 墩 时 均 压 力 仅 在 H 上 =461.3 m,Q 总 =34500 m 3 /s ,Q 表 =25033 m 3 /s,H 下 =389.4 m 与
H 上 =463.04 m,Q 总 =37600 m 3 /s ,
Q 表 =28034 m 3 /s,H 下 =390.28 m
运 行 工 况 下 , 检 修 门 槽 内 出 现 了
较 小 的 负 压 , 最 低 压 力 -2.3×
9.81 kPa。
表 孔 消 力 池 池 首 压 力 相 对
较 高 , 但 值 不 大 。 消 力 池 内 底 板
压 力 变 化 平 顺 , 趋 势 与 水 面 线 基
本 一 致 。 见 图 4。 底 孔 消 力 池 ,
底 板 压 力 沿 程 变 化 平 顺 , 趋 势 与
水 面 线 基 本 一 致 无 明 显 的 冲 击
压 力 特 性 。 见 图 5。
在 各 级 泄 洪 工 况 下 , 表 、 底 孔 尾 坎 时 均 压 力 基 本 呈 静 水 分 布 规 律 , 说 明 尾 坎 未 受 到 入 池
水 流 的 冲 击 , 结 合 池 内 水 流 流 态 分 析 , 表 明 消 力 池 池 长 满 足 要 求 。 侧 墙 各 测 点 的 水 压 力 变 化
平 顺 , 变 化 趋 势 与 水 深 一 致 。
5.4 消 力 池 尾 坎 及 下 游 河 床 流 速 分 布
试 验 表 明 , 表 、 底 孔 尾 坎 流 速 均 呈 现 两 边 大 、 中 部 较 小 , 底 部 较 大 的 特 征 , 护 坦 及 其 下
游 流 速 呈 两 边 大 、 中 部 较 小 , 表 大 底 小 的 特 征 。 流 速 随 下 泄 流 量 的 增 大 而 增 大 。 设 计 工 况 的
消 力 池 尾 坎 及 下 游 河 床 流 速 分 布 图 见 图 6。
316

第 二 部 分 工 程 水 力 学
图 6 流 量 34500 m 3 /s 流 速 分 布 图
Fig.6 F low 34500 m 3 / s velocity distribution
5.5 下 游 河 床 冲 刷
成 果 表 明 , 各 级 试 验 工 况 下 , 由 于 表 、 底 孔 护 坦 后 流 速 分 布 均 呈 现 两 边 较 大 、 中 间 较
小 特 征 , 其 下 游 冲 刷 也 均 呈 现 中 间 较 浅 , 两 边 较 深 的 特 征 , 表 孔 下 游 冲 刷 最 深 点 高 程 为 ▽
345.6 m, 出 现 在 表 、 底 孔 联 泄 流 量 34500 m 3 /s 工 况 ; 底 孔 下 游 冲 刷 最 深 点 高 程 为 ▽349.0 m,
出 现 在 底 孔 单 泄 流 量 9800 m 3 /s 工 况 。 在 流 量 19000 m 3 /s、21200 m 3 /s、25100 m 3 /s、28000 m 3 /s、
34500 m 3 /s、37600 m 3 /s 工 况 下 , 水 流 出 尾 坎 后 由 于 底 部 漩 滚 , 产 生 了 动 床 铺 沙 回 卷 现 象 ,
表 孔 护 坦 上 有 不 同 程 度 的 淤 积 , 最 高 淤 积 高 程 为 ▽366.6; 在 流 量 25100 m 3 /s、28000 m 3 /s、
34500 m 3 /s 工 况 下 , 有 少 许 动 床 沙 进 池 。 底 孔 单 泄 流 量 9800 m 3 /s 护 坦 末 最 大 冲 深 达 9 m,
其 他 试 验 工 况 表 孔 护 坦 末 最 大 冲 深 5.3 m, 底 孔 护 坦 末 最 大 冲 深 5.8 m。 各 工 况 下 冲 坑 上 游
坡 比 均 小 于 1:4。 设 计 工 况 下 下 游 冲 刷 成 果 见 图 7。
图 7 流 量 34500m 3 /s 下 游 冲 坑 图
Fig.7 Flow 34500m 3 / s downstream scour hole map
317

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
6 结 语
亭 子 口 水 利 枢 纽 水 力 学 整 体 模 型 试 验 研 究 表 明 , 表 、 底 孔 泄 流 能 力 基 本 满 足 设 计 要 求 ;
枢 纽 布 置 合 理 , 上 下 游 水 流 平 顺 正 常 , 无 不 利 流 态 对 各 建 筑 物 造 成 影 响 ; 消 力 池 消 能 充 分 ,
表 、 底 孔 护 坦 后 流 速 分 布 均 呈 现 两 边 较 大 、 中 间 较 小 特 征 , 其 下 游 冲 刷 也 均 呈 现 中 间 较 浅 ,
两 边 较 深 的 特 征 , 结 果 满 足 设 计 规 范 要 求 ; 电 站 尾 水 区 回 流 范 围 较 小 , 回 流 流 速 也 较 小 , 基
本 为 静 水 。 总 的 来 说 , 在 各 设 计 运 行 工 况 下 , 消 力 池 内 均 能 形 成 完 整 稳 定 水 跃 , 消 力 池 的 设
计 是 合 理 的 , 泄 洪 消 能 整 体 布 置 是 可 行 的 。
参 考 文 献
[1] 任 坤 杰 , 韩 继 斌 . 亭 子 口 水 利 枢 纽 表 孔 断 面 模 型 试 验 研 究 报 告 [R]. 长 江 水 利 委 员 会 长 江 科 学 院 ,
2006.12.
[2] 严 伟 , 韩 继 斌 . 亭 子 口 水 利 枢 纽 底 孔 断 面 模 型 试 验 研 究 报 告 [R]. 长 江 科 学 院 ,2007.9.
[3] 李 福 田 , 刘 沛 清 , 许 唯 临 , 等 . 高 拱 坝 表 孔 宽 尾 墩 对 泄 洪 能 力 影 响 的 试 验 研 究 [J]. 水 利 学 报 ,2003,
(11):43-53.
[4] 谢 省 宗 , 李 世 琴 . 宽 尾 墩 联 合 消 能 工 在 百 色 水 利 枢 纽 的 研 究 和 应 用 [J]. 红 水 河 ,l7(2):36-47.
318

第 二 部 分 工 程 水 力 学
基 于 射 流 理 论 的 跌 坎 型 底 流 消 能 工 水 力 特 性 分 析
张 强
1
杨 红 宣
2
郑 雪
2
王 海 军
(1. 昆 明 市 水 利 水 电 设 计 院 昆 明 650231 hbzhq2002@163.com
2. 昆 明 理 工 大 学 电 力 工 程 学 院 云 南 昆 明 650051 hbzhq2002@163.com)
2
摘 要 本 文 在 对 跌 坎 型 底 流 消 能 工 消 力 池 内 流 态 、 时 均 动 水 压 力 、 流 速 等 水 力 学 指 标 试 验 观 测
的 基 础 上 , 对 淹 没 射 流 区 、 淹 没 水 跃 区 水 流 的 扩 散 和 流 速 衰 减 进 行 了 分 析 。 并 通 过 试 验 数 据 的 拟
合 得 到 了 跌 坎 型 消 能 工 淹 没 射 流 区 、 淹 没 水 跃 区 水 流 的 流 速 分 公 式 ; 对 冲 击 区 时 均 压 力 进 行 了 研
究 , 得 出 了 消 力 池 底 板 上 时 均 冲 击 压 强 的 公 式 , 并 通 过 试 验 数 据 分 析 , 研 究 了 压 强 的 分 布 规 律 ;
对 射 流 的 沿 程 消 能 率 进 行 了 估 算 。
关 键 词 跌 坎 ; 消 能 ; 水 力 特 性 ; 射 流
1 引 言
跌 坎 型 底 流 消 能 工 是 在 常 规 底 流 消 能 工 的 基 础 上 增 加 跌 坎 而 形 成 的 。 其 结 构 简 单 , 但 消
能 机 理 复 杂 , 消 能 效 果 较 好 , 能 降 低 临 底 流 速 和 消 力 池 底 板 的 动 水 压 力 。 跌 坎 型 底 流 消 能 工
能 通 过 跌 坎 控 制 水 流 的 入 流 方 向 和 消 力 池 的 水 深 , 这 样 既 可 以 避 免 主 流 潜 底 导 致 底 板 的 脉 动
压 力 和 临 底 流 速 增 大 , 又 可 以 保 证 不 让 主 流 上 漂 形 成 面 流 防 止 下 游 水 流 波 动 大 , 影 响 通 航 和
加 剧 对 下 游 两 岸 的 冲 刷 , 而 达 不 到 消 能 目 的 。
2 跌 坎 型 底 流 消 能 工 消 能 机 理
跌 坎 型 底 流 消 能 工 的 消 能 机 理 是 一 个 能 量 传 递 、 再 分 配 和 耗 散 的 过 程 。 水 流 入 池 后 , 冲
击 消 力 池 底 部 使 流 向 发 生 折 转 并 使 流 速 值 得 到 调 整 , 伴 随 强 烈 的 紊 动 混 掺 和 剧 烈 碰 撞 。 在 卷
吸 作 用 下 , 主 流 两 侧 形 成 两 个 大 旋 滚 , 致 使 旋 滚 与 主 流 交 界 面 附 近 时 均 流 速 梯 度 很 大 , 流 速
梯 度 越 大 , 旋 涡 强 度 越 大 , 从 而 产 生 的 紊 动 就 愈 强 烈 。
根 据 主 流 的 变 化 特 征 , 水 流 下 泄 的 动 能 主 要 通 过 射 流 在 消 力 池 中 的 剧 烈 紊 动 扩 散 、 剪 切
以 及 淹 没 水 跃 旋 滚 区 的 剧 烈 紊 动 来 消 减 。 射 流 水 股 与 两 侧 旋 滚 区 之 间 是 产 生 旋 涡 的 源 地 , 也
是 通 过 紊 动 掺 混 过 程 发 生 强 烈 剪 切 作 用 而 消 耗 主 流 机 械 能 的 区 域 。 考 虑 到 跌 坎 型 消 力 池 内 总
存 在 一 定 水 深 , 消 力 池 中 射 流 大 多 属 于 淹 没 冲 击 射 流 。 淹 没 冲 击 射 流 由 于 两 侧 漩 涡 的 卷 吸 作
用 , 主 射 流 流 量 沿 程 增 加 , 射 流 流 速 沿 程 衰 减 , 水 垫 起 到 消 能 作 用 。 另 一 方 面 , 在 一 定 下 游
水 深 条 件 下 射 流 到 消 力 池 底 板 时 , 尚 具 有 一 定 流 速 , 冲 击 底 板 , 产 生 一 定 的 冲 击 压 强 ( 包 括
脉 动 压 强 )。 因 而 了 解 消 力 池 中 射 流 的 水 力 特 性 , 有 利 于 我 们 研 究 跌 坎 型 消 能 工 的 消 能 机 理
和 压 强 分 布 规 律 。
3 跌 坎 型 底 流 消 能 工 消 力 池 内 射 流 特 性 分 析
根 据 自 由 紊 流 理 论 , 进 入 消 力 池 中 的 射 流 是 一 个 淹 没 斜 向 冲 击 射 流 。 沿 着 主 流 方 向 可
分 为 三 个 不 同 性 质 的 区 域 :I 区 为 淹 没 射 流 区 , 主 流 近 似 按 直 线 规 律 扩 散 ;Ⅱ 区 为 冲 击 区 ,
319

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
主 流 受 到 河 床 底 的 折 冲 而 转 向 , 流 动 速 度 减 小 由 动 能 转 变 为 压 能 , 对 消 力 池 底 板 产 生 巨 大 的
冲 击 压 力 ;Ⅲ 区 为 附 壁 射 流 区 , 是 由 冲 击 区 压 能 转 变 成 动 能 的 高 速 主 流 扩 散 区 , 高 速 主 流 贴
底 射 出 并 沿 程 扩 散 和 迅 速 跃 起 。 在 入 射 主 流 的 上 部 为 旋 滚 区 , 下 部 为 底 旋 滚 区 。 由 此 可 见 ,
消 力 池 的 复 杂 流 态 , 可 以 定 性 地 看 作 是 斜 向 淹 没 冲 击 射 流 和 淹 没 水 跃 流 的 混 合 流 态 。
3.1 淹 没 射 流 区 射 流 扩 散 和 流 速 衰 减
水 流 以 一 定 的 初 始 速 度 射 入 消 力 池 中 , 根 据 紊 动 射 流 理 论 , 其 边 界 层 方 程 为 :
u u 1 t
u + v =
x y r y
, u v
+ =
x y
0
(1)
对 于 充 分 发 展 的 自 由 紊 流 , 边 界 层 方 程 存 在 相 似 性 解 , 即 自 由 紊 流 沿 流 程 各 断 面 上 的
速 度 分 布 是 自 相 似 的 。 在 射 流 沿 程 扩 散 过 程 中 , 其 纵 向 时 均 速 度 是 沿 程 衰 变 的 。 从 自 由 射 流
流 场 静 压 分 布 的 假 定 条 件 , 利 用 射 流 动 量 通 量 守 恒 原 理 来 推 导 射 流 轴 线 流 速 的 沿 程 变 化 规
律 。 按 单 位 宽 度 考 虑 , 其 关 系 式 可 写 为 :
ò ò
(2)
+¥
2
J = udm = ru dy = const
m
-¥
2
一 般 入 口 断 面 的 动 量 通 量 是 已 知 的 , 其 单 宽 值 为 2r u b , u 0 是 入 口 流 速 , b 0 是 射 流
入 口 断 面 的 半 厚 度 。 故 应 有 :
0 0
+¥
2 2
ò ru dy = 2ru b
(3)
-¥
0 0
在 主 体 段 射 流 紊 动 充 分 发 展 的 区 域 , 各 断 面 流 速 分 布 存 在 相 似 性 , 即 :
u
u
m
y
= f ( )
(4)
b
b 为 射 流 断 面 的 特 性 半 厚 度 。 由 于 射 流 边 界 的 不 规 则 性 , 这 个 半 厚 度 常 取 流 速 等 于 轴
线 最 大 流 速 的 规 定 比 值 的 点 的 y 值 为 标 准 。
2
y
用 函 数 表 达 即 为 : u = um
exp( - )
(5)
2
b
u 1
取 b e 为 特 性 半 厚 度 , 当 y=b 时 , 得 = 。 因
u e
将 式 (6) 代 入 式 (2) 得 :
m
y
2
+¥ ¥
2 2 2
2
ò u dy = 2 u exp ( ) dy u
m
0
2
mbe
-¥ ò - =
(6)
b 2
e
p
u b
2 2
2 m e 0 0
p
= 2u b
(7)
由 于 射 流 厚 度 基 本 上 是 线 性 扩 展 的 , 可 设 be
轴 线 上 流 速 的 关 系 式 为 :
= e x , 代 入 式 (6), 通 过 计 算 可 得 射 流
320

4
第 二 部 分 工 程 水 力 学
um
u
0
1 1
= 2 2b
2 0 2
( ) ( )
pe x
(8)
u x
上 式 可 以 简 化 为 m = k1( ) n
(9)
u d
0 0
式 中 d0 = 2b0
, 为 入 池 水 深 。
在 试 验 中 就 射 流 断 面 流 速 的 测 量 共 取 了 9 个 断 面 , 其 中 入 池 初 始 取 1 个 断 面 , 淹 没 射 流
区 中 心 线 取 3 个 断 面 , 下 游 附 壁 射 流 区 取 5 个 断 面 如 图 1 所 示 。 试 验 中 发 现 , 射 流 主 线 在 淹 没
射 流 区 发 生 一 定 弯 曲 , 射 流 对 底 板 的 冲 击 点 比 理 论 上 的 冲 击 点 要 向 上 游 偏 移 。 在 射 流 水 股 的
下 游 附 壁 射 流 区 , 主 流 迅 速 跃 起 , 流 速 衰 减 较 快 。
根 据 跌 坎 型 消 能 工 模 型 试 验 所 采 集 的 数 据 , 如 图 2 所 示 , 进 行 数 据 拟 合 得 到 以 下 公 式 :
um
x -0.5
= 2.08( )
(10)
u d
0 0
1 1
2
9
3
2
3
4
5 6
7
8
5
6
7
8 9
图 1 射 流 流 速 测 量 断 面 分 布 图
图 2 淹 没 射 流 区 时 均 速 度 衰 减 曲 线
由 分 析 可 见 , 在 淹 没 射 流 区 主 射 流 具 有 典 型 的 自 由 射 流 特 征 , 射 流 扩 散 基 本 是 直 线 ,
按 线 性 规 律 扩 散 , 时 均 速 度 分 布 是 相 似 的 ( 与 前 人 的 试 验 结 果 一 致 ), 但 系 数 上 比 前 人 所 得
出 的 结 论 要 小 , 其 原 因 是 由 于 底 部 漩 涡 的 运 动 区 域 较 小 , 更 强 烈 , 对 射 流 扩 散 起 到 很 大 的 影
um
x -0.5
响 作 用 。 对 跌 坎 型 消 能 工 淹 没 射 流 区 的 流 速 分 布 可 以 采 用 公 = 2.08( ) 计 算 。
u d
0 0
321

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3.2 附 壁 射 流 区 水 流 扩 散 和 流 速 衰 减
入 池 水 流 进 入 跌 坎 型 底 流 消 能 工 消 力 池 后 形 成 淹 没 水 跃 , 在 消 力 池 的 前 端 以 自 由 紊 动 射
流 形 式 运 动 , 主 流 达 到 底 板 后 , 由 于 受 底 板 的 约 束 , 主 流 中 心 流 线 方 向 发 生 改 变 , 在 消 力 池
后 端 以 淹 没 附 壁 射 流 形 式 运 动 , 如 图 3 所 示 。
附 壁 射 流 是 由 格 劳 特 (Glauert 1956) 提 出 的 。 根 据 经 典 附 壁 射 流 理 论 , 流 体 从 喷 口 射
出 后 , 上 部 边 界 和 自 由 射 流 一 样 卷 吸 周 围 流 体 , 产 生 掺 混 作 用 向 下 发 展 , 下 部 边 界 受 固 体 壁
面 的 摩 阻 作 用 形 成 壁 面 边 界 层 向 上 发 展 , 中 间 也 有 一 个 势 流 核 心 区 , 在 以 后 的 主 体 段 中 , 按
断 面 最 大 流 速 将 紊 流 贴 壁 射 流 分 为 上 、 下 两 层 。 上 层 为 自 由 混 合 区 , 流 动 与 自 由 射 流 相 似 ;
下 层 , 即 壁 面 边 界 层 , 流 动 与 平 板 边 界 层 相 似 。
y
ht
C
A
O
b
B
u max
δ
Ⅲ
x
图 3 淹 没 区 水 跃
图 4 附 壁 射 流 区 时 均 速 度 衰 减 曲 线
其 水 流 运 动 方 程 为 :
2
u u 1 p u 1 t
u + v = - + v +
2
x y r x y r y
, u v
+ = 0
x y
(11)
在 光 滑 壁 面 上 附 壁 紊 动 射 流 的 主 体 段 , 其 流 动 存 在 相 似 性 。 如 以 u
m 为 特 征 流 速 断 面 上
u
u = m
处 的 y 值 作 为 射 流 厚 度 , 以 b 为 特 性 长 度 , 则 断 面 上 流 速 分 布 的 相 似 关 系 可 写 为 :
2
u y y
= f ( ) = f ( h)
h = (12)
u b b
m
根 据 跌 坎 型 消 能 工 模 型 试 验 所 采 集 的 数 据 , 进 行 数 值 拟 合 得 到 以 下 淹 没 水 跃 区 最 大 流 速
衰 减 公 式
3.3 冲 击 区 时 均 最 大 压 力 研 究
u x x
u d d
m
2
= 0.0004( ) - 0.0273 + 0.5167
(13)
0 0 0
试 验 研 究 表 明 , 射 流 对 消 力 池 底 板 的 冲 击 压 力 , 无 论 是 时 均 值 还 是 脉 动 值 都 可 能 达 到 相
当 大 的 数 值 , 尤 其 是 对 大 单 宽 流 量 下 的 水 射 流 完 全 可 能 达 到 全 水 头 的 量 级 。 而 射 流 对 消 力 池
底 板 的 时 均 冲 击 压 力 , 主 要 取 决 于 射 流 扩 散 规 律 和 冲 击 区 的 流 动 特 征 。
射 流 的 冲 击 区 是 高 速 主 流 动 能 转 变 动 水 压 力 ( 即 压 能 ) 的 主 区 域 , 亦 即 最 大 冲 击 压 强 点 。
附 壁 射 流 区 是 由 冲 击 区 的 压 能 转 变 成 动 能 的 高 速 主 流 扩 散 区 , 也 可 看 作 淹 没 水 跃 区 , 高 速 主
322

第 二 部 分 工 程 水 力 学
流 贴 底 射 出 并 沿 程 扩 散 和 迅 速 跃 起 , 并 在 射 流 冲 击 区 下 游 形 成 较 大 的 表 面 旋 滚 区 。
由 此 可 见 , 淹 没 水 跃 跃 首 处 主 流 流 速 的 大 小 与 冲 击 区 动 水 压 力 的 大 小 及 分 布 密 切 相 关 :
冲 击 区 内 动 水 冲 击 压 力 大 , 相 应 的 跃 首 断 面 处 主 流 的 流 速 值 也 大 , 由 此 引 起 水 跃 段 的 长 度 和
旋 滚 区 的 尺 度 也 大 , 反 之 亦 然 。
对 于 冲 击 区 底 板 上 的 时 均 冲 击 压 力 , 可 通 过 在 消 力 池 底 板 上 所 分 布 的 测 压 孔 获 得 , 现 由
图 5 给 出 消 力 池 中 心 线 上 各 测 压 点 处 时 均 压 力 试 验 结 果 , 图 6 和 图 7 给 出 消 力 池 底 板 上 的 时 均
压 力 空 间 分 布 和 压 力 分 区 图 。
由 图 可 知 , 沿 消 力 池 轴 线 方 向 冲 击 区 最 大 时 均 动 水 压 力 向 消 力 池 下 游 并 没 有 出 现 太 大 的
梯 度 变 化 , 而 在 消 力 池 上 游 出 现 了 较 大 的 梯 度 变 化 , 其 主 要 原 因 是 因 为 坎 后 横 轴 漩 涡 的 影 响 ,
在 横 向 上 , 即 沿 消 力 池 宽 度 方 向 上 , 可 以 发 现 冲 击 区 沿 消 力 池 轴 线 向 边 墙 逐 渐 向 上 游 移 动 ,
并 且 冲 击 区 尺 度 也 逐 渐 减 小 , 其 主 要 原 因 是 : 由 于 消 力 池 边 墙 的 阻 力 作 用 , 射 流 在 边 墙 处 产
生 弯 曲 , 造 成 射 流 射 程 减 短 , 射 流 扩 散 不 充 分 。
图 5 消 力 池 底 板 时 均 压 力 沿 程 分 布
图 6 消 力 池 底 板 时 均 压 力 空 间 分 布
图 7 消 力 池 底 板 时 均 压 力 分 区 图
4 主 流 沿 程 消 能 率 估 算
上 述 分 析 结 果 表 明 , 在 淹 没 射 流 区 射 流 水 股 在 沿 程 扩 散 过 程 中 有 效 能 量 ( 动 能 ) 在 不 断 的
减 小 , 所 消 耗 掉 的 时 均 能 量 ( 动 能 ) 绝 大 部 分 提 供 给 紊 流 脉 动 , 只 有 一 小 部 分 是 通 过 时 均 剪 切
作 用 而 耗 散 。 主 流 提 供 给 紊 流 的 一 部 分 能 量 在 紊 动 涡 体 的 生 成 、 分 裂 、 破 碎 过 程 中 耗 散 ( 紊
动 耗 散 ), 另 一 部 分 能 量 加 剧 了 紊 流 脉 动 , 致 使 紊 流 脉 动 速 度 沿 着 主 射 流 方 向 在 不 断 地 增 大 ,
这 部 分 能 量 虽 然 不 可 能 再 被 时 均 运 动 所 利 用 , 但 却 被 主 流 带 入 射 流 冲 击 区 和 下 游 的 淹 没 水 跃
区 , 它 是 造 成 壁 面 脉 动 压 力 的 主 要 根 源 ; 在 淹 没 水 跃 区 , 不 仅 时 均 流 发 生 迅 速 的 扩 散 和 衰 变 ,
而 且 脉 动 速 度 沿 程 也 在 不 断 减 小 , 这 说 明 在 淹 没 水 跃 区 , 通 过 强 烈 的 混 掺 碰 撞 、 紊 动 剪 切 作
用 , 时 均 运 动 和 脉 动 运 动 都 在 沿 程 迅 速 减 小 , 特 别 是 该 区 对 耗 散 由 淹 没 射 流 区 产 生 的 强 烈 脉
323

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
动 运 动 能 量 起 着 重 要 的 作 用 。
为 了 定 量 认 识 消 能 工 的 消 能 效 率 , 现 以 工 况 入 池 流 速 u
0
= 3.05m/s, 坎 深 d = 8cm, 入
池 角 度 q = 10° 为 例 , 分 别 对 淹 没 射 流 区 和 淹 没 水 跃 区 各 断 面 的 时 均 动 能 估 算 , 以 射 流 入 水
断 面 1 的 动 能 为 基 准 , 依 次 计 算 射 流 沿 程 各 断 面 单 位 重 量 水 体 时 均 的 消 能 率 , 得 出 单 位 水 体
动 能 沿 程 分 布 , 如 图 8 所 示 。 由 图 8 可 知 , 在 淹 没 射 流 区 , 射 流 时 均 动 能 衰 减 较 快 , 到 4 号 断
面 时 均 流 消 能 率 达 到 57.86%; 在 淹 没 水 跃 区 , 时 均 流 消 能 率 由 57.86% 增 加 到 99.48%, 可 见 该
区 域 的 流 速 已 经 很 小 , 消 能 效 果 良 好 。
图 8 射 流 动 能 沿 程 分 布
5 结 论
本 文 应 用 紊 动 射 流 理 论 对 底 流 流 态 下 跌 坎 型 底 流 消 能 工 水 流 结 构 进 行 分 析 , 得 出 以 下 结
论 :
(1) 对 淹 没 射 流 区 水 流 的 扩 散 和 流 速 衰 减 进 行 了 分 析 , 根 据 试 验 数 据 拟 合 得 出 跌 坎 型
um
x -0.5
消 能 工 淹 没 射 流 区 的 流 速 分 公 式 = 2.08( ) , 在 淹 没 射 流 区 主 射 流 具 有 典 型 的 自 由
u d
0 0
射 流 特 征 , 射 流 扩 散 基 本 是 直 线 , 按 线 性 规 律 扩 散 , 时 均 速 度 分 布 是 相 似 的 。
(3) 通 过 对 淹 没 水 跃 区 水 流 的 扩 散 和 流 速 衰 减 的 研 究 , 结 合 试 验 数 据 拟 合 得 到 了 淹 没
um
x 2 x
水 跃 区 最 大 流 速 衰 减 公 式 = 0.0004( ) - 0.0273 + 0.5167 。
u d d
0 0 0
(4) 通 过 对 冲 击 区 时 均 压 力 的 研 究 并 结 合 试 验 数 据 得 知 : 在 纵 向 , 沿 消 力 池 上 游 区 时
均 动 水 梯 度 变 化 远 大 于 消 力 池 下 游 的 梯 度 变 化 ; 在 横 向 , 即 沿 消 力 池 宽 度 方 向 上 , 可 以 发 现
冲 击 区 沿 消 力 池 轴 线 向 边 墙 逐 渐 向 上 游 移 动 , 并 且 冲 击 区 尺 度 也 逐 渐 减 小 。
(5) 对 射 流 的 沿 程 消 能 率 进 行 了 估 算 , 在 淹 没 射 流 区 , 射 流 时 均 动 能 衰 减 较 快 。
参 考 文 献
[1] 王 海 军 , 张 强 , 等 . 跌 坎 式 底 流 消 能 工 的 消 能 机 理 与 水 力 计 算 [J]. 水 利 水 电 技 术 ,2008.4.
[2] 张 长 高 . 水 动 力 学 [M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,1993.3.
[3] 南 京 水 力 科 学 研 究 院 , 水 利 水 电 科 学 研 究 院 . 水 工 模 型 试 验 ,2 版 [M]. 北 京 : 水 利 水 电 出 版 社 ,1985.
[4] 刘 沛 清 , 李 福 田 . 高 坝 下 游 水 垫 塘 内 典 型 流 态 演 变 问 题 探 讨 [J]. 水 利 学 报 ,2001.10.
324

第 二 部 分 工 程 水 力 学
基 于 冲 击 压 强 的 挑 流 冲 刷 深 度 预 测 方 法
杨 敏 秦 艳
( 天 津 大 学 水 利 水 电 工 程 系 天 津 300072 Minyang2000@163.com)
摘 要 挑 流 泄 水 建 筑 物 冲 坑 深 度 的 预 测 一 直 以 来 是 理 论 界 和 工 程 上 都 倍 受 关 注 的 问 题 。 本 文 基
于 水 工 模 型 试 验 与 数 值 模 拟 相 结 合 的 研 究 手 段 , 对 冲 刷 深 度 和 冲 击 压 强 之 间 的 量 化 关 系 进 行 了 解
读 。 以 射 流 冲 击 压 强 为 主 要 参 数 , 提 出 了 基 预 测 挑 流 冲 刷 深 度 的 新 方 法 。
关 键 词 水 力 学 ; 冲 坑 深 度 ; 模 型 试 验 ; 数 值 模 拟 ; 冲 击 压 强
1 引 言
挑 射 水 流 对 岩 石 河 床 的 冲 刷 破 坏 实 质 上 是 射 流 的 冲 刷 能 力 和 基 岩 的 抗 冲 能 力 相 互 作 用
的 结 果 。 射 流 的 冲 刷 能 力 主 要 反 映 冲 坑 水 垫 中 淹 没 冲 击 射 流 的 基 本 特 征 及 其 在 冲 坑 的 发 展 过
程 中 射 流 结 构 的 演 变 规 律 和 耗 能 机 理 , 基 岩 的 抗 冲 能 力 主 要 反 映 基 岩 抵 抗 射 流 冲 击 破 坏 的 能
力 。 由 于 挑 流 冲 刷 涉 及 的 物 理 过 程 复 杂 , 冲 刷 破 坏 机 理 涉 及 的 影 响 因 素 众 多 , 对 冲 坑 的 模 拟
和 预 测 至 今 仍 然 是 水 利 工 程 界 尚 未 很 好 解 决 的 一 个 难 题 。 射 流 作 用 于 基 岩 河 床 上 , 基 岩 解 体
破 坏 以 及 冲 坑 的 形 成 和 稳 定 , 整 个 过 程 是 相 当 复 杂 的 。 众 多 的 学 者 对 冲 坑 深 度 的 影 响 因 素 进
[1]
行 了 大 量 的 研 究 , 并 取 得 了 丰 富 的 成 果 。 而 对 于 冲 坑 深 度 的 估 算 , 则 从 不 同 的 角 度 提 出 了
[2]
预 测 方 法 , 提 出 了 各 种 形 式 的 经 验 和 半 经 验 的 冲 坑 计 算 公 式 。 但 是 , 国 内 外 有 关 挑 流 冲 刷
的 30 多 个 计 算 公 式 , 用 模 型 及 原 型 的 实 测 资 料 与 公 式 的 计 算 结 果 作 了 比 较 后 发 现 , 这 些 公
式 计 算 误 差 最 大 的 可 达 400%, 最 小 的 亦 有 30% 左 右 。
2 基 岩 冲 刷 破 坏 特 性 分 析
关 于 岩 基 挑 流 冲 刷 破 坏 的 机 理 , 目 前 大 多 数
学 者 比 较 赞 同 的 观 点 是 : 在 射 流 冲 击 区 内 , 基 岩
河 床 受 射 流 的 冲 击 引 起 震 撼 , 强 烈 的 脉 动 水 流 渗
入 基 岩 缝 隙 形 成 较 强 的 脉 动 压 力 并 沿 缝 隙 传 播 ,
使 基 岩 沿 缝 隙 、 节 理 面 不 断 松 动 、 破 裂 、 解 体 ,
形 成 大 小 不 等 的 岩 块 , 同 时 脉 动 压 力 在 岩 块 上 产
生 强 大 的 瞬 时 上 举 力 , 当 其 超 过 岩 块 自 重 和 岩 块
间 的 咬 合 力 时 , 可 能 会 促 使 岩 块 拔 起 或 翻 转 出 穴 。
对 于 在 基 岩 破 碎 过 程 中 形 成 的 碎 石 和 较 小 的
图 1 冲 击 压 强 示 意 图
岩 块 ( 散 粒 体 冲 刷 试 验 中 的 颗 粒 ), 随 着 岩 块 尺 度
的 变 小 , 在 颗 粒 表 、 底 面 上 传 播 的 脉 动 压 力 波 在 时 间 上 无 法 形 成 滞 后 , 因 而 同 一 脉 动 压 力 波
几 乎 瞬 时 传 遍 颗 粒 四 周 , 这 样 在 颗 粒 上 脉 动 压 力 几 乎 对 称 作 用 , 由 其 产 生 的 上 举 力 也 就 消 失 ,
此 时 颗 粒 起 动 的 上 举 力 应 为 由 绕 流 产 生 的 。 在 射 流 到 达 岩 块 表 面 时 , 它 所 挟 带 的 动 能 一 部 分
转 化 为 压 能 , 即 对 床 面 的 冲 击 压 强 ( 如 图 1)。 冲 刷 深 度 在 理 论 上 与 冲 击 压 强 有 内 在 的 联 系 。
325

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
定 性 上 , 冲 击 压 强 越 大 , 则 冲 刷 深 度 越 大 。 因 此 , 用 冲 击 压 强 作 为 冲 刷 估 算 公 式 中 的 重 要 参
数 , 有 其 学 理 上 的 依 据 。
3 模 型
模 型 试 验 在 天 津 大 学 水 利 馆 的 水 工 试 验 大 厅 内 进 行 。 水 槽 采 用 塑 料 板 制 作 , 总 长 6 m,
高 0.98 m, 断 面 为 梯 形 。 模 型 泄 水 建 筑 物 部 分 用 有 机 玻
璃 制 作 。 模 型 试 验 装 置 见 图 2。
水
箱
h
表
孔
中
孔
DP
h t
H
t
冲 料
图 2 试 验 装 置 图
4 冲 击 压 强 的 数 值 计 算
通 过 模 型 试 验 测 量 冲 击 压 强 和 冲 坑 工 作 量 大 , 需 要 先 在 下 游 布 设 测 压 装 置 量 测 铺 沙 表 面
的 冲 击 压 强 , 然 后 再 进 行 动 床 试 验 。 因 此 , 本 文 采 用 数 值 模 拟 作 为 模 型 试 验 的 辅 助 研 究 手 段 ,
对 冲 击 压 强 进 行 了 系 列 的 数 值 计 算 , 避 免 了 不 必 要 的 重 复 , 提 高 了 效 率 。
4.1 基 本 方 程
[3]
数 学 模 型 采 用 RNG k -e
紊 流 模 型 ,RNG k -e
紊 流 模 型 通 过 修 正 湍 动 粘 度 , 考 虑 了 平
均 流 动 中 的 旋 转 及 旋 流 流 动 情 况 , 比 标 准 k -e
方 程 紊 流 模 型 具 有 更 高 的 精 度 和 更 广 泛 的 应
用 范 围 。
4.2 计 算 网 格
影 响 计 算 精 度 的 因 素 主 要 是 网 格 质 量 , 在 数 值 计 算 中 应 选 取 合 适 的 网 格 , 在 保 证 计 算 精
度 的 前 提 下 尽 量 降 低 计 算 代 价 。 由 于 计 算 量 与 时 间 的 限 制 , 本 文 采 用 笛 卡 儿 结 构 网 格 对 计 算
区 域 进 行 网 格 划 分 , 网 格 划 分 简 便 快 捷 , 只 需 给 定 各 坐 标 方 向 整 体 区 域 的 范 围 和 网 格 数 量 。
计 算 区 域 的 范 围 为 : 顺 水 流 方 向 为 7.7 m, 沿 宽 度 方 向 为 3.2 m, 沿 水 深 方 向 为 铺 沙 表 面 至
上 游 水 位 。 相 邻 网 格 大 小 比 率 为 1.0~1.037。 计 算 区 域 由 两 部 分 组 成 : 固 体 障 碍 物 和 流 体
流 动 区 域 , 计 算 时 可 通 过 FAVOR 法 区 分 。
4.3 边 界 条 件
入 口 边 界 条 件 采 用 静 压 力 边 界 , 根 据 上 游 水 位 确 定 入 水 口 处 的 压 力 分 布 。 出 口 边 界 条 件
采 用 压 力 出 口 边 界 , 由 下 游 水 位 确 定 。 上 边 界 采 用 气 体 压 力 边 界 , 其 总 压 力 为 大 气 压 力 。 铺
326

第 二 部 分 工 程 水 力 学
沙 表 面 按 无 滑 移 壁 面 边 界 条 件 处 理 , 近 壁 区 用 标 准 壁 面 函 数 来 处 理 。 初 始 条 件 的 确 定 依 据 上
下 游 水 位 给 定 水 深 , 将 水 体 区 域 的 体 积 分 数 设 为 1, 其 它 非 水 区 域 体 积 分 数 为 0; 紊 流 参 数 ,
如 紊 动 动 能 k 和 紊 动 耗 散 率 e 的 初 始 值 由 一 定 经 验 公 式 计 算 给 出 。
4.4 验 证
应 用 本 文 方 法 建 立 的 三 维 紊 流 数 学 模
[4]
型 对 长 潭 岗 拱 坝 的 挑 流 流 场 进 行 了 数 值
模 拟 , 并 根 据 计 算 结 果 与 模 型 试 验 数 据 及
原 型 观 测 数 据 的 对 比 , 见 图 3。 结 果 表 明 ,
数 值 计 算 与 模 型 试 验 、 原 型 观 测 的 数 据 反
映 底 板 时 均 压 强 变 化 趋 势 相 同 , 数 据 的 一
致 性 较 好 。 可 见 , 本 文 所 采 用 的 数 学 模 型
具 有 较 高 的 精 度 , 可 以 较 好 的 模 拟 挑 射 水
流 对 底 板 ( 床 面 ) 产 生 的 时 均 压 强 。
4.5 计 算 结 果
时 均 压 强 / 9.8kPa
50
45
40
35
30
25
20
15
10
30 40 50 60 70 80 90
桩 号 / m
模 型 计 算
模 型 试 验
原 型 观 测
原 型 计 算
图 3 计 算 值 与 试 验 和 原 型 观 测 对 比
各 计 算 方 案 床 面 中 轴 线 纵 向 时 均 压 强 分 布 的 计 算 结 果 见 表 1。
表 1 计 算 结 果
试 验
流 量 水 垫 深 度 水 位 差 冲 击 压 强 冲 坑 深 度
冲 料 粒 径 d /cm
组 次
Q/m 3 /s h t/cm H /m ⊿P/9.8kPa t/cm
1 3.5 0.0575 30.39 2.99 1.06 16.05
2 3.5 0.0612 28.95 3.21 1.37 18.65
3 3.5 0.0654 13.51 3.37 1.82 20.75
4 2.5 0.0575 30.39 2.99 1.06 17.65
5 2.5 0.0612 28.95 3.21 1.37 20.35
6 2.5 0.0654 13.51 3.37 1.82 23.55
7 2.5 0.0684 30.39 3.41 1.87 24.15
8 2.5 0.0551 31.15 2.82 1.67 20.1
9 2.5 0.0243 19.28 3.58 2.07 20
10 2.5 0.0721 30.02 3.62 2.80 26.2
11 2.5 0.1258 23.91 3.80 3.16 29.9
12 1.5 0.0575 30.39 2.99 1.06 19.65
13 1.5 0.0723 30.39 3.51 1.23 21.95
14 1.5 0.0612 28.95 3.21 1.37 22.75
15 1.5 0.0654 13.51 3.37 1.82 25.75
16 1.5 0.0725 13.51 3.68 2.12 27.05
17 1.5 0.0551 31.15 2.82 1.67 20.8
18 1.5 0.0242 19.28 3.58 2.07 23.5
19 1.5 0.0721 30.02 3.62 2.80 29.6
20 1.5 0.1032 23.91 3.74 2.87 31.4
21 1.0 0.0575 30.39 2.99 1.06 22.78
22 1.0 0.0612 28.95 3.21 1.37 24.85
23 1.0 0.0612 28.95 3.37 1.82 26.55
24 1.0 0.0684 30.39 3.41 1.87 26.95
备 注
中 孔
表 孔
中 孔
表 孔
中 孔
327

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
续 表 1
试 验
流 量 水 垫 深 度 水 位 差 冲 击 压 强 冲 坑 深 度
冲 料 粒 径 d /cm
组 次
Q/m 3 /s h t/cm H /m ⊿P/9.8kPa t/cm
25 1.0 0.0725 13.51 3.68 2.12 27.65
26 1.0 0.0551 31.15 2.82 1.67 26.3
27 1.0 0.0243 19.28 3.58 2.07 29.4
28 1.0 0.0721 30.02 3.62 2.85 38.45
29 1.0 0.1032 23.91 3.74 2.87 40.6
表 孔
有 关 挑 流 冲 坑 深 度 计 算 的 公 式 是 比 较 多 的 , 根 据 原 型 观 测 资 料 及 模 型 试 验 资 料 与 有 关 经
验 公 式 计 算 值 比 较 , 选 用 目 前 普 遍 采 用 的 计 算 公 式 对 本 文 的 试 验 结 果 进 行 验 证 。 其 形 式 为 :
.5 0.25
T = kq 0 H
(1)
式 中 T 为 冲 坑 水 垫 深 度 ,T=ht+t;q 为 单 宽 流 量 ;H 为 上 下 游 水 位 差 ;k 为 综 合 冲 刷 系
数 , 按 Ⅱ 类 岩 石 ,k=0.9~1.2。 各 组 试 验 最 大 水 垫 深 度 与 式 (1) 预 测 值 的 比 较 见 图 5, 本 文
试 验 结 果 与 陈 椿 庭 公 式 预 测 结 果 基 本 相 符 。
时 均 压 强 / 9.8kPa
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
表 孔
h d
=0.6m
h =0.41m
h t
=0.24m
H =3.8m
中 孔
h d
=0.57m
h =1.4m
h t
=0.3m
H=3.4m
最 大 水 垫 深 度 T/m
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
陈 椿 庭 公 式 计 算 值
模 型 试 验 实 测 值
0.0
0.2
-0.5
0 100 200 300 400 500 600
桩 号 / m
图 4 数 值 计 算 结 果 ( 典 型 组 次 )
0.1
0 5 10 15 20 25 30
试 验 组 次
图 5 冲 坑 深 度 试 验 值 与 公 式 (1) 预 测 值 的 比
5 综 合 分 析
5.1 冲 坑 深 度 与 冲 击 压 强 的 关 系
由 数 值 计 算 得 出 的 冲 击 压 强 和 模 型 试 验 量 测 的 最 大 冲 深 , 对 二 者 的 量 化 关 系 进 行 分 析 。
各 组 粒 径 下 最 大 冲 深 与 冲 击 压 强 的 关 系 见 图 6。 最 大 冲 深 与 冲 料 平 均 粒 径 的 关 系 见 图 7。
图 6 是 不 同 粒 径 冲 料 情 况 下 , 冲 刷 坑 深 度 与 冲 击 压 强 D
Pmax
的 关 系 曲 线 。 可 以 看 出 , 最
大 冲 深 随 冲 击 压 强 的 增 大 而 逐 渐 加 深 , 对 于 四 种 粒 径 的 冲 刷 石 料 , 这 种 变 化 的 趋 势 都 是 一 致
的 , 说 明 了 最 大 冲 深 是 冲 击 压 强 的 函 数 。 图 7 是 不 同 冲 击 压 强 情 况 下 , 冲 坑 深 度 与 冲 料 粒 径
的 关 系 曲 线 。 可 见 冲 坑 深 度 随 冲 料 粒 径 的 增 大 呈 减 小 的 趋 势 , 两 者 近 似 成 直 线 关 系 。 对 于 三
组 种 不 同 的 冲 击 压 强 这 种 变 化 趋 势 也 是 一 致 的 , 直 线 斜 率 近 似 相 等 。
328

第 二 部 分 工 程 水 力 学
50
35
45
40
35
冲 料 平 均 粒 径 1.0cm
冲 料 平 均 粒 径 1.5cm
冲 料 平 均 粒 径 2.5cm
冲 料 平 均 粒 径 3.5cm
30
冲 击 压 强
1.82(9.8kPa)
1.37(9.8kPa)
1.06(9.8kPa)
冲 坑 深 度 t / cm
30
25
20
15
冲 坑 深 度 t/cm
25
20
10
15
5
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
冲 击 压 强 / kPa
10
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
冲 料 粒 径 d/ cm
图 6 最 大 冲 深 与 冲 击 压 强 关 系 分 布 图
图 7 不 同 冲 击 压 强 下 冲 坑 深 度 与 冲 料 粒 径 的 关 系
以 上 定 性 分 析 了 最 大 冲 深 与 冲 击
压 强 及 冲 料 粒 径 的 关 系 , 最 大 冲 深 随 冲
击 压 强 的 增 加 而 加 深 , 随 粒 径 的 增 大 而
减 小 。 对 冲 击 压 强 、 粒 这 两 个 关 键 因 素
进 行 无 量 纲 化 整 理 , 结 果 见 图 8。 将 图
8 的 无 量 纲 水 力 参 数 拟 合 成 经 验 公 式 :
t
ΔP γ
= 0.0445 + 0.00022 (2)
H
d
式 中 :t 为 最 大 冲 坑 深 度 m;d
为 冲 刷 石 料 平 均 粒 径 ,m;g 为 水 的 容
重 ,9.8 kN/m 3 ; D P max
为 冲 击 压 强 ,9.8
kPa。 式 (2) 的 适 用 范 围 :d=1.0-3.5
cm( 模 型 );H=2.8-3.8 m( 模 型 )。
需 要 指 出 , 本 文 的 研 究 结 果 是 基 于
模 型 试 验 和 数 值 计 算 , 一 定 程 度 上 揭 示 出 冲 坑 深 度 与 冲 击 压 强 间 的 内 在 联 系 , 目 的 是 提 出 一
种 新 的 方 法 。
6 结 论
本 文 在 对 冲 坑 内 的 水 流 特 性 进 行 分 析 的 基 础 上 , 提 出 了 基 于 冲 击 压 强 的 局 部 冲 刷 深 度 预
测 方 法 。 通 过 建 立 三 维 紊 流 数 学 模 型 对 冲 击 压 强 进 行 了 系 列 的 数 值 计 算 , 然 后 经 过 对 模 型 试
验 的 数 据 分 析 , 建 立 了 以 冲 击 压 强 及 其 分 布 系 数 为 参 数 的 经 验 公 式 。 结 果 表 明 , 将 数 值 模 拟
与 模 型 试 验 相 结 合 建 立 冲 刷 预 测 的 经 验 公 式 是 一 种 可 行 的 研 究 途 径 , 以 冲 击 压 强 对 冲 刷 深 度
进 行 预 测 有 其 学 理 上 的 依 据 并 且 是 一 种 乐 于 接 受 和 采 纳 的 预 测 方 法 。
参 考 文 献
t/H
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0 50 100 150
ΔP γ
200 250 300 350
d
图 8 冲 深 与 冲 击 压 强 关 系 无 量 纲 化 结 果
[1] 孙 建 , 李 玉 柱 , 余 常 昭 . 高 拱 坝 表 孔 及 中 孔 挑 流 水 舌 上 下 碰 撞 作 用 下 基 岩 冲 刷 [J]. 清 华 大 学 学 报 ( 自
然 科 学 版 ),2002,42(4):564-568.
[2] 孙 五 继 , 焦 爱 萍 , 张 耀 先 , 等 . 高 坝 挑 射 水 流 对 岩 石 河 床 冲 刷 的 研 究 综 述 [J]. 水 利 水 电 技 术 ,2005,
36(7):38-42.
[3] 邓 军 , 许 唯 临 , 杨 忠 超 , 等 . 基 岩 冲 刷 的 数 值 模 拟 [J]. 水 科 学 进 展 ,2005,16(1):47-51.
[4] 王 继 敏 , 王 佩 璜 , 杨 清 生 , 等 . 长 潭 岗 水 电 站 反 拱 形 水 垫 塘 研 究 及 应 用 [J]. 水 利 水 电 技 术 ,2002,33(7):
10-12.
329

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
新 型 联 合 消 能 工 在 岗 曲 河 二 级 水 电 站 工 程 中 的 应 用
徐 根 海
( 西 北 农 林 科 技 大 学 水 建 学 院 陕 西 杨 凌 712100 xugen-hai@163.com)
摘 要 结 合 岗 曲 河 二 级 水 电 站 水 工 整 体 模 型 试 验 , 提 出 了 一 种 新 的 联 合 消 能 工 即 “ 跌 坎 + 齿 坎
消 力 池 ”。 这 种 新 型 联 合 消 能 工 体 型 简 单 , 结 构 合 理 , 能 适 应 各 种 复 杂 的 水 流 条 件 。 试 验 结 果 表
明 , 这 种 消 能 工 水 流 流 态 良 好 , 消 能 防 冲 效 果 理 想 , 对 中 低 水 头 的 闸 坝 型 泄 水 工 程 有 良 好 的 应 用
价 值 。
关 键 词 岗 曲 河 ; 水 电 站 ; 跌 坎 ; 消 能 工
1 前 言
众 所 周 知 , 跌 坎 ( 跌 水 ) 消 能 和 消 力 池 底 流 消 能 均 为 典 型 的 传 统 消 能 方 式 , 前 者 作 为 落
[1 ]
差 建 筑 物 被 广 泛 地 应 用 于 渠 道 输 水 工 程 上 , 而 后 者 则 被 大 量 地 应 用 于 中 低 水 头 的 闸 坝 泄 水
工 程 上 , 均 取 得 了 良 好 的 消 能 效 果 , 但 将 二 者 有 机 的 结 合 在 一 起 并 运 用 于 流 速 和 水 头 较 高 的
实 际 工 程 则 并 不 多 见 。 本 文 简 要 介 绍 跌 坎 + 齿 形 尾 坎 消 力 池 这 种 新 型 联 合 消 能 工 在 岗 曲 河 二
级 水 电 站 工 程 中 的 应 用 效 果 。
2 工 程 概 况
岗 曲 河 二 级 水 电 站 位 于 云 南 省 迪 庆 藏 族 自 治 州 香 格 里 拉 县 尼 西 乡 境 内 , 是 岗 曲 河 干 流 上
的 一 座 中 型 引 水 式 水 电 站 , 该 电 站 以 发 电 为 主 , 兼 顾 旅 游 。 首 部 枢 纽 建 筑 物 主 要 有 岸 边 进 水
口 、 左 岸 挡 水 坝 、 排 漂 孔 、 泄 洪 ( 冲 砂 ) 闸 、 右 岸 挡 水 坝 等 。 水 库 正 常 蓄 水 位 为 2391.0 m 高 程 ,
运 用 水 头 22.5 m, 总 库 容 465 万 m 3 , 调 节 库 容 110 万 m 3 ; 挡 水 建 筑 物 最 大 坝 高 29.1 m, 电 站 装
机 容 量 140 MW, 为 日 调 节 水 库 。 电 站 引 用 流 量 为 61 m 3 /s。
枢 纽 排 漂 表 孔 采 用 开 敞 式 实 用 堰 型 , 孔 口 尺 寸 为 3 m×4 m, 堰 顶 高 程 2387.00 m, 排 漂
表 孔 在 校 核 洪 水 位 情 况 下 泄 量 为 46.78 m 3 /s。 泄 洪 闸 共 3 孔 ,3 孔 闸 总 宽 24.00 m, 闸 室 长
35 m, 孔 口 尺 寸 为 4.0 m×3.0 m( 宽 × 高 ), 闸 孔 底 板 高 程 为 2368.50 m; 每 孔 泄 洪 闸 设 一 扇 尺
寸 为 4.0 m×2.5 m 的 弧 形 工 作 门 , 由 液 压 启 闭 机 启 闭 。 泄 洪 闸 后 接 护 坦 , 护 坦 顺 水 流 方 向 总
长 30 m, 坡 降 为 1:30, 厚 度 为 2.0 m。 护 坦 后 接 钢 筋 笼 海 漫 , 长 为 50 m, 厚 为 2.0 m。
泄 洪 闸 及 下 游 河 道 纵 剖 面 见 图 1。
正 常 水 位
死 水 位
启 闭 机 房
导 沙 坎
砼 防 渗 铺 盖
检 修 门
弧 形 工 作 门
4.0mx2.5m
护 坦
扭 面
浆 砌 石 护 坡
Q 4
al
钢 筋 笼 海 漫
排 水 孔 排 水 反 滤 层
砼 防 冲 墙
- Ⅳ Q al
图 1 泄 洪 闸 及 下 游 河 道 纵 剖 面 图
330

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3 新 型 消 能 工 的 体 型 特 点 与 消 能 机 理
3.1 新 型 消 能 工 的 体 型
新 型 消 能 工 体 型 是 在 岗 曲 河 二 级 水 电 站 水 工 整 体 模 型 ( 几 何 比 尺 1:50) 试 验 中 经 过 大
量 水 力 学 试 验 和 体 型 优 化 比 较 后 提 出 的 。 试 验 结 合 工 程 的 实 际 情 况 , 在 原 设 计 护 坦 水 平 长 度
不 变 的 情 况 下 , 将 斜 坡 状 护 坦 改 变 为 水 平 形 式 , 从 而 在 闸 后 形 成 一 定 高 度 的 跌 坎 ; 同 时 为 改
善 闸 后 水 流 流 态 , 减 轻 海 漫 和 下 游 河 道 的 冲 淤 , 保 证 下 游 护 岸 的 安 全 , 在 护 坦 末 设 置 一 道 齿
形 尾 坎 并 将 下 游 护 岸 坡 脚 一 定 范 围 用 钢 筋 笼 进 行 防 护 。 这 样 , 一 套 适 合 本 工 程 实 际 的 新 型 消
能 工 及 防 冲 体 系 即 , 闸 后 跌 坎 + 齿 坎 消 力 池 + 钢 筋 笼 海 漫 及 岸 坡 局 部 防 护 的 联 合 消 能 防 冲 体 系
就 随 之 形 成 。 其 跌 坎 与 齿 坎 消 力 池 布 置 与 体 型 见 照 片 1 和 图 2。
照 片 1 跌 坎 与 齿 坎 消 力 池 体 型 及 布 置
2392.10
2390.10
2389.10
1:1
1:1.3
2379.50
2373.50
2372.00
1:0.125 弧 形 工 作 门
2368.50
4.0m×3.0m
跌 坎
齿 形 尾 坎 剖 面
消 力 池 边 墙
消 力 池 导 墙
2365.50
2375.50
2373.00
1:0.28
齿 形 尾 坎
3.2 新 型 消 能 工 的 特 点 与 消 能 机 理
图 2 推 荐 方 案 泄 洪 闸 与 跌 坎 消 力 池 体 型 纵 剖 面 图
新 型 联 合 消 能 工 的 体 型 特 点 主 要 表 现 为 结 构 简 单 、 布 置 紧 凑 、 经 济 实 用 。 在 流 态 方 面 ,
它 以 跌 坎 的 形 式 使 闸 孔 出 流 以 水 平 射 流 的 方 式 射 入 下 游 消 力 池 水 体 , 从 而 形 成 淹 没 射 流 消 能
[2]
[3,4]
和 混 合 流 消 能 的 态 势 , 这 样 避 免 了 难 以 形 成 底 流 消 能 的 不 足 ; 消 力 池 齿 形 尾 坎 的 设 置 ,
一 是 使 消 力 池 水 深 有 所 增 大 , 提 高 了 消 能 率 , 二 是 调 整 改 变 了 池 后 水 流 的 垂 线 流 速 分 布 , 使
331

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
近 河 底 流 速 大 为 减 小 , 使 海 漫 段 免 于 冲 刷 , 确 保 了 建 筑 物 的 安 全 , 三 是 淹 没 底 流 受 尾 坎 作 用
而 上 扬 , 水 流 横 向 扩 散 作 用 增 强 , 单 宽 流 量 减 小 , 池 后 水 流 横 向 流 速 分 布 均 化 , 回 流 减 弱 ,
流 态 得 到 改 善 。 试 验 结 果 表 明 , 这 种 新 型 联 合 消 能 工 不 仅 比 单 一 的 底 流 消 能 或 单 一 的 跌 坎 消
能 形 式 的 消 能 效 率 高 , 而 且 适 用 的 佛 汝 德 数 范 围 广 (Fr=1.3~4.25), 消 力 池 及 消 力 池 后 的 水
流 流 态 也 较 为 理 想 。
由 于 新 型 消 能 工 在 流 态 方 面 具 有 广 适 性 , 因 而 在 不 同 的 泄 流 条 件 下 会 出 现 不 同 的 消 能 方
式 , 即 底 流 消 能 方 式 和 面 流 消 能 方 式 。
底 流 消 能 又 称 水 跃 消 能 或 底 流 水 跃 消 能 , 是 最 古 老 也 是 最 稳 妥 消 能 措 施 , 它 能 在 极 短 距
离 的 消 力 池 中 消 杀 大 部 分 能 量 , 并 随 着 佛 汝 德 数 的 增 加 , 消 能 率 可 高 达 2/3 以 上 。 因 此 中 低
水 头 的 闸 坝 泄 洪 多 采 用 消 力 池 或 带 有 辅 助 设 施 的 消 力 池 方 式 进 行 消 能 。 消 力 池 消 能 机 理 主 要
通 过 水 跃 形 成 的 水 面 旋 滚 以 及 旋 滚 与 底 流 间 的 强 烈 紊 动 、 剪 切 和 掺 混 作 用 将 水 流 的 大 部 分 动
能 转 化 热 能 而 耗 散 掉 。
面 流 消 能 就 是 利 用 泄 水 道 末 端 的 跌 坎 或 戽 斗 将 下 泄 急 流 挑 至 水 面 , 通 过 主 流 在 下 游 水 体
的 表 面 扩 散 及 主 流 底 部 的 旋 滚 和 表 面 旋 滚 以 消 除 下 泄 水 流 的 动 能 。 面 流 消 能 的 最 大 特 点 是 流
[5 ]
态 的 多 变 性 , 而 不 同 的 面 流 流 态 往 往 具 有 不 同 的 消 能 效 果 。 试 验 和 已 建 工 程 的 运 行 情 况 表 明 ,
混 合 面 流 、 淹 没 面 流 的 消 能 率 一 般 较 高 , 但 余 能 波 浪 较 大 ; 自 由 面 流 具 有 良 好 的 排 漂 功 能 ,
其 消 能 率 较 小 , 波 浪 幅 度 虽 然 也 较 小 , 但 衰 减 较 慢 ; 而 底 流 、 挑 流 和 回 复 底 流 则 由 于 其 主 流
下 沉 , 对 河 床 的 冲 刷 作 用 较 强 。
对 岗 曲 河 二 级 水 电 站 泄 洪 消 能 而 言 , 大 多 数 工 况 为 混 合 面 流 或 淹 没 面 流 形 式 , 个 别 工 况
为 底 流 消 能 形 式 。 试 验 表 明 , 无 论 那 种 消 能 形 式 , 该 消 能 工 消 能 效 果 都 较 理 想 。
4 新 型 消 能 工 的 应 用 效 果
新 型 联 合 消 能 工 在 岗 曲 河 二 级 水 电 站 工 程 中 的 应 用 效 果 主 要 表 现 在 三 个 方 面 , 一 是 在 所
有 试 验 工 况 (12 个 ) 下 , 各 种 水 流 条 件 的 消 力 池 流 态 均 较 理 想 , 消 力 池 底 板 压 力 基 本 符 合
静 压 分 布 , 无 负 压 , 也 无 明 显 冲 击 压 强 ; 二 是 消 力 池 后 河 道 流 速 不 仅 量 值 减 小 而 且 分 布 均 化 ,
河 道 主 流 的 最 大 流 速
在 3 m/s~4 m/s 之 间 , 岸 边 流 速 也 明 显 减 小 , 量 值 在 2 m/s~3 m/s 之 间 ; 三 是 消 能 防
冲 效 果 十 分 理 想 , 试 验 结 果 表 明 , 在 12 种 试 验 组 合 中 , 所 有 工 况 整 个 海 漫 是 稳 定 的 , 消 力
池 末 端 的 防 冲 墙 得 到 了 有 效 防 护 , 下 游 河 道 护 岸 坡 脚 钢 筋 笼 也 基 本 稳 定 , 达 到 了 预 期 的 目 的 。
设 计 洪 水 闸 后 水 流 形 态 见 照 片 2, 下 游 河 道 冲 淤 情 况 见 照 片 3。
照 片 2 设 计 洪 水 闸 后 水 流 形 态
照 片 3 设 计 洪 水 下 游 河 道 冲 淤 情 况
332

第 二 部 分 工 程 水 力 学
5 结 语
岗 曲 河 二 级 水 电 站 为 闸 坝 型 引 水 式 电 站 , 由 于 枢 纽 建 筑 物 位 于 厚 度 约 54.2 m~67.9 m
的 河 道 覆 盖 层 上 , 所 以 消 能 防 冲 问 题 解 决 的 好 坏 直 接 关 系 到 首 部 枢 纽 的 安 全 和 工 程 建 设 的 成
败 。 该 工 程 泄 洪 消 能 的 难 点 是 出 流 条 件 复 杂 、 下 游 水 深 小 、 海 漫 段 两 岸 不 对 称 扩 散 及 河 流 弯
道 影 响 , 因 而 消 能 防 冲 问 题 十 分 突 出 。
跌 坎 + 齿 坎 消 力 池 这 种 新 型 联 合 消 能 工 是 经 过 大 量 的 水 力 学 试 验 与 消 能 方 案 比 较 后 提 出
的 , 它 的 运 用 成 功 地 解 决 了 本 工 程 的 泄 洪 消 能 问 题 。 试 验 结 果 表 明 , 这 种 新 型 联 合 消 能 工 不
仅 能 广 泛 适 应 各 种 水 流 流 态 , 而 且 其 消 能 效 果 也 较 为 理 想 , 为 今 后 类 似 工 程 的 设 计 和 研 究 提
供 了 借 鉴 。
参 考 文 献
[1] 刘 韩 生 , 花 立 峰 , 纪 志 强 , 等 . 跌 水 与 陡 坡 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2004 年 2 月 ,1-9.
[2] 郭 子 中 , 王 昌 亨 . 二 元 混 合 流 初 步 研 究 与 试 验 [C]. 泄 水 建 筑 物 消 能 防 冲 论 文 集 编 审 组 . 泄 水 建 筑
物 消 能 防 冲 论 文 集 . 北 京 : 水 利 出 版 社 ,1980 年 11 月 , 208-225.
[3] 冬 俊 瑞 , 李 永 祥 . 齿 形 尾 坎 消 力 池 水 力 特 性 研 究 [C]. 刘 沛 清 . 泄 水 建 筑 物 消 能 防 冲 论 文 选 集 . 北 京 :
中 国 科 学 技 术 出 版 社 ,2000 年 9 月 ,1-26.
[4] 陈 椿 庭 . 水 工 设 计 手 册 [M]. 第 二 十 八 章 消 能 与 防 冲 . 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 ,1987 年 12 月 ,
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[5] 庞 昌 俊 , 冬 俊 瑞 , 黄 种 为 , 等 . 面 流 消 能 工 程 的 运 行 情 况 与 分 析 [C]. 刘 沛 清 . 水 建 筑 物 消 能 防 冲 论
文 选 集 . 北 京 : 中 国 科 学 技 术 出 版 社 ,2000 年 9 月 ,40-48.
333

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
泄 洪 洞 过 流 壁 面 升 坎 流 场 的 PIV 剖 析
张 旭
1
董 志 勇
2
吴 一 红
3
张 东
3
朱 芳
1
(1. 浙 江 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 杭 州 潮 王 路 18 号 310032 zhang00xu@yahoo.cn
2. 浙 江 工 业 大 学 水 利 与 市 政 工 程 研 究 所 杭 州 假 山 路 33 号 310014
3. 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 水 力 学 研 究 所 北 京 100038)
摘 要 本 文 应 用 先 进 的 三 维 粒 子 图 像 测 速 仪 PIV(Particle Image Velocimetry) 对 高 速 水 流 流
经 表 面 不 平 整 突 体 —— 垂 直 升 坎 的 流 动 特 性 进 行 了 系 统 的 试 验 研 究 。 通 过 测 量 两 种 不 同 高 度 不 锈
钢 试 件 在 掺 气 与 不 掺 气 情 况 下 空 化 区 内 的 流 速 分 布 , 探 讨 了 掺 气 量 与 速 度 场 分 布 的 关 系 , 并 对 空
化 云 区 内 不 同 掺 气 浓 度 下 流 场 内 的 流 态 进 行 了 详 细 分 析 , 在 不 掺 气 时 整 个 流 场 内 的 流 态 稳 定 , 具
有 很 强 的 一 致 性 , 而 掺 气 后 整 个 流 场 中 流 速 经 历 减 速 — 加 速 — 减 速 三 个 过 程 。 在 此 基 础 上 , 提 出
关 于 高 速 掺 气 水 流 可 压 缩 流 特 性 的 进 一 步 研 究 。
关 键 词 高 速 水 流 ; 空 化 空 蚀 ; 掺 气 浓 度 ; 表 面 不 平 整 突 体
1 前 言
水 能 资 源 是 清 洁 、 可 再 生 能 源 。 我 国 水 能 资 源 蕴 藏 量 居 世 界 首 位 , 随 着 我 国 经 济 和 社 会
的 发 展 , 水 能 资 源 开 发 必 将 得 到 进 一 步 发 展 。 我 国 已 建 、 在 建 和 待 建 多 座 200 m 以 上 的 高 坝 ,
如 位 于 雅 砻 江 上 的 二 滩 水 电 站 ( 坝 高 240 m), 金 沙 江 上 的 溪 洛 渡 水 电 站 ( 坝 高 278 m)、 雅
砻 江 上 的 锦 屏 一 级 水 电 站 ( 坝 高 305 m)、 澜 沧 江 上 的 小 湾 水 电 站 ( 坝 高 292 m)、 红 水 河 上 的
龙 滩 水 电 站 ( 坝 高 216 m)、 清 江 上 的 水 布 垭 水 电 站 ( 坝 高 233 m)、 雅 砻 江 上 的 两 河 口 水 电 站 ( 坝
[1]
高 293 m) 等 。 我 们 知 道 , 在 高 坝 泄 水 建 筑 物 中 会 遇 到 常 见 的 高 速 水 流 问 题 , 如 空 化 空 蚀 、 掺
气 、 脉 动 振 动 、 消 能 防 冲 等 。 尤 其 在 溢 流 坝 、 泄 洪 洞 、 陡 槽 等 泄 洪 建 筑 物 中 , 当 水 流 速 度 达
到 一 定 程 度 时 , 水 流 压 强 低 于 相 应 的 饱 和 蒸 汽 压 强 , 产 生 空 化 现 象 。 空 穴 流 由 低 压 区 流 到 压 力
[2-5]
升 高 区 便 会 产 生 空 蚀 破 坏 。 世 界 上 许 多 泄 水 建 筑 物 曾 因 表 面 不 平 整 突 体 引 发 过 空 蚀 破 坏 。
[6]
曾 经 有 学 者 对 水 工 建 筑 物 空 蚀 实 例 进 行 了 统 计 , 因 过 流 壁 面 不 平 整 突 体 引 起 的 空 蚀 就 达 20% 以 上 。
因 此 , 在 实 际 工 程 中 对 表 面 平 整 度 的 要 求 也 越 来 越 严 格 , 例 如 美 国 有 的 工 程 要 求 施 工 后 的 混 凝 土
[7]
[8]
表 面 达 到 镜 面 光 滑 的 程 度 , 以 保 证 工 程 安 全 运 行 , 国 内 梁 川 等 人 也 对 过 流 壁 面 不 平 整 度 控 制
标 准 进 行 了 研 究 。 因 此 , 为 了 保 证 高 坝 大 型 水 电 站 安 全 可 靠 , 对 水 工 建 筑 物 过 流 壁 面 不 平 整 突
体 的 空 化 与 空 蚀 进 行 更 深 入 地 探 讨 与 研 究 , 是 一 项 十 分 迫 切 而 意 义 重 大 的 课 题 。
当 空 化 现 象 不 可 避 免 时 , 为 了 减 免 高 速 水 流 空 化 产 生 的 空 蚀 破 坏 , 经 济 而 有 效 的 措 施 是
在 低 压 空 化 区 或 在 易 发 生 空 蚀 部 位 上 游 设 置 掺 气 设 施 强 迫 掺 气 。 美 国 学 者 Peterka [9] 较 早 地
进 行 了 掺 气 减 蚀 的 研 究 , 实 验 表 明 , 当 掺 气 浓 度 为 5%~7% 时 , 空 蚀 破 坏 完 全 消 失 ; 其 他 学 者
如 Rasmussen [10]
提 出 铝 合 金 试 件 减 免 空 蚀 的 掺 气 量 为 1%;Russell 和 Sheehan [11]
对 于 混 凝 土
试 件 得 到 的 掺 气 量 为 5.7%。 毋 庸 置 疑 , 掺 气 可 有 效 地 防 止 或 减 轻 应 有 的 空 蚀 破 坏 程 度 。 另 外 ,
[12]
国 内 学 者 刘 长 庚 针 对 水 利 水 电 工 程 泄 水 建 筑 物 施 工 中 表 面 残 留 的 几 种 型 式 的 突 体 ( 垂 直 升 坎
D =0.4 mm 和 1.0 mm、 圆 化 垂 直 升 坎 、 三 角 形 坎 、 斜 坡 坎 ) 做 了 比 较 全 面 的 分 析 , 研 究 其 发 生 空
[13]
化 时 的 初 生 空 化 数 , 并 给 出 了 相 应 的 经 验 公 式 。 学 者 蔡 茂 龙 基 于 气 泡 动 力 学 理 论 , 研 究 四 种 典
334

第 二 部 分 工 程 水 力 学
型 突 体 : 垂 直 升 坎 、 斜 坡 升 坎 、 圆 角 升 坎 、 圆 弧 升 坎 的 压 力 脉 动 特 性 、 来 流 压 力 脉 动 对 突 体 空 化
初 生 的 影 响 、 空 化 初 生 后 突 体 附 近 诱 导 压 力 脉 动 特 性 分 析 了 脉 动 压 力 对 不 平 整 突 体 空 化 初 生 的 影
[14]
响 ; 同 时 期 , 袁 新 明 、 郑 国 华 试 验 研 究 圆 化 升 坎 ( D =10 mm)、 斜 坡 升 坎 ( D =10 mm)、 垂 直
升 坎 ( D =10 mm) 和 方 形 突 体 ( D =6 mm、8 mm、12 mm) 等 六 种 不 平 整 突 体 在 正 、 负 、 零 压 力
梯 度 (dp/dx) 下 的 初 生 空 化 数 , 得 出 了 对 于 同 一 脉 动 压 力 强 度 , 在 负 压 力 梯 度 状 况 下 的 初 生 空
化 数 大 于 在 正 压 力 梯 度 状 况 下 的 初 生 空 化 数 的 结 论 。 可 以 说 , 国 内 外 学 者 在 针 对 不 平 整 突 体 前 后
压 力 场 的 研 究 方 面 , 已 经 具 有 比 较 成 熟 的 理 论 与 实 验 成 果 , 然 而 因 量 测 手 段 和 技 术 的 限 制 对 于 突
体 前 后 流 速 场 的 实 验 研 究 几 乎 是 空 白 。
本 文 用 先 进 的 量 测 仪 器 在 浙 江 工 业 大 学 水 力 学 实 验 室 直 流 式 水 洞 中 对 高 速 水 流 升 坎 空
化 区 的 流 动 特 性 及 掺 气 减 蚀 特 性 进 行 了 较 为 系 统 的 试 验 研 究 。 给 出 不 同 掺 气 浓 度 (C= 0%,
C=5.8%,C=9.7%,C=13.7%) 时 常 见 的 两 种 高 度 的 垂 直 升 坎 (2 mm 垂 直 升 坎 、5 mm 垂 直 升 坎 )
形 成 的 空 化 区 流 场 , 分 析 比 较 了 其 在 不 同 的 掺 气 浓 度 情 况 下 的 流 动 特 性 。
2 实 验 设 备 及 量 测 方 法
本 实 验 的 流 速 场 主 要 由 DANTEC 三 维 粒 子 图 像 测 速 仪 (PIV) 量 测 。 试 验 装 置 , 如 照 片 1
所 示 , 由 不 锈 钢 板 经 数 控 机 床 精 加 工 制 成 的 矩 形 掺 气 段 、 收 缩 段 、 工 作 段 及 扩 散 段 等 组 成 ,
工 作 段 断 面 尺 寸 为 3.5×2 cm 2 。 试 验 所 用 升 坎 突 体 试 件 , 同 样 由 不 锈 钢 板 经 数 控 机 床 精 加 工
制 成 , 坎 高 分 别 为 2 mm 和 5 mm, 试 件 在 工 作 段 安 装 方 式 , 如 照 片 2 所 示 。
照 片 1 实 验 装 置
照 片 2 升 坎 模 件
本 次 试 验 中 , 需 要 对 高 速 水 流 进 行 掺 气 , 采 用 UFLO2000P 超 声 波 流 量 计 量 测 水 流 量 、
LZB-15 和 LZB-40 转 子 流 量 计 量 测 由 W-0.67/8 型 空 压 机 提 供 的 压 缩 空 气 的 气 体 流 量 , 其 中
掺 气 浓 度 C 的 确 定 , 如 下 ,
其 中 ,
a
C = Q /( Q + Q ) w
(1)
a
a
Q 为 空 压 机 所 提 供 的 空 气 流 量 ; Q 为 工 作 段 水 流 流 量 。 不 同 坎 体 高 度 时 , 具 体 掺
气 量 和 水 流 流 量 见 表 1。
表 1 不 同 高 度 升 坎 掺 气 浓 度 、 掺 气 量 与 水 流 流 量 关 系 表
水 流 流 量 和 掺 气 量 C=0% C=5.8% C=9.7% C=13.7%
△=2mm
△=5mm
w
w
Q ( m 3 / h ) 102 96 93 90
Q ( m 3 / h ) 0 6 10 14.5
a
Q ( m 3 / h ) 90 87 83 80
w
Q ( m 3 / h ) 0 5 9 13
a
335

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3 垂 直 升 坎 空 化 区 流 动 特 性 分 析
3.1 无 量 纲 化
在 进 行 实 验 数 据 分 析 时 , 为 了 方 便 对 水 洞 工 作 段 内 流 体 流 动 现 象 做 理 论 分 析 , 现 将 实 验 数 据
进 行 无 量 纲 化 处 理 。 实 验 中 将 过 水 断 面 平 均 流 速 U( 由 超 声 波 多 普 勒 流 量 计 得 到 ) 作 为 特 征 速
度 , 将 水 洞 工 作 段 高 度 (H=35 mm) 及 长 度 (L=150 mm) 作 为 特 征 距 离 。 利 用 特 征 长 度 和 特 征 速
度 将 实 验 量 测 结 果 无 量 纲 化 处 理 , 最 终 实 验 数 据 以 图 表 的 形 式 给 出 。
3.2 垂 直 升 坎 空 化 云 特 性
垂 直 升 坎 在 流 场 中 产 生 的 主 要 效 应 是 引 起 主 流 纵 向 位 移 和 水 流 分 离 , 并 在 其 下 游 出 现 涡
流 , 见 图 1, 使 垂 直 于 边 界 的 速 度 梯 度 和 压 力 梯 度 都 发 生 改 变 。 当 高 速 水 流 流 经 垂 直 升 坎 时 ,
引 起 升 坎 附 近 产 生 局 部 高 流 速 和 高 紊 动 , 导 致 升 坎 处 动 水 压 力 降 低 。 当 垂 直 升 坎 的 扰 动 压 强
低 于 该 流 体 相 应 温 度 下 的 饱 和 蒸 汽 压 强 时 , 液 体 开 始 空 化 , 出 现 局 部 肉 眼 可 见 空 化 现 象 , 如
照 片 3 所 示 。
图 1 垂 直 升 坎 过 流 时 水 流 分 离 示 意 图 (Ⅰ 为 分 离 区 )
照 片 3 普 通 数 码 相 机 拍 摄 垂 直 升 坎 不 掺 气 图 像
照 片 4 为 PIV 中 CCD 采 集 系 统 所 拍 摄 到 的 2 mm 垂 直 升 坎 和 5 mm 垂 直 升 坎 的 粒 子 图 像 。
从 PIV 所 拍 摄 到 的 图 中 可 以 明 显 看 出 空 泡 群 , 同 时 可 以 看 到 高 速 水 流 流 经 垂 直 升 坎 时 , 出 现
明 显 的 空 化 现 象 , 坎 体 越 高 , 引 起 的 空 化 越 剧 烈 , 空 化 云 高 度 与 坎 体 高 度 成 正 比 , 且 表 现 出
不 同 特 性 ,D =5 mm 空 化 云 边 界 光 滑 且 清 晰 , 整 个 空 化 云 区 形 状 稳 定 , 流 态 易 于 观 测 。 而 D =2
mm 的 空 化 云 表 现 出 高 紊 动 现 象 , 空 化 云 边 界 为 锯 齿 状 且 到 后 期 空 泡 逃 逸 现 象 十 分 明 显 。
3.3 流 场 中 速 度 分 析 方 法
(a) D =2 mm
(b) D =5 mm
照 片 4 PIV 拍 摄 垂 直 升 坎 不 掺 气 时 (C=0%) 粒 子 图
垂 直 升 坎 的 空 化 区 流 速 分 布 与 其 所 在 位 置 及 来 流 速 度 有 关 , 为 了 分 析 方 便 , 更 直 观 得 到 结 果 ,
现 将 工 作 段 划 分 成 六 个 垂 直 剖 面 和 九 个 水 平 剖 面 , 针 对 不 同 位 置 剖 面 的 流 速 分 布 进 行 系 统 分 析 ,
得 出 其 规 律 性 , 具 体 剖 面 划 分 , 见 图 2, 其 中 零 起 点 的 选 定 , 以 垂 直 升 坎 前 15 mm 为 纵 剖 面 起
点 , 以 垂 直 升 坎 坎 上 表 面 为 横 剖 面 起 点 , 见 表 2。
(a) 工 作 段 垂 直 剖 面 示 意 图
图 2 工 作 段 剖 面 示 意 图
(b) 工 作 段 水 平 剖 面 示 意 图
336

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 2 工 作 段 剖 面 编 号 与 实 际 距 离 对 照 表
(a) 垂 直 剖 面 剖 面 编 号 与 实 际 距 离 对 照 表
图 5(a) 中 剖 面 编 号 V0~0 V 1~1 V 2~2 V 3~3 V 4~4 V 5~5
对 应 工 作 段 x 值 (mm) 0 15 30 60 90 120
(b) 水 平 剖 面 剖 面 编 号 与 实 际 距 离 对 照 表
图 5(b) 中 剖 面 编 号 H0~0 H 1~1 H 2~2 H 3~3 H 4~4 H 5~5 H 6~6 H 7~7 H 8~8
对 应 工 作 段 y 值 (mm) 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 20 22.5
3.4 未 掺 气 时 流 动 特 性 分 析
工 作 段 水 流 流 经 垂 直 升 坎 时 , 不 同 断 面 流 速 的 分 布 见 图 3, 从 图 3 中 不 难 看 出 , 高 速 水 流 流
经 垂 直 升 坎 时 , 遇 到 阻 力 流 速 突 然 减 小 , 坎 体 越 高 , 流 速 影 响 越 大 , 下 游 影 响 长 度 也 越 长 , 如 D =2 mm
过 水 断 面 在 垂 直 升 坎 后 15 mm 处 流 速 几 乎 完 全 恢 复 到 来 流 速 度 , 后 面 垂 直 剖 面 流 速 已 经 明 显
不 受 坎 体 影 响 , 而 D =5 mm 过 水 断 面 直 到 垂 直 升 坎 后 经 过 45 mm 的 长 度 才 渐 渐 恢 复 到 来 流 速
度 , 因 为 受 坎 体 高 度 影 响 , 过 流 断 面 变 小 , 水 平 速 度 部 分 测 点 出 现 大 于 来 流 速 度 情 况 , 且 从
垂 直 剖 面 流 速 形 状 上 , 可 以 明 显 看 出 受 边 界 层 影 响 , 而 出 现 的 速 度 梯 度 , 其 中 主 流 区 在 坐 标
为 y/H=0.2 左 右 ( 即 坎 上 y=7.5 mm)。
图 4 给 出 水 平 剖 面 流 速 分 布 , 当 高 速 水 流 流 经 垂 直 升 坎 时 , 引 起 突 体 附 近 产 生 局 部 高 流
速 和 高 紊 动 , 同 样 , 垂 向 流 速 大 小 与 坎 体 高 度 有 关 , 坎 体 越 高 , 垂 向 流 速 越 大 , D =2 mm 的
流 速 范 围 在 v/U=-0.03~0.07 之 间 , 而 D =5 mm 的 流 速 范 围 明 显 增 大 , 向 上 最 大 可 达 v/U=0.1,
即 达 到 来 流 纵 向 速 度 大 小 的 10%( 约 为 4 m/s)。 虽 然 坎 体 高 度 不 同 垂 向 流 速 不 同 , 但 从 流 速
分 布 图 的 整 体 态 势 来 看 , 依 然 存 在 明 显 的 规 律 性 , 工 作 段 不 同 水 平 高 度 剖 面 的 垂 向 流 速 , 在
无 量 纲 化 后 , 曲 线 几 乎 完 全 重 叠 , 也 就 是 说 整 个 流 场 内 的 流 态 稳 定 , 具 有 很 强 的 一 致 性 , 这
对 水 流 结 构 的 认 识 , 具 有 重 要 理 论 和 应 用 价 值 。
1.2
C=0%,△=2mm
0.4
0.3
0.2
y/H
0.1
0
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
u/U
1~1 2~2 3~3
4~4 5~5
1.2
C=0%,△=5mm 0.5
0.4
0.3
0.2
y/H
0.1
0
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
u/U
1~1 2~2 3~3
4~4 5~5
(a) D =2mm
图 3 工 作 段 垂 直 剖 面 流 速 分 布
(b) D =5mm
0.8
0.6
C=0%,△=2mm
0.4
x/L
0.2
0.1
0.05
0
-0.05
0
0~0 1~1 2~2 3~3 4~4
v/U
0.8
0.7
0.6
0.5
C=0%,△=5mm
0.4
x/L
0.3
0.2
0.1
0.1
0.05
0
-0.05
0
0~0 1~1 2~2 3~3 4~4 5~5
v/U
(a) D =2mm (b) D =5m
图 4 工 作 段 水 平 剖 面 流 速 分 布
337

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
4 掺 气 后 垂 直 升 坎 流 动 特 性 的 研 究
4.1 掺 气 粒 子 图 像 分 析
本 实 验 为 强 迫 掺 气 , 在 工 作 段 入 口 处 四 周 壁 面 均 匀 分 布 数 排 Φ1 mm 掺 气 孔 , 由 W-0.67/8
型 空 压 机 提 供 压 缩 空 气 。 表 3 给 出 工 作 段 掺 气 浓 度 与 流 速 关 系 。
表 3 工 作 段 掺 气 浓 度 与 流 速 关 系
掺 气 浓 度 C=0% C=5.8% C=9.7% C=13.7%
D =2 mm 流 速 (m/s) 40.74 38.33 37.00 35.75
D =5 mm 流 速 (m/s) 35.83 34.50 33.13 32.03
照 片 5 是 当 气 体 进 入 空 化 区 后 , 在 工 作 段 中 激 光 平 面 上 观 察 到 的 空 化 及 掺 气 水 流 的 状
态 。 由 于 激 光 对 水 流 的 照 射 , 在 流 场 内 部 形 成 一 高 亮 度 的 剖 面 , 得 以 透 过 水 体 在 二 维 平 面 上
显 示 水 体 内 部 的 流 动 状 态 。 图 中 给 出 的 是 六 张 不 同 高 度 垂 直 升 坎 在 不 同 掺 气 浓 度 下 , 所 拍 摄
的 空 化 及 掺 气 水 流 的 瞬 间 流 动 状 态 。 照 片 中 白 色 亮 点 , 即 由 于 激 光 照 射 而 被 打 亮 的 气 泡 和 空
泡 。 可 以 发 现 进 入 工 作 段 的 气 泡 随 水 流 的 运 动 分 布 在 整 个 流 场 内 , 形 成 气 液 二 相 流 。 部 分 气
泡 进 入 剪 切 层 , 并 被 空 化 区 所 包 含 。 也 就 是 说 , 在 通 气 条 件 下 , 空 化 区 内 包 含 有 两 种 类 型 的
泡 , 一 种 是 空 气 泡 , 一 种 是 空 化 泡 。 另 外 , 当 高 速 水 流 流 经 垂 直 升 坎 时 , 水 平 水 流 受 到 升 坎
阻 力 , 水 流 方 向 垂 直 抬 升 , 出 现 主 流 区 垂 直 位 移 , 位 移 高 度 、 水 流 与 壁 面 的 分 离 高 度 都 与 垂
直 升 坎 的 高 度 有 关 。 同 时 , 水 流 分 离 区 , 大 部 分 由 气 泡 和 空 泡 填 充 , 掺 气 浓 度 越 高 , 气 泡 越
多 , 被 激 光 打 亮 的 越 多 , 该 区 域 越 亮 , 水 流 分 离 区 大 小 与 掺 气 浓 度 有 关 , 掺 气 浓 度 增 大 时 ,
分 离 区 范 围 也 变 大 。 我 们 也 观 察 到 一 种 现 象 , 在 掺 气 后 , 垂 直 升 坎 前 出 现 一 道 明 显 的 明 暗 分
[15]
界 , 这 种 现 象 与 高 速 掺 气 水 流 可 压 缩 特 性 有 关 。
(a) C=5.8%, D =2 mm
(d) C=5.8%, D =5 mm
(b) C=9.7%, D =2 mm
(e) C=9.7%, D =5 mm
(c) C=13.7%, D =2 mm
(f) C=13.7%, D =5 mm
照 片 5 PIV 拍 摄 垂 直 升 坎 掺 气 时 粒 子 图 像
4.2 实 验 数 据 处 理
通 过 对 垂 直 剖 面 的 纵 向 流 速 和 水 平 剖 面 的 垂 向 流 速 的 分 析 , 得 出 掺 气 对 垂 直 升 坎 上 下 游
流 场 的 影 响 。
4.2.1 纵 向 流 速 分 析
(1) 掺 气 后 整 个 流 场 中 流 速 的 分 布 规 律 , 如 图 5 所 示 , 流 场 中 流 速 经 历 减 速 — 加 速 — 减
速 三 个 过 程 , 高 速 水 流 在 遇 到 垂 直 升 坎 时 受 到 阻 力 , 速 度 出 现 明 显 下 降 , 从 坎 体 前 便 开 始 减
速 , 由 于 垂 直 升 坎 使 过 流 断 面 减 小 和 空 化 发 生 , 空 泡 和 气 泡 没 有 充 分 混 合 , 导 致 过 坎 后 流 速
338

第 二 部 分 工 程 水 力 学
慢 慢 增 大 , 在 坎 后 15mm 左 右 出 现 最 大 速 度 , 当 空 泡 和 气 泡 渐 渐 混 合 均 匀 , 形 成 均 匀 水 气 两 相
流 后 , 流 体 表 现 为 水 气 两 相 流 特 性 , 流 速 较 易 受 后 面 空 泡 溃 灭 阻 力 影 响 , 流 速 减 小 , 从 而 出
现 流 速 三 次 变 化 的 过 程 。
1.2
C=13.7%, △=2mm
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
u/U
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
y/H
1.2
C=13.7%,△=5mm
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
u/U
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
y/H
(a) C=13.7%, D =2 mm (b) C=13.7%, D =5 mm
图 5 垂 直 升 坎 不 同 垂 直 剖 面 流 速 分 布
(2) 不 同 高 度 垂 直 升 坎 对 流 场 流 速 的 影 响 , 主 要 表 现 在 速 度 大 小 不 同 和 边 界 层 厚 度 不
同 ( 剖 面 主 流 区 高 度 不 同 ), 同 时 影 响 整 个 流 场 纵 向 流 速 变 化 率 , 坎 体 越 高 坎 体 前 后 纵 向 流
速 变 化 越 明 显 。 虽 然 D =2 mm 实 验 来 流 速 度 大 于 D =5 mm, 但 过 坎 后 , D =5 mm 的 整 体 速 度
赶 超 D =2 mm, 且 掺 气 后 主 流 区 出 现 , D =2 mm 主 流 区 出 现 在 纵 坐 标 y/H=0.07 左 右 即 ( 坎 上
y=2.4 mm), D =5 mm 则 为 纵 坐 标 y/H=0.15 左 右 ( 坎 上 y=5.3 mm), 可 见 主 流 区 高 度 与 所 流
经 的 垂 直 升 坎 的 坎 体 高 度 接 近 , 且 与 掺 气 浓 度 无 关 , 见 图 6,7。
(3) 不 同 掺 气 浓 度 下 速 度 大 小 比 较 发 现 , 水 气 两 相 流 中 , 流 速 的 大 小 与 水 气 两 相 流 的
特 性 有 关 , 气 体 含 量 越 大 , 流 速 越 大 。 图 7 给 出 特 征 剖 面 V2~2 处 的 不 同 浓 度 下 流 速 分 布 图 。
2~2,C=13%
1.3
2mm
5mm
1.1
u/U
0.9
0.35
0.3
0.25
0.2 y/H
0.15
0.1
0.05
0
1.1 1
u/U
2~2,C=5.8%
2~2,C=13.7%
0.4
0.3
y/H
0.2
0.1
0
0.9
2~2,C=9.7%
1.25 1.15
u/U
2~2,C=5.8%
0.5
0.4
0.3
y/H
0.2
0.1
0
1.05
2~2,C=9.7%
图 6 坎 后 不 同 高 度 坎 体 垂
直 剖 面 流 速 分 布 比 较
(a)2 mm 垂 直 升 坎 垂 直 剖 面 V2~2 (b)5 mm 垂 直 升 坎 垂 直 剖 面 V2~2
图 7 同 一 垂 直 剖 面 流 速 分 布 随 掺 气 浓 度 的 变 化
4.2.2 垂 向 流 速 分 析
本 实 验 对 流 经 垂 直 升 坎 后 高 速 水 流 的 垂 向 流 速 v 及 其 沿 程 变 化 进 行 系 统 观 测 , 对 掺 气 后
水 流 内 部 结 构 进 行 了 对 比 观 测 。(1) 本 实 验 无 量 纲 化 后 , 垂 直 升 坎 在 图 中 的 位 置 为 x/L=0.1,
由 图 8 可 见 , 掺 气 后 随 着 工 作 段 水 平 高 度 的 增 加 , 紊 动 越 剧 烈 , 垂 向 流 速 v 的 数 值 在 坎 处 也 随
着 高 度 增 加 而 增 大 , 但 掺 气 对 水 流 紊 动 特 性 的 影 响 沿 程 迅 速 减 弱 。 整 个 流 场 中 垂 向 流 速 v 最
大 值 出 现 在 x/L=0.1 左 右 , 即 垂 直 升 坎 处 。(2) 不 同 高 度 垂 直 升 坎 不 仅 对 垂 向 流 速 v 有 较 大 影
响 , 同 时 紊 动 影 响 范 围 也 随 之 变 化 , 峰 值 出 现 频 率 增 加 。 如 图 8,9 所 示 , D =2 mm 仅 在 垂 直
升 坎 处 出 现 一 个 峰 值 , 而 D =5 mm 在 坎 前 和 坎 后 同 时 出 现 , 且 峰 值 大 。(3) 不 同 掺 气 浓 度 下
脉 动 速 度 大 小 比 较 发 现 , 水 气 两 相 流 中 , 流 速 的 大 小 与 水 气 两 相 流 的 特 性 有 关 , 气 体 含 量 越
大 , 紊 动 越 剧 烈 , 同 时 , 不 同 掺 气 浓 度 下 垂 向 流 速 v 沿 程 变 化 趋 势 与 坎 体 高 度 无 关 , 但 坎 体
高 度 影 响 紊 动 频 率 , 如 图 10 给 出 水 平 特 征 剖 面 H2~2 处 的 不 同 浓 度 下 流 速 分 布 图 可 见 , D =5
mm 实 验 中 随 着 掺 气 浓 度 增 加 , 单 峰 曲 线 渐 变 成 双 峰 曲 线 , 也 就 是 说 随 着 掺 气 量 加 大 , 紊 动 影
响 范 围 变 大 , 而 D =2 mm 没 有 这 种 现 象 。
339

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
0.8
C=13.7%, △=2mm
0.6
0.4
x/L
0.2
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
0
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4
v/U
0.8
C=13.7%,△=5mm
0.3
0.2
v/U
0.1
0
-0.1
0.6 0.4 0.2 0
x/L
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
0.8
2~2,C=13.7%
0.6 0.4
x/L
2mm
0.2
5mm
0.05
0
-0.05
0
0.25
0.2
0.15
0.1
v/U
a) C=13.7%, D =2mm (b) C=13.7%, D =5mm 图 9 坎 后 不 同 高 度 坎 体 水 平
图 8 垂 直 升 坎 不 同 水 平 剖 面 流 速 分 布
剖 面 流 速 分 布 比 较
0.6 0.4
2~2,C=5.8% x/L
2~2,C=13.7%
0.2
2~2,C=9.7%
0.2
0.1
v/U
0
0
-0.1
0.3
0.2
0.1 v/U
0
-0.1
0.6 0.4 0.2
0
x/L
2~2,C=5.8% 2~2,C=9.7% 2~2,C=13.7%
(a)2 mm 垂 直 升 坎 水 平 剖 面 H2~2
(b)5 mm 垂 直 升 坎 水 平 剖 面 H2~2
图 10 同 一 水 平 剖 面 流 速 分 布 随 掺 气 浓 度 的 变 化
5 掺 气 与 不 掺 气 情 况 的 比 较
(1) 从 x 方 向 的 流 速 u 分 布 看 , 掺 气 使 断 面 平 均 流 速 U 增 大 10%~30%, 掺 气 浓 度 与 流 速
增 幅 成 正 比 , 掺 气 量 愈 大 , 流 速 愈 大 。 且 坎 体 高 度 越 高 , 增 加 幅 度 越 大 。
0.4
0.5
1.2
1.1 1
u/U
2~2,C=0%
2~2,C=9.7%
0.3
0.2
y /H
0.1
0
0.9 0.8
2~2,C=5.8%
2~2,C=13.7%
1.4
1.2 1
2~2,C=0%
2~2,C=9.7%
0.8
u/U
0.6
0.4
0.3
0.2
y/H
0.1
0
0.4
2~2,C=5.8%
2~2,C=13.7%
(a)2 mm 垂 直 升 坎 垂 直 剖 面 V2~2 (b)5 mm 垂 直 升 坎 垂 直 剖 面 V2~2
图 11 同 一 垂 直 剖 面 掺 气 与 不 掺 气 情 况 下 流 速 分 布
(2) 掺 气 对 垂 向 流 速 v 影 响 最 大 , 垂 向 流 速 v 的 最 大 相 对 速 度 v/U=0.25, 紊 动 范 围 也
增 大 , 垂 向 流 速 v 最 大 值 出 现 提 前 , 也 就 是 说 紊 动 最 剧 烈 出 现 在 坎 处 , 而 不 掺 气 出 现 在 坎 后 ,
这 与 水 气 两 相 流 的 压 缩 性 有 关 , 值 得 进 一 步 研 究 。
0.7
2~2,C=0%
2~2,C=9.7%
0.6 0.5
0.4
2~2,C=5.8%
2~2,C=13.7%
0.3 0.2
x/L
0.1
0.2
0.15
0.1
v/U
0.05
0
-0.05
0
0.8
2~2,C=0%
2~2,C=9.7%
0.6
2~2,C=5.8%
2~2,C=13.7%
0.4
0.2
x/L
0
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
v/U
(a)2 mm 垂 直 升 坎 水 平 剖 面 H2~2
图 12 同 一 水 平 剖 面 掺 气 与 不 掺 气 情 况 下 流 速 分 布
(b)5 mm 垂 直 升 坎 水 平 剖 面 H2~2
340

第 二 部 分 工 程 水 力 学
6 结 论
通 过 对 不 同 高 度 垂 直 升 坎 在 不 同 掺 气 浓 度 下 的 速 度 分 布 分 析 , 得 出 以 下 几 点 结 论 :
(1) 升 坎 类 不 平 整 突 体 引 起 的 空 化 现 象 较 为 明 显 , 空 化 云 区 域 边 界 清 晰 , 影 响 范 围 较
大 , 且 出 现 较 大 的 速 度 梯 度 。 不 同 高 度 垂 直 升 坎 对 速 度 大 小 和 边 界 层 厚 度 ( 垂 直 剖 面 主 流 区
高 度 ) 有 影 响 , 主 流 区 高 度 与 所 流 经 的 垂 直 升 坎 的 坎 体 高 度 接 近 , 同 时 流 场 中 流 速 大 小 随 着
坎 体 高 度 增 加 而 增 大 , 因 此 在 实 际 工 程 中 需 要 严 格 控 制 升 坎 不 平 整 度 。
(2) 掺 气 后 整 个 流 场 中 纵 向 流 速 u 的 分 布 规 律 , 与 掺 气 浓 度 和 坎 体 高 度 无 关 , 流 场 中 流
体 经 历 减 速 — 加 速 — 减 速 三 个 过 程 。 而 掺 气 使 断 面 平 均 流 速 增 大 10%~30%, 掺 气 浓 度 、 坎 体
高 度 与 流 速 增 幅 成 正 比 关 系 , 同 时 垂 直 流 速 v 则 会 明 显 增 强 , 最 大 相 对 流 速 约 为 v/U=0.25,
但 对 水 流 紊 动 特 性 的 影 响 沿 程 迅 速 减 弱 。 在 对 不 同 掺 气 浓 度 下 的 流 速 场 进 行 分 析 后 得 出 : 同
一 掺 气 浓 度 下 , 各 个 断 面 流 速 分 布 显 示 出 相 似 性 。
(3) 在 掺 气 后 , 垂 直 升 坎 前 出 现 一 道 明 显 的 明 暗 分 界 , 这 种 现 象 与 高 速 掺 气 水 流 可 压
缩 特 性 有 关 , 关 于 气 水 两 相 流 可 压 缩 问 题 需 要 我 们 进 一 步 探 讨 与 研 究 。
参 考 文 献
[1] 贾 金 生 . 新 形 势 下 大 坝 建 设 与 安 全 管 理 建 设 [J]. 中 国 水 利 ,2008,(20):15-16.
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[4] 刘 家 峡 水 电 厂 . 刘 家 峡 水 电 站 泄 水 道 空 蚀 、 磨 损 破 坏 与 修 补 [G]. 第 三 届 水 工 混 凝 土 建 筑 物 修 补 技 术
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341

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
*
利 用 PIV 测 试 跌 坎 流 场 的 试 验 研 究
朱 芳
1
2
董 志 勇
吴 一 红
3
张 东
3
张 旭
1
(1. 浙 江 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 杭 州 潮 王 路 18 号 310032 zhufang76@yahoo.com.cn
2. 浙 江 工 业 大 学 水 利 与 市 政 工 程 研 究 所 杭 州 假 山 路 33 号 310014
3. 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 水 力 学 研 究 所 北 京 100038)
摘 要 本 文 用 先 进 的 量 测 仪 器 在 浙 江 工 业 大 学 水 力 学 实 验 室 直 流 式 水 洞 中 对 高 速 水 流 空 化 区
的 掺 气 特 性 进 行 了 较 为 系 统 的 试 验 研 究 。 实 测 了 空 化 区 掺 气 前 后 流 速 的 变 化 , 并 分 析 比 较 了 不 同
掺 气 浓 度 时 常 见 的 两 种 不 平 整 突 体 ( 垂 直 跌 坎 、 斜 坡 跌 坎 ) 形 成 的 空 化 区 流 场 二 维 结 构 , 比 较 了
这 两 种 形 式 的 不 平 整 突 体 所 引 起 的 空 化 程 度 , 及 其 在 不 同 的 掺 气 浓 度 情 况 下 的 流 动 特 性 。 实 验 结
果 显 示 , 跌 坎 类 不 平 整 突 体 形 成 的 空 化 云 区 范 围 较 小 、 清 晰 度 较 低 、 强 度 较 弱 , 空 化 现 象 不 太 明
显 , 而 通 过 掺 气 可 以 有 效 减 轻 跌 坎 引 起 的 空 化 程 度 。
关 键 词 水 力 学 ; 水 力 特 性 ; 空 化 ; 不 平 整 突 体
1 前 言
自 新 中 国 成 立 以 来 , 我 国 水 利 水 电 事 业 发 展 很 快 , 高 坝 建 筑 也 日 益 增 多 。 这 些 高 坝 的 泄
洪 建 筑 物 , 其 过 流 壁 面 上 的 最 大 泄 流 速 度 均 已 超 过 40 m/s, 当 水 流 速 度 达 到 一 定 程 度 时 ,
水 流 压 强 低 于 相 应 的 饱 和 蒸 汽 压 强 , 产 生 空 化 现 象 。 空 蚀 不 仅 破 坏 泄 流 建 筑 物 的 过 流 表 面 ,
影 响 过 流 性 能 , 降 低 泄 流 能 力 , 严 重 时 可 导 致 泄 流 建 筑 物 不 能 正 常 运 行 , 甚 至 引 起 振 动 , 导
[1]
致 工 程 破 坏 等 。 世 界 上 许 多 泄 水 建 筑 物 都 曾 发 生 过 空 蚀 破 坏 , 在 国 外 , 较 早 的 如 麦 登
[2]
(Madden) 坝
,1935 年 在 泄 水 道 进 口 处 发 生 了 严 重 的 空 蚀 破 坏 。 又 如 胡 佛 (Hoover) [3] 坝 ,
其 东 岸 泄 洪 洞 运 行 4 个 月 后 发 现 反 弧 段 发 生 了 严 重 的 空 蚀 破 坏 , 形 成 一 个 长 约 35 m、 宽 约
9.15 m, 最 大 深 度 达 13.7 m 的 大 坑 。 在 我 国 , 发 生 空 蚀 破 坏 的 实 例 也 很 多 , 如 湖 南 省 柘 溪
溢 流 坝 差 动 式 鼻 坎 , 该 坝 于 1962 年 汛 期 过 水 后 , 其 矩 形 差 动 式 鼻 坎 发 生 了 严 重 的 破 坏 , 混
2
凝 土 大 块 剥 蚀 , 钢 筋 成 排 切 断 , 总 剥 蚀 面 积 近 24 m , 坑 深 最 大 达 1.1 m。1963 年 改 建 成
[4]
梯 形 坎 , 运 转 后 齿 侧 仍 发 生 严 重 剥 蚀 , 后 经 采 用 多 种 材 料 防 护 均 无 效 。 另 外 还 有 刘 家 峡 水
[5]
[6]
[7]
电 站 , 丰 满 水 电 站 溢 流 坝 面 , 龙 羊 峡 水 电 站 底 孔 泄 水 道 等 。 如 此 空 蚀 破 坏 的 实 例 不 胜
枚 举 。 于 是 , 过 去 认 为 是 局 部 的 空 化 空 蚀 现 象 , 已 发 展 成 为 影 响 整 个 水 利 工 程 枢 纽 、 水 电 站
和 泵 站 正 常 运 行 的 关 键 性 问 题 。 从 水 工 建 筑 物 空 蚀 实 例 统 计 情 况 看 , 因 过 流 壁 面 不 平 整 引 起
[8]
的 空 蚀 就 达 20% 以 上 。 众 所 皆 知 , 溢 流 坝 和 泄 洪 隧 洞 的 空 蚀 问 题 主 要 是 固 壁 表 面 不 平 整 突
体 引 起 , 而 常 见 的 不 平 整 突 体 有 垂 直 升 坎 、 斜 坡 升 坎 、 垂 直 跌 坎 、 斜 坡 跌 坎 、 三 角 坎 、 弓 形
坎 等 。 因 此 , 对 水 工 建 筑 物 过 流 壁 面 不 平 整 突 体 的 初 生 空 化 与 空 蚀 的 减 免 进 行 更 深 入 地 探 讨
与 研 究 , 是 一 项 十 分 迫 切 而 意 义 重 大 的 课 题 。
实 践 证 明 , 为 了 减 免 高 速 水 流 空 化 产 生 的 空 蚀 破 坏 , 经 济 而 有 效 的 措 施 是 在 低 压 空 化 区
或 在 易 发 生 空 蚀 部 位 上 游 设 置 掺 气 设 施 强 迫 掺 气 。 一 般 认 为 , 掺 气 减 蚀 的 机 理 是 空 泡 内 注 入
空 气 能 减 小 其 溃 灭 时 爆 发 的 冲 击 力 。 国 内 外 研 究 均 对 掺 气 减 蚀 的 效 果 进 行 过 一 定 研 究 , 美 国
学 者 Peterka 较 早 地 进 行 了 掺 气 减 蚀 的 研 究 , 其 他 学 者 如 Russell 和 Sheehan ,
Гальперин 和 Куьмин 均 对 减 免 空 蚀 的 掺 气 量 进 行 过 实 验 研 究 。 我 国 学 者 董
志 勇 的 试 验 结 果 表 明 , 即 使 砼 强 度 较 低 , 但 只 要 在 水 流 中 掺 入 适 量 空 气 就 可 避 免 砼 表 面 的 空
* 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50579067 , 50539070) 的 部 分 内 容
342

第 二 部 分 工 程 水 力 学
蚀 破 坏 , 甚 至 可 大 大 放 宽 对 砼 表 面 不 平 整 度 的 要 求 。 反 之 , 若 不 掺 气 , 即 使 砼 的 强 度 很 高 ,
[9]
也 会 发 生 空 蚀 破 坏 。 半 个 多 世 纪 以 来 , 在 掺 气 减 蚀 措 施 方 面 的 研 究 比 较 普 遍 深 入 , 但 关 于
掺 气 浓 度 与 空 化 空 蚀 各 相 关 量 之 间 的 对 应 关 系 的 研 究 成 果 尚 十 分 贫 乏 , 诸 如 : 不 同 形 状 的 不
平 整 突 体 对 空 化 空 蚀 的 影 响 、 水 流 空 化 数 与 掺 气 浓 度 的 关 系 、 以 及 用 于 减 免 空 蚀 最 小 掺 气 浓
度 与 流 速 的 关 系 等 。 并 且 一 些 试 验 资 料 多 数 是 在 30 m/s 流 速 以 下 得 到 的 , 流 速 高 于 40 m/s
时 , 不 平 整 度 引 起 的 流 场 扰 动 量 相 当 大 , 使 空 化 空 蚀 的 现 象 更 为 复 杂 , 此 类 问 题 目 前 尚 没 有
完 全 解 决 。 本 实 验 采 用 先 进 的 量 测 仪 器 在 浙 江 工 业 大 学 水 力 学 实 验 室 直 流 式 水 洞 中 对 高 速 水 流
(U>40 m/s) 空 化 区 的 掺 气 特 性 进 行 了 较 为 系 统 的 试 验 研 究 。 给 出 不 同 掺 气 浓 度 时 常 见 的 两
种 不 平 整 突 体 ( 垂 直 跌 坎 、 斜 坡 跌 坎 ) 形 成 的 空 化 区 流 场 二 维 结 构 , 分 析 比 较 了 其 在 不 同 的
掺 气 浓 度 情 况 下 的 流 动 特 性 , 以 期 为 掺 气 减 蚀 研 究 提 供 可 靠 的 理 论 依 据 , 关 于 此 项 研 究 , 迄
今 尚 未 见 有 文 献 报 导 。
2 试 验 设 备 及 测 量 方
试 验 用 先 进 的 量 测 仪 器 对 直 流 式 水 洞 中 高 速 水 流 空 化 区 的 掺 气 特 性 进 行 了 较 为 系 统 的
试 验 研 究 。 试 验 装 置 主 要 由 不 锈 钢 板 经 数 控 机 床 精 加 工 制 成 的 矩 形 掺 气 段 、 收 缩 段 、 工 作 段
及 扩 散 段 等 组 成 , 如 图 1 所 示 。 将 精 加 工 制 成 的 表 面 不 平 整 突 体 ( 如 图 2)——2 mm 垂 直 跌
坎 (a),2 mm 斜 坡 跌 坎 (b) 分 别 安 置 于 水 洞 工 作 段 内 , 由 空 压 机 提 供 压 缩 空 气 , 测 量 在 不
同 掺 气 浓 度 条 件 下 (C= 0%,C=5.8%,C=9.7%,C=13.7%), 工 作 段 内 不 平 整 突 体 所 产 生 的 空
化 区 及 周 围 流 场 中 的 流 体 质 点 的 流 速 , 并 分 析 其 流 动 特 性 。 水 洞 上 部 、 下 部 以 及 侧 面 均 分 别
装 有 高 强 度 有 机 玻 璃 窗 , 以 便 观 察 流 场 内 流 动 。 水 流 量 由 UFL02000P 超 声 波 多 普 勒 流 量 计
量 测 , 流 速 场 由 粒 子 图 像 测 速 仪 (PIV) 量 测 , 气 体 流 量 由 LZB-15 和 LZB-40 转 子 流 量 计 量
测 , 掺 气 浓 度 C 定 义 为 : C = Q /( Q + Q , 式 中 Q
a
, Qw
分 别 为 气 体 流 量 和 水 流 量 。
w
)
a
a
(a)2 mm 垂 直 跌 坎
(b)2 mm 斜 坡 跌 坎
图 1 实 验 装 置 图 2 精 加 工 制 成 的 表 面 不 平 整 突 体
3 空 化 区 粒 子 图 像
当 高 速 水 流 流 经 跌 坎 类 不 平 整 突 体 时 , 水 流 受 到 干 扰 , 在 突 体 后 发 生 边 界 层 位 移 和 分 离 ,
出 现 涡 流 , 如 图 3 所 示 , 此 时 , 垂 直 于 边 界 的 速 度 梯 度 、 压 力 梯 度 都 发 生 改 变 , 当 扰 动 压 强
低 于 该 流 体 相 应 温 度 下 的 饱 和 蒸 汽 压 强 时 , 液 体 内 部 及 液 - 固 交 界 面 微 气 泡 不 断 形 成 , 发 展
和 溃 灭 , 水 流 内 部 的 水 气 核 将 失 稳 而 形 成 空 化 (a)(b) [10] 。
(a) 垂 直 跌 坎
图 3 不 平 整 突 体 过 流 时 水 流 分 离 示 意 图 (Ⅰ 为 分 离 区 )
(b) 斜 坡 跌 坎
本 实 验 用 高 分 辨 率 CCD 相 机 采 集 安 置 不 平 整 突 体 的 高 速 流 场 中 的 粒 子 图 像 , 图 4 为 PIV
系 统 记 录 的 高 速 水 流 经 2 mm 垂 直 跌 坎 和 斜 坡 跌 坎 形 成 的 空 化 区 图 像 , 可 看 到 清 晰 的 流 场 流
态 。 在 不 掺 气 时 , 高 速 水 流 经 过 水 洞 , 管 道 剧 烈 振 动 , 发 出 强 烈 的 轰 鸣 声 。 而 在 工 作 段 均 匀
掺 气 后 , 管 道 振 动 减 弱 , 且 伴 随 振 动 的 巨 大 轰 鸣 声 也 逐 渐 减 弱 。 并 随 着 掺 气 量 的 增 大 , 突 体
343

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
逐 渐 变 得 模 糊 直 至 不 可 见 , 空 化 噪 声 基 本 消 失 。 均 匀 掺 入 的 空 气 与 水 流 发 生 掺 混 , 气 流 破 碎
成 气 泡 , 均 匀 遍 布 整 个 流 场 , 此 时 已 观 察 不 到 较 清 晰 的 空 化 云 现 象 。 在 安 置 2 mm 垂 直 跌 坎
的 水 洞 工 作 段 流 场 中 , 没 有 清 晰 的 空 化 云 形 成 , 只 在 坎 后 形 成 一 片 范 围 较 小 的 空 泡 云 , 这 段
空 化 云 范 围 较 小 、 清 晰 度 较 低 、 强 度 较 弱 , 无 法 形 成 稳 定 的 空 泡 团 , 并 且 在 短 距 离 范 围 内 很
快 自 行 消 散 , 如 图 4(a) 所 示 ; 而 掺 气 后 的 流 场 中 只 见 气 流 破 碎 成 的 气 泡 遍 布 整 个 流 场 ,
如 图 4(b) 所 示 ; 在 不 掺 气 条 件 下 , 高 速 水 流 经 2 mm 斜 坡 跌 坎 产 生 的 空 化 云 区 更 为 微 弱 ,
同 垂 直 跌 坎 类 似 , 且 较 垂 直 跌 坎 产 生 的 空 泡 团 稳 定 性 更 差 , 很 快 自 行 消 散 , 如 图 4(c);
图 4(d) 为 向 安 置 了 2 mm 斜 坡 跌 坎 的 水 洞 工 作 段 均 匀 掺 气 时 的 流 场 流 态 , 与 安 置 2 mm 垂
直 跌 坎 的 流 场 类 似 , 只 能 观 察 到 与 高 速 水 流 均 匀 掺 混 的 气 泡 遍 布 流 场 , 无 明 显 的 空 化 云 区 现
象 。
(a)2 mm 垂 直 跌 坎 , 掺 气 前
(b)2 mm 垂 直 跌 坎 , 掺 气 后
(c)2 mm 斜 坡 跌 坎 , 掺 气 前
图 4 PIV 拍 摄 2 mm 垂 直 跌 坎 、2 mm 斜 坡 跌 坎 掺 气 前 后 粒 子 图
(d)2 mm 斜 坡 跌 坎 , 掺 气 后
4 不 平 整 突 体 空 化 区 流 动 特 性 分 析
在 CCD 相 机 采 集 安 置 不 平 整 突 体 的 高 速 流 场 中 的 粒 子 图 像 后 , 再 用 与 主 机 进 行 通 信 的 计
算 软 件 ——Flow Manager 系 统 处 理 图 像 获 取 流 动 特 性 。 在 进 行 实 验 数 据 分 析 时 , 为 了 方 便 对
水 洞 工 作 段 内 流 体 流 动 现 象 做 理 论 分 析 , 需 要 进 行 无 量 纲 化 的 数 据 处 理 。 本 实 验 赋 予 目 标 流
体 特 征 速 度 为 工 作 段 入 口 断 面 平 均 流 速 U, 赋 予 目 标 流 体 特 征 距 离 为 水 洞 工 作 段 高 度 及 长 度 。
利 用 特 征 长 度 和 特 征 速 度 将 实 验 量 测 结 果 无 量 纲 化 处 理 后 , 实 验 数 据 以 XY 散 点 图 的 形 式 能 够
客 观 反 映 出 各 剖 面 流 体 质 点 实 际 流 动 特 性 与 流 场 整 体 流 动 特 性 的 对 应 关 系 。 即 在 垂 直 剖 面 分
析 图 中 , 横 轴 采 用 u/U, 竖 轴 采 用 y/H, 其 中 ,u 代 表 PIV 测 算 出 来 的 各 个 点 的 具 体 流 速 ,U 代
表 相 应 掺 气 量 的 来 流 速 度 ;y 代 表 PIV 测 算 点 的 具 体 计 算 位 置 ,H 为 工 作 段 的 测 算 横 轴 高 度 ,
为 35 mm。 水 平 剖 面 竖 轴 采 用 v/U, 横 轴 采 用 x/L, 其 中 ,v 代 表 PIV 测 算 出 来 的 各 个 点 的 具 体
流 速 ,U 同 上 ;x 代 表 PIV 测 算 点 的 具 体 计 算 位 置 ,L 为 工 作 段 的 测 算 的 纵 轴 长 度 , 为 150 mm。
各 垂 直 、 水 平 断 面 的 选 择 及 编 号 如 图 5, 表 1 及 表 2 所 示 。
1 1
1 0
9
8
7 6 5 4 3 2
1
0
1 7
1 6
1 5
1 4
1 3
1 2
1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
1 7
1 6
1 5
1 3 1 4
1 2
图 5 工 作 段 剖 面 示 意 图
表 1 实 测 流 场 垂 直 断 面 选 择 及 垂 直 断 面 编 号
距 坎 (mm) -15.36 -7.68 -2.56 0 2.56 5.12 7.68 10.24 15.36 23.04 40.96 94.72
垂 直 断
0~0 1~1 2~2 3~3 4~4 5~5 6~6 7~7 8~8 9~9 10~10 11~11
面 编 号
344

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 2
实 测 流 场 水 平 断 面 选 择 及 水 平 断 面 编 号
距 坎 (mm) 0 2.56 5.12 10.24 15.36 20.48
水 平 断 面 编 号 12~12 13~13 14~14 15~15 16~16 17~17
4.1 2 mm 垂 直 跌 坎 垂 直 、 水 平 剖 面 水 流 速 度 分 析
在 未 掺 气 的 跌 坎 流 场 中 只 选 取 突 体 坎 后 形 成 的 一 片 范 围 较 小 的 、 有 微 小 空 泡 作 为 示 踪 粒
子 的 空 泡 云 区 范 围 , 如 图 6(a) 所 示 。 紧 邻 跌 坎 垂 直 断 面 的 两 个 剖 面 (4~4,5~5) 无 明 显
变 化 , 而 其 下 游 两 紧 邻 断 面 受 边 界 层 影 响 , 出 现 速 度 梯 度 , 边 壁 处 受 坎 体 粘 性 底 层 影 响 速 度
最 小 。 而 不 同 掺 气 浓 度 (C=5.8%,C=9.7%,C=13.7%) 条 件 下 , 由 于 掺 气 流 破 碎 成 气 泡 , 均
匀 遍 布 整 个 流 场 , 此 时 PIV 采 集 到 的 流 场 流 速 可 以 精 确 反 映 整 个 工 作 段 内 各 垂 直 剖 面 流 速 ,
如 图 6(b)~(d) 所 示 , 水 洞 工 作 段 内 空 化 区 整 体 流 态 呈 现 相 似 规 律 : 各 纵 剖 面 上 部 流 速
大 于 下 部 流 速 , 下 游 流 速 大 于 上 游 流 速 , 每 个 纵 剖 面 最 高 流 速 均 出 现 在 顶 端 靠 近 水 洞 工 作 段
顶 部 边 壁 位 置 , 这 是 由 于 靠 近 顶 部 为 主 流 区 , 即 边 界 层 外 , 因 此 流 速 最 高 。 而 靠 近 跌 坎 位 置
流 速 较 小 , 是 粘 滞 力 影 响 所 致 。 流 速 沿 程 变 化 特 性 也 呈 现 相 似 规 律 : 不 同 掺 气 浓 度 下 的 水 流
垂 直 断 面 在 坎 上 端 均 出 现 该 断 面 第 二 个 速 度 峰 值 , 这 是 由 于 逆 压 造 成 , 各 拐 点 处 可 能 产 生 局
部 压 力 峰 值 。 在 图 6(b)~(d) 中 , 依 次 连 接 各 拐 点 所 成 曲 线 可 粗 略 描 绘 出 空 化 云 区 域 边
界 。 坎 上 游 三 个 断 面 (0~0,1~1,2~2), 过 坎 断 面 (4~4) 到 坎 后 23.04 mm 依 次 多 个
断 面 (5~5,6~6,7~7,8~8,9~9), 均 在 坎 上 方 出 现 拐 点 , 各 拐 点 处 流 速 均 为 该 垂 直
断 面 第 二 个 速 度 峰 值 。 坎 下 游 距 坎 40.96 mm~94.72 mm 断 面 ( 此 范 围 内 各 沿 程 流 速 特 性 呈
较 好 的 相 似 规 律 , 这 里 只 取 10~10,11~11 两 个 剖 面 ) 则 无 明 显 拐 点 , 断 面 流 速 呈 梯 度 分
布 , 由 下 至 上 逐 渐 增 大 。 并 且 , 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 拐 点 出 现 位 置 逐 渐 向 工 作 段 底 部 接 近 :
C=5.8%,C=9.7%,13.7% 时 , 拐 点 分 别 出 现 在 坎 上 方 8~9 mm,6~7 mm 处 ,5~6 mm 处 。 说
明 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 空 化 云 区 垂 直 方 向 范 围 缩 小 。
0.2
0.8
0.15
0.6
0.1
y/H
0.4
y/H
0.05
0.2
0.5
0.4
0.3
0.2
u/U
4~4 5~5
6~6 7~7
0.1
0
0
0.8
0.7
0
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
u/U
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
6~6 7~7 8~8
9~9 10~10 11~11
(a) C=0%
(b) C=5.8%
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.6
0.3
0
u/U
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
6~6 7~7 8~8
9~9 10~10 11~11
(c) C=9.7%
y/H
0.9
0.8
0.6
0.4
0.2
y/H
0
0.6
u/U
0.3
0
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
6~6 7~7 8~8
9~9 10~10 11~11
(d) C=13.7%
图 6 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 ,2 mm 垂 直 跌 坎 各 垂 直 剖 面 流 速 分 布 图
由 图 7 中 (a)~(d) 可 见 , 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 , 坎 上 方 与 跌 坎 平 面 相 邻 的 两 个 水 平
断 面 垂 向 流 速 几 乎 为 0; 而 接 近 水 洞 工 作 段 上 部 的 水 平 断 面 垂 向 流 速 较 大 。 随 着 掺 气 量 的 增
加 , 水 平 方 向 的 垂 向 流 速 变 化 越 来 越 大 。C=0% 和 C=5.8% 条 件 下 , 坎 前 (x/L

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
带 动 微 小 气 泡 向 下 运 动 ; 跌 坎 下 游 约 16 mm 以 后 , 气 泡 垂 向 流 速 变 化 较 上 游 剧 烈 , 并 随 着 掺
气 浓 度 的 增 加 , 流 速 变 化 更 为 剧 烈 , 水 平 断 面 流 速 向 上 趋 势 愈 加 明 显 , 这 是 由 于 连 续 将 气 流
释 放 入 液 体 的 过 程 中 , 气 流 与 周 围 液 体 中 压 力 产 生 浮 力 , 以 及 气 - 液 交 界 面 处 表 面 张 力 之 间
的 不 平 衡 等 因 素 , 气 流 破 碎 成 气 泡 , 在 其 作 用 下 , 气 泡 上 升 并 带 动 液 体 形 成 向 上 的 流 动 。
0.2
0.15
x/L
0.1
0.05
12~12 13~13 14~14
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
0
v/U
0.8
0.7
0.04
0.02
v/U
0
-0.02
-0.04
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
x/L
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
(a) C=0 % (b) C=5.8 %
0.04
0.04
0.02
0.02
v/U
0
0
v/U
0.8
0.6
0.4
x/L
0.2
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
-0.02
0
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4 0.3
x/L
0.2
0.1
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
-0.02
0
(c) C=9.7% (d) C=13.7%
图 7 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 ,2 mm 垂 直 跌 坎 各 水 平 剖 面 流 速 分 布 图
4.2 2 mm 斜 坡 跌 坎 垂 直 、 水 平 剖 面 水 流 速 度 分 析
由 PIV 采 集 到 的 流 场 二 维 结 构 图 ( 见 图 8), 可 以 看 到 , 在 不 掺 气 条 件 下 (C=0%), 紧 邻 斜 坡 跌
坎 的 四 个 垂 直 剖 面 随 水 流 方 向 流 速 沿 程 增 大 , 并 呈 相 似 的 速 度 梯 度 。 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 ,2 mm
斜 坡 跌 坎 与 2 mm 垂 直 跌 坎 垂 直 剖 面 流 速 分 布 整 体 呈 类 似 规 律 。 流 速 沿 程 变 化 特 性 也 呈 现 相 似 规
律 : 坎 前 流 速 递 增 较 快 , 坎 后 流 速 递 增 趋 势 较 坎 前 缓 和 。 斜 坡 跌 坎 以 上 至 工 作 段 中 部 区 域 各 剖 面
流 速 呈 相 似 规 律 , 各 拐 点 流 速 对 应 各 垂 直 断 面 第 二 个 速 度 峰 值 , 且 随 掺 气 量 的 不 同 , 拐 点 出 现 位
置 变 化 与 2 mm 垂 直 升 坎 类 似 。 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 拐 点 出 现 位 置 逐 渐 向 工 作 段 底 部 接 近 :C=5.8%
时 , 拐 点 出 现 在 坎 上 方 8 mm 处 左 右 ,C=9.7% 时 出 现 在 坎 上 方 6~7 mm 处 ,C=13.7% 时 , 拐 点 出 现 在
坎 上 方 5~6 mm 处 。 该 规 律 显 示 , 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 空 化 云 区 垂 直 方 向 范 围 缩 小 , 如 图 8 中 (b)~
(d) 所 示 。 与 2 mm 垂 直 跌 坎 类 似 , 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 , 坎 上 方 与 跌 坎 平 面 相 邻 的 两 水 平
断 面 垂 向 流 速 亦 几 乎 为 0, 而 接 近 水 洞 工 作 段 上 部 的 水 平 断 面 垂 向 流 速 变 化 较 大 。 同 样 ,C=0%
和 C=5.8% 条 件 下 , 坎 前 (x/L0.3), 气 泡 向 下 运 动 趋 势 逐 渐 减 弱 , 并 形 成
与 2 mm 垂 直 跌 坎 相 似 的 主 要 是 向 上 的 运 动 。 如 图 9(a)~(d) 所 示 。
346

第 二 部 分 工 程 水 力 学
0.2
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3 0.2 0.1 0
u/U
4~4 5~5
6~6 7~7
0.15
0.1
0.05
0
y/H
0.9
0.6
0.4
0.2
0.6
u/U
0.3
0
0~0 1~1 2~2 3~3
4~4 5~5 6~6 7~7
8~8 9~9 10~10 11~11
0
y/H
(a)C=0%
(b) C=5.8%
0.9
0.6
u/U
0.3
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y/H
0~0 1~1 2~2 3~3
4~4 5~5 6~6 7~7
8~8 9~9 10~10 11~11
0.9 0.6 u/U
0.3
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
0~0 1~1 2~2
3~3 4~4 5~5
6~6 7~7 8~8
9~9 10~10 11~11
(c) C=9.7%
(d) C=13.7%
图 8 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 ,2 mm 斜 坡 跌 坎 各 垂 直 剖 面 流 速 分 布 图
0
0.04
0.02
-0.1
-0.2
v/U
0
v/U
-0.02
0.2
0.15 0.1 0.05
x/L
12~12 13~13 14~14
-0.3
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
x/L
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
-0.04
-0.06
(a) C=0%
(b) C=5.8
0.04
0.04
0.02
0.02
v/U
0
v/U
0
-0.02
-0.02
0.8
0.7
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
x/L
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
-0.04
0.8
0.7
0.6 0.5 0.4
x/L
0.3 0.2 0.1 0
12~12 13~13 14~14
15~15 16~16 17~17
-0.04
(c) C=9.7% (d) C=13.7%
图 9 不 同 掺 气 浓 度 条 件 下 ,2 mm 斜 坡 跌 坎 各 水 平 剖 面 流 速 分 布 图
4.3 2 mm 垂 直 跌 坎 与 2 mm 斜 坡 跌 坎 流 动 特 性 比 较
图 10 为 C=9.7% 时 ,2 mm 垂 直 跌 坎 与 2 mm 斜 坡 跌 坎 在 各 相 同 垂 直 断 面 上 的 流 速 分 布 比 较 。
根 据 流 场 各 垂 直 剖 面 流 速 对 比 图 , 在 流 场 一 定 范 围 内 流 速 曲 线 呈 一 致 规 律 , 故 垂 直 剖 面 流 动 特 性
分 析 仅 选 取 以 下 几 个 具 代 表 性 断 面 。 在 跌 坎 上 游 范 围 内 , 在 工 作 段 底 部 和 中 部 , 垂 直 跌 坎 所 置 流
场 各 垂 直 剖 面 流 速 较 斜 坡 跌 坎 流 速 高 , 拐 点 处 ( 该 剖 面 最 高 流 速 处 ) 位 置 较 斜 坡 跌 坎 所 置 流 场 略
高 。 而 垂 直 跌 坎 流 速 高 出 幅 度 沿 程 减 弱 , 并 在 跌 坎 下 游 约 8 mm 处 (6~6 剖 面 ), 垂 直 跌 坎 流 速 与
斜 坡 跌 坎 流 速 开 始 拉 近 , 几 近 相 等 ( 如 图 10(d) 所 示 ), 各 垂 直 剖 面 沿 程 规 律 一 致 。 而 在 坎 下
347

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
游 约 41 mm 处 (10~10 剖 面 ), 斜 坡 跌 坎 流 速 开 始 赶 超 垂 直 跌 坎 。 到 了 工 作 段 出 口 , 靠 近 扩 散 段
范 围 的 流 场 流 速 开 始 趋 于 稳 定 , 垂 直 跌 坎 流 场 流 速 分 布 及 变 化 趋 势 与 斜 坡 跌 坎 几 乎 一 致 ( 如 图
10(f) 所 示 )。
0.6 0.4
u/U
0.8
0.8
0.6
0.4
y/H
0.2
0
0.6 0.4
0.2 0
u/U
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
(a) C=9.7% , 2~2 断 面 (b) C=9.7% , 3~3 断 面 (c) C=9.7% , 4~4 断 面
0.2
0.6
0.4
y/H
0.8
0.6
0.4
0.2
0.2
0
0
0
0.6 0.4 0.2 0
u/U
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
y/H
0.8
0.8
0.8
0.8 0.6
0.4
u/U
0.6
0.6
0.4
y/H
0.2
0
0.2 0
0.8 0.6
0.4
u/U
0.6
0.4
0.2
0
0.8 0.6 0.4 0.2 0
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
(d) C=9.7% , 6~6 断 面 (e) C=9.7% , 10~10 (f) C=9.7% , 11~11 断 面
图 10 C=9.7% 时 ,2 mm 垂 直 跌 坎 与 2 mm 斜 坡 跌 坎 在 各 相 同 纵 断 面 上 的 流 速 分 布
图 11 为 C=9.7% 时 ,2 mm 垂 直 跌 坎 与 2 mm 斜 坡 跌 坎 在 各 相 同 水 平 断 面 上 的 流 速 分 布 比 较 。
由 图 可 见 , 贴 近 坎 体 壁 面 处 , 几 乎 不 受 掺 气 和 坎 体 的 影 响 , 垂 向 流 速 变 化 幅 度 很 小 , 随 着 剖
面 所 取 纵 向 高 度 的 增 加 , 受 到 坎 体 和 掺 气 的 影 响 , 越 来 越 明 显 , 速 度 变 化 幅 度 也 随 之 增 大 ,
且 峰 值 出 现 的 频 率 开 始 增 加 , 同 时 可 以 发 现 , 斜 坡 跌 坎 引 起 的 向 下 的 垂 向 流 速 波 动 比 垂 直 跌
坎 剧 烈 , 影 响 高 度 比 垂 直 跌 坎 高 , 影 响 范 围 也 随 着 所 取 剖 面 高 度 的 增 加 而 增 大 。 另 一 方 面 ,
垂 直 跌 坎 在 坎 前 会 出 现 一 个 正 向 垂 向 流 速 峰 值 , 因 为 水 流 遇 到 垂 直 跌 坎 , 断 面 突 然 扩 大 , 流
速 锐 减 , 导 致 后 面 进 入 的 高 速 水 流 受 到 冲 击 , 产 生 波 动 , 而 斜 坡 跌 坎 断 面 缓 慢 扩 大 , 所 以 减
速 对 整 个 流 场 的 影 响 没 有 垂 直 跌 坎 明 显 。
0.4
0.2
0
0.2 0
y/H
u/U
y/H
0.05
0.05
0
v/U
0
v/U
0.8
0.7
0.6
0.5
x/L
0.4
0.3
0.2
0.1
-0.05
0
0.8 0.6 x/L
0.4
0.2
0
-0.05
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
垂 直 跌 坎
斜 坡 跌 坎
(a) C=9.7% , 12~12 断 面
(b)C=9.7% , 13~13 断 面
0.05
0.05
0
v/U
0
v/U
0.8
0.6
0.4
x/L
垂 直 跌 坎
0.2
斜 坡 跌 坎
0
-0.05
0.8 0.6 x/L
垂 直 跌 坎
0.4
0.2
斜 坡 跌 坎
0
-0.05
(c) C=9.7% , 14~14 断 面
(d) C=9.7% , 15~15 断 面
348

第 二 部 分 工 程 水 力 学
图 11 C=9.7% 时 ,2 mm 垂 直 跌 坎 与 2 mm 斜 坡 跌 坎 在 各 相 同 横 断 面 上 的 流 速 分 布
5 结 论
1. 不 同 形 式 的 不 平 整 突 体 所 引 起 的 空 化 程 度 有 所 不 同 。 跌 坎 类 不 平 整 突 体 形 成 的 空 化 云
区 范 围 较 小 、 清 晰 度 较 低 、 强 度 较 弱 , 空 化 现 象 不 太 明 显 。 而 在 突 体 高 度 一 致 的 条 件 下 (Δ=2 mm),
斜 坡 跌 坎 较 垂 直 跌 坎 所 引 起 的 空 泡 云 区 范 围 更 小 , 空 化 程 度 更 轻 。 可 见 , 垂 直 跌 坎 和 斜 坡 跌
坎 引 起 的 空 蚀 破 坏 较 小 , 所 以 在 实 际 工 程 中 , 在 无 法 避 免 水 工 泄 水 建 筑 物 过 流 固 壁 局 部 表 面
的 一 些 施 工 误 差 和 施 工 后 残 留 的 不 平 整 体 突 起 的 情 况 下 , 可 尽 量 用 跌 坎 类 突 体 替 代 其 他 形 式
的 不 平 整 突 体 , 从 而 减 弱 不 平 整 突 体 所 引 起 的 空 蚀 破 坏 。
2. 掺 气 能 够 有 效 减 轻 空 化 程 度 。 不 同 掺 气 量 条 件 下 , 各 不 同 形 式 的 不 平 整 突 体 所 置 流 场
垂 直 剖 面 流 速 分 布 图 中 , 坎 上 部 各 剖 面 出 现 速 度 峰 值 , 可 能 产 生 局 部 压 力 峰 值 。 各 峰 值 点 连
线 所 成 曲 线 可 粗 略 描 绘 空 化 云 区 域 边 界 ,2 mm 垂 直 跌 坎 和 2 mm 斜 坡 跌 坎 引 起 的 空 化 云 区 域 随
掺 气 量 增 大 而 减 小 。
3. 掺 气 减 蚀 效 果 不 仅 仅 与 掺 气 浓 度 有 关 , 还 可 能 与 空 气 与 高 速 水 流 形 成 的 气 泡 大 小 、 体
积 , 以 及 掺 气 形 式 有 关 , 可 针 对 实 际 情 况 ( 如 根 据 不 同 形 式 的 突 体 引 起 的 空 蚀 原 因 ) 加 以 分
析 。
参 考 文 献
[1] 张 丽 , 解 伟 , 等 . 高 水 头 泄 水 建 筑 物 的 掺 气 减 蚀 试 验 [J]. 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 ,1998,19(1):
6-11.
[2] Harrold J C.Experiences of the Cops of Engineers:Cavititation inhydrau licstructures[J].Transactions
ASCE,1947,112:16-42.
[3] Warnock J E.Experiences of the Bureau of Relamation:Cavitation in hydraulic Structures [J].Transactions
ASCE,1947,112:43-58.
[4] 张 林 夫 , 夏 维 洪 . 空 化 与 气 蚀 [M]. 南 京 : 河 海 大 学 出 版 社 ,1989.
[5] 刘 长 庚 . 泄 水 建 筑 物 局 部 突 体 初 生 空 化 数 试 验 研 究 . 水 利 水 电 科 学 研 究 院 科 学 研 究 论 文 集 [C]. 北 京
水 利 电 力 出 版 社 ,1983,13:36-56.
[6] 尹 洪 昌 . 泄 水 建 筑 物 空 蚀 破 坏 及 防 治 . 泄 水 工 程 与 高 速 水 流 [J].1995,(4):1-53.
[7] 刘 梭 柏 , 杜 生 宗 . 龙 羊 峡 水 电 站 底 孔 泄 水 道 冲 蚀 破 坏 及 其 修 复 处 理 [J]. 西 北 水 电 .1990,(3):31-36.
[8] 柴 恭 纯 . 水 工 泄 水 建 筑 物 空 蚀 及 空 穴 流 研 究 和 应 用 中 的 几 个 问 题 [J]. 南 京 水 利 科 学 研 究 所 ,1982.
[9] 董 志 勇 , 吕 阳 泉 , 等 . 高 速 水 流 空 化 区 和 空 蚀 区 掺 气 特 性 的 试 验 研 究 [J]. 水 力 发 电 学 报 ,2006,25
(4):62-65.
[10] 梁 川 , 倪 汉 根 . 三 角 形 突 体 初 生 空 化 与 空 蚀 的 试 验 研 究 [J]. 成 都 科 技 大 学 学 报 .1996,(2):31-40.
349

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
高 速 水 流 流 经 不 平 整 圆 柱 形 突 体 流 动 特 性 的 试 验 研 究
李 晓 鹏
1
董 志 勇
2
吴 一 红
3
张 东
3
张 旭
1
(1. 浙 江 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 杭 州 潮 王 路 18 号 310032 lxp_forever@yeah.net
2. 浙 江 工 业 大 学 水 利 与 市 政 工 程 研 究 杭 州 假 山 路 33 号 310014
3. 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 水 力 学 研 究 所 北 京 10038)
摘 要 本 文 在 直 流 式 水 洞 中 使 用 先 进 的 量 测 仪 器 PIV(Particle Image Velocimetry) 对 高 速 水
流 流 经 不 平 整 突 体 —— 圆 柱 形 突 体 的 流 动 特 性 进 行 了 初 步 的 试 验 研 究 。 采 用 不 同 高 度 突 体 试 件 ,
实 测 空 化 区 掺 气 前 后 流 速 的 变 化 , 探 讨 了 不 同 掺 气 浓 度 通 气 量 与 速 度 场 分 布 关 系 , 重 点 分 析 了 圆
柱 形 突 体 空 化 区 垂 向 流 速 和 纵 向 流 速 的 分 布 。 实 验 得 出 掺 气 可 有 效 减 小 由 圆 柱 形 突 体 产 生 空 化 所
引 起 的 速 度 脉 动 情 况 , 并 得 出 在 突 体 下 游 空 化 区 内 产 生 涡 旋 。
关 键 词 圆 柱 形 突 体 ; 空 化 ; 掺 气 浓 度 ; 流 动 特 性 ;
1 前 言
在 溢 流 坝 、 泄 洪 洞 、 陡 槽 等 泄 水 建 筑 物 中 , 当 水 流 速 度 达 到 一 定 程 度 时 , 水 流 压 强 低 于
相 应 的 饱 和 蒸 汽 压 强 , 产 生 空 化 现 象 。 空 穴 流 由 低 压 区 流 到 高 压 区 便 会 产 生 空 蚀 破 坏 。 世 界
上 许 多 泄 水 建 筑 物 都 曾 经 发 生 过 空 蚀 破 环 , 在 国 外 , 较 早 的 如 位 于 巴 拿 马 地 峡 恰 格 莱 斯
[1]
(Chagres) 河 上 的 麦 登 (Maddeen) 坝 ,1935 年 在 泄 水 道 进 口 处 发 生 了 严 重 的 空 蚀 破 坏 。 在
[2]
我 国 , 如 刘 家 峡 水 电 站 ,1972 年 泄 洪 时 反 弧 段 及 其 下 游 底 板 遭 到 严 重 的 空 蚀 破 坏 ,100 多
[3]
米 长 的 底 板 表 面 遭 到 破 坏 , 最 大 空 蚀 坑 深 达 2.8 m。 此 外 , 还 有 龙 羊 峡 水 电 站 底 孔 泄 水 道 、
[4]
丰 满 水 电 站 溢 流 坝 面 等 。 当 空 化 现 象 不 可 避 免 时 , 为 了 减 免 高 速 水 流 空 化 产 生 的 空 蚀 破 坏 ,
经 济 而 有 效 的 措 施 是 在 低 压 空 化 区 或 在 易 发 生 空 蚀 部 位 上 游 设 置 掺 气 设 施 强 迫 掺 气 。 美 国 学
者 Peterka [5] 较 早 地 进 行 了 掺 气 减 蚀 的 研 究 , 试 验 中 掺 入 的 空 气 量 为 水 量 的 0.4%~7.4% , 发
现 管 道 内 因 空 化 空 蚀 产 生 的 爆 裂 声 和 锤 击 声 随 掺 气 量 的 增 加 而 减 轻 , 当 掺 入 约 7 % 的 空 气 时 ,
噪 音 就 几 乎 停 止 。 其 他 学 者 如 Russell 和 Sheehan [6] 对 于 砼 试 件 得 到 的 掺 气 量 为 5.7%. 毋 庸
置 疑 , 掺 气 可 有 效 地 防 止 或 减 轻 应 有 的 空 蚀 破 坏 程 度 。
在 泄 水 建 筑 物 施 工 中 , 过 流 壁 面 常 会 形 成 圆 柱 形 突 体 、 升 坎 、 跌 坎 、 凹 槽 、 三 角 形 突 体
及 蜂 窝 等 不 平 整 突 体 。 所 谓 不 平 整 度 , 是 指 水 工 泄 水 建 筑 物 过 流 固 壁 局 部 表 面 与 设 计 要 求 不
相 符 合 的 程 度 , 包 括 局 部 粗 糙 面 , 模 板 接 缝 、 错 台 、 坑 槽 、 歪 斜 与 弯 曲 等 施 工 误 差 和 施 工 后
[7]
残 留 的 各 种 突 出 物 所 形 成 的 不 平 整 突 体 。 泄 水 建 筑 物 的 运 行 实 践 表 明 , 即 使 过 流 壁 面 上 仅
残 留 几 毫 米 的 不 平 整 突 体 , 亦 会 引 起 砼 表 面 大 范 围 的 空 蚀 破 坏 。 典 型 的 不 平 整 突 体 空 蚀 破 坏
[8]
实 例 如 国 内 刘 家 峡 水 电 站 泄 洪 洞 , 由 于 在 泄 洪 洞 出 口 反 弧 末 端 靠 近 边 墙 处 有 3 个 露 出 底 板
砼 表 面 以 上 8 mm 的 钢 筋 头 , 过 水 13 天 后 , 发 现 突 体 下 游 有 大 面 积 严 重 的 空 蚀 破 坏 ; 又 如 美
[9]
国 波 尔 德 (Boulder) 坝 泄 洪 洞 早 在 1941 年 就 发 生 了 严 重 的 空 蚀 破 坏 , 其 主 要 原 因 亦 是 由
于 泄 洪 洞 表 面 不 平 整 突 体 造 成 的 。 许 多 学 者 曾 对 不 平 整 突 体 的 初 生 空 化 及 空 蚀 问 题 进 行 过 试
验 研 究 、 理 论 分 析 及 数 值 模 拟 。 文 献 [2] 试 验 研 究 了 流 速 为 40~50 m/s, 突 体 高 度 为 7 mm、
9.5 mm 的 圆 柱 形 孤 立 突 体 的 初 生 空 化 数 及 空 蚀 随 掺 气 量 的 变 化 情 况 。 试 验 得 出 , 水 流 未 掺
气 时 , 即 使 圆 柱 形 突 体 高 度 仅 0.12 mm, 也 会 发 生 空 化 ; 当 掺 气 浓 度 大 于 4.3%, 可 减 免 圆 柱
形 突 体 下 游 的 空 蚀 。 同 时 还 得 到 , 未 掺 气 流 速 为 50 m/s 的 圆 柱 形 突 体 下 游 的 空 蚀 强 度 远 大
于 40 m/s 情 形 。 文 献 [10] 提 出 减 免 空 蚀 的 最 低 掺 气 浓 度 与 水 流 速 度 的 关 系 为 半 立 方 抛 物 线 。
毋 庸 置 疑 , 掺 气 可 有 效 地 减 免 圆 柱 形 不 平 整 突 体 所 引 起 的 空 化 空 蚀 , 也 大 大 放 宽 对 混 凝 土 表
350

第 二 部 分 工 程 水 力 学
面 的 不 平 整 度 要 求 。 由 于 受 到 仪 器 设 备 自 身 局 限 性 的 影 响 , 未 见 有 针 对 圆 柱 形 突 体 前 后 高 速
掺 气 水 流 的 二 维 流 动 特 性 文 献 报 道 , 本 文 正 是 基 于 此 目 的 , 采 用 先 进 的 量 测 仪 器
PIV(Particle Image Velocimetry), 对 高 速 水 流 流 经 不 平 整 突 体 —— 圆 柱 形 突 体 的 流 动 特
性 进 行 了 初 步 的 试 验 研 究 。
2 试 验 装 置 与 测 量 方 法
试 验 装 置 位 于 浙 江 工 业 大 学 水 力 学 实 验 室 。 按 直 流 式 水 洞 设 计 , 采 用 不 锈 钢 板 材 , 经
数 控 机 床 精 加 工 制 成 的 矩 形 掺 气 段 、 收 缩 段 、 工 作 段 及 扩 散 段 等 组 成 , 如 照 片 1 所 示 , 主 要
工 作 断 面 尺 寸 为 3.5×2 cm 2 。
照 片 1 试 验 装 置
照 片 2 未 掺 气 时 的 圆 柱 形 突 体
实 验 所 测 水 流 量 由 UFLO2000P 超 声 波 多 普 勒 流 量 计 量 测 , 所 需 气 体 由 空 压 机 提 供 压 缩
空 气 , 由 LZB-15 和 LZB-40 转 子 流 量 计 量 测 气 体 流 量 大 小 , 流 速 由 DANTEC 三 维 粒 子 图 像 测
速 仪 量 测 。 圆 柱 形 突 体 模 型 由 不 锈 钢 制 作 , 突 体 高 度 分 别 为 △=2、5 mm 两 种 , 突 体 直 径 为 6 mm。
试 验 中 发 现 , 工 作 段 流 速 较 小 时 无 空 化 现 象 产 生 。 流 速 逐 渐 加 大 , 随 着 水 流 空 化 数 的 降
低 , 当 降 到 圆 柱 形 突 体 的 初 生 空 化 数 时 , 突 体 下 游 开 始 出 现 空 泡 ; 流 速 继 续 增 加 , 突 体 周 围
压 强 继 续 下 降 , 低 压 区 范 围 扩 大 , 空 泡 团 在 剪 力 层 全 面 扩 展 , 出 现 清 晰 的 边 界 ; 流 速 继 续 增
加 直 至 近 乎 稳 定 时 , 即 水 流 空 化 数 足 够 低 时 , 突 体 下 游 流 场 出 现 外 边 界 近 似 一 条 清 晰 流 线 的
空 腔 区 域 , 并 在 壁 面 上 形 成 肉 眼 看 来 似 乎 不 动 、 而 实 际 上 是 随 时 变 动 的 不 稳 定 的 空 穴 。 空 腔
内 表 面 上 产 生 许 多 小 的 、 直 径 几 乎 不 变 的 游 移 型 空 泡 , 这 些 气 泡 沿 固 定 型 空 穴 内 表 面 移 动 到
工 作 段 尾 部 溃 灭 消 失 。 此 外 , 试 验 中 当 空 化 现 象 发 生 时 , 会 发 出 剧 烈 的 轰 鸣 声 , 且 随 流 速 增
加 而 加 剧 , 同 时 管 道 剧 烈 振 动 , 产 生 的 空 化 噪 声 非 常 大 。 当 从 外 部 掺 入 气 体 后 , 噪 声 明 显 减
小 , 管 道 振 动 明 显 减 弱 。 照 片 2 为 未 掺 气 时 由 数 码 相 机 拍 摄 的 圆 柱 形 突 体 空 化 现 象 。 照 片 3
为 由 PIV 拍 摄 的 圆 柱 柱 形 突 体 在 不 同 掺 气 浓 度 下 的 粒 子 图 像 。
(a)C=0% 时
(b) C=5% 时
照 片 3 不 同 掺 气 浓 度 下 圆 柱 形 突 体 上 下 游 流 场 的 粒 子 图 像
本 实 验 中 直 流 式 水 洞 采 用 变 频 调 节 水 泵 供 水 , 单 台 水 泵 50 Hz 下 进 行 数 据 测 量 。 水 流 中 平
均 掺 气 浓 度 C 为 :
C = Q
a
/( Q
a
+ Q
w
)
其 中 C 依 次 为 0%、5%、9%、13%; Q 为 空 压 机 提 供 实 际 空 气 流 量 , Q 为 工 作 段 水 流 流
量 。 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 掺 气 量 和 水 流 流 量 见 表 1。
a
w
351

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
表 1 不 同 掺 气 浓 度 下 的 实 际 掺 气 量 和 流 量
掺 气 量 C=0% C=5% C=9% C=13%
△=2 mm
Q
a (m3 /h) 0 6.5 11 15.5
Q
w (m3 /h)
112.74 103.28 98.532 95.489
Q
a (m3 /h) 0 6.2 10.4 14.7
△=5 mm
Q
w (m3 /h)
107.34 99.83 96.45 93.89
为 正 确 反 映 各 剖 面 流 体 质 点 实 际 流 动 特 性 与 流 场 整 体 流 动 特 性 的 对 应 关 系 , 实 验 数 据 经 无 量
纲 化 处 理 , 纵 向 流 速 剖 面 分 析 图 中 , 横 轴 采 用 u/U, 竖 轴 采 用 y/H, 其 中 u 代 表 PIV 实 测 的
各 个 点 的 流 速 ,U 代 表 对 应 不 同 掺 气 量 时 的 进 水 流 速 , 由 超 声 波 多 普 勒 流 量 计 可 以 得 到 ;y
代 表 PIV 测 点 的 具 体 计 算 位 置 ,H 为 工 作 段 的 垂 直 高 度 , 为 35 mm。 垂 向 流 速 剖 面 竖 轴 采 用
v/U, 横 轴 采 用 x/L, 其 中 ,v 代 表 PIV 实 测 各 个 点 的 流 速 ,U 同 上 ;x 代 表 PIV 测 点 的 具 体 计
算 位 置 ,L 为 工 作 段 的 纵 向 长 度 , 为 150 mm。
现 将 工 作 段 划 分 成 9 个 垂 直 剖 面 和 6 个 水 平 剖 面 , 以 便 分 析 。PIV 照 片 剖 面 位 置 见 图 1,
对 应 的 具 体 位 置 见 表 2。
(a) 垂 直 剖 面 具 体 位 置
(b) 水 平 剖 面 具 体 位 置
图 1 工 作 段 内 剖 面 具 体 位 置
表 2 剖 面 对 应 的 具 体 位 置
垂 直 剖 面 1—1 2—2 3—3 4—4 5—5 6—6 7—7 8—8 9—9
位 置 (mm) x=0 x=10.24 x=17.92 x=20.48 x=23.04 x=25.60 x=35.84 x=56.32 x=94.72
水 平 剖 面 1—1 2—2 3—3 4—4 5—5 6—6
位 置 (mm) y=0 y=2.56 y=5.12 y=7.68 y=10.24 y=12.80
其 中 2 mm 圆 柱 形 突 体 所 测 产 生 空 化 区 域 水 平 方 向 为 x=17.92-94.72 mm; 垂 直 方 向 高 度
为 y=0-2.56 mm;
352

第 二 部 分 工 程 水 力 学
5 mm 圆 柱 形 突 体 所 测 产 生 空 化 区 域 水 平 方 向 为 x=17.92-94.72mm; 垂 直 方 向 高 度 为
y=0-5.12 mm。
3 试 验 结 果 与 分 析
3.1 2 mm 高 圆 柱 形 突 体 纵 向 流 速 分 析
如 图 2 所 示 , 空 化 区 内 (y/H≦0.1) 在 掺 气 状 态 下 , 工 作 段 整 体 纵 向 流 速 剖 面 分 布 相 接
近 , 离 散 度 较 小 , 在 圆 柱 体 下 游 区 域 内 速 度 明 显 相 接 近 , 掺 气 能 降 低 速 度 的 脉 动 现 象 。 空 化
区 速 度 最 大 值 出 现 在 x=35.84 mm 处 ( 圆 柱 形 突 体 后 大 约 20 mm)。
C=0%, 2mm
0.8
C=5%, 2mm
0.8
0.7
u/U
1
0
0.8 0.6 0.4 0.2 0
0.6
0.4
0.2
x=17.92mm x=20.48mm x=23.04mm
x=25.60mm x=35.84mm x=56.32mm
x=94.72mm
y/H
u/U
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
y/H
(a) C=0%
(b) C=5%
1
u/U
0.8
C=9%, 2mm
0.6
0.4
0.2
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
y/H
u/U
1
0.8
C=13%, 2mm
0.6
0.4
0.2
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
y/H
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
3.2 2mm 高 圆 柱 形 突 体 垂 向 流 速 分 析
(c) C=9%
(d) C=13%
图 2 2 mm 高 圆 柱 形 突 体 纵 向 流 速 剖 面
从 图 3 可 以 得 出 , 与 未 掺 气 状 态 相 比 , 在 掺 气 状 态 下 , 空 化 区 内 (x/L≧0.1) 垂 向 水 流
速 度 变 化 情 况 减 弱 , 尤 其 在 圆 柱 形 突 体 下 游 区 域 内 , 各 个 剖 面 的 垂 向 流 速 随 掺 气 浓 度 的 增 加
而 减 弱 , 掺 入 气 体 增 加 了 工 作 段 整 体 压 强 , 减 少 了 空 泡 的 产 生 与 溃 灭 ; 同 时 掺 气 对 突 体 上 游
水 流 流 态 影 响 很 大 , 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 垂 向 流 速 峰 值 逐 渐 增 大 ; 且 随 着 所 取 水 平 剖 面 高 度
的 增 加 , 对 应 位 置 的 垂 向 流 速 增 大 ; 产 生 的 最 大 垂 向 流 速 随 掺 气 量 的 增 加 而 增 大 。 在 掺 气 状
态 下 , 垂 向 流 速 形 成 具 有 逆 时 针 方 向 的 漩 涡 。
353

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
0.7
x/L
0.6
C=0%,2mm
0.5 0.4 0.3
y =0mm
0.2
0.1
y =2.56mm
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
0
v/U
0.7
x/L
C=5%,2mm
0.03
0.02
0.01
-0.01
-0.02
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
-0.03
0
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
0
v/U
(a) C=0%
(b) C=5%
x/L
0.7
C=9%,2mm
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
v/U
0.7
x/L
0.6
C=13%,2mm
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
v/U
-0.01
0
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
(c) C=9%
图 3 2 mm 高 圆 柱 形 突 体 垂 向 剖 面 流 态
(d) C=13%
3.3 5 mm 高 圆 柱 形 突 体 纵 向 流 速 分 析
C=0%,5mm
0.8
0.6
C=5%,5mm
0.8
0.6
u/U
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.4
0.2
0
0
x=17.92mm x=20.48mm x=23.04mm
x=25.60mm x=35.84mm x=56.32mm
x=94.72mm
y/H
1.2 u/U
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.4
0.2
0
0
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
y/H
(a) C=0%
(b) C=5%
C=9%,5mm
0.8
0.6
C=13%,5mm
0.8
0.6
u/U
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.4
0.2
0
0
y/H
1.2 u/U
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.4
0.2
0
0
y/H
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
x=0mm x=10.24mm x=17.92mm
x=20.48mm x=23.04mm x=25.60mm
x=35.84mm x=56.32mm x=94.72mm
(c) C=9%
(d) C=13%
图 4 5 mm 高 圆 柱 形 突 体 纵 向 流 速 分 析
从 图 4 中 可 以 得 到 , 掺 气 能 增 大 整 个 流 场 速 度 。 在 空 化 区 (y/H≦0.3) 内 , 未 掺 气 状 态
下 , 突 体 周 围 水 流 速 度 变 化 剧 烈 。 气 体 掺 入 后 , 空 化 区 速 度 先 逐 渐 增 加 , 达 到 速 度 最 大 值 后
出 现 速 度 回 落 。 突 体 下 游 产 生 空 化 区 域 内 纵 向 流 速 分 布 的 离 散 度 比 对 应 2 mm 圆 柱 形 突 体 大 。
掺 气 状 态 下 , 空 化 区 速 度 最 大 值 出 现 在 x=35.84 mm 处 ( 圆 柱 形 突 体 后 大 约 20 mm)。
354

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3.4 5 mm 高 圆 柱 形 突 体 垂 向 流 速 分 析
从 图 5 可 以 得 出 圆 柱 形 突 体 空 化 区 (x/L≧0.1) 内 , 与 未 掺 气 相 比 , 掺 气 状 态 下 空 化 区
内 垂 向 流 速 减 弱 , 尤 其 在 圆 柱 形 突 体 下 游 区 域 内 , 各 个 剖 面 的 垂 向 流 速 随 掺 气 量 的 增 加 而 趋
于 平 稳 , 说 明 掺 入 气 体 增 加 了 工 作 段 整 体 压 强 , 减 少 了 空 泡 的 产 生 与 溃 灭 。 掺 气 对 突 体 上 游
水 流 流 态 影 响 很 大 , 随 着 掺 气 量 的 增 加 , 速 度 峰 值 逐 渐 增 大 , 且 随 着 所 取 水 平 剖 面 高 度 的 增
加 , 产 生 的 垂 向 流 速 越 大 。 与 2 mm 情 形 类 似 , 在 掺 气 状 态 下 , 垂 向 流 速 产 生 漩 涡 。
C=0%,5mm
0.04
0.02
C=5%,5mm
0.1
0.05
x/L
0.7
-0.02
-0.04
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
y =0mm y=2.56mm y =5.12mm
0
v/U
x/L
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.05
0 -0.1
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
v/U
(a) C=0%
(b) C=5%
x/L
0.7
C=9%,5mm
0.15
0.1
0.05
-0.05
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
0
v/U
x/L
0.7
0.6
C=13%,5mm
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
y=0mm y=2.56mm y=5.12mm
y=7.68mm y=10.24mm y=12.80mm
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
0
v/U
(c) C=9%
图 5 5 mm 高 圆 柱 形 突 体 垂 向 剖 面 流 态
(d) C=13%
4 2 mm 和 5 mm 圆 柱 形 突 体 相 同 位 置 纵 向 流 速 比 较
掺 气 浓 度 为 C=0% 时 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 流 速 如 图 6 所 示 , 从 x=35.84mm 剖 面 开 始 , 由
不 同 高 度 突 体 产 生 空 化 所 引 发 的 速 度 变 化 相 接 近 。 在 空 化 区 内 , 靠 近 固 体 边 界 的 速 度 十 分 接
近 。
x=23.04mm
0.8
x=35.84mm
0.8
x=56.32mm
0.8
0.4
0.3
5mm
2mm
0.2
u/U
0.1
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
1
0.5
u/U
5mm
2mm
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
1.5
1
5mm
2mm
0.5
u/U
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
(a)x=23.04 mm (b)x=35.84 mm (c)x=56.32 mm
图 6 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 相 同 位 置 纵 向 流 速 比 较 (C=0%)
掺 气 浓 度 为 C=5% 时 速 度 分 布 如 图 7 所 示 , 突 体 高 度 不 同 , 空 化 区 速 度 也 不 同 ,△=5 mm
空 化 区 纵 向 流 速 变 化 情 况 远 大 于 △=2 mm 情 况 ,△=2 mm 空 化 区 内 速 度 基 本 维 持 在 0.6-0.7
之 间 , 而 △=5 mm 分 布 则 从 0.4-0.8 不 等 , 即 空 化 区 内 速 度 差 异 较 大 。 突 体 高 度 的 增 加 影 响
纵 向 流 速 分 布 。
355

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
x=10.24mm
5mm
2mm
0.8
0.6
0.4
y/H
x=17.92mm
5mm
2mm
0.8
0.6
0.4
y/H
x=20.48mm
5mm
2mm
0.8
0.6
0.4
y/H
0.2
0.2
0.2
0.8
0.6
0.4
u/U
0.2
0
0
0.8
0.6
0.4 0.2
u/U
0
0
0.8
0.6
0.4
u/U
0.2
0
0
(a)x=10.24 mm (b)x=17.92 mm (c)x=20.48 mm
x=23.04mm
5mm
2mm
1 0.8 0.6 0.4 0.2
u/U
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
x=25.6mm
5mm
2mm
1 0.8 0.6
u/U
0.4 0.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
1
0.8
x=35.84mm
5mm
2mm
0.6 0.4 0.2
u/U
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
y/H
(d)x=23.04 mm (e)x=25.60 mm (f)x=35.84 mm
图 7 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 相 同 位 置 纵 向 流 速 比 较 (C=5%)
5 2 mm 和 5 mm 圆 柱 形 突 体 垂 向 流 速 比 较
不 同 高 度 突 体 的 垂 向 流 速 比 较 分 为 两 种 情 况 , 空 化 区 内 与 非 空 化 区 内 的 比 较 。△=5 mm
的 空 化 区 内 剖 面 包 括 y=2.56 mm, y=0 mm。△=2 mm 的 空 化 区 内 剖 面 只 有 y=0 mm。
掺 气 浓 度 为 C=0% 时 速 度 如 图 8 所 示 , 在 未 掺 气 时 , 不 同 高 度 突 体 形 成 空 化 区 域 内 , 垂
向 流 速 变 化 趋 势 一 致 。 同 时 可 以 发 现 在 突 体 后 10 mm 左 右 与 突 体 后 60 mm 左 右 这 两 个 位 置 垂
向 流 速 变 化 很 急 剧 , 突 体 下 游 区 域 离 固 壁 边 界 越 远 , 垂 向 流 速 变 化 越 小 。
掺 气 浓 度 为 C=5% 时 速 度 如 图 9 所 示 , 在 掺 气 状 态 下 , 突 体 下 游 垂 向 流 速 趋 于 稳 定 , 但
在 突 体 周 围 区 域 会 增 加 垂 向 流 速 的 紊 动 程 度 , 且 随 着 突 体 高 度 的 增 加 而 增 大 。 同 时 , 随 着 所
取 剖 面 高 度 的 增 加 , 突 体 后 10 mm 到 40 mm 区 域 内 形 成 漩 涡 的 现 象 愈 发 明 显 。
0.04
0.04
0.03
0.03
x/L
0.7
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
5mm Y=0mm 2mm Y=0mm 5mm Y=2.56mm
v/U
x/L
0.7
0.6 0.5 0.4
5mm Y=5.12mm
0.3 0.2 0.1
2mm Y=2.56mm
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
0
v/U
(a)
(b)
图 8 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 垂 向 流 速 比 较 (C=0%)
356

第 二 部 分 工 程 水 力 学
x/L
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
0
v/U
x/L
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
0
v/U
5mm Y=0mm 2mm Y=0mm 5mm Y=2.56mm
5mm Y=5.12mm
2mm Y=2.56mm
(a)
(b)
0.7
x/L
0.6 0.5 0.4
5mm Y=7.68mm
0.3
0.2
0.1
2mm Y=2.56mm
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
0
v/U
0.7
x/L
0.6
0.5
0.4
5mm Y=10.24mm
0.3
0.2
0.1
2mm Y=7.68mm
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
0
v/U
(c) (d )
图 9 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 垂 向 流 速 比 较 (C=5%)
6 结 论
通 过 对 不 同 高 度 圆 柱 形 不 平 整 突 体 在 不 同 掺 气 浓 度 下 的 速 度 分 布 分 析 , 我 们 可 以 得 到 ,
掺 气 能 有 效 减 轻 由 圆 柱 形 不 平 整 突 体 引 发 的 空 化 程 度 , 掺 入 气 体 增 加 了 工 作 段 整 体 压 强 , 减
少 了 空 泡 的 产 生 与 溃 灭 。 掺 气 状 态 下 , 突 体 高 度 的 增 加 能 增 大 突 体 下 游 区 域 内 纵 向 流 速 的 紊
动 特 性 , 且 增 大 纵 向 流 速 分 布 的 离 散 度 ; 同 时 在 空 化 区 内 , 不 同 高 度 圆 柱 形 突 体 均 在 突 体 下
游 约 20 mm 处 出 现 速 度 最 大 值 , 之 后 , 出 现 速 度 回 落 现 象 。 掺 入 气 体 增 加 了 工 作 段 整 体 压 强 ,
减 少 了 空 泡 的 产 生 与 溃 灭 ; 掺 气 能 增 大 突 体 上 游 区 域 垂 向 流 速 的 紊 动 特 性 ; 同 时 在 突 体 下 游
产 生 空 化 区 域 , 垂 向 流 速 紊 动 特 性 随 掺 气 量 的 增 加 而 逐 渐 减 小 , 且 垂 向 流 速 产 生 涡 旋 。 未 掺
气 状 态 下 , 不 同 高 度 突 体 形 成 空 化 区 内 的 垂 向 速 度 分 布 相 似 , 且 都 能 在 突 体 后 10 mm 和 60 mm
左 右 形 成 较 大 紊 动 ; 掺 入 气 体 后 , 突 体 高 度 的 不 同 会 影 响 空 化 区 内 的 流 速 大 小 以 及 漩 涡 的 形
成 。
参 考 文 献
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水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
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358

第 二 部 分 工 程 水 力 学
三 峡 水 利 枢 纽 工 程 水 力 学 安 全 监 测
邓 浩 张 辉
( 长 江 科 学 院 水 力 学 所 武 汉 市 黄 浦 路 23 号 430010 lzqzydh@sin.com.cn)
摘 要 本 文 对 三 峡 水 利 枢 纽 工 程 水 力 学 安 全 监 测 布 置 和 观 测 成 果 进 行 了 综 合 介 绍 。 重 点 论 述 了
船 闸 和 泄 洪 深 孔 水 力 学 观 测 成 果 。 船 闸 输 水 阀 门 连 续 开 启 时 由 于 输 水 流 量 过 大 , 导 致 输 水 廊 道 第
一 分 流 口 处 出 现 空 化 现 象 。 改 为 间 歇 开 启 后 , 控 制 廊 道 最 大 输 水 流 量 在 600 m 3 /s 左 右 , 解 决 了
输 水 廊 道 第 一 分 流 口 处 的 空 化 问 题 。165 m 水 位 船 闸 采 用 五 级 补 水 运 行 ,2 闸 首 阀 门 操 作 方 式 :
双 阀 输 水 ,2 min 速 率 开 至 n=0.7, 停 1.5 min 后 再 开 至 全 开 , 剩 余 水 头 5.9 m 时 动 水 关 阀 ; 单
阀 输 水 ,2 min 速 率 间 歇 开 至 n=0.7, 停 5 min 后 再 开 至 全 开 , 剩 余 水 头 为 2.2 m 时 动 水 关 阀 。
泄 洪 深 孔 在 库 水 位 172 m 运 用 时 , 水 流 掺 气 充 分 , 坝 面 压 力 正 常 , 无 明 显 的 空 化 水 流 。
关 键 词 船 闸 ; 泄 洪 深 孔 ; 空 化 ; 脉 动 压 力 ; 阀 门 间 歇 开 启
1 工 程 概 况 及 监 测 布 置
三 峡 大 坝 为 砼 重 力 坝 , 坝 顶 高 程 185 m, 坝 轴 线 全 长 2309.4 m, 设 计 蓄 水 位 175 m。 泄
洪 坝 段 布 置 有 23 个 泄 洪 深 孔 和 22 个 溢 流 表 孔 。 厂 房 为 坝 后 式 厂 房 和 地 下 式 厂 房 , 安 装 32
台 700MW 发 电 机 组 ( 地 下 厂 房 6 台 )。 为 了 排 沙 需 要 , 在 左 岸 坝 段 布 置 3 个 排 沙 孔 , 右 岸 坝
段 布 置 4 个 排 沙 孔 , 地 下 厂 房 布 置 1 个 排 沙 孔 。 泄 洪 坝 段 左 、 右 两 个 导 墙 上 布 置 2 个 排 漂 孔 。
右 岸 非 溢 流 坝 段 布 置 1 个 排 漂 孔 。
永 久 通 航 建 筑 物 由 双 线 五 级 船 闸 和 一 线 垂 直 升 船 机 组 成 , 五 级 船 闸 每 级 闸 室 平 面 尺 寸
280 m×34 m, 坎 上 水 深 5 m。 船 闸 上 游 设 计 最 高 通 航 水 位 175 m, 下 游 最 低 通 船 水 位 62 m,
总 水 头 差 113 m。 根 据 水 级 划 分 , 五 级 船 闸 中 间 级 最 大 水 头 差 45.2 m。
三 峡 枢 纽 工 程 水 力 学 安 全 监 测 设 计 布 置 遵 循 “ 全 面 兼 顾 , 突 出 重 点 ” 的 原 则 , 确 定 了 各
建 筑 物 水 力 学 监 测 部 位 。
1.1 船 闸
输 水 阀 门 在 高 速 水 流 非 恒 定 流 态 作 用 下 , 随 各 种 复 杂 水 动 力 作 用 , 极 易 发 生 空 化 声 振 ,
而 危 害 阀 门 的 安 全 运 行 。 闸 室 第 一 、 二 分 流 口 采 用 上 、 下 两 层 垂 直 分 流 形 式 , 在 圆 弧 段 拐 弯
处 的 高 速 水 流 容 易 产 生 水 流 分 离 , 也 可 能 产 生 空 化 现 象 。 五 闸 室 泄 水 主 要 采 用 长 廊 道 外 泄 入
隔 流 堤 外 主 河 道 中 , 闸 室 水 位 超 泄 过 大 可 能 引 起 闸 室 与 引 航 道 水 位 差 增 大 , 从 而 推 开 人 字 门 。
另 外 , 事 故 动 水 关 阀 时 长 廊 道 会 产 生 较 强 的 水 击 波 振 荡 , 在 六 闸 首 阀 门 后 至 下 游 检 修 门 井 附
近 , 可 能 产 生 水 流 脱 空 现 象 。 因 此 选 择 各 级 闸 室 中 支 廊 道 、 分 支 廊 道 、 第 一 、 二 分 流 口 , 各
闸 首 输 水 廊 道 的 阀 门 段 , 正 向 取 水 口 , 泄 水 箱 涵 2-6 闸 首 反 弧 门 启 闭 机 等 部 位 进 行 水 力 学 监
测 。
双 线 五 级 船 闸 同 时 和 错 时 充 泄 水 时 , 可 能 使 引 航 道 内 流 速 和 靠 船 墩 处 系 缆 力 超 过 允 许
值 , 并 在 引 航 道 内 产 生 往 复 波 。 永 久 船 闸 下 游 与 升 船 机 下 游 交 汇 共 用 下 游 引 航 道 , 船 闸 泄 水
时 , 下 游 引 航 道 的 水 面 波 动 传 到 升 船 机 下 闸 首 影 响 承 船 厢 下 端 阀 门 的 启 闭 运 行 。 故 选 择 上 、
下 游 引 航 道 进 行 水 力 学 监 测 。
监 测 仪 器 有 脉 动 压 力 计 、 水 听 器 、 水 位 计 、 声 级 计 、 风 速 仪 、 油 压 传 感 器 、 拉 力 传 感 器 、
波 浪 传 感 器 、 水 尺 、 流 速 仪 等 共 400 余 支 。
359

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
1.2 厂 房 和 泄 洪 坝 段
泄 洪 坝 段 深 孔 工 作 水 头 近 90 m, 最 大 流 速 可 达 40 m/s。 由 高 速 水 流 引 起 的 空 蚀 、 磨 蚀 、
压 力 脉 动 、 掺 气 、 冲 刷 及 雾 化 等 问 题 非 常 复 杂 , 遇 到 大 流 量 时 , 深 孔 和 表 孔 将 联 合 使 用 。 考
虑 到 深 孔 和 表 孔 布 置 的 对 称 性 以 及 来 流 条 件 的 非 均 匀 和 非 对 称 性 , 故 选 择 1、12、23 号 深 孔
和 1、11、22 号 表 孔 进 行 水 力 学 监 测 。 左 、 右 岸 电 站 厂 房 装 机 26 台 ( 不 含 地 下 电 站 ), 机 组
最 大 流 量 966 m 3 /s, 引 水 钢 管 直 径 达 12.4 m, 根 据 26 台 机 组 的 布 置 , 选 择 1 号 、7 号 、21
号 26 号 机 组 及 其 过 流 系 统 作 为 监 测 对 象 。 为 减 少 泥 沙 过 机 , 左 、 右 岸 厂 房 坝 段 共 布 置 7 个
排 沙 孔 , 其 长 度 超 过 100 m, 孔 内 最 高 流 速 接 近 30 m/s。 根 据 左 厂 排 沙 孔 布 置 特 点 , 选 择 1、
2、7 号 排 沙 孔 作 为 监 测 对 象 。 监 测 仪 器 有 测 压 管 、 压 力 传 感 器 、 水 听 器 、 流 速 仪 、 掺 气 仪 、
水 尺 、 风 速 仪 等 800 余 支 。
2 船 闸 监 测 成 果 分 析
三 峡 永 久 船 闸 水 力 学 研 究 的 主 要 问 题 有 : 输 水 廊 道 阀 门 段 空 化 和 声 振 ; 闸 室 船 只 安 全 停
泊 条 件 ; 闸 室 输 水 末 期 水 流 惯 性 超 高 ( 降 ) 等 。 为 了 有 效 解 决 上 述 问 题 , 经 过 多 年 的 模 型 试
验 研 究 , 设 计 时 主 要 采 取 了 “ 快 速 开 门 、 阀 门 后 廊 道 采 用 顶 扩 + 底 扩 形 式 、 增 大 阀 门 淹 没 水
深 、 门 楣 通 气 、 动 水 关 阀 等 工 程 措 施 。 三 峡 船 闸 在 抽 水 调 试 期 144 m 水 位 、156 m 水 位 、165 m
水 位 、172 m 水 位 等 条 件 下 , 进 行 了 大 量 的 观 测 工 作 , 积 累 了 许 多 宝 贵 资 料 。 由 于 篇 幅 的 限
制 , 本 文 仅 选 择 几 个 重 要 问 题 进 行 分 析 。
2.1 45.2 m 水 头 阀 门 连 续 开 启 观 测 成 果
2.1.1 闸 室 水 力 学 特 性
中 间 级 闸 室 初 始 水 头 45.2 m, 阀 门 连 续 开 启 , 各 闸 室 充 泄 水 水 力 特 征 值 见 表 1。
从 表 1 数 据 看 出 , 各 级 闸 室 充 水 时 间 都 满 足 设 计 要 求 , 小 于 12 min。 双 边 廊 道 充 水 时 ,
各 闸 室 输 水 时 间 8.8~11.3 min, 充 水 最 大 流 量 603~698 m 3 /s, 流 量 系 数 0.68~0.75。 单
边 廊 道 充 水 时 , 各 闸 室 输 水 时 间 15.5~18.3 min, 充 水 最 大 流 量 344~419 m 3 /s, 流 量 系 数
0.74~0.8。 和 模 型 值 相 比 较 , 输 水 时 间 原 型 较 模 型 缩 短 17.6%, 最 大 流 量 较 模 型 增 大 32%,
流 量 系 数 较 模 型 增 大 34.6%。 根 据 分 析 , 三 峡 多 级 船 闸 和 葛 洲 坝 单 级 船 闸 原 、 模 型 缩 尺 影 响
来 看 前 者 大 于 后 者 , 流 量 系 数 约 大 16%。
2、3、4 级 闸 室 双 边 廊 道 充 水 时 , 阀 门 从 关 闭 位 到 全 开 加 上 提 前 动 水 关 闭 阀 门 从 全 开 位
关 至 0.2 或 0.3 开 度 的 启 闭 历 时 与 输 水 总 历 时 之 百 分 比 : 第 2 闸 室 为 54.9%( 初 始 水 头 差 较
小 , 为 31.6 m), 第 3 闸 室 为 42.9%, 第 4 闸 室 为 41.6%, 这 表 明 输 水 廊 道 有 效 断 面 充 分 发
挥 作 用 的 时 间 基 本 上 占 充 水 时 间 的 50% 以 上 , 输 水 效 率 高 , 说 明 三 峡 船 闸 输 水 系 统 设 计 是 合
理 的 。
2.1.2 输 水 廊 道 空 化 特 性
中 间 级 闸 室 初 始 水 头 45.2 m, 阀 门 连 续 开 启 , 单 、 双 边 输 水 。
在 阀 门 0.1-0.8 开 度 , 门 楣 通 气 孔 能 够 正 常 通 气 , 门 楣 附 近 无 空 化 。 在 门 楣 通 气 停 止 后
(0.8 开 度 以 后 ), 其 附 近 的 水 流 噪 声 声 压 级 突 然 升 高 20~40dB, 持 续 时 间 约 120 秒 左 右 。
从 监 测 结 果 看 ,
阀 门 全 开 后 一 段 时 间 内 , 门 楣 附 近 有 空 化 现 象 。
闸 室 第 一 分 流 口 附 近 , 在 阀 门 开 度 0.5 至 全 开 后 一 段 时 间 内 , 其 水 流 噪 声 强 度 较 大 , 水
流 噪 声 声 压 级 比 背 景 噪 声 声 压 级 高 出 20 dB, 说 明 闸 室 第 一 分 流 口 附 近 有 空 化 现 象 。
360

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2.2 45.2 m 水 头 阀 门 间 歇 开 启 观 测 成 果
船 闸 正 式 运 行 一 段 时 间 后 , 经 排 干 检 查 发 现 3、4 闸 室 第 一 分 流 口 隔 板 上 有 混 凝 土 剥 落
现 象 , 主 要 原 因 是 : 闸 室 充 泄 时 , 阀 门 全 开 后 , 输 水 流 量 到 达 最 大 。
表 1 阀 门 连 续 开 启 、 单 双 边 输 水 各 级 闸 室 水 力 特 征 值
充 ( 泄 ) 水 闸
闸 室 序 号
充 泄 水
方 式
初 始 工
作 水 头
(m)
开 阀 门
时 间
(min)
动 水 关
阀 水 头
(m)
输 水 时 间
(min)
最 大 流 量
(m 3·s -1 )
最 大 流 量
系 数
最 大 超 灌
( 泄 ) 水 头
(cm)
3
4
双 充 44.89 2.23 5.72 11.30 679 0.68 0
单 充 45.11 2.05 2.15 18.30 388 0.74 15
双 充 45.13 1.90 5.60 10.50 698 0.70 8
单 充 45.12 1.97 2.10 17.80 384 0.74 9
双 充 40.98 1.72 5.60 8.87 682 0.73 2
5
单 充 44.63 1.87 2.14 15.60 419 0.80 -5
闸 室 双 边 输 水 时 , 最 大 流 量 可 达 700 m 3 /s, 远 大 于 模 型 估 算 值 。 此 时 , 闸 室 第 一 分 流 口
处 的 平 均 流 速 仍 有 12 m/s 左 右 。 第 一 分 流 口 处 在 阀 门 全 开 后 120 秒 内 有 空 化 现 象 。 为 了 抑
制 闸 室 第 一 分 流 口 处 空 化 现 象 发 生 , 必 须 控 制 闸 室 最 大 输 水 流 量 。 长 科 院 做 的 模 型 试 验 认 为 :
闸 室 双 边 输 水 最 大 流 量 控 制 在 600 m 3 /s 以 内 , 将 总 体 改 善 输 水 系 统 水 力 学 条 件 。 为 此 , 阀
门 运 行 方 式 改 为 间 歇 开 启 。
2.2.1 闸 室 水 力 学 特 性
156 m 水 位 时 , 船 闸 采 取 4 级 运 行 方 式 , 中 间 级 各 闸 室 最 大 工 作 水 头 45.2 m。 输 水 阀 门
采 取 间 歇 开 启 方 式 , 中 间 级 各 闸 室 阀 门 双 边 输 水 时 , 阀 门 以 2 min 速 度 开 启 , 开 至 0.65 开
度 停 3 min 后 再 开 至 全 开 位 ; 阀 门 单 边 输 水 时 , 阀 门 以 2 min 的 速 度 开 启 , 开 至 0.65 开 度
停 7 min 再 开 至 全 开 位 。 各 中 级 闸 室 水 力 学 特 征 值 见 表 2。
表 2 阀 门 间 歇 开 启 、 单 双 边 输 水 各 级 闸 室 水 力 特 征 值
闸 室
序 号
3
充 泄 水 初 始 工 作 开 阀 时 间 动 水 关 阀
方 式 水 头 (m) (min) 水 头 (m)
输 水 时 间 最 大 流 量 最 大 流 量 阀 门 初 始
(min) (m 3·s -1 ) 系 数 淹 没 水 深 (m)
双 充 45.39 1.98 5.4 11.62 605 0.59 32.4
单 充 45.10 2.06 1.9 20.35 337 0.64 32.6
4 双 充 45.54 1.96 5.7 11.05 610 0.61 30.4
双 充 45.14 1.61 5.7 10.38 624 0.59 29.8
5
单 充 45.19 1.60 2.1 17.93 352 0.65 28.9
观 测 结 果 表 明 : 各 闸 室 单 、 双 边 输 水 时 , 闸 室 内 流 态 平 稳 , 各 区 段 无 明 显 的 纵 横 向 水 流
流 动 趋 势 。 在 设 定 阀 门 开 启 时 间 为 2 min 的 条 件 下 , 闸 室 双 边 输 水 时 , 输 水 时 间 为 10.38 min~
11.6 min, 满 足 设 计 要 求 : 最 大 输 水 流 量 624 m 3 /s, 最 大 流 量 系 数 0.61; 闸 室 单 边 输 水 时 ,
输 水 时 间 17.9 min~20.35 min, 最 大 输 水 流 量 352 m 3 /s, 最 大 流 量 系 数 0.65。 闸 室 输 水 效
率 高 。
为 有 效 抑 制 闸 室 输 水 末 期 , 水 流 惯 性 作 用 产 生 过 大 的 超 灌 ( 泄 ) 水 头 , 仍 采 取 在 相 邻 两
闸 室 水 位 齐 平 前 提 前 动 水 关 闭 阀 门 的 措 施 。 闸 室 双 边 输 水 时 , 采 取 剩 余 6 m 左 右 水 头 时 动 水
关 阀 至 n=0.2 开 度 ; 闸 室 单 边 输 水 时 , 采 取 剩 余 水 头 2 m 左 右 动 水 关 阀 至 n= 0.3 开 度 的 运
行 方 式 , 闸 室 水 位 惯 性 超 高 ( 降 ) 被 控 制 在 20 cm 内 。5 闸 室 双 边 充 水 流 量 过 程 线 见 图 1。
2.2.2 输 水 廊 道 空 化 特 性
156 m 水 位 , 中 间 级 闸 室 初 始 水 头 45.2m, 阀 门 间 歇 开 启 , 单 、 双 边 输 水 。
361

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
各 闸 首 门 楣 通 气 孔 可 自 然 通 气 , 最 大 通 气 量 0.48 m 3 /s( 双 边 )。 双 边 输 水 时 有 效 通 气 时
间 210 秒 左 右 ; 单 边 输 水 时 有 效 通 气 时 间 450 秒 左 右 。 通 气 量 大 于 模 型 试 验 值 。
中 间 级 闸 室 阀 门 双 边 间 歇 开 启 后 10~200 s 时 段 内 , 门 楣 通 气 孔 可 自 然 通 气 , 门 楣 附 近
无 明 显 的 空 化 现 象 。200~260 s 时 段 内 , 门 楣 通 气 停 止 , 其 噪 声 强 度 升 高 , 最 大 声 谱 级 差
约 15 dB。 说 明 门 楣 附 近 有 弱 空 化 现 象 。 阀 门 开 启 260 s 后 , 高 频 段 声 谱 级 迅 速 减 小 接 近 背
景 声 级 。
700
500
Q(m 3 /s)
300
100
-100
0 200 400 600 800 1000
t(s)
图 1 5 闸 室 双 边 充 水 流 量 过 程 线
阀 门 单 、 双 边 输 水 , 中 间 级 闸 室 第 一 分 流 口 附 近 其 水 流 噪 声 强 度 变 化 不 大 , 声 压 级 起 伏
10dB 左 右 , 说 明 闸 室 第 一 分 流 口 附 近 无 空 化 现 象 。
SPL(dB)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
总 声 级
f=125Hz 声 级
f=100kHz 声 级
开 度
2.3 船 闸 五 级 补 水 运 行 方 式 研 究
0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720
t(s)
图 2 2 闸 室 第 1 分 流 口 声 谱 级 过 程 线 ( 双 阀 运 行 )
三 峡 大 坝 蓄 水 后 , 库 水 位 将 由 144 m 升 至 175 m。 船 闸 将 出 现 四 级 运 行 、 五 级 补 水 运 行
和 五 级 不 补 水 运 行 多 种 工 况 。 根 据 现 场 观 测 并 结 合 以 往 模 型 试 验 , 初 步 确 定 船 闸 运 行 方 式 :
水 位 在 144 m-156 m 时 , 船 闸 采 用 四 级 运 行 ; 水 位 在 156 m-165 m, 船 闸 采 用 五 级 补 水 运 行 ;
水 位 在 165 m-175 m, 船 闸 采 用 五 级 不 补 水 运 行 。
165 m 水 位 时 , 对 2 闸 室 充 水 进 行 了 观 测 。2 闸 室 单 、 双 边 输 水 水 力 特 征 值 见 表 3。
船 闸 在 156 m-165 m 区 间 运 行 时 , 2 闸 室 充 水 , 由 于 水 体 不 够 , 需 从 上 游 引 航 道 补 水
才 能 满 足 1、2 闸 室 水 位 齐 平 后 1 闸 室 起 始 水 深 5 m 的 要 求 。
补 水 阀 运 行 方 式 : 作 为 补 水 阀 的 1 闸 首 阀 门 较 2 闸 首 阀 门 提 前 30 s 开 启 , 双 边 以 2 min
速 率 全 开 , 停 5 s 后 以 3 min 速 率 连 续 关 阀 至 关 终 位 。
2 闸 首 阀 门 操 作 方 式 : 双 阀 以 2 min 速 率 开 启 至 n=0.7, 停 1.5 min 后 开 至 全 开 , 剩 余
水 头 5.9 m 时 动 水 关 阀 , 关 至 n=0.30 等 待 水 位 齐 平 ; 单 阀 以 2 min 速 率 间 歇 开 启 至 n=0.7,
停 5 min 后 开 至 全 开 , 剩 余 水 头 为 2.2 m 时 动 水 关 阀 , 关 至 n=0.4 等 待 水 位 齐 平 。
2 闸 室 充 水 时 , 上 游 取 水 口 水 面 平 稳 ,1、2 闸 室 水 面 升 降 平 稳 。 补 水 阀 的 启 闭 未 对 1
闸 室 及 2 闸 室 流 态 产 生 明 显 影 响 。 输 水 时 间 满 足 设 计 要 求 。
n
1
0.8
0.6
0.4
0.2
362

第 二 部 分 工 程 水 力 学
双 边 输 水 过 程 中 的 最 大 补 水 流 量 318 m 3 /s,1 闸 室 泄 水 流 量 过 程 出 现 两 个 峰 值 , 第 一 个
峰 值 出 现 在 充 水 阀 全 开 附 近 , 第 二 个 峰 值 出 现 在 补 水 阀 关 闭 过 程 中 , 表 明 补 水 阀 的 关 闭 使 泄
水 闸 室 的 泄 水 流 量 增 大 。1 闸 室 泄 水 全 过 程 最 大 泄 水 流 量 479 m 3 /s, 出 现 在 充 水 阀 门 全 开 后
39s 左 右 ;2 闸 室 最 大 充 水 流 量 619 m 3 /s, 出 现 在 充 水 阀 门 间 歇 中 期 。 流 量 超 过 了 600 m 3 /s,
其 原 因 是 补 水 阀 在 补 水 量 达 到 后 未 能 及 时 关 闭 。 补 水 阀 运 行 方 式 有 待 优 化 。
表 3 2 闸 室 单 、 双 边 输 水 水 力 特 征 值
初 始 工 开 阀 门 动 水 关 输 水 最 大 最 大 补 动 水 超 灌 ( 泄 )
充 泄 水
作 水 头 时 间 阀 水 头 时 间 流 量 水 流 量 关 阀 水 头
方 式
(m) (min) (m) (min) (m 3·s -1 ) (m 3·s -1 ) 小 开 度 (m)
双 充 35.8 2.0 5.9 10.0 619 318 0.3 0.12
单 充 36.3 2.0 2.2 17.4 358 240 0.4 0.09
单 边 输 水 最 大 补 水 流 量 为 240 m 3 /s,1 闸 室 泄 水 流 量 过 程 出 现 两 个 峰 值 , 第 一 个 峰 值 出
现 在 充 水 阀 全 开 附 近 , 第 二 个 峰 值 出 现 在 补 水 阀 关 闭 后 。 1 闸 室 最 大 泄 水 流 量 280 m 3 /s,2
闸 室 最 大 充 水 流 量 358 m 3 /s。
3 泄 洪 坝 段 监 测 成 果 分 析
3.1 泄 洪 深 孔
库 水 位 172.58 m、 下 游 水 位 67.43 m, 枢 纽 泄 洪 坝 段 调 度 方 式 为 1 号 、2 号 、7 号 、10
号 和 15 号 深 孔 开 启 。 对 1 号 深 孔 进 行 了 水 力 学 观 测 。
3.1.1 流 态
深 孔 进 口 水 面 平 稳 。 观 测 时 段 , 进 口 前 偶 尔 出 现 游 移 的 表 面 漩 涡 , 直 径 约 0.8 m, 水 面
凹 陷 不 明 显 , 未 形 成 漏 斗 状 漩 涡 , 漩 涡 持 续 时 间 约 4~5 分 钟 , 且 出 现 频 度 低 。
深 孔 泄 洪 时 , 泄 槽 内 水 流 均 呈 乳 白 色 , 水 流 掺 气 充 分 。 掺 气 浓 度 大 于 2%, 通 气 孔 风 速
为 80.6 m/s。1 号 深 孔 水 舌 外 侧 几 乎 紧 贴 左 导 墙 下 泄 , 主 流 出 左 导 墙 后 向 左 扩 散 , 造 成 左 厂
尾 水 下 游 水 域 波 浪 较 大 , 左 厂 边 坡 涌 浪 爬 高 2~3 m。 水 舌 外 缘 落 点 桩 号 约 为 20+220 m, 下
游 主 流 消 能 区 旋 滚 剧 烈 , 水 体 呈 白 色 泡 沫 状 。15 号 深 孔 水 舌 落 点 以 右 和 右 纵 所 围 水 域 为 大
范 围 强 回 流 区 , 波 浪 或 涌 浪 大 , 波 浪 最 大 爬 高 可 达 10 m, 基 本 可 与 纵 向 围 堰 堰 顶 齐 平 。 下
游 右 岸 高 家 溪 岸 坡 有 水 流 顶 冲 现 象 , 涌 浪 较 大 , 岸 边 波 浪 爬 高 约 3~5 m。 泄 洪 所 形 成 的 水
雾 弥 漫 在 水 流 消 能 区 及 下 游 河 面 上 , 浓 雾 区 主 要 分 布 在 Ñ150 m 以 下 空 间 , 薄 雾 区 弥 散 可 超
过 坝 顶 Ñ185 m 以 上 空 间 。
3.1.2 脉 动 压 力 及 流 速
172.6 m 库 水 位 条 件 下 , 深 孔 开 门 过 程 中 , 工 作 门 前 有 压 段 测 点 压 力 随 闸 门 开 度 增 大 而
降 低 , 压 力 脉 动 幅 值 不 大 ; 深 孔 跌 坎 后 斜 直 段 在 闸 门 开 启 初 期 , 出 现 约 400s 时 间 段 负 压 ,
压 力 传 感 器 实 测 最 大 负 压 为 -0.68×9.81kPa, 随 着 闸 门 开 度 的 逐 渐 加 大 , 出 坎 水 流 流 速 有
所 减 小 , 底 部 空 腔 长 度 也 随 之 缩 短 , 该 部 位 逐 渐 被 水 流 覆 盖 , 至 闸 门 全 开 稳 态 时 , 此 测 点 压
力 均 值 为 4.0×9.81 kPa; 挑 流 鼻 坎 压 力 随 闸 门 开 度 增 大 均 呈 单 调 增 大 趋 势 。 关 门 过 程 线 基
本 上 与 开 门 过 程 线 相 反 , 只 是 关 门 时 间 比 开 门 时 间 长 。 相 对 应 F04 出 现 负 压 时 间 更 长 。
闸 门 全 开 稳 态 条 件 下 , 深 孔 进 口 侧 缘 和 门 槽 区 的 脉 动 压 力 主 频 较 高 , 但 能 量 很 低 ; 明 流
斜 直 段 近 底 及 其 挑 坎 的 能 量 比 闸 门 前 要 强 , 而 主 频 较 低 。 斜 直 段 的 水 舌 冲 击 及 脉 动 压 力 强 度
不 大 , 反 弧 及 挑 坎 仍 然 是 深 孔 脉 动 压 力 较 大 区 域 。 各 测 点 脉 动 压 力 统 计 值 见 表 4。 深 孔 门 后
压 力 测 点 F04XH01 开 门 压 力 过 程 线 见 图 3。
363

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
深 孔 跌 坎 坎 顶 近 底 流 速 约 30.5 m/s, 深 孔 挑 流 鼻 坎 流 速 约 28.3 m/s。
表 4 深 孔 全 开 稳 态 脉 动 压 力 统 计 值 表
部 位 测 点 编 号 高 程 (m) 主 频 (Hz) 标 准 差 (9.81kPa)
进 口 侧 缘 F01XH01 100.80 27.55 0.111
1 号 深 孔
门 槽 区 F02XH01 97.50 27.85 0.044
坝 面 直 坡 F04XH01 83.00 0.586 0.583
鼻 坎 F06XH01 79.42 0.879 4.373
幅 值 (9.8Kpa)
8
6
4
2
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
时 间 (S)
-2
图 3 深 孔 门 后 压 力 测 点 F04XH01 开 门 压 力 过 程 线
3.1.3 水 下 噪 声
水 下 噪 声 测 点 分 别 位 于 深 孔 的 进 口 侧 缘 和 检 修 门 槽 区 、 跌 坎 水 舌 的 冲 击 区 前 后 的 坝 面 附
近 侧 壁 、 泄 槽 反 弧 段 侧 壁 、 挑 流 鼻 坎 等 部 位 。 从 观 测 结 果 看 : 阀 门 全 开 后 , 各 测 点 高 频 段 噪
声 谱 级 均 较 空 气 中 背 景 升 高 10 dB 以 内 , 无 明 显 的 空 化 现 象 。
4 结 束 语
三 峡 工 程 水 力 学 安 全 监 测 项 目 近 几 年 进 行 了 大 量 的 工 作 , 观 测 资 料 丰 富 , 由 于 篇 幅 限 制 ,
不 能 一 一 介 绍 。 从 观 测 成 果 看 :
1) 船 闸 输 水 阀 门 采 用 连 续 开 启 时 , 输 水 廊 道 第 一 分 流 口 处 有 空 化 现 象 。 阀 门 采 用 间 歇
开 启 后 , 解 决 了 输 水 廊 道 第 一 分 流 口 处 的 空 化 问 题 , 闸 室 输 水 时 间 也 满 足 设 计 要 求 。
2) 水 位 在 156 m-165 m, 船 闸 采 用 五 级 补 水 运 行 。 原 型 试 验 研 究 推 荐 的 补 水 、 充 水 阀
门 操 作 方 式 是 可 行 的 。
3) 泄 洪 深 孔 首 次 在 172 米 水 位 条 件 下 运 行 , 泄 洪 时 , 水 流 掺 气 充 分 , 坝 面 压 力 正 常 ,
无 明 显 的 空 化 水 流 。
364

第 二 部 分 工 程 水 力 学
水 力 浮 动 式 升 船 机 竖 井 与 浮 筒 间 隙 及 承 船 厢
底 部 型 式 的 优 化
张 蕊 吴 一 红 章 晋 雄 张 东
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 水 力 学 所 北 京 复 兴 路 甲 1 号 100038 Zhangrui0627@126.com)
摘 要 本 文 在 景 洪 水 力 浮 动 式 升 船 机 输 水 系 统 及 承 船 厢 — 浮 筒 系 统 数 值 仿 真 模 型 的 基 础 上 , 计
算 分 析 比 较 了 承 船 厢 不 同 的 底 部 型 式 及 浮 筒 与 竖 井 之 间 不 同 的 间 隙 情 况 下 , 承 船 厢 下 行 过 程 中 输
水 系 统 的 水 力 特 性 及 承 船 厢 的 运 行 特 性 , 为 该 种 型 式 升 船 机 的 设 计 和 应 用 提 供 了 参 考 依 据 。
关 键 词 水 力 浮 动 式 升 船 机 ; 输 水 系 统 ; 承 船 厢 — 浮 筒 系 统
1 前 言
景 洪 升 船 机 为 水 力 浮 动 转 矩 平 衡 重 式 垂 直 升 船 机 , 简 称 水 力 浮 动 式 升 船 机 , 基 本 原 理 是
将 平 衡 重 做 成 重 量 和 体 积 合 适 的 浮 筒 , 浮 筒 重 量 总 和 其 重 量 大 于 二 倍 承 船 厢 ( 包 括 水 ) 总 重
量 , 浮 筒 在 可 充 泄 水 的 竖 井 内 升 降 , 通 过 调 节 平 衡 重 浮 筒 的 入 水 深 度 以 改 变 浮 筒 的 浮 力 , 在
平 衡 承 船 厢 重 量 的 同 时 利 用 浮 力 变 化 在 承 船 厢 重 与 浮 筒 重 之 间 产 生 的 差 值 来 驱 动 承 船 厢 升
降 运 行 。 通 过 充 泄 水 阀 门 的 启 闭 , 改 变 竖 井 水 位 的 升 降 来 控 制 承 船 厢 的 运 行 。 承 船 厢 的 运 行
速 度 由 竖 井 中 充 、 泄 水 的 速 度 来 控 制 。
水 力 浮 动 式 升 船 机 是 一 种 新 型 的 通 航 过 坝 建 筑 物 , 目 前 在 国 内 外 尚 无 这 种 型 式 的 升 船 机
投 入 实 际 运 行 , 无 实 际 经 验 可 循 , 由 于 “ 水 力 浮 动 ” 是 该 升 船 机 与 其 他 型 式 升 船 机 的 主 要 区
别 , 因 此 通 过 输 水 系 统 和 承 船 厢 - 浮 筒 系 统 的 数 学 模 型 , 研 究 承 船 厢 的 底 部 型 式 、 竖 井 与 浮
筒 之 间 的 缝 隙 大 小 对 升 船 机 运 行 稳 定 性 的 影 响 规 律 , 为 水 力 浮 动 式 这 种 新 型 型 式 升 船 机 的 设
计 和 应 用 提 供 依 据 。
2 输 水 系 统 数 值 仿 真 模 型
[3]
2.1 控 制 方 程
2.1.1 输 水 系 统 能 量 方 程
升 船 机 输 水 系 统 按 等 惯 性 原 则 布 置 , 考 虑 竖 井 充 水 ( 承 船 厢 下 降 ) 的 情 况 , 根 据 能 量 守
恒 Bernouli 方 程 可 得 :
2
0
2
0
2
1
2
1
2
4
2
4
Q Q
Q Q
H - h = [( z
0
+ z
v
) + z
1
+ ... + z
4
] +
2gA
2gA
2gA
2gA
2
4
2
s
L0
+ [
gA
0
dQ
dt
0
+
L1
gA
1
dQ
dt
1
+ ... +
L4
gA
4
dQ
dt
4
]
(1)
其 中 :H—— 上 游 库 水 位 ;h—— 竖 井 水 位 ;A—— 各 级 管 道 计 算 断 面 面 积 ;As—— 竖 井
横 截 面 积 ;L—— 各 级 管 道 惯 性 长 度 ;Q—— 各 级 管 道 的 流 量 ;z —— 各 级 管 道 的 阻 力 系 数 ;
z
v
—— 阀 门 阻 力 系 数 。
365

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2.2.2 平 衡 重 浮 筒 - 承 船 厢 系 统 整 体 运 动 方 程
如 果 不 考 虑 钢 丝 绳 的 重 量 及 弹 性 作 用 , 整 个 系 统 的 运 动 遵 循 牛 顿 第 二 定 律 , 分 别 对 平 衡
重 浮 筒 和 承 船 厢 作 运 动 受 力 分 析 可 得 :
d
2
f
2
dt
h
Af
rwg
=
M + 4M
f
c
2M
cg
- M
f
g - f
( hs
- hf
) +
M + 4M
f
c
(2)
其 中 : h s
—— 竖 井 水 位 ; h f
—— 平 衡 重 浮 筒 底 面 位 置 高 程 ;
M
f
—— 单 个 平 衡 重 浮
筒 质 量 ;
M —— 该 钢 丝 绳 承 担 的 承 船 厢 质 量 ; F —— 钢 丝 绳 受 力 ; F —— 作 用 在 平 衡
c
g
f
重 浮 筒 上 浮 力 ; r —— 水 体 质 量 密 度 ; f —— 系 统 摩 擦 为 100t 算 。
2.2.3 水 流 连 续 方 程
w
竖 井 水 流 需 满 足 连 续 性 条 件 , 则 竖 井 内 输 水 流 量 可 用 下 式 表 示 :
其 中 :
dhf
d(
hs
- hf
)
Q = As
+ ( As
- Af
)
(3)
dt
dt
A f
—— 平 衡 重 浮 筒 截 面 面 积 ; Q —— 竖 井 输 水 流 量 。
3 计 算 结 果 分 析
3.1 平 衡 重 浮 筒 与 竖 井 之 间 的 间 隙 优 化
[3]
从 输 水 系 统 仿 真 计 算 结 果 得 知 , 正 常 运 行 工 况 下 承 船 厢 速 度 曲 线 平 滑 , 但 在 承 船 厢 入
水 时 其 速 度 骤 然 变 化 , 这 是 由 于 承 船 厢 所 受 浮 力 突 然 增 加 , 受 力 状 态 突 然 发 生 变 化 , 从 而 引
起 承 船 厢 加 速 度 突 变 。 为 了 适 应 承 船 厢 及 平 衡 重 浮 筒 系 统 运 动 状 态 的 这 种 突 变 , 就 要 求 竖 井
水 位 必 须 随 之 迅 速 上 升 或 下 降 , 快 速 改 变 平 衡 重 浮 筒 所 受 浮 力 以 便 调 节 整 个 系 统 的 受 力 达 到
动 态 平 衡 , 所 以 在 承 船 厢 入 水 时 刻 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 间 隙 内 的 淹 没 水 深 是 否 能 随 之 快 速 变 化
成 为 升 船 机 系 统 是 否 能 在 短 时 间 内 稳 定 下 来 的 关 键 。
[4]
模 型 试 验 明 在 竖 井 直 径 恒 定 , 充 泄 水 阀 门 开 度 及 其 开 启 关 闭 过 程 基 本 相 同 的 条 件 下 ,
承 船 厢 入 水 阶 段 的 最 大 加 速 度 值 随 间 隙 的 增 大 而 增 大 , 其 运 行 速 度 的 波 动 幅 度 也 随 间 隙 的 增
大 而 增 大 , 由 此 可 见 , 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 之 间 的 间 隙 越 小 , 越 有 利 于 承 船 厢 的 稳 定 运 行 。
通 过 输 水 系 统 数 学 模 型 可 以 方 便 的 实 现 不 同 间 隙 情 况 下 的 仿 真 计 算 。 以 下 计 算 中 承 船
厢 厢 底 采 用 平 底 结 构 , 竖 井 截 面 为 圆 形 。 首 先 竖 井 直 径 为 6.5 m 固 定 不 变 , 平 衡 重 浮 筒 直 径
分 别 为 5.8 m、6.0 m 和 6.2 m、6.4 m 和 6.45 m, 对 应 的 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 之 间 的 间 隙 分
别 为 0.35 m、0.25 m、0.15 m、0.10 m 和 0.025 m。 表 1 中 给 出 了 承 船 厢 入 水 阶 段 竖 井 水
位 和 承 船 厢 运 行 特 征 值 。 计 算 结 果 表 明 : 竖 井 充 水 承 船 厢 下 行 入 水 时 , 承 船 厢 速 度 突 然 减 小 ,
竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 之 间 的 间 隙 越 大 , 承 船 厢 的 负 加 速 度 峰 值 越 大 , 间 隙 从 0.35 m 减 小 到
0.025 m 时 , 承 船 厢 的 最 大 负 加 速 度 峰 值 从 0.149 m/s 2 减 小 到 0.040 m/s 2 ; 相 应 承 船 厢 入 水
时 刻 , 竖 井 水 面 上 升 速 度 从 0.332 m/s 上 升 到 0.600 m/s。 间 隙 越 小 , 竖 井 水 位 越 能 迅 速 上
升 , 及 浮 筒 淹 没 深 度 越 能 快 速 增 加 以 增 大 平 衡 重 浮 筒 浮 力 , 从 而 抵 消 承 船 厢 入 水 突 然 所 受 反
方 向 浮 力 的 影 响 。 从 图 1 可 以 看 出 : 在 承 船 厢 入 水 后 , 竖 井 水 面 上 升 速 度 曲 线 、 承 船 厢 速 度
和 加 速 度 曲 线 出 现 上 下 振 荡 的 调 整 过 程 , 见 图 1 中 e 和 f, 为 承 船 厢 入 水 后 速 度 和 加 速 度 振
荡 曲 线 , 其 形 式 类 似 于 逐 渐 衰 减 的 正 弦 曲 线 。 随 着 间 隙 的 增 大 , 其 初 始 振 幅 越 大 , 即 承 船 厢
入 水 后 产 生 的 负 加 速 度 越 大 , 而 且 振 动 持 续 的 时 间 也 越 长 。
366

第 二 部 分 工 程 水 力 学
平 衡 重 浮 筒 直 径 为 6.2 m 固 定 , 改 变 竖 井 直 径 , 其 它 计 算 条 件 不 变 。 竖 井 直 径 分 别 为
6.9 m、6.7 m 和 6.5 m、6.3 m 和 6.25 m, 对 应 的 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 之 间 的 间 隙 分 别 为 0.35 m、
0.25 m、0.15 m、0.10 m 和 0.025 m。 表 2 中 给 出 了 承 船 厢 入 水 时 竖 井 水 位 和 承 船 厢 运 行 特
征 值 。 计 算 结 果 与 表 1 规 律 相 同 。 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 的 间 隙 越 大 , 承 船 厢 的 负 加 速 度 越 大 ,
间 隙 从 0.35 m 减 小 到 0.025 m 时 , 承 船 厢 的 最 大 负 加 速 度 峰 值 从 0.126 m/s 2 减 小 到 0.044 m/s 2 ; 相
应 承 船 厢 入 水 时 刻 , 竖 井 水 面 上 升 速 度 从 0.296 m/s 上 升 到 0.680 m/s。
表 1 不 同 间 隙 下 承 船 厢 入 水 时 刻 升 船 机 系 统 水 力 及 运 行 特 征 值
平 衡 重 浮 筒 直 径
(m)
间 隙 大 小
(m)
竖 井 水 位 最 大 上 升 速 度
(m/s)
承 船 厢 下 行 最 大 加 速 度 (m/s 2 )
5.8 0.35 0.332 -0.149
6.0 0.25 0.400 -0.127
6.2 0.15 0.483 -0.099
6.4 0.05 0.578 -0.056
6.45 0.025 0.600 -0.040
a 竖 井 水 位 上 升 过 程 曲 线
b 竖 井 水 面 上 升 速 度 过 程 曲 线
c 承 船 厢 下 行 速 度 过 程 曲 线
d 承 船 厢 下 行 加 速 度 过 程 曲 线
e 承 船 厢 入 水 后 速 度 振 荡 过 程 曲 线
f 承 船 厢 入 水 后 加 速 度 振 荡 过 程 曲 线
图 1 不 同 间 隙 下 升 船 机 系 统 水 力 及 运 行 特 性
367

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
表 2 不 同 间 隙 下 承 船 厢 入 水 时 刻 升 船 机 系 统 水 力 及 运 行 特 征 值
竖 井 直 径
(m)
间 隙 大 小
(m)
竖 井 水 位 最 大 上 升 速 度
(m/s)
承 船 厢 下 行 最 大 加 速 度
(m/s 2 )
6.9 0.35 0.296 -0.126
6.7 0.25 0.374 -0.116
6.5 0.15 0.483 -0.099
6.3 0.05 0.644 -0.063
6.25 0.025 0.680 -0.044
图 2 为 两 种 工 况 , 即 分 别 为 竖 井 直 径 为 6.5 m 和 平 衡 重 浮 筒 直 径 为 6.2 m 固 定 不 变 时 ,
不 同 间 隙 与 承 船 厢 启 动 至 停 止 阶 段 的 最 大 负 加 速 度 峰 值 的 关 系 曲 线 , 随 着 间 隙 的 增 大 , 承 船
厢 最 大 负 加 速 度 峰 值 也 随 着 增 大 。
3.2 承 船 厢 底 部 型 式 的 优 化
景 洪 水 电 站 确 定 为 承 船 厢 下 水 方 案 , 可
以 较 好 地 适 应 下 游 水 位 变 幅 较 大 的 条 件 , 减
小 与 下 游 水 位 对 接 的 难 度 , 省 去 了 下 闸 首 工
作 闸 门 及 其 启 闭 机 , 简 化 了 升 船 机 运 行 程
序 , 提 高 了 升 船 机 运 行 的 可 靠 度 。 但 采 用 承
船 厢 下 水 方 案 时 , 在 升 船 机 运 行 过 程 中 , 存
在 承 船 厢 出 入 水 问 题 , 所 以 承 船 厢 厢 底 的 底
部 型 式 会 对 升 船 机 运 行 稳 定 性 造 成 一 定 的
影 响 。
承 船 厢 底 部 设 计 型 式 为 平 底 , 在 承 船 厢
出 入 水 瞬 间 承 船 厢 所 受 浮 力 必 然 会 突 然 增
图 2 不 同 间 隙 下 承 船 厢 最 大 加 速 度
锥 形 底
图 3 承 船 厢 底 部 型 式 示 意
大 或 消 失 , 从 而 导 致 系 统 在 瞬 间 突 然 失 衡 。 如 果 将 其 底 部 设 置 为 锥 型 , 使 承 船 厢 底 部 入 、 出
水 面 积 逐 渐 变 化 , 使 其 所 受 浮 力 逐 渐 增 大 或 减 小 , 从 而 减 小 承 船 厢 瞬 间 加 速 度 峰 值 。 图 3
为 承 船 厢 底 部 型 式 示 意 图 , 其 中 D Z 为 锥 形 底 部 高 度 , 为 了 比 较 不 同 锥 形 底 高 度 对 承 船 厢 入
水 稳 定 性 的 作 用 , 竖 井 为 直 径 6.5 m, 浮 筒 直 径 为 6.2 m, 分 别 模 拟 了 D Z 为 0 m、0.1 m 至
1.0 m 时 升 船 机 水 力 特 性 和 运 行 特 性 的 影 响 , 见 表 3。
368

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 3 不 同 承 船 厢 锥 形 底 高 度 承 船 厢 入 水 时 刻 水 力 及 运 行 特 征 值
锥 形 底 高 度 D Z
(m)
竖 井 水 面 上 升 最 大 速 度
(m/s)
承 船 厢 最 大 加 速 度
(m/s 2 )
0 0.483 -0.099
0.1 0.459 -0.087
0.2 0.393 -0.060
0.3 0.333 -0.045
0.4 0.337 -0.037
0.5 0.329 -0.031
0.6 0.308 -0.027
1.0 0.293 -0.018
竖 井 充 水 承 船 厢 下 行 入 水 时 刻 , 承 船 厢 锥 形 底 部 高 度 D Z 从 0m 增 加 到 1.0m, 承 船 厢 入
水 时 刻 最 大 负 加 速 度 峰 值 从 0.099 m/s 2 减 小 至 0.018 m/s 2 , 相 应 地 竖 井 水 面 上 升 速 度 从 0.483 m/s
减 小 到 0.293 m/s, 即 D Z 越 大 , 承 船 厢 入 水 最 大 负 加 速 度 峰 值 越 小 , 对 升 船 机 运 行 稳 定 性
越 有 利 。 图 4 为 D Z 分 别 为 0 m 和 0.4 m 时 , 竖 井 水 位 上 升 速 度 曲 线 和 承 船 厢 速 度 、 加 速 度
变 化 过 程 曲 线 。
a 竖 井 水 位 上 升 速 度 过 程 曲 线
b 承 船 厢 下 行 速 度 过 程 曲 线
c 承 船 厢 下 行 加 速 度 过 程 曲 线
图 4 不 同 承 船 厢 锥 底 高 度 下 升 船 机 系 统 水 力 及 运 行 特 性
369

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
承 船 厢 锥 底 高 度 与 其 下 行 过 程 中 的 最 大 负 加 速 度 峰 值 的 关 系 如 图 5 所 示 , 锥 形 底 部 高 度
越 大 , 承 船 厢 入 水 阶 段 的 最 大 负 加 速 度 峰 值 越 小 。 当 底 部 高 度 大 于 0.6 m 时 , 最 大 负 加 速 度
峰 值 随 锥 底 高 度 的 变 化 已 经 很 微 弱 , 可 见 当 锥 底 高 度 为 0.6 m 时 , 就 可 以 有 效 地 减 小 承 船 厢
入 水 最 大 加 速 度 峰 值 的 效 果 , 从 而 在 承 船 厢 结 构 设 计 上 改 善 系 统 运 行 的 稳 定 性 。 但 是 当 承 船
厢 锥 底 高 度 过 大 时 , 要 求 下 游 水 深 越 深 , 越 不 经 济 。 所 以 在 承 船 厢 的 结 构 设 计 上 既 要 考 虑 运
行 的 稳 定 性 也 要 针 对 下 游 水 位 进 行 经 济 比 较 。
图 5 不 同 承 船 厢 锥 底 高 度 下 承 船 厢 最 大 加 速 度 峰 值
4 结 论
(1) 竖 井 与 平 衡 重 浮 筒 之 间 间 隙 的 大 小 关 系 到 升 船 机 能 否 稳 定 运 行 的 一 个 关 键 因 素 。
间 隙 越 小 , 承 船 厢 入 水 时 竖 井 水 面 上 升 速 度 越 大 , 间 隙 内 水 流 对 承 船 厢 系 统 状 态 突 变 的 响 应
能 力 越 强 , 则 承 船 厢 速 度 瞬 时 增 加 或 减 小 的 越 大 , 即 瞬 时 加 速 度 峰 值 越 大 。 同 时 , 承 船 厢 入
水 后 , 其 速 度 和 加 速 度 有 较 明 显 的 振 荡 现 象 , 竖 井 水 位 上 升 速 度 也 随 之 发 生 上 下 波 动 现 象 ,
且 间 隙 越 大 , 其 初 始 振 幅 越 大 , 且 振 动 持 续 的 时 间 也 越 长 。 因 此 在 设 计 及 施 工 允 许 的 前 提 下 ,
竖 井 与 浮 筒 之 间 的 间 隙 越 小 越 好 。
(2) 承 船 厢 底 部 型 式 为 锥 形 时 , 可 使 承 船 厢 入 水 时 系 统 受 力 逐 渐 变 化 , 能 较 大 幅 度 地
减 小 承 船 厢 入 水 的 瞬 时 加 速 度 , 且 锥 形 底 高 度 越 大 , 越 有 利 于 升 船 机 运 行 的 稳 定 性 。
参 考 文 献
[1] 董 曾 南 , 余 常 昭 . 水 力 学 [M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,1995 年 .
[2] 须 清 华 , 张 瑞 凯 , 等 . 通 航 建 筑 物 应 用 基 础 研 究 [M]. 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,1999 年 4 月 .
[3] 张 蕊 , 张 晋 雄 , 等 . 景 洪 水 力 浮 动 式 升 船 机 输 水 系 统 仿 真 分 析 [J]. 水 利 学 报 ,2007 年 5 月 .
[4] 张 蕊 , 张 东 , 等 . 景 洪 水 力 浮 动 式 升 船 机 浮 筒 底 部 型 式 及 浮 筒 与 竖 井 之 间 缝 隙 大 小 研 究 [J]. 水 利 学 报 .
370

第 二 部 分 工 程 水 力 学
筒 装 料 管 道 水 力 输 送 影 响 因 素 分 析
孙 西 欢 李 永 业
( 太 原 理 工 大 学 山 西 太 原 迎 泽 西 大 街 79 号 030024 sunxihuan@tyut.edu.cn)
摘 要 物 料 的 输 送 方 式 很 多 , 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 便 是 其 中 之 一 。 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 作 为 输
送 物 料 的 一 种 新 兴 技 术 , 具 有 成 本 低 、 效 率 高 、 占 地 少 、 无 污 染 、 安 全 可 靠 、 不 受 天 气 影 响 且 管
道 布 置 不 受 地 形 限 制 等 优 点 , 是 一 种 具 有 广 阔 应 用 前 景 的 输 送 技 术 。 本 文 利 用 试 验 数 据 对 筒 装 料
管 道 水 力 输 送 的 影 响 因 素 进 行 了 分 析 , 结 果 表 明 , 各 影 响 因 素 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 过 程 中 的 能
耗 和 管 道 车 的 运 行 速 度 都 存 在 不 同 程 度 的 影 响 。 但 流 量 对 其 影 响 最 大 , 物 料 重 量 对 其 影 响 最 小 。
其 研 究 成 果 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 技 术 的 进 一 步 研 究 具 有 重 要 的 参 考 价 值 。
关 键 词 水 力 输 送 ; 影 响 因 素 ; 管 道 ; 筒 装 料
1 引 言
目 前 , 传 统 的 运 输 方 式 主 要 有 公 路 运 输 、 铁 路 运 输 、 水 路 运 输 及 航 空 运 输 。 但 这 四 种 运
输 方 式 对 能 源 的 消 耗 比 较 大 , 不 同 程 度 上 会 对 环 境 造 成 一 定 的 污 染 ; 同 时 受 天 气 的 影 响 也 比
较 大 。 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 就 是 在 此 基 础 上 提 出 的 一 种 新 的 输 送 技 术 , 该 技 术 是 以 水 作 为 载
体 , 将 物 料 装 盛 并 密 封 于 圆 筒 状 的 管 道 车 内 , 通 过 加 压 装 置 在 封 闭 管 道 内 推 动 管 道 车 运 动 ,
[1~3]
以 此 来 输 送 物 料 的 一 种 新 兴 的 输 送 方 式 。 该 技 术 具 有 运 行 成 本 低 、 效 率 高 、 占 地 少 、 管
[4~5]
道 布 置 不 受 地 形 限 制 、 无 污 染 、 安 全 可 靠 和 不 受 天 气 影 响 等 优 点 。 相 对 于 传 统 的 运 输 技 术 ,
该 技 术 起 步 较 晚 。 影 响 筒 装 料 水 力 输 送 特 性 的 因 素 很 多 , 其 中 主 要 有 管 道 车 的 直 径 和 长 度 、
物 料 的 重 量 、 环 状 缝 隙 宽 度 、 流 量 等 。 在 本 文 中 , 定 义 盛 放 物 料 的 料 筒 及 其 附 属 构 件 ( 支 撑
体 和 万 向 滚 珠 等 ) 称 为 管 道 车 。 通 过 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 进 行 试 验 , 得 出 大 量 试 验 数 据 ,
本 文 主 要 利 用 该 试 验 数 据 对 管 道 车 运 动 过 程 中 , 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 的 影 响 因 素 进 行 分 析 。
2 试 验 系 统
试 验 系 统 主 要 由 供 水 系 统 、 试 验 设 备 及 管 路 和 测 量 参 数 的 仪 器 仪 表 组 成 。 试 验 段 为 内 径
100 mm, 壁 厚 5 mm 的 有 机 玻 璃 圆 管 连 接 而 成 的 总 长 约 44 m 的 试 验 管 道 。 试 验 管 道 供 水 先 由
水 泵 将 水 由 地 下 水 库 抽 入 输 水 钢 管 , 通 过 阀 门 调 节 流 量 , 再 输 入 有 机 玻 璃 管 道 , 最 后 经 回 水
[6]
池 至 地 下 水 库 形 成 回 路 。 试 验 段 示 意 图 如 图 1 所 示 。
3 3 3
1
2
5
6
4
4
4
1— 电 动 控 制 阀 ,2— 管 道 车 放 入 装 置 ,3— 光 电 传 感 器 ,
4— 压 力 ( 压 差 ) 传 感 器 ,5— 输 送 管 道 ,6— 管 道 车 接 收 装 置
图 1 试 验 段 示 意 图
371

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3 分 析 原 理
在 处 理 多 因 素 对 单 目 标 影 响 程 度 的 实 际 问 题 时 , 往 往 因 为 各 因 素 量 纲 不 和 谐 使 它 们 之 间
不 具 有 可 比 性 , 而 采 用 比 较 标 准 回 归 系 数 来 判 断 多 元 回 归 中 因 素 的 敏 感 性 , 可 消 除 自 变 量 所
取 单 位 的 影 响 。 基 于 数 理 统 计 原 理 , 标 准 回 归 系 数 法 是 判 断 多 因 素 影 响 程 度 大 小 的 一 种 简 便 、
直 观 方 法 。
在 处 理 多 元 回 归 的 实 际 问 题 时 , 标 准 回 归 系 数 法 是 多 元 回 归 分 析 中 回 归 系 数 显 著 性 检 验
[7]
的 一 种 方 法 , 其 理 论 基 础 如 下 :
对 于 随 机 变 量 Y 来 说 , 受 到 m 个 自 变 量 X1,X2,…,Xm 的 共 同 影 响 , 试 验 样 本 容 量 为 n。
记 Xik 表 示 自 变 量 Xi 在 第 k 次 试 验 时 的 取 值 ,Yk 表 示 随 机 变 量 Y 在 第 k 次 试 验 的 结 果 , 则 :
令
ì
ï
ï
ï
íL
ï
ï
ïL
î
L ij
i 0
00
=
=
=
n
å
k=
1
n
å
k=
1
n
å
k=
1
( X - Xi
)( X - X j )
ik
( X - Xi
)( Y - Y)
ik
( Y - Y)
k
2
jk
k
i, j = 1, 2, L,
m
(1)
式 (1) 中
n
1
X = i = 1,2, L,
m
å
i X ik
n k = 1
Y
=
1
n
n
åY k
k = 1
如 果 Y 和 Xi 之 间 存 在 线 形 关 系 , 则 回 归 方 程 可 记 为 :
Y = a+
b L +
(2)
1X1+
b2X2+
bmXm
式 (2) 中 回 归 系 数 bi 由 方 程 组 (3) 求 出 :
如 果 记
é L
ê
ê
L
L =
ê M
ê
ëL
11
21
m1
ìL11b1
+ L12b2
+ L + L1mbm
ï
L21b1
+ L22b2
+ L+
L2 mbm
í
ïLLL
ï
îLm1b1
+ Lm 2b2
+ L + Lmmb
L
L
L
12
22
M
m 2
则 方 程 组 (3) 可 以 用 矩 阵 形 式 表 示 :
...
...
L
L
L
L
1m
2 m
M
mm
ù
ú
ú
ú
ú
û
b =
= L
= L
m
éb
ê
ê
b
ê M
ê
ëb
1
2
m
10
20
= L
ù
ú
ú
ú
ú
û
m0
L
0
=
é L
ê
ê
L
ê M
ê
ëL
10
20
m0
ù
ú
ú
ú
ú
û
(3)
-
b = L 1 L
(4)
0
常 数 项 a 为
372

第 二 部 分 工 程 水 力 学
a
m
= Y - b i
X i
(5)
å
i=
1
为 了 消 除 试 验 过 程 中 自 变 量 所 取 单 位 的 影 响 ,Y 对 Xi 的 标 准 回 归 系 数 b 与 Y 对 Xi 的 回
归 系 数 b
i
之 间 有 关 系 式 (6):
'
i
L
'
ii
b
i
= bi
(6)
L00
'
经 过 上 式 的 处 理 , 标 准 回 归 系 数 b
i
与 Y 及 Xi 所 取 单 位 无 关 , 因 而 可 以 直 接 进 行 比 较 。 b
' i
值 越 大 ,Xi 对 Y 的 影 响 就 越 大 。
4 能 耗 影 响 因 素 分 析
能 耗 作 为 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 技 术 的 一 个 关 键 性 指 标 , 其 高 低 直 接 影 响 着 输 送 物 料 的 动
力 能 源 , 并 进 而 影 响 到 该 技 术 的 可 行 性 。 因 此 , 对 能 耗 的 研 究 至 关 重 要 。 利 用 试 验 数 据 , 对
影 响 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 能 耗 的 因 素 做 出 分 析 , 主 要 分 析 各 因 素 对 能 耗 的 影 响 程 度 , 以 便 对
该 技 术 进 行 改 进 , 力 求 使 该 技 术 在 消 耗 相 同 能 量 的 情 况 下 尽 可 能 多 的 输 送 物 料 。 本 文 中 的 能
耗 包 括 水 流 自 身 摩 擦 消 耗 的 能 耗 、 水 流 与 管 道 之 间 摩 擦 消 耗 的 能 耗 和 真 正 用 于 推 动 管 道 车 运
行 时 消 耗 的 能 耗 。
本 次 分 析 主 要 考 虑 影 响 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 能 耗 的 因 素 有 环 状 缝 隙 宽 度 B、 物 料 重 量 G
和 流 量 Q。 因 此 , 本 文 以 环 状 缝 隙 宽 度 B、 物 料 重 量 G 及 流 量 Q 作 为 能 耗 的 影 响 因 素 , 以 单
位 能 耗 D E 作 为 阻 力 损 失 大 小 的 衡 量 标 准 , 应 用 比 较 标 准 回 归 系 数 法 对 上 述 因 素 进 行 分 析 。
相 应 于 上 述 所 述 数 学 模 型 , 有 :
ì Y
í
îX
=
= [ DE]
[ B,
G,
Q]
式 中 :B( 单 位 :mm) 分 别 取 10,15,20;G( 单 位 :g) 分 别 取 1200,1300,1400;Q( 单
位 m 3 /h) 分 别 取 30,50,70, 两 两 正 交 确 定 试 验 次 数 共 27 次 , 通 过 测 量 数 据 计 算 每 次 能 耗
值 。 基 于 式 (7) 的 意 义 , 由 式 (1)- 式 (3) 的 数 学 模 型 得 到 求 回 归 系 数 b
i
的 方 程 组 (8):
(7)
ì 450b1
+ 0b2
+ 0b3
= 243.05
ï
í 0b1
+ 180000b2
+ 0b3
= 2799
ï
î0b1
+ 0b2
+ 7200b3
= 25457.20
(8)
由 式 (1), 计 算 得 L00
=
ì b1
= 0.54
ï
解 之 得 : íb2
= 0.0155
ï
î b3
= 3.52
94357.22, 于 是 根 据 式 (6) 得 出 标 准 回 归 系 数 b 为 :
'
i
373

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
由 计 算 结 果 , 得 出 :
ìb¢
1
= 0.037
ï
íb¢
2
= 0.021
ï
î b¢
3
= 0.97
b >
' ' '
3
> b1
b
2
结 合 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 试 验 , 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 能 耗 的 影 响 因 素 进 行 分 析 , 可
以 看 出 , 环 状 缝 隙 宽 度 B、 物 料 重 量 G 和 流 量 Q 均 会 对 能 耗 产 生 影 响 , 其 影 响 程 度 依 次 为 流
量 Q、 环 状 缝 隙 宽 度 B 和 物 料 重 量 G。 这 为 后 续 试 验 和 实 际 应 用 中 优 化 运 输 条 件 提 供 了 参 考 ,
以 便 确 定 最 佳 的 运 输 模 式 。
5 管 道 车 速 度 影 响 因 素 分 析
管 道 车 作 为 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 的 核 心 部 件 , 其 输 送 速 度 的 快 慢 及 稳 定 性 对 筒 装 料 管 道
水 力 输 送 的 技 术 研 究 至 关 重 要 , 管 道 车 速 度 直 接 决 定 着 输 送 物 料 的 数 量 并 进 而 影 响 到 筒 装 料
管 道 水 力 输 送 的 输 送 效 率 。 因 此 管 道 车 速 度 作 为 该 技 术 的 核 心 研 究 内 容 , 在 该 技 术 的 可 行 性
方 面 仍 然 是 人 们 关 注 的 焦 点 。
考 虑 影 响 管 道 车 运 动 速 度 的 主 要 因 素 有 流 量 Q、 物 料 的 重 量 G、 管 道 车 的 直 径 D 以 及 管
道 车 的 长 度 L 等 。 对 影 响 管 道 车 运 动 速 度 的 因 素 做 出 分 析 , 主 要 分 析 各 因 素 对 管 道 车 运 动 速
度 的 影 响 程 度 , 以 便 对 管 道 车 进 行 改 造 , 力 求 达 到 该 技 术 所 要 求 的 最 佳 输 送 速 度 。 因 此 , 本
文 以 管 道 车 的 直 径 D、 管 道 车 的 长 度 L、 物 料 的 重 量 G 和 流 量 Q 作 为 管 道 车 运 动 速 度 的 影 响
因 素 , 以 平 均 速 度 V 作 为 输 送 快 慢 的 衡 量 标 准 , 应 用 比 较 标 准 回 归 系 数 法 对 上 述 因 素 进 行 分
析 。 相 应 于 上 述 数 学 模 型 , 有 :
ì
í
îX
=
Y = [ V ]
[ D,
L,
G,
Q]
式 中 :D( 单 位 :mm) 分 别 取 60,70,80;L( 单 位 :mm) 分 别 取 100,150;G( 单 位 :g)
分 别 取 1200,1300,1400;Q( 单 位 m 3 /h) 分 别 取 30,50,70, 两 两 正 交 确 定 试 验 次 数 共
54 次 , 通 过 测 量 数 据 计 算 每 次 管 道 车 运 动 的 平 均 速 度 。 基 于 式 (7) 的 意 义 , 由 式 (1)~ 式
(3) 的 数 学 模 型 得 到 求 回 归 系 数 b
i
的 方 程 组 (10):
由 式 (1), 计 算 得 L00
=
ì
ï 3600b1
+ 0b2
+ 0b3
+ 0b4
= 96.79
ï
í0b1
+ 33750b2
+ 0b3
+ 0b4
= 127.925
ï 0b1
+ 0b2
+ 360000b3
+ 0b4
= -206
ï
î 0b1
+ 0b2
+ 0b3
+ 14400b4
= 253.15
ì
ï
b1
= 2.689´
10
ï
解 之 得 : í b2
= 3.79´
10
ï
-
b3
= -5.7´
10
ï
ïî
b4
= 1.758´
10
21.749, 于 是 根 据 式 (6) 得 出 标 准 回 归 系 数 b 为 :
-2
-3
4
-2
'
i
(9)
(10)
374

第 二 部 分 工 程 水 力 学
由 计 算 结 果 得 :
ì
ï b¢
1
= 0.346
ï
í b¢
2
= 0.149
ïb¢
3
= -0.074
ï
îb¢
4
= 0.452
b > b¢
' ' '
4
> b1
> b2
3
结 合 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 试 验 , 通 过 对 管 道 车 运 动 速 度 的 影 响 因 素 进 行 分 析 , 可 以 看
出 , 流 量 Q、 物 料 的 重 量 G、 管 道 车 的 直 径 D 以 及 管 道 车 的 长 度 L 均 会 对 管 道 车 速 度 产 生 影
响 , 其 影 响 程 度 依 次 为 流 量 Q、 管 道 车 的 直 径 D、 管 道 车 的 长 度 L 和 物 料 的 重 量 G。 这 为 后
续 试 验 和 优 化 管 道 车 结 构 提 供 了 参 考 。
6 结 论
通 过 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 的 影 响 因 素 进 行 分 析 , 得 出 如 下 结 论 :
1) 环 状 缝 隙 宽 度 B、 荷 载 G 和 流 量 Q 均 会 对 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 能 耗 产 生 影 响 , 其 影
响 程 度 依 次 为 流 量 Q、 环 状 缝 隙 宽 度 B 和 荷 载 G。
2) 流 量 Q、 物 料 的 重 量 G、 管 道 车 的 直 径 D 以 及 管 道 车 的 长 度 L 均 会 对 管 道 车 速 度 产 生
影 响 , 其 影 响 程 度 依 次 为 流 量 Q、 管 道 车 的 直 径 D、 管 道 车 的 长 度 L 和 物 料 的 重 量 G。
参 考 文 献
[1] 李 永 业 , 孙 西 欢 , 延 耀 兴 . 管 道 车 不 同 荷 重 时 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 特 性 [J]. 农 业 机 械 学 报 ,2008,
39(12):93-96.
[2] 全 炳 欣 , 孙 西 欢 . 管 道 水 力 输 送 中 料 筒 起 动 流 速 的 试 验 分 析 [J]. 太 原 理 工 大 学 学 报 [J],2007,38(5):
412-419.
[3] 李 永 业 , 孙 西 欢 , 阎 庆 绂 , 等 . 不 同 导 流 条 安 放 角 条 件 下 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 试 验 研 究 [J]. 水 动 力 学
研 究 与 进 展 A 辑 ,2008,23(1):86-89.
[4] 白 晓 宁 , 胡 寿 根 , 张 道 方 , 等 . 固 体 物 料 管 道 水 力 输 送 的 研 究 进 展 与 应 用 [J]. 水 动 力 学 研 究 与 进 展 A
辑 ,2001,16(3):303-311.
[5] Henry Liu,Thomas R.Marrero.Coal Log Pipeline Technology an Overview[J].Powder Technology,1997,
(94):217-222.
[6] 童 学 卫 , 李 永 业 , 孙 西 欢 . 筒 装 料 管 道 水 力 输 送 试 验 系 统 设 计 研 究 [J]. 山 西 水 利 ,2008,(2):42-43.
[7] 白 新 桂 . 数 据 分 析 与 试 验 优 化 设 计 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,1986.
375

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
格 栅 式 排 沙 廊 道 优 化 布 置 方 案 的 试 验 研 究
张 耀 哲 王 敬 昌 苌 志 超 张 毅
( 西 北 农 林 科 技 大 学 水 建 学 院 陕 西 杨 凌 渭 惠 路 23 号 712100 zhangyaozhe28@tom.com)
摘 要 结 合 中 国 西 南 某 水 电 站 引 水 防 沙 问 题 的 研 究 , 提 出 了 在 水 电 站 排 沙 洞 前 设 置 格 栅 式 排 沙
廊 道 , 从 而 扩 大 坝 前 冲 刷 漏 斗 范 围 消 除 电 站 引 水 口 泥 沙 淤 积 的 解 决 方 案 。 试 验 结 果 表 明 , 在 格 栅
式 排 沙 廊 道 的 设 计 中 , 格 栅 廊 道 的 宽 度 应 不 小 于 排 沙 底 孔 进 口 的 宽 度 , 格 栅 孔 口 沿 水 流 方 向 的 长
度 以 1.5m-2.0m 为 宜 , 格 栅 孔 口 间 距 以 3-5 倍 孔 口 尺 寸 为 宜 。 试 验 结 果 还 表 明 增 设 格 栅 式 排 沙 廊
道 后 排 沙 底 孔 的 泄 流 能 力 大 约 减 小 5%-10%, 增 设 格 栅 式 排 沙 廊 道 对 坝 前 冲 刷 漏 斗 范 围 的 纵 向 拉
伸 效 果 明 显 。
关 键 词 格 栅 式 排 沙 廊 道 ; 排 沙 底 孔 ; 格 栅 孔 口 ; 孔 口 间 距
水 电 站 的 引 水 防 沙 是 水 电 工 作 者 长 久 以 来 所 关 注 的 问 题 。 尽 管 各 个 工 程 所 处 地 域 不 同 ,
[1][2]
但 在 枢 纽 方 案 布 置 时 , 大 多 数 都 采 用 排 沙 底 孔 的 方 式 来 实 现 电 站 引 水 口 “ 门 前 清 ” 的 目 标 。
排 沙 底 孔 对 电 站 引 水 口 的 影 响 主 要 通 过 坝 前 一 定 范 围 内 形 成 冲 刷 漏 斗 来 实 现 。 坝 前 冲 刷 漏 斗
的 形 态 主 要 与 排 沙 底 孔 的 地 板 高 程 、 排 沙 洞 的 泄 流 能 力 以 及 上 游 来 水 来 沙 条 件 等 有 关 。 [2]
如 果 受 枢 纽 所 在 位 置 地 形 条 件 的 限 制 , 电 站 引 水 口 不 能 布 置 在 冲 刷 漏 斗 范 围 以 内 , 则 难 以 实
现 电 站 引 水 口 “ 门 前 清 ” 的 目 标 。 为 了 使 坝 前 的 冲 刷 漏 斗 能 纵 向 拉 伸 , 以 便 于 特 定 条 件 下 电
站 引 水 口 的 布 置 , 近 年 来 , 设 计 人 员 和 科 研 工 作 者 提 出 了 在 排 沙 洞 前 设 置 格 栅 式 排 沙 廊 道 的
[3]
方 法 。 由 于 排 沙 洞 进 口 与 格 栅 式 排 沙 廊 道 相 连 通 , 排 沙 洞 泄 洪 排 沙 时 , 近 坝 区 的 水 流 会 经
过 廊 道 顶 部 的 格 栅 孔 口 进 入 排 沙 洞 , 在 坝 前 较 大 范 围 内 形 成 较 强 的 溯 源 冲 刷 能 力 , 从 而 导 致
坝 前 的 冲 刷 漏 斗 沿 廊 道 纵 向 上 延 , 实 现 电 站 引 水 口 门 前 清 的 目 标 。 格 栅 式 排 沙 廊 道 近 年 来 才
小 范 围 应 用 于 工 程 , 为 了 进 一 步 研 究 格 栅 式 排 沙 廊 道 设 计 的 相 关 参 数 , 并 拓 展 其 应 用 的 范 围 ,
本 文 结 合 某 待 建 电 站 枢 纽 的 引 水 防 沙 问 题 , 进 行 了 不 同 格 栅 孔 口 尺 寸 和 不 同 格 栅 间 距 时 , 格
栅 式 排 沙 廊 道 排 沙 特 性 的 研 究 。
1 试 验 方 案 简 介
1.1 枢 纽 模 型 的 概 化
本 项 试 验 结 合 中 国 西 南 某 水 电 站 引 水 防 沙 问 题 的 研 究 进 行 。 该 电 站 规 划 装 机 容 量 120 MW, 枢
纽 大 坝 为 混 凝 土 抛 物 线 双 曲 拱 坝 , 坝 高 72 m, 采 用 坝 上 敞 开 式 泄 流 , 电 站 引 水 口 布 置 在 右
岸 , 引 水 流 量 17.7 m 3 /s, 排 沙 底 孔 布 置 在 溢 流 表 孔 的 右 侧 下 方 。 为 了 保 证 排 沙 底 孔 所 形 成
的 冲 刷 漏 斗 能 上 延 到 电 站 引 水 口 , 设 计 中 采 用 了 在 排 沙 底 孔 前 增 设 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 方 案 。
本 次 试 验 以 该 工 程 作 为 概 化 的 枢 纽 模 型 , 模 型 几 何 比 尺 为 1:30。
1.2 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 平 面 布 置 方 案
有 关 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 研 究 目 前 尚 处 于 探 索 阶 段 。 文 献 [3] 结 合 两 个 待 建 工 程 的 模 型 试 验
资 料 , 提 出 了 排 沙 廊 道 的 轴 线 与 排 沙 洞 可 形 成 0°-90° 夹 角 的 折 线 型 布 置 , 但 是 对 格 栅 孔
口 的 尺 寸 , 格 栅 的 间 距 以 及 不 同 库 水 位 下 格 栅 式 排 沙 廊 道 内 外 的 水 流 流 速 分 布 及 排 沙 效 果 等
并 未 作 进 一 步 的 研 究 。 本 次 试 验 研 究 考 虑 了 曲 线 型 式 与 排 沙 底 孔 相 衔 接 的 格 栅 式 排 沙 廊 道 平
面 布 置 方 案 。 排 沙 廊 道 高 5 m, 宽 4 m, 廊 道 底 坡 1%, 廊 道 轴 线 长 度 36 m。 模 型 平 面 布 置 如
图 1 所 示 。
376

0+000.00
第 二 部 分 工 程 水 力 学
向
流
取
水
口
栅
式
排
沙
廊
道
格
拱
坝
图 1 模 型 平 面 布 置 图
1.3 枢 纽 的 控 制 运 用 条 件
概 化 的 模 型 枢 纽 正 常 运 行 水 位 1820 m, 排 沙 运 用 水 位 1805 m, 泄 空 排 沙 水 位 1795 m, 廊
道 顶 板 高 程 1790 m, 排 沙 底 孔 进 口 断 面 底 板 高 程 1785 m, 电 站 引 水 口 底 板 高 程 1795 m。 引
水 口 拦 沙 坝 高 程 1800 m。 排 沙 试 验 模 拟 的 推 移 质 泥 沙 粒 径 范 围 2~12 mm, 中 值 粒 径 7 mm。
排 沙 运 用 水 位 1805 m 时 设 计 的 排 沙 底 孔 过 流 能 力 为 158 m 3 /s, 泄 空 排 沙 水 位 1795 m 时 设 计 的
排 沙 底 孔 过 流 能 力 为 100 m 3 /s。
2 试 验 结 果
2.1 方 案 一 试 验 结 果
该 方 案 自 桩 号 0+000 到 0+036.160 共 设 置 15 个 格 栅 孔 口 , 格 栅 孔 口 平 面 布 置 及 尺 寸 如
图 2 所 示 。 实 验 结 果 表 明 , 廊 道 底 板 和 廊 道 顶 面 的 流 速 自 下 而 上 均 沿 程 衰 减 , 决 定 廊 道 排 沙
效 果 的 底 板 流 速 在 0+010 桩 号 以 下 大 约 为 1 m/s, 而 在 此 桩 号 以 上 底 板 流 速 均 小 于 1 m/s,
为 了 验 证 这 一 布 置 方 案 下 冲 刷 漏 斗 的 形 态 , 进 行 了 推 移 质 淤 积 物 的 冲 刷 试 验 。 推 移 质 淤 积 采
用 人 工 铺 沙 模 拟 , 为 反 映 最 不 利 的 淤 积 情 况 , 铺 沙 高 程 按 引 水 口 拦 沙 坝 的 高 程 1800 m 设 置 。
试 验 进 行 了 库 水 位 1795 m 和 1805 m 两 种 工 况 , 试 验 结 果 表 明 , 虽 然 在 坝 前 排 沙 底 孔 附 近 形
成 有 较 明 显 的 冲 刷 漏 斗 , 但 范 围 很 有 限 。 漏 斗 的
平 底 段 集 中 在 0+010 桩 号 以 下 , 漏 斗 边 缘 在 拦 沙 坝 以 下 , 未 能 做 到 电 站 引 水 口 的 “ 门 前 清 ”。
按 图 2 所 示 方 案 布 设 格 栅 不 能 实 现 设 计 目 标 。
1790.00
0.6
0.92
2.6× 6=15.6 2.1× 8=16.8 1.69
格 栅 孔 口
格 栅 廊 道
底 坡 i=1% 1785.00
排 沙 底 孔
6
4
图 2 方 案 1 平 面 布 置 图
377

4
0+000.00
0+000.00
水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2.2 方 案 二 试 验 结 果
设 置 格 栅 的 目 的 是 通 过 格 栅 调 整 进 入 廊 道 的 水 流 , 使 水 流 沿 程 均 匀 分 配 而 不 是 集 中 在 排
沙 底 孔 的 洞 口 , 从 而 实 现 廊 道 内 外 泥 沙 的 沿 程 冲 刷 。 方 案 一 沿 程 均 布 的 格 栅 孔 口 并 未 实 现 这
一 目 标 。 方 案 二 采 用 了 沿 程 非 均 匀 布 设 格 栅 孔 口 的 布 置 方 案 , 格 栅 孔 口 由 原 来 的 15 个 变 为
9 个 。 具 体 布 置 如 图 3 所 示 。 为 了 验 证 廊 道 的 排 沙 效 果 , 该 方 案 直 接 进 行 了 不 同 运 行 水 位 时
推 移 质 淤 积 物 的 排 沙 试 验 , 结 果 表 明 该 方 案 冲 刷 漏 斗 的 范 围 明 显 上 延 , 测 验 结 果 显 示 1792 m
等 高 线 较 前 一 方 案 上 延 12 m。 但 方 案 仍 存 在 不 足 , 主 要 是 漏 斗 上 缘 下 切 深 度 不 够 , 电 站 引
水 口 前 仍 有 少 量 的 泥 沙 淤 积 , 格 栅 孔 口 的 布 置 方 案 需 进 一 步 优 化 。
1790.00
2
2
3.2
2
3.2
1.5
2.7
1.5
4.8
1.5
4.8
1.69
0.92
0.6 2 0.6
格 栅 廊 道
格 栅 孔 口
底 板
底 坡 i=1%
排 沙 底 孔
1785.00
6
4
图 3 方 案 2 平 面 布 置 图
2.3 方 案 三 试 验 结 果
根 据 前 述 两 个 方 案 的 试 验 结 果 , 初 步 表 明 廊 道 顶 板 格 栅 孔 口 的 间 距 不 宜 太 大 , 而 孔 口 的 尺 寸
不 宜 太 小 。 方 案 三 中 将 方 案 二 的 9 个 格 栅 孔 口 变 为 5 个 , 孔 口 尺 寸 统 一 定 为 2 m, 格 栅 孔 口
总 进 水 面 积 与 方 案 二 基 本 相 同 。 该 方 案 格 栅 孔 口 平 面 布 置 及 尺 寸 如 图 4 所 示 。 试 验 结 果 表 明 ,
底 板 流 速 较 前 述 方 案 明 显 增 加 。 相 同 条 件 的 推 移 质 排 沙 试 验 结 果 显 示 , 库 水 位 1795 m 时 冲
刷 漏 斗 可 纵 向 上 延 到 排 沙 廊 道 的 上 游 末 端 , 廊 道 的 泥 沙 能 全 部 排 出 。 库 水 位 1805 m 时 。0+029
桩 号 以 下 廊 道 内 的 泥 沙 能 全 部 排 出 。 冲 刷 漏 斗 范 围 上 延 到 电 站 引 水 口 以 上 , 且 下 切 深 度 较 大 ,
电 站 取 水 口 能 够 实 现 “ 门 前 清 ”。 按 此 方 案 布 置 格 栅 孔 口 满 足 了 设 计 要 求 。
1790.00
2
5.8
5.8
2
6.9
2
8.5
1.69
0.92
格 栅 孔 口
格 栅 廊 道
底 坡 i=1%
底 板
1785.00
排 沙 底 孔
图 4 方 案 3 平 面 布 置 图
378

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3 分 析 与 讨 论
试 验 结 果 初 步 表 明 , 在 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 设 计 中 , 格 栅 孔 口 的 尺 寸 和 相 邻 格 栅 孔 口 的 间
距 是 最 为 敏 感 的 设 计 参 数 。 按 照 本 次 试 验 所 取 得 的 结 果 , 格 栅 廊 道 的 宽 度 应 不 小 于 排 沙 底 孔
进 口 的 宽 度 , 格 栅 孔 口 沿 水 流 方 向 的 长 度 以 1.5 m-2.0 m 为 宜 , 格 栅 孔 口 间 距 以 3-5 倍 孔 口
尺 寸 为 宜 。 格 栅 式 排 沙 廊 道 作 为 底 孔 排 沙 的 辅 助 工 程 措 施 , 已 显 示 出 较 强 的 优 点 , 但 在 实 际
应 用 中 仍 有 一 些 问 题 有 待 研 究 。
3.1 增 设 格 栅 式 排 沙 廊 道 对 排 沙 底 孔 泄 流 能 力 的 影 响
增 设 格 栅 式 排 沙 廊 道 后 , 改 变 了 排 沙 底 孔 进 口 的 水 流 条 件 , 势 必 会 影 响 到 排 沙 底 孔 的 泄
流 能 力 。 对 于 该 问 题 需 作 进 一 步 研 究 。 根 据 本 次 试 验 的 初 步 观 测 分 析 , 泄 流 能 力 普 遍 减 小 ,
其 减 小 幅 度 的 平 均 值 大 约 为 5%-10%。 下 表 所 列 是 方 案 一 和 方 案 二 不 同 坝 前 水 位 时 泄 流 能 力
的 观 测 结 果 。
表 1 不 同 格 栅 孔 口 布 置 方 案 排 沙 底 孔 的 泄 流 量 (m 3 /s)
坝 前 水 位 (m) 1 795 1 800 1 805 1 810 1 815 1 820
方 案 一 97 123 148 166 186 203
方 案 二
设 计 值
( 无 廊 道 )
94 119 142 160 178 194
100 132 158 172 —— ——
3.2 格 栅 式 排 沙 廊 道 对 电 站 引 水 口 前 水 流 流 态 的 影 响
在 试 验 进 行 过 程 中 , 仔 细 观 察 了 不 同 格 栅 孔 口 布 置 方 案 及 不 同 坝 前 水 位 时 电 站 引 水 口 的
流 态 , 尚 未 发 现 漩 涡 及 折 冲 等 不 良 流 态 现 象 , 但 是 考 虑 到 格 栅 孔 口 入 流 所 产 生 的 附 流 , 并 不
能 排 除 这 一 影 响 的 存 在 。 如 果 泄 洪 排 沙 期 上 游 有 杂 草 树 木 等 漂 浮 物 , 电 站 引 水 口 及 格 栅 孔 口
的 堵 塞 问 题 需 要 引 起 足 够 的 警 惕 。 格 栅 式 排 沙 廊 道 对 电 站 引 水 口 流 态 的 影 响 仍 需 作 进 一 步 的
研 究 。
3.3 极 端 淤 积 条 件 下 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 排 沙 运 用
所 谓 极 端 淤 积 条 件 , 是 指 由 于 排 沙 底 孔 未 能 适 时 泄 洪 排 沙 , 导 致 排 沙 底 孔 洞 口 以 上 全 部
被 泥 沙 淤 埋 的 情 况 。 试 验 过 程 中 曾 对 这 一 现 象 进 行 了 模 拟 , 观 测 显 示 , 即 使 洞 口 以 上 全 部 被
淤 埋 , 格 栅 式 排 沙 廊 道 的 顶 板 以 下 仍 存 在 一 定 范 围 的 空 腔 。 图 5 是 模 型 中 泥 沙 自 然 淤 积 后 所
观 察 到 的 廊 道 内 空 腔 示 意 图 。 试 验 观 测 表 明 , 只 要 排 沙 底 孔 能 开 启 使 用 , 就 会 在 廊 道 内 产 生
竖 向 环 流 , 由 此 而 产 生 的 溯 源 冲 刷 会 向 上 发 展 , 促 使 格 栅 孔 口 依 次 疏 通 泄 流 直 至 正 常 使 用 。
在 此 极 端 淤 积 情 况 下 , 格 栅 式 廊 道 能 够 正 常 使 用 的 原 因 在 于 自 然 淤 积 情 况 下 格 栅 廊 道 顶 板 以
下 空 腔 的 存 在 。 设 计 合 理 的 格 栅 孔 口 尺 寸 和 格 栅 间 距 是 空 腔 能 够 存 在 的 前 提 。
空
腔
1790.00
2 5.8 2 5.8 2 6.9 2 8.5 1.69
淤 积 泥 沙
底 板
0+000.000
1785.00
排 沙 底 孔
图 5 廊 道 内 空 腔 示 意 图
379

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
4 结 语
多 沙 河 流 上 无 论 是 高 坝 大 库 的 高 水 头 电 站 , 还 是 低 水 头 电 站 , 防 止 推 移 质 泥 沙 进 入 取 水
口 一 直 是 设 计 阶 段 的 一 大 难 题 。 格 栅 式 排 沙 廊 道 作 为 底 孔 排 沙 的 辅 助 工 程 措 施 , 能 一 定 程 度
上 解 决 电 站 引 水 口 门 前 推 移 质 泥 沙 的 淤 积 问 题 。 本 文 结 合 实 际 工 程 的 模 拟 试 验 , 对 格 栅 式 排
沙 廊 道 设 计 中 的 关 键 问 题 进 行 了 分 析 研 究 , 提 出 了 格 栅 孔 口 尺 寸 及 间 距 等 敏 感 设 计 参 数 的 确
定 原 则 , 并 对 格 栅 式 排 沙 廊 道 应 用 中 所 可 能 出 现 的 问 题 进 行 了 分 析 讨 论 , 可 供 其 它 类 似 工 程
使 用 时 参 考 。 格 栅 式 排 沙 廊 道 作 为 一 种 新 的 引 水 防 沙 措 施 , 需 要 在 以 后 的 应 用 中 不 断 研 究 完
善 。
参 考 文 献
[1] 潘 庆 燊 . 长 江 水 利 委 员 会 大 中 型 水 利 水 电 工 程 技 术 丛 书 —— 长 江 水 利 枢 纽 工 程 泥 沙 研 究 [M]. 北 京 :
中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2003.
[2] 杜 国 翰 . 枢 纽 工 程 泥 沙 研 究 与 实 践 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2008.
[3] 戴 晓 兵 , 李 延 农 , 陈 曙 光 . 水 电 站 进 水 口 排 沙 底 孔 的 型 式 [J]. 水 利 水 电 技 术 .2005 年 ,36 卷 (10).
[4] 梁 志 勇 , 徐 永 年 , 罗 福 安 , 等 . 引 水 防 沙 与 河 床 演 变 [R]. 中 国 建 材 工 业 出 版 社 . 2000. 水 电 部 水 利 水
电 规 划 总 院 . 水 电 站 泥 沙 问 题 汇 编 ,1982.
[5] 水 利 部 西 北 水 科 所 等 编 著 . 中 小 型 水 库 设 计 与 管 理 中 的 泥 沙 问 题 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,1983.
[6] 水 利 部 西 北 水 科 所 实 验 中 心 . 云 南 赛 珠 水 电 站 枢 纽 引 水 防 沙 模 型 试 验 [R].2005.
380

第 二 部 分 工 程 水 力 学
温 泉 水 电 站 表 孔 溢 洪 道 水 工 模 型 试 验 研 究
张 明 义 陈 晓 梅 高 建 新 尹 辉 崔 晓 红
( 新 疆 水 利 水 电 科 学 研 究 院 乌 鲁 木 齐 市 830049 sky_zmy@163.com)
摘 要 通 过 对 温 泉 电 站 表 孔 溢 洪 洞 的 水 工 模 型 试 验 研 究 , 完 善 优 化 了 表 孔 溢 洪 洞 进 口 、WES 堰 、
洞 身 段 、 挑 流 出 口 段 的 设 计 方 案 , 使 进 口 流 态 有 所 改 善 、WES 堰 过 流 能 力 和 出 口 挑 射 水 舌 等 满 足
设 计 要 求 , 试 验 成 果 对 工 程 设 计 和 其 他 模 型 试 验 均 具 有 一 定 的 借 鉴 意 义 。
关 键 词 水 工 模 型 试 验 ; 表 孔 溢 洪 洞 进 口 ;WES 堰 泄 流 ; 挑 流
1 工 程 概 况 及 模 型 试 验 内 容
1.1 工 程 概 况
新 疆 温 泉 水 电 站 水 库 总 库 容 2.07 亿 m 3 , 水 库 正 常 蓄 水 位 955 m, 最 大 坝 高 102 m, 装 机
容 量 120 MW, 主 要 任 务 是 发 电 , 电 站 建 成 后 向 北 疆 电 网 供 电 , 可 承 担 部 分 调 峰 任 务 。 枢 纽
工 程 由 拦 河 坝 、 表 孔 溢 洪 洞 、 深 孔 泄 洪 洞 、 发 电 引 水 洞 及 岸 边 式 电 站 厂 房 组 成 。 工 程 属 大 ⑵
型 二 等 工 程 , 永 久 性 主 要 建 筑 物 大 坝 坝 高 超 过 100 m, 为 1 级 建 筑 物 ; 泄 水 建 筑 物 、 引 水 建
筑 物 及 电 站 厂 房 为 2 级 建 筑 物 ; 水 库 校 核 洪 水 位 957.86 m、 设 计 洪 水 位 956.56 m、 正 常 蓄
水 位 955.00 m、 死 水 位 933.50 m。
泄 水 建 筑 物 由 表 孔 溢 洪 洞 、 深 孔 泄 洪 洞 组 成 , 其 中 表 孔 溢 洪 洞 由 引 渠 段 、 控 制 段 、 洞 身
段 、 泄 槽 段 及 消 能 段 组 成 , 设 计 水 位 下 泄 流 量 773.68 m 3 /s, 校 核 洪 水 下 泄 流 量 927.44 m 3 /s,
单 宽 最 大 泄 量 115.93 m 3 /s, 具 体 各 段 组 成 为 :1 表 孔 溢 洪 洞 引 渠 段 底 板 高 程 937.5 m;2
控 制 段 采 用 WES 实 用 堰 型 , 堰 高 9 m, 堰 宽 12 m, 孔 口 泄 流 采 用 弧 形 工 作 门 控 制 , 弧 形 工 作
门 前 布 置 一 道 平 板 检 修 门 。 堰 后 以 反 弧 段 与 下 游 洞 身 段 相 接 ;3 洞 身 段 长 164.472 m。 其 中 ,
前 25 m 为 渐 变 段 , 断 面 由 12×12 m 的 正 方 形 渐 变 为 8×10 m、 拱 顶 角 120° 的 城 门 洞 形 , 纵
坡 7/100, 底 板 高 程 935.281 m~923.770 m;4 出 口 泄 槽 及 消 能 段 , 洞 出 口 后 紧 接 泄 槽 及 消
能 段 , 泄 槽 与 洞 身 段 以 抛 物 线 连 接 , 其 后 为 1:5 的 纵 坡 , 后 接 挑 流 鼻 坎 , 泄 槽 采 用 矩 形 整
体 式 结 构 , 底 宽 均 为 8 m。 挑 流 鼻 坎 净 宽 由 8.0 m 扩 散 至 14 m, 反 弧 半 径 30 m, 挑 角 25°,
坎 顶 高 程 924.329 m。
1.2 模 型 试 验 内 容 及 要 求
试 验 各 运 行 工 况 下 表 孔 进 水 口 的 流 量 及 流 态 , 验 证 表 孔 进 水 口 体 型 、 流 量 系 数 及 流 态 ,
并 提 出 改 进 意 见 ; 验 证 表 孔 控 制 段 、 洞 身 段 、 泄 槽 段 及 消 能 段 各 段 体 型 设 计 的 合 理 性 ; 测 定
表 孔 各 部 分 水 深 、 流 速 、 压 力 分 布 情 况 , 提 出 防 止 空 蚀 破 坏 的 措 施 及 改 进 意 见 ; 对 表 孔 出 口
挑 坎 的 起 挑 水 位 、 出 口 流 态 、 消 能 效 果 、 河 床 冲 刷 情 况 进 行 测 试 , 并 改 进 、 优 化 挑 流 鼻 坎 体
型 , 减 小 对 河 床 的 冲 刷 ; 通 过 动 床 试 验 评 价 表 孔 挑 流 水 舌 对 河 床 的 冲 淤 形 态 及 对 下 游 河 床 整
治 段 的 影 响 , 提 出 改 进 意 见 及 下 游 保 护 范 围 。
381

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2 模 型 设 计 制 作
根 据 试 验 任 务 和 试 验 大 厅 的 场 地 条 件 , 模 型 采 用 重 力 相 似 设 计 , 几 何 比 尺 选 用 1∶50。
2.5
由 重 力 相 似 条 件 得 到 相 应 流 量 比 尺 、 流 速 比 尺 分 别 为 : l Q
= l
l
=50 2.5 =17677.67 ,
l 0 .5 50 0. 5
v
= l l
= = 7.07 。
模 拟 范 围 : 整 体 模 型 上 游 截 取 水 库 库 盘 范 围 内 的 原 型 河 道 长 405 m、 宽 250 m, 严 格 按
1∶1000 地 形 图 制 作 成 定 床 ; 下 游 原 型 河 道 截 取 范 围 自 大 坝 的 下 游 围 堰 至 电 站 厂 房 尾 水 出 口
下 游 350 m 处 , 其 中 末 尾 198 m 为 定 床 , 作 为 下 游 河 道 的 水 位 流 量 控 制 河 段 , 其 余 河 段 河 床
全 为 动 床 , 模 型 模 拟 下 游 河 道 原 型 总 长 1100 m、 河 道 宽 度 200~400 m。 各 建 筑 物 均 用 有 机
玻 璃 精 工 制 作 , 以 达 到 建 筑 物 尺 寸 准 确 、 外 观 光 洁 、 糙 率 相 似 、 并 便 于 观 测 水 流 的 目 的 。 表
孔 溢 洪 洞 的 控 制 段 、 洞 身 段 、 出 口 泄 槽 及 消 能 段 底 板 均 安 有 测 压 孔 , 以 量 测 压 强 分 布 。 下 游
河 道 定 床 用 水 泥 砂 浆 抹 面 , 动 床 用 模 型 砂 铺 筑 , 参 照 以 往 类 似 工 程 经 验 模 型 铺 沙 厚 度 取 为
0.8 m。 模 型 布 置 图 见 图 1。
试 验 中 泄 水 建 筑 物 下 游 出 口 河 床 消 能 区 的 基 岩 采 用 散 粒 料 模 拟 , 其 粒 径 是 根 据 散 粒 料 的
起 动 流 速 与 基 岩 抗 冲 流 速 相 似 的 条 件 来 选 择 的 , 采 用 以 散 粒 体 模 拟 基 岩 的 伊 斯 巴 什 公 式 计 算
模 型 沙 粒 径 , 计 算 公 式 为 :V=K D , 其 中 V 为 河 床 基 岩 的 抗 冲 流 速 ,K 为 岩 性 系 数 , 约 为 5~
7,D 为 河 床 基 岩 的 当 量 粒 径 , 设 计 单 位 提 供 的 电 站 枢 纽 区 的 岩 石 抗 冲 流 速 为 3~6 m/s, 试 验 按
上 述 公 式 计 算 粒 径 , 采 用 天 然 石 子 配 置 , 模 型 采 用 的 粒 径 为 5~20 mm。
图 1 温 泉 水 电 站 水 工 模 型 试 验 模 型 布 置 图
3 试 验 成 果 与 分 析
3.1 原 设 计 方 案 试 验
3.1.1 表 孔 溢 洪 洞 WES 堰 水 位 ~ 流 量 关 系
表 孔 溢 洪 洞 WES 堰 水 位 ~ 流 量 关 系 试 验 结 果 表 明 : 在 闸 门 全 开 、 水 库 各 特 征 水 位 下 的 过
流 量 均 小 于 计 算 值 。 在 设 计 洪 水 位 956.56 m 和 校 核 洪 水 位 957.86 m 时 , 都 尚 未 达 到 相 应 的
计 算 流 量 773.68 m 3 /s 和 927.44 m 3 /s。 这 主 要 是 因 进 口 水 流 不 对 称 , 在 引 渠 边 墙 绕 流 , 特
别 是 左 侧 边 墙 进 口 处 绕 流 现 象 更 严 重 , 加 之 检 修 门 槽 比 较 宽 等 原 因 都 对 过 流 产 生 影 响 , 使 得
382

第 二 部 分 工 程 水 力 学
堰 前 水 头 跌 落 较 大 , 过 堰 水 流 较 紊 乱 , 减 小 了 过 流 能 力 。 水 库 各 特 征 水 位 时 表 孔 试 验 实 测 流
量 与 计 算 流 量 比 较 见 表 1。
纵 剖 面 图
1.85
y=0.07x+0.006066x2
1:5
平 面 图
说 明 :
本 图 尺 寸 标 注 单 位 为 mm。
图 2: 表 孔 溢 洪 洞 原 设 计 方 案 体 型 图
图 2 表 孔 溢 洪 洞 原 设 计 方 案 体 型 图
表 1 水 库 各 特 征 水 位 时 表 孔 试 验 实 测 流 量 与 计 算 流 量 比 较 表
闸 门 全 开
e=3 m
运 用 工 况
库 水 位 (m)
实 测 流 量
计 算 流 量
试 验 流
实 测 流 量
(m 3 /s)
(m 3 /s)
量 系 数
(m 3 /s)
正 常 蓄 水 位 955.0 580.77 314.27
设 计 水 位 956.56 726.34 773.68 0.4284 351.84
校 核 水 位 957.86 871.07 927.44 0.4282 377.68
由 试 验 实 测 WES 堰 流 量 系 数 与 库 水 位 关 系 可 知 , 流 量 系 数 先 随 水 位 升 高 而 增 大 , 至 WES
堰 设 计 水 头 附 近 达 到 最 大 值 , 然 后 又 随 水 位 增 高 而 减 小 。 试 验 测 得 的 最 大 流 量 系 数 为 0.436,
与 其 对 应 的 水 位 为 956.25 m。
3.1.2 流 速 分 布
从 流 速 实 测 结 果 看 , 表 孔 溢 洪 洞 的 流 速 在 16.85~22.79 m/s 之 间 , 流 速 从 WES 堰 下 游
反 弧 末 端 至 出 口 逐 渐 增 大 。
3.1.3 水 流 流 态 、 水 面 线
因 受 堰 前 引 渠 段 的 影 响 , 表 孔 进 口 水 流 不 对 称 , 加 之 闸 槽 的 影 响 , 堰 顶 水 头 跌 落 较 大 ,
并 随 水 位 增 高 , 跌 落 现 象 加 剧 。 堰 顶 水 流 比 较 混 乱 , 堰 顶 和 泄 槽 内 都 存 在 水 流 交 叉 、 波 动 、
折 冲 现 象 。 横 断 面 水 深 不 均 匀 , 渐 变 段 末 端 左 侧 从 桩 号 0+071.036~0+086.036 m 段 水 深 较
大 , 流 量 773.68 m 3 /s 时 水 深 已 超 出 直 墙 。 为 了 调 整 表 孔 进 口 流 态 , 试 验 中 将 引 渠 段 的 两 侧
边 墙 向 上 游 延 伸 。 从 桩 号 0-10.537 m 开 始 , 左 侧 边 墙 延 长 5 m, 右 侧 边 墙 延 长 12 m。 经 试
验 观 测 : 过 堰 水 流 流 态 已 有 较 大 改 观 , 但 左 侧 边 墙 的 首 部 仍 然 存 在 绕 流 现 象 。
该 设 计 方 案 在 各 特 征 流 量 或 水 位 时 , 下 游 出 口 水 流 都 不 能 挑 到 河 床 内 , 只 是 挑 落 在 护 坦
末 端 本 岸 的 岸 坡 上 。 这 主 要 是 由 于 表 孔 出 口 位 置 距 河 道 中 心 较 远 , 鼻 坎 高 程 也 比 较 高 造 成 的 。
试 验 实 测 表 孔 起 挑 水 位 948.7 m, 终 挑 水 位 为 948.4 m。
383

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3.1.4 压 力 分 布
表 孔 模 型 中 , 沿 底 部 中 心 线 共 布 设 测 压 孔 30 个 , 其 中 WES 堰 面 上 布 设 11 个 , 其 余 19
个 分 布 在 泄 槽 至 出 口 段 。 由 WES 堰 的 压 力 分 布 情 况 看 , 水 位 自 堰 顶 946.5 m 上 升 至 校 核 水 位
957.86 m 过 程 中 , 从 956.25 m 开 始 堰 面 个 别 点 出 现 负 压 , 在 设 计 水 位 和 校 核 水 位 时 负 压 值
都 较 小 , 除 此 之 外 , 堰 面 其 他 部 位 以 及 泄 槽 、 出 口 段 均 为 正 压 。
3.1.5 原 设 计 方 案 试 验 结 论
表 孔 引 渠 进 口 处 水 流 不 对 称 , 绕 流 现 象 比 较 严 重 , 特 别 是 左 侧 边 墙 。 试 验 中 曾 将 两 侧 边
墙 向 上 游 延 长 , 但 效 果 不 是 很 理 想 ; 试 验 实 测 WES 堰 的 过 流 量 小 于 计 算 值 , 不 满 足 设 计 要
求 ; 受 进 口 水 流 影 响 , 堰 下 游 泄 槽 内 横 断 面 水 深 不 均 匀 , 渐 变 段 末 端 左 侧 0+071.036~
0+086.036 段 水 深 较 大 , 在 设 计 流 量 时 水 深 已 超 出 直 墙 ; 在 各 特 征 流 量 或 水 位 时 , 表 孔 出 口
挑 流 水 舌 都 只 能 跌 落 在 尾 坎 出 口 、 河 道 右 岸 坡 上 , 落 不 到 河 道 内 。 挑 流 鼻 坎 的 位 置 距 河 道 中
心 较 远 。
3.2 修 改 方 案 一 试 验
与 原 设 计 方 案 相 比 , 表 孔 修 改 方 案 一 所 修 改 的 内 容 为 : 进 口 引 渠 段 在 原 设 计 方 案 等 宽 直
墙 的 基 础 上 以 椭 圆 曲 线 向 上 游 延 长 8 m, 呈 喇 叭 形 进 口 ; 从 表 孔 桩 号 0+163.419 m 下 游 开 始
依 次 接 渥 奇 段 、1:2.5 直 线 段 、 挑 流 鼻 坎 段 ; 挑 流 段 出 口 位 置 较 原 设 计 方 案 桩 号 0+217.030
向 下 游 延 长 了 60.67 m, 桩 号 为 0+277.702, 挑 流 鼻 坎 高 程 较 原 设 计 方 案 降 低 了 28.2 m。 表
孔 修 改 方 案 一 体 型 详 见 图 3 。 经 放 水 试 验 发 现 : 表 孔 进 口 引 渠 段 体 型 经 修 改 后 , 流 态 较 原
方 案 已 有 很 大 的 改 善 。 但 由 于 表 孔 挑 流 段 出 口 位 置 向 下 游 延 长 得 太 多 , 在 尚 未 达 到 计 算 设 计
流 量 773.68 m 3 /s 时 , 水 流 就 已 经 跃 过 下 游 河 道 、 挑 射 到 对 岸 山 坡 上 。
图 3 表 孔 修 改 方 案 一 体 型 图
3.3 修 改 方 案 二 试 验
因 原 设 计 方 案 的 WES 堰 过 流 能 力 没 有 达 到 设 计 要 求 , 所 以 对 原 设 计 的 WES 堰 体 型 重 新 进
行 修 改 、 优 化 , 使 其 体 型 变 瘦 ; 从 WES 堰 的 反 弧 末 端 ( 桩 号 0+023.036 m) 至 0+163.419 m 的
洞 身 段 底 坡 不 变 , 仅 洞 身 段 直 墙 高 度 增 加 1 米 ; 从 桩 号 0+163.419 m 开 始 向 下 游 依 次 接 渥 奇
段 、1:2.5 直 线 段 、 挑 流 鼻 坎 段 ; 挑 流 段 出 口 位 置 较 原 设 计 方 案 向 下 游 延 长 了 19.95 m, 桩
号 为 0+236.981, 挑 流 鼻 坎 高 程 较 原 设 计 方 案 降 低 11.85 m; 另 外 , 取 消 了 堰 顶 上 原 来 的 弧
384

第 二 部 分 工 程 水 力 学
形 工 作 闸 门 , 检 修 闸 门 和 工 作 闸 门 都 改 为 平 板 闸 门 。 表 孔 修 改 方 案 二 体 型 详 见 图 4。
图 4 表 孔 溢 洪 洞 修 改 方 案 二 体 型 图
3.3.1 表 孔 修 改 方 案 二 水 位 ~ 流 量 关 系
由 于 修 改 了 表 孔 引 渠 段 进 口 型 式 , 进 口 处 水 流 不 对 称 现 象 有 所 改 善 , 加 之 对 堰 的 体 型 作
了 较 大 的 修 改 , 表 孔 的 过 流 能 力 明 显 增 加 。 对 表 孔 修 改 方 案 二 的 WES 堰 , 试 验 实 测 了 闸 门 全
开 时 的 库 水 位 ~ 流 量 关 系 , 由 此 可 看 出 : 表 孔 泄 流 量 随 库 水 位 增 高 而 增 大 , 在 设 计 洪 水 位 和
校 核 洪 水 位 时 表 孔 的 泄 流 量 都 大 于 相 应 的 设 计 计 算 值 。 试 验 测 得 的 流 量 系 数 在 0.421~
0.464 范 围 内 。
3.3.2 流 速 分 布
在 设 计 水 位 956.56 m、 泄 流 量 为 784.48 m 3 /s 时 , 模 型 中 实 测 的 流 速 为 16.82~27.75 m/s,
当 校 核 水 位 957.86 m、 泄 流 量 为 941.15 m 3 /s 时 流 速 在 16.49~28.82 m/s。 流 速 从 WES 堰
下 游 反 弧 末 端 至 挑 流 段 出 口 沿 程 逐 渐 增 大 , 而 且 挑 坎 出 口 的 流 速 最 大 。
3.3.3 流 态 及 水 面 线
由 于 改 变 了 表 孔 进 口 引 渠 段 的 型 式 和 长 度 , 进 口 流 态 有 很 大 改 善 , 但 水 流 不 太 对 称 的 现
象 还 是 部 分 存 在 , 致 使 溢 洪 洞 内 的 水 面 横 向 分 布 不 均 匀 , 特 别 是 从 渐 变 段 末 端 ( 桩 号
0+048.036m) 至 其 下 游 桩 号 0+163.419m 洞 身 段 比 较 明 显 , 其 后 的 泄 槽 段 、 渥 奇 段 、 挑 流 段
水 面 比 较 均 匀 。
利 用 模 型 中 实 测 的 清 水 水 深 , 采 用 规 范 所 附 泄 槽 段 水 流 掺 气 水 深 计 算 公 式 :
h
b
ö
ç
æ zn = 1 + ÷ h
è 100 ø
计 算 得 到 掺 气 水 深 。 由 结 果 可 知 : 当 设 计 洪 水 位 956.56 m、 泄 量 为 784.48 m 3 /s
时 , 表 孔 泄 槽 段 的 掺 气 水 深 在 4.17 m~7.66 m, 在 校 核 水 位 957.86 m、 泄 量 为 941.15 m 3 /s
时 掺 气 水 深 在 4.56 m~9.4 m。 特 别 是 从 渐 变 段 末 端 至 下 游 渥 奇 段 起 始 段 面 的 计 算 掺 气 水 深
比 较 大 9.4 m~8.14 m, 有 部 分 断 面 的 计 算 掺 气 水 深 已 超 过 溢 洪 洞 的 直 墙 高 度 、 不 满 足 规 范
要 求 。 所 以 , 表 孔 在 设 计 水 位 、 通 过 784.48 m 3 /s 时 , 设 计 边 墙 高 度 满 足 要 求 ; 在 校 核 洪 水
位 、 过 941.15 m 3 /s 时 , 桩 号 0+048.036 m 至 其 下 游 桩 号 0+163.419 m 段 溢 洪 洞 有 部 分 断 面
直 墙 高 度 不 够 , 建 议 适 当 加 高 。
表 孔 的 起 挑 水 位 为 948.5 m, 终 挑 水 位 947.25 m。
表 孔 出 口 的 挑 射 水 舌 从 库 水 位 948.5 m~955.9 m 基 本 上 都 落 在 挑 坎 下 面 的 岸 坡 上 , 水
位 高 于 955.9m 以 后 , 水 舌 开 始 落 入 河 道 中 。 建 议 对 鼻 坎 出 口 处 的 岸 坡 进 行 防 护 , 以 避 免 挑
流 水 舌 淘 刷 。
385

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
在 设 计 水 位 956.56 m、 流 量 为 784.48 m 3 /s 时 , 表 孔 出 口 水 流 的 挑 距 是 107 m, 在 校 核 水
位 957.86 m、 流 量 为 941.15 m 3 /s 时 表 孔 出 口 水 流 的 挑 距 为 110 m。
3.3.4 压 力 分 布
在 表 孔 修 改 方 案 二 模 型 中 沿 底 部 中 心 线 布 置 测 压 孔 30 个 , 其 中 WES 堰 面 上 11 个 、 泄 槽
段 15 个 、 挑 流 段 4 个 。
表 孔 过 流 时 , 从 库 水 位 升 至 956.2 m 起 ,WES 堰 面 上 开 始 出 现 负 压 。 在 设 计 水 位 956.56 m
时 , 最 大 负 压 值 为 2.94kPa, 在 校 核 水 位 957.86 m 时 , 堰 顶 附 近 最 大 负 压 值 为 14.7 kPa。
这 均 符 合 溢 洪 道 设 计 规 范 (SL253—2000) 中 的 规 定 : 实 用 堰 堰 顶 附 近 的 堰 面 压 力 在 设 计 洪
水 闸 门 全 开 情 况 下 不 大 于 0.03 MPa, 在 校 核 洪 水 闸 门 全 开 情 况 下 不 大 于 0.06 MPa。 而 且 试
验 观 测 到 堰 面 上 出 现 负 压 的 范 围 也 比 较 小 , 堰 的 过 流 能 力 也 能 满 足 设 计 要 求 , 这 说 明 WES
堰 的 体 型 是 合 适 的 。 除 堰 面 外 , 表 孔 其 他 部 位 均 没 有 发 现 负 压 。
整 个 泄 槽 段 内 实 测 流 速 在 16.49~28.82 m/s 内 , 均 未 达 到 规 范 规 定 的 30、35 m/s 的 流
速 , 泄 槽 段 内 实 测 的 压 力 均 为 正 压 , 且 经 计 算 沿 程 的 水 流 空 化 数 为 0.36~0.86, 故 表 孔 泄
槽 段 内 无 发 生 空 蚀 破 坏 的 可 能 。
与 表 孔 原 设 计 方 案 和 修 改 方 案 一 相 比 , 修 改 方 案 二 的 过 流 能 力 满 足 设 计 要 求 , 体 型 合 适 ,
因 而 将 此 方 案 作 为 表 孔 的 推 荐 方 案 。
3.4 下 游 河 道 冲 淤 试 验
表 孔 出 口 下 游 河 道 的 冲 淤 试 验 是 在 表 孔 修 改 方 案 二 的 基 础 上 进 行 的 。 河 道 动 床 的 铺 砂 高
程 是 按 设 计 单 位 提 供 的 表 孔 出 口 至 厂 房 尾 水 出 口 下 游 300 米 处 的 河 道 整 治 线 高 程 铺 设 的 。 下
游 冲 刷 试 验 共 做 了 表 孔 单 独 运 行 及 表 孔 和 深 孔 联 合 运 行 分 别 在 设 计 洪 水 位 、 校 核 洪 水 位 等 几
种 工 况 组 合 。
3.4.1 表 孔 单 独 运 行
表 孔 在 设 计 水 位 和 校 核 水 位 运 行 时 , 下 游 出 口 冲 坑 的 位 置 均 对 称 于 表 孔 轴 线 , 最 深 点 在
对 岸 山 坡 坡 脚 处 , 最 低 冲 深 点 高 程 在 设 计 洪 水 位 时 为 842.86 m, 在 校 核 洪 水 位 时 为 841.86 m,
淘 刷 深 度 较 大 , 建 议 对 岸 坡 脚 做 局 部 防 护 。 由 于 表 孔 出 口 冲 坑 内 淘 刷 出 来 的 散 粒 体 被 水 流 带
到 下 游 , 因 此 下 游 河 道 从 表 孔 出 口 右 边 11 断 面 至 深 孔 出 口 之 间 基 本 上 呈 淤 积 状 态 , 最 大 淤
积 高 程 870.51 m。 校 核 洪 水 较 设 计 洪 水 冲 刷 时 淤 得 更 高 , 并 且 淤 积 的 位 置 距 表 孔 出 口 更 远 , 已
到 深 孔 出 口 。
3.4.2 表 孔 和 深 孔 联 合 运 行
在 设 计 洪 水 位 956.56 m 和 校 核 洪 水 位 957.86 m 两 种 情 况 下 , 深 孔 和 表 孔 联 合 泄 流 时 ,
河 道 的 冲 刷 和 淤 积 形 态 基 本 相 似 , 只 是 校 核 水 位 时 , 冲 坑 深 度 相 对 深 一 些 , 淤 积 范 围 要 大 一
些 : 表 孔 出 口 冲 坑 的 位 置 对 称 于 表 孔 轴 线 , 最 深 点 在 对 岸 山 坡 脚 处 表 孔 轴 线 附 近 , 高 程 分 别
为 设 计 水 位 下 845.20 m、 校 核 洪 水 位 下 841.41 m。 因 水 流 将 表 孔 出 口 冲 坑 内 淘 刷 出 来 的 散
粒 体 带 到 下 游 , 造 成 了 表 孔 至 深 孔 之 间 11~23 断 面 ( 约 200 m) 范 围 河 段 的 淤 积 。 设 计 洪
水 位 时 , 最 大 淤 积 高 程 为 871.86 m, 校 核 洪 水 位 时 最 大 淤 积 高 度 871.93 m。 由 于 深 孔 出 口
水 流 的 顶 托 , 上 游 的 散 粒 体 被 水 流 只 带 到 了 22~23 断 面 之 间 , 未 到 深 孔 出 口 , 这 与 表 孔 单
独 运 行 时 相 比 , 淤 积 的 位 置 要 偏 上 游 一 些 。
运 行 工 况
表 孔 单 独 运 行
表 孔 和 深 孔 联
库 水 位 (m)
表 2 表 孔 泄 流 冲 淤 情 况 表
冲 刷 情 况
淤 积 情 况
最 大 冲 深 (m) 冲 深 部 位 最 大 淤 高 (m) 淤 积 部 位
956.56 23.89 表 孔 轴 线 出 口 左 岸 坡 脚 4.63 14~15 断 面 之 间
957.86 24.89 表 孔 轴 线 出 口 左 岸 坡 脚 5 11~12 断 面 之 间
956.56 21.55 表 孔 轴 线 出 口 左 岸 坡 脚 6.51 13~14 断 面 之 间
合 运 行 957.86 25.34 表 孔 轴 线 出 口 左 岸 坡 脚 6.37 12~13 断 面 之 间
386

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4 结 论 与 建 议
(1) 从 水 流 条 件 看 , 修 改 方 案 二 表 孔 溢 洪 道 进 口 翼 墙 的 优 化 有 效 地 改 善 了 溢 洪 道 进 口
的 水 流 态 ;
修 改 后 的 WES 堰 过 流 能 力 满 足 设 计 泄 流 要 求 。 试 验 中 在 WES 堰 面 的 小 范 围 内 观 测 到 负 压 ,
但 均 符 合 规 范 要 求 , 表 孔 泄 槽 内 的 其 他 部 位 没 有 发 现 负 压 , 经 综 合 判 断 表 孔 泄 槽 段 内 无 发 生
空 蚀 破 坏 的 可 能 ,WES 堰 和 表 孔 的 体 形 是 合 适 的 。
图 5 表 孔 与 深 孔 联 合 运 行 校 核 洪 水 下 游 河 道 冲 淤 地 形 图
(2) 根 据 计 算 的 掺 气 水 深 结 果 : 修 改 方 案 二 在 设 计 洪 水 位 时 , 表 孔 溢 洪 洞 边 墙 高 度 满
足 要 求 ; 在 校 核 洪 水 位 时 , 桩 号 0+048.036 m 至 其 下 游 桩 号 0+163.419 m 段 溢 洪 洞 部 分 断 面
的 设 计 直 墙 高 度 不 够 , 建 议 适 当 加 高 。
(3) 修 改 方 案 二 优 化 了 挑 流 出 口 段 后 , 表 孔 出 口 挑 流 水 舌 从 库 水 位 948.5 m~955.9 m
基 本 上 都 落 在 挑 坎 出 口 本 岸 的 岸 坡 上 , 库 水 位 高 于 955.9m 以 后 , 水 舌 方 能 落 入 河 道 中 。 下
游 河 道 的 冲 淤 试 验 表 明 : 表 孔 泄 流 时 , 冲 坑 最 深 处 在 挑 坎 出 口 对 岸 坡 脚 处 。 建 议 将 出 口 再 向
下 游 作 适 当 延 伸 , 对 挑 流 鼻 坎 的 体 型 、 挑 角 进 行 优 化 调 整 , 以 减 少 各 级 流 量 对 挑 坎 出 口 两 岸
岸 坡 的 冲 刷 力 度 和 范 围 。 另 外 , 还 应 对 挑 流 鼻 坎 出 口 本 岸 的 岸 坡 ( 右 岸 ) 和 对 岸 ( 左 岸 ) 坡
脚 处 进 行 防 护 , 范 围 为 在 表 孔 轴 线 上 下 游 各 25 m 内 , 以 防 止 水 流 淘 刷 。
参 考 文 献
[1] 武 汉 大 学 水 利 水 电 学 院 . 水 利 计 算 手 册 ,2 版 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2006 年 (2007 年 重
印 ).
[2] 南 京 水 利 科 学 研 究 院 , 水 利 水 电 科 学 研 究 院 . 水 工 模 型 试 验 ,2 版 [M]. 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 ,1985
年 12 月 .
[3] 水 利 部 东 北 勘 测 设 计 研 究 院 . 水 工 隧 洞 设 计 规 范 SL279—2002[M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2003.
[4] 水 工 设 计 手 册 ( 第 六 卷 )[M]. 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 ,1985 年 .
387

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
滹 沱 河 某 段 采 沙 坑 冲 淤 变 形 的 河 工 模 型 试 验 研 究
李 广 晶
1
王 扬
2
齐 清 兰
2
(1. 石 家 庄 市 水 利 局 河 北 石 家 庄 050051 qqinglan@sina.com
2. 石 家 庄 铁 道 学 院 河 北 石 家 庄 050043)
摘 要 针 对 滹 沱 河 某 段 的 采 沙 问 题 设 计 河 工 模 型 试 验 , 通 过 两 种 洪 水 频 率 的 试 验 过 程 分 析 , 揭
示 了 采 沙 坑 纵 、 横 向 调 整 的 规 律 。 采 沙 河 道 河 床 的 冲 淤 变 形 在 初 期 较 为 剧 烈 , 河 床 变 形 的 速 率 随
时 间 的 推 移 不 断 降 低 , 历 经 一 个 洪 水 过 程 的 冲 淤 , 采 沙 坑 沿 纵 、 横 向 范 围 增 加 , 深 度 减 小 。 但 由
于 采 沙 坑 规 模 较 大 , 冲 淤 变 形 后 的 河 床 与 原 始 天 然 河 床 仍 有 较 大 区 别 。 流 量 越 大 , 引 发 的 河 床 调
整 越 剧 烈 。 该 结 论 对 指 导 科 学 合 理 的 采 沙 、 保 持 河 势 稳 定 具 有 重 要 意 义 。
关 键 词 滹 沱 河 ; 采 沙 坑 ; 模 型 试 验 ; 洪 水 频 率
1 概 述
我 国 河 道 沙 石 资 源 丰 富 , 科 学 合 理 地 采 沙 是 实 现 经 济 社 会 可 持 续 发 展 、 保 持 河 势 稳 定 的
必 要 手 段 。 但 是 过 度 采 沙 会 引 发 河 床 普 遍 下 切 、 水 位 降 低 、 河 堤 与 桥 梁 基 础 暴 露 和 水 流 紊 乱
等 一 系 列 问 题 , 同 时 还 可 能 使 河 势 稳 定 性 受 到 破 坏 , 河 道 生 态 环 境 遭 受 污 染 。
滹 沱 河 是 子 牙 河 流 域 的 两 大 水 系 之 一 , 上 游 建 有 岗 南 、 黄 壁 庄 两 座 大 型 水 库 和 张 河 湾 、
郭 庄 等 11 座 中 型 水 库 工 程 。 滹 沱 河 自 黄 壁 庄 水 库 流 经 石 家 庄 市 区 北 部 , 是 省 会 石 家 庄 市 的
主 要 河 流 。 自 上 世 纪 七 十 年 代 中 期 以 来 , 石 家 庄 市 区 河 段 陆 续 修 建 了 多 处 护 岸 工 程 , 河 势 已
得 到 基 本 控 制 , 但 防 洪 工 程 体 系 建 设 滞 后 , 河 道 整 体 防 洪 标 准 偏 低 。 为 规 范 沿 岸 开 发 建 设 秩
序 , 拓 展 城 市 发 展 空 间 , 相 关 部 门 针 对 新 的 形 势 , 在 服 从 流 域 统 一 规 划 的 前 提 下 , 对 这 一 河
段 存 在 的 各 种 问 题 进 行 了 深 入 研 究 , 其 中 包 括 采 沙 坑 对 河 势 稳 定 性 的 影 响 问 题 。
2 模 型 试 验 的 相 似 准 则
模 型 试 验 模 拟 的 采 沙 河 段 位 于 滹 沱 河 河 心 岛 上 游 , 长 11 公 里 。 该 河 段 设 计 洪 水 主 要 考
虑 黄 壁 庄 水 库 下 泄 洪 水 , 该 水 库 防 洪 调 度 原 则 采 用 除 险 加 固 工 程 实 施 后 确 定 的 现 行 三 级 限 泄
调 度 方 案 , 即 5 年 一 遇 限 泄 400 m 3 /s,10 年 一 遇 限 泄 800 m 3 /s,50 年 一 遇 限 泄 3300 m 3 /s。
该 河 段 河 道 比 降 为 1/3000, 设 计 护 坎 顶 高 程 为 10 年 一 遇 洪 水 位 加 0.9 m 超 高 , 护 坎 及 堤 防
坡 度 均 为 1:3。
按 泥 沙 起 动 相 似 , 要 求 流 速 比 尺 等 于 泥 沙 起 动 流 速 比 尺 , 据 此 计 算 出 床 沙 粒 径 比 尺 l 来
选 择 模 型 沙 , 使 所 选 的 模 型 沙 既 满 足 起 动 相 似 , 又 满 足 模 型 糙 率 要 求 的 粒 径 , 采 用 下 式 对 起
[1]
动 流 速 比 尺 进 行 推 导 :
D
r - r æ H ö
= ç ÷
è ø
s
vc
h gD
r D
1/6
(1)
式 中 , v c
—— 起 动 流 速 (m/s);h —— 沙 漠 夫 系 数 ; r s
—— 泥 沙 的 密 度 (kg/m 3 ); r ——
水 的 密 度 (kg/m 3 );D—— 床 沙 粒 径 (mm);H—— 水 深 (m)。
388

第 二 部 分 工 程 水 力 学
rs
- r
令 = a , 由 式 (3-10) 可 导 出 起 动 流 速 比 尺 关 系 式
r
l
V c
1
1/2 1/6 1/3
h a H D
l l l l
= (2)
在 重 力 相 似 的 条 件 下 整 理 得 :
l
D
l
= (3)
l l
H
3 3/2
h a
一 般 原 型 沙 h 值 大 于 模 型 沙 , 滹 沱 河 为 平 原 地 形 , 床 沙 较 细 ,h 取 2.07。 选 用 华 能 上
安 电 厂 的 粉 煤 灰 作 为 模 型 沙 , 模 型 沙 h 取 1.00, 则 l
h
=2.07。 原 型 沙 密 度 为 2.65 kg/m 3 , 模
型 沙 密 度 为 2.17 kg/m 3 , 经 计 算 , l a
=1.41。 将 l
h
、 l a
、 l H
代 入 式 (3) 可 得 l
D
=6.73。 l D
的 确 定 受 到 多 种 因 素 的 影 响 , 需 要 进 行 预 备 试 验 分 析 , 如 有 需 要 , 则 在 此 计 算 结 果 的 基 础 上
适 当 调 整 。
对 于 含 沙 量 比 尺 的 确 定 , 一 般 有 两 种 方 法 , 一 是 先 选 择 对 研 究 对 象 具 有 一 定 代 表 性 的 挟
沙 力 公 式 进 行 估 算 , 再 结 合 验 证 试 验 加 以 调 整 ; 二 是 通 过 预 备 试 验 进 行 确 定 。 根 据 已 有 的 成
功 经 验 , 本 试 验 初 76 步 确 定 l = l = 3.5 , 在 此 基 础 上 根 据 预 备 试 验 的 结 果 确 定 其 合 理 性 。
S
S*
为 探 讨 初 步 选 定 的 各 项 比 尺 的 适 应 性 , 在 进 行 模 型 的 验 证 试 验 之 前 , 首 先 进 行 了 预 备 试
[2]
验 , 参 照 上 述 比 尺 的 初 选 值 , 最 终 确 定 模 型 的 各 项 相 似 比 尺 , 详 见 表 1。 根 据 原 型 河 道 边
界 、 水 沙 条 件 的 平 均 特 征 值 及 模 型 相 似 比 尺 , 得 到 模 型 的 基 本 特 征 值 见 表 2。
表 1 主 要 比 尺 汇 总 表
比 尺 名 称 符 号 比 尺 数 比 尺 名 称 符 号 比 尺 数
水 平 比 尺
l 1 000 悬 沙 粒 径 比 尺
L
l 1
d
垂 直 比 尺
流 速 比 尺
l 100 床 沙 粒 径 比 尺
H
l 6.73
D
l 10 含 沙 量 比 尺
V
l 4
S
糙 率 比 尺
l 0.68 干 容 重 比 尺
n
lg 1.9
0
沉 速 比 尺
l 1.76 河 床 变 形 时 间 比 尺
w
lt 50
2
除 上 述 相 似 条 件 外 , 要 达 到 模 型 与 原 型
的 水 流 流 态 相 似 , 还 需 满 足 如 下 限 制 条 件 [3,4] 。
(1) 为 保 证 模 型 水 流 充 分 紊 动 , 应 满 足 流 态 限
制 条 件 : 模 型 雷 诺 数 Rem>1000~2000;
(2) 水 流 不 受 表 面 张 力 干 扰 , 应 满 足 表 面 张 力
限 制 条 件 模 型 水 深 h
m
>1.5 cm。
表 2 模 型 特 征 值 汇 总 表
名 称
取 值
模 型 长 度
11 m
主 槽 平 均 宽 度 1.5 m
平 均 流 速 0.261~0.428 m/s
主 槽 糙 率 0.013~0.022
床 沙 中 径 0.025~0.030 mm
悬 移 质 泥 沙 中 径 0.017~0.020 mm
389

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3 模 型 试 验
3.1 试 验 概 况
原 型 河 道 在 枯 水 期 内 无 水 , 仅 在 河 道 行 洪 时 才 会 出 现 上 游 水 库 下 泄 的 洪 水 , 故 模 型 试 验
仅 针 对 一 定 洪 水 频 率 下 的 上 游 水 库 下 泄 洪 水 进 行 分 析 , 考 察 在 一 个 洪 水 过 程 中 采 沙 坑 的 存 在
对 河 床 变 形 的 影 响 , 获 得 采 沙 坑 基 本 几 何 参 数 的 变 化 情 况 , 为 进 一 步 考 察 采 沙 坑 对 河 势 稳 定
性 的 影 响 提 供 必 要 的 基 础 数 据 。
根 据 规 划 , 采 沙 坑 深 度 在 10 m 左 右 , 坑 壁 近 似 于 直 立 。 为 准 确 测 量 所 需 数 据 , 在 采 沙
坑 上 下 游 一 定 范 围 内 确 定 了 30 个 量 测 断 面 , 如 图 1 所 示 。 每 个 量 测 断 面 内 布 有 7 个 数 据 采
集 点 , 对 于 采 沙 坑 所 在 的 量 测 断 面 , 测 点 位 置 如 图 2 所 示 , 其 中 A、G 两 点 位 于 主 河 槽 的 边
缘 ,B、F 位 于 水 流 作 用 前 采 沙 坑 侧 壁 的 上 部 ,C、D、E 为 采 沙 坑 底 的 四 等 分 点 , 对 于 其 他 量
测 断 面 , 各 测 点 的 平 面 位 置 参 照 图 2 确 定 。
水 流 方 向
1 号 采 沙 坑
2 号 采 沙 坑
1 2 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
图 1 量 测 断 面 的 布 置
漫 滩
主 河 槽
A
B
采 沙 坑
F
G
C
D
E
图 2 数 据 采 集 点 的 布 置
模 型 试 验 内 容 主 要 包 括 量 测 各 数 据 采 集 点 的 水 深 以 及 模 型 沙 的 淤 积 深 度 。 对 应 每 一 时
刻 , 各 采 集 点 应 在 同 一 瞬 时 完 成 量 测 。 对 应 每 一 次 洪 水 过 程 , 由 于 起 始 时 段 冲 淤 变 形 大 , 因
此 数 据 采 集 的 时 间 间 隔 小 , 在 试 验 开 始 的 5 分 钟 内 , 时 间 间 隔 为 1 分 钟 , 在 5 至 15 分 钟 内 ,
时 间 间 隔 为 2 分 钟 ,15 分 钟 以 后 冲 淤 变 形 已 经 很 小 ,1 小 时 后 冲 淤 变 形 基 本 结 束 。
为 考 察 不 同 洪 水 流 量 的 河 床 变 形 , 分 别 按 10 年 一 遇 和 50 年 一 遇 两 种 频 率 进 行 试 验 。
3.2 试 验 结 果 分 析
在 两 组 试 验 中 , 河 床 的 调 整 表 现 出 一 定 的 共 性 , 河 床 变 形 的 总 体 趋 势 大 致 相 同 , 而 采 沙
坑 纵 、 横 向 调 整 的 距 离 、 深 度 、 侧 壁 坡 度 等 参 数 的 变 化 较 为 明 显 ( 如 图 3 所 示 ), 下 面 通 过
河 床 纵 断 面 和 横 断 面 的 调 整 对 这 些 参 数 的 变 化 进 行 分 析 。
390

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3.2.1 典 型 纵 剖 面 的 冲 淤 变 化
根 据 试 验 数 据 , 各 断 面 除 A、
G 两 点 外 , 其 他 各 点 高 程 随 时 间 出
现 明 显 变 化 , 将 各 点 在 不 同 时 刻 的
高 程 连 线 , 可 反 映 出 采 沙 坑 的 冲 淤
变 化 过 程 , 考 虑 到 河 床 调 整 呈 现 左
右 对 称 的 共 性 , 故 在 此 仅 给 出 过
B、C、D 三 点 的 河 床 纵 断 面 。
根 据 10 年 一 遇 洪 水 试 验 绘 出
的 河 床 纵 断 面 图 见 图 4。 根 据 50
年 一 遇 洪 水 试 验 绘 出 的 河 床 纵 断
面 图 见 图 5。
采 沙 河 道 河 床 的 冲 淤 变 形 在 初 期 较 为 剧 烈 , 河 床 变 形 的 速 率 随 时 间 的 推 移 不 断 降 低 ,
历 经 一 个 洪 水 过 程 的 冲 淤 , 采 沙 坑 沿 纵 向 长 度 增 加 , 深 度 减 小 , 但 由 于 采 沙 坑 规 模 较 大 , 冲
淤 变 形 后 的 河 床 与 原 始 天 然 河 床 仍
有 较 大 区 别 。
当 水 流 进 入 采 沙 坑 , 在 入 口 形
成 跌 水 , 流 速 增 大 , 上 游 缘 口 瞬 时
坍 塌 , 水 流 流 出 采 沙 坑 时 , 沙 坑 下
游 边 缘 与 宽 顶 堰 的 作 用 相 似 , 水 流
流 速 增 大 , 由 于 坑 内 漩 涡 区 的 存 在 ,
对 采 沙 坑 的 上 下 游 边 缘 不 断 淘 刷 ,
使 采 沙 坑 沿 纵 向 不 断 增 大 。 采 沙 坑
引 发 的 河 床 纵 向 调 整 可 分 为 三 个 阶
段 : 第 一 个 阶 段 为 溯 源 冲 刷 阶 段 ,
水 流 进 入 采 沙 坑 时 为 急 流 , 虽 流 量
不 大 , 但 冲 刷 作 用 明 显 , 采 沙 坑 上
游 河 床 逐 渐 形 成 很 深 的 拉 沟 , 并 不
断 向 上 游 发 展 , 形 成 溯 源 冲 刷 。 此
冲 刷 过 程 非 常 剧 烈 , 水 流 挟 带 的 泥
沙 淤 积 在 坑 内 , 随 着 坑 内 水 位 的 抬
高 , 水 流 上 游 溯 源 冲 刷 段 的 水 面 坡
降 也 逐 渐 减 小 , 冲 刷 的 强 度 渐 趋 缓
和 。 该 过 程 持 续 到 水 流 灌 满 沙 坑 进
入 下 游 天 然 河 段 , 并 且 下 游 水 位 抬
升 到 趋 近 正 常 水 位 , 此 时 水 面 坡 度
不 再 受 沙 坑 的 控 制 , 而 由 上 下 游 天
然 河 道 的 状 况 控 制 。 第 二 阶 段 , 水
面 坡 降 虽 然 不 再 由 沙 坑 控 制 , 但 采
沙 坑 的 坡 降 仍 然 比 河 道 天 然 坡 降
(a) B 点 高 程
(b) C 点 高 程
(c) D 点 高 程
t = 5 min t = 10 min t = 1.5h
图 4 10 年 一 遇 洪 水 试 验 河 床 典 型 纵 断 面 图
(a) B 点 所 在 的 纵 剖 面
(b) C 点 所 在 的 纵 剖 面
(c) D 点 所 在 的 纵 剖 面
t = 5 min t = 10 min t = 1.5h
图 5 50 年 一 遇 洪 水 试 验 河 床 典 型 纵 断 面 图
陡 , 河 道 通 过 冲 淤 调 整 , 趋 向 于 形 成 全 河 段 总 体 上 较 为 一 致 的 比 降 。 第 三 阶 段 , 经 过 调 整 ,
采 沙 河 段 与 上 下 游 天 然 河 段 形 成 一 致 的 总 体 坡 降 , 此 坡 降 可 能 与 原 天 然 坡 降 不 同 , 此 后 的 河
道 演 变 接 近 河 道 的 正 常 演 变 , 虽 然 河 道 的 纵 坡 降 仍 在 调 整 之 中 , 但 已 不 存 在 采 沙 坑 造 成 的 局
部 河 段 坡 降 的 急 变 。
图 3 洪 水 过 程 结 束 后 的 河 床 照 片
391

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
历 经 一 个 洪 水 过 程 后 , 大 部 分 泥 沙 沉 积 于 采 沙 坑 上 游 端 , 在 采 沙 坑 尾 部 的 淤 积 量 很 小 , 原 长
方 体 采 沙 坑 经 河 床 调 整 后 , 采 沙 坑 的 最 大 深 度 变 化 不 大 , 但 在 采 沙 坑 上 游 端 , 由 于 有 明 显 的
淤 积 , 所 以 采 沙 坑 的 深 度 变 化 较 大 。 同 等 条 件 下 , 河 道 水 流 流 量 越 大 , 也 就 意 味 着 挟 沙 能 力
越 大 , 所 引 发 的 河 床 调 整 也 就 越 剧 烈 , 从 试 验 结 果 中 可 直 观 反 映 出 这 一 点 。
3.2.2 典 型 横 断 面 的 冲 淤 变 化
采 沙 引 发 的 河 床 调 整 , 除 河 床 纵 断 面 发 生 变 化 外 , 河 道 横 断 面 也 会 有 相 应 的 变 化 。 考 察
采 沙 坑 的 横 断 面 , 在 其 侧 壁 上 缘 和 坑 底 部 均 有 次 生 流 , 但 是 上 缘 的 次 生 流 比 较 明 显 , 并 使 主
流 发 生 变 化 , 坑 底 的 次 生 流 对 水 流 影 响 不 明 显 。 采 沙 坑 上 缘 次 生 流 严 重 侵 蚀 河 床 , 使 得 河 床
横 向 变 形 , 次 生 流 冲 刷 挟 带 的 泥 沙 , 或 随 水 流 悬 浮 运 动 , 或 沉 积 在 采 沙 坑 内 , 采 沙 坑 在 此 作
用 下 逐 渐 向 天 然 河 床 形 状 转 变 。
总 体 上 , 采 沙 坑 上 游 端 的 横 向 变 形 和 深 度 方 向 的 变 形 均 较 大 , 尾 部 的 横 向 变 形 和 深 度
方 向 的 变 形 均 较 小 , 现 选 取 5、14、22、26 等 4 个 典 型 断 面 进 行 分 析 , 如 图 6、 图 7 所 示 。
(a) 5# 断 面
(a) 5# 断 面
(d) 14# 断 面
(d) 14# 断 面
(e) 22# 断 面
(e) 22# 断 面
(f) 26# 断 面
(f) 26# 断 面
t = 0
t = 1.5 h
t = 0
t = 1.5 h
图 6 10 年 一 遇 洪 水 试 验 河 床 典 型 横 断 面 图
图 7 50 年 一 遇 洪 水 试 验 河 床 典 型 横 断 面 图
类 似 于 纵 断 面 发 生 的 “ 复 稳 调 整 ”, 河 床 横 断 面 调 整 的 整 体 趋 势 也 是 力 图 恢 复 到 自 然 条
件 下 的 那 种 相 对 平 衡 状 态 , 即 采 沙 坑 横 向 变 形 不 断 增 大 、 坑 深 不 断 减 小 、 侧 壁 坡 度 不 断 变 缓 。
采 沙 坑 的 侧 向 变 形 来 源 于 两 个 方 面 : 一 是 侧 壁 土 体 在 内 、 外 因 素 作 用 下 , 发 生 大 块 土 体 崩 塌 ,
滑 入 到 采 沙 坑 内 ; 另 一 方 面 是 水 流 直 接 横 向 冲 刷 侧 壁 而 引 起 。
枯 水 期 形 成 的 采 沙 坑 , 在 遭 遇 洪 水 时 , 采 沙 坑 侧 壁 土 体 受 水 作 用 , 饱 和 度 增 加 , 这 实 际
上 增 加 了 土 体 重 量 , 而 其 内 摩 擦 角 和 凝 聚 力 都 会 有 所 降 低 , 因 此 容 易 引 起 坑 壁 的 崩 塌 , 当 河
岸 的 实 际 坡 度 大 于 泥 沙 的 水 下 休 止 角 时 , 表 层 土 体 便 会 沿 某 一 平 面 发 生 滑 动 ; 采 沙 坑 侧 壁 附
近 水 流 直 接 作 用 于 土 体 , 导 致 岸 滩 冲 刷 。 崩 塌 集 中 发 生 在 洪 水 流 经 采 沙 河 段 的 初 期 , 结 束 较
快 ; 冲 刷 则 存 在 于 河 道 行 洪 的 全 过 程 , 在 同 一 采 沙 坑 内 , 冲 刷 作 用 的 强 度 沿 水 流 方 向 递 减 。
遭 遇 洪 水 时 , 采 沙 坑 上 游 的 调 整 较 快 , 坑 壁 横 向 变 形 大 , 淤 积 多 , 坡 度 缓 , 横 向 调 整 的 强 度
由 上 游 至 下 游 逐 渐 减 小 。 可 以 预 计 , 如 有 水 流 持 续 作 用 , 采 沙 坑 上 游 的 调 整 将 先 于 下 游 结 束 。
需 要 说 明 的 是 , 从 长 期 的 平 衡 状 态 来 看 , 对 于 冲 积 河 流 而 言 , 河 床 仅 决 定 于 水 沙 因 素 , 相 同
[5]
水 沙 条 件 下 , 不 同 参 数 的 采 沙 坑 最 终 将 形 成 相 类 似 的 河 床 形 态 , 但 必 须 经 历 足 够 长 的 时 间 。
相 同 条 件 下 , 流 量 越 大 , 河 床 调 整 越 剧 烈 , 这 种 差 异 在 采 沙 坑 的 上 游 端 表 现 得 最 为 明 显 ,
在 采 沙 坑 尾 部 的 差 异 则 较 小 。
392

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4 结 束 语
采 沙 河 道 河 床 的 冲 淤 变 形 在 初 期 较 为 剧 烈 , 河 床 变 形 的 速 率 随 时 间 的 推 移 不 断 降 低 ,
历 经 一 个 洪 水 过 程 的 冲 淤 , 采 沙 河 段 与 上 下 游 天 然 河 段 形 成 一 致 的 总 体 坡 降 , 此 坡 降 可 能 与
原 天 然 坡 降 不 同 , 此 后 的 河 道 演 变 接 近 河 道 的 正 常 演 变 , 虽 然 河 道 的 纵 坡 降 仍 在 调 整 之 中 ,
但 已 不 存 在 采 沙 坑 造 成 的 局 部 河 段 坡 降 的 急 变 ; 河 床 横 断 面 调 整 的 整 体 趋 势 也 是 力 图 恢 复 到
自 然 条 件 下 的 那 种 相 对 平 衡 状 态 , 即 采 沙 坑 横 向 变 形 不 断 增 大 、 坑 深 不 断 减 小 、 侧 壁 坡 度 不
断 变 缓 , 从 长 期 的 平 衡 状 态 来 看 , 对 于 冲 积 河 流 而 言 , 河 床 仅 决 定 于 水 沙 因 素 , 相 同 水 沙 条
件 下 , 不 同 参 数 的 采 沙 坑 最 终 将 形 成 相 类 似 的 河 床 形 态 。
参 考 文 献
[1] 王 延 贵 , 胡 春 宏 , 朱 毕 生 . 模 型 沙 起 动 流 速 公 式 的 研 究 [J]. 水 力 学 报 ,2007,38(5):518-523.
[2] 王 扬 . 滹 沱 河 某 段 河 道 采 沙 对 堤 防 稳 定 的 影 响 [D]. 石 家 庄 : 石 家 庄 铁 道 学 院 ,2009.
[3] 毛 野 , 王 勇 华 . 河 工 动 床 模 型 研 究 述 评 [J]. 河 海 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2003,31(2):124-127.
[4] 许 念 曾 . 河 道 水 力 学 [M]. 北 京 : 中 国 建 材 工 业 出 版 社 ,1994,224-285.
[5] 黄 颖 . 水 库 下 游 河 床 调 整 及 防 护 措 施 研 究 [D]. 武 汉 : 武 汉 大 学 ,2005.
393

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
长 江 防 洪 模 型 荆 江 水 流 特 性 试 验 研 究
唐 峰 渠 庚 孙 贵 洲 李 发 政
( 长 江 科 学 院 河 流 所 武 汉 市 江 岸 区 九 万 方 430010 helaozi_001@163.com)
摘 要 为 了 解 和 掌 握 荆 江 河 段 不 同 流 量 下 的 水 流 运 动 特 性 进 而 揭 示 荆 江 河 道 演 变 的 内 在 规 律 ,
开 展 了 荆 江 河 段 实 体 模 型 水 流 运 动 特 性 试 验 研 究 。 本 项 目 利 用 长 江 防 洪 实 体 模 型 , 对 荆 江 河 段 在
不 同 水 流 条 件 下 的 水 位 、 流 速 等 水 流 要 素 进 行 观 测 , 试 验 内 容 包 括 观 测 典 型 流 量 下 水 位 、 水 面 比
降 、 断 面 流 速 分 布 、 水 流 动 力 轴 线 , 尤 其 弯 道 段 水 流 动 力 轴 线 的 变 化 等 内 容 , 并 对 影 响 水 流 运 动
要 素 的 因 素 进 行 了 分 析 。 试 验 成 果 表 明 本 次 试 验 较 详 细 地 掌 握 了 荆 江 水 流 结 构 、 水 面 形 态 及 水 流
动 力 轴 线 变 化 等 方 面 的 规 律 , 为 揭 示 荆 江 河 段 泥 沙 运 动 及 河 床 演 变 规 律 , 以 及 为 河 道 ( 航 道 ) 整
治 提 供 科 学 依 据 。
关 键 词 长 江 防 洪 模 型 ; 荆 江 ; 水 流 运 动 特 性 ; 河 道 演 变
1 概 述
长 江 中 游 枝 城 至 洞 庭 湖 出 口 城 陵 矶 长 约 326 km, 通 称 荆 江 , 以 藕 池 口 为 界 又 分 为 上 、
下 荆 江 。 上 荆 江 为 微 弯 分 汊 河 段 , 长 约 171.7 km, 由 江 口 、 沙 市 、 郝 穴 三 个 北 向 河 弯 和 洋
溪 、 涴 市 、 公 安 三 个 南 向 河 弯 以 及 弯 道 间 的 顺 直 过 渡 段 组 成 , 河 弯 处 多 有 江 心 洲 ; 下 荆 江 河
段 裁 弯 前 共 有 12 个 弯 道 组 成 , 为 典 型 的 蜿 蜒 型 河 型 , 裁 弯 后 由 11 个 弯 道 组 成 , 河 道 蜿 蜒 曲
折 , 横 向 摆 动 较 大 , 撇 弯 切 滩 频 繁 。 荆 江 河 段 主 要 为 冲 积 平 原 河 道 , 河 道 蜿 蜒 曲 折 , 水 流 渲
泻 不 畅 。 由 于 两 岸 地 势 南 高 北 低 , 汛 期 洪 水 位 往 往 高 于 堤 内 地 面 10 余 m, 加 之 荆 江 大 堤 存
在 崩 岸 、 堤 基 渗 漏 和 堤 身 隐 患 三 大 险 情 , 故 有 “ 万 里 长 江 , 险 在 荆 江 ” 之 说 。2003 年 6 月 三
峡 水 库 开 始 蓄 水 运 用 , 将 有 效 缓 解 长 江 中 游 部 分 防 洪 压 力 。 三 峡 水 库 修 建 后 虽 大 大 提 高 了 长
江 中 下 游 地 区 的 防 洪 能 力 , 但 若 遭 遇 特 大 洪 水 , 荆 江 河 段 的 河 道 安 全 泄 量 与 上 游 来 水 量 不 适
应 的 矛 盾 依 然 存 在 , 同 时 建 库 后 出 库 水 沙 条 件 的 改 变 , 长 江 中 下 游 河 道 将 发 生 冲 淤 变 化 , 江
湖 关 系 将 发 生 调 整 , 给 中 下 游 的 防 洪 带 来 一 系 列 新 的 问 题 。
长 江 水 利 委 员 会 长 江 科 学 院 利 用 世 界 银 行 贷 款 , 于 2006 年 完 成 了 长 江 防 洪 模 型 项 目 的
建 设 工 作 , 该 项 目 旨 在 通 过 实 体 模 型 试 验 , 结 合 数 学 模 型 计 算 及 原 型 观 测 资 料 分 析 , 研 究 三
峡 工 程 建 成 后 长 江 中 下 游 河 床 冲 淤 、 河 势 变 化 及 江 湖 关 系 调 整 变 化 趋 势 、 洪 水 演 进 规 律 等 重
大 技 术 问 题 , 为 长 江 防 洪 规 划 修 订 、 河 道 整 治 、 工 程 建 设 及 防 洪 决 策 提 供 科 学 依 据 。
2 模 型 及 试 验 条 件
2.1 模 型 概 况
长 江 防 洪 模 型 的 总 体 研 究 范 围 为 宜 昌 至 大 通 , 全 长 约 1123 km。 其 中 实 体 模 型 模 拟 范 围
为 长 江 干 流 枝 城 至 螺 山 河 段 , 全 长 约 380 km, 并 包 括 其 间 的 主 要 支 流 、 洞 庭 湖 区 及 分 蓄 洪
区 等 , 由 于 模 型 距 离 过 长 , 分 为 上 、 下 荆 江 两 段 分 别 进 行 试 验 。 模 型 平 面 比 尺 αL=400, 垂
直 比 尺 αH=100, 模 型 变 率 e =4。
上 荆 江 模 型 试 验 范 围 上 起 枝 城 , 下 迄 北 碾 子 湾 , 模 型 长 约 500 m, 原 型 长 约 200 km; 下
荆 江 模 型 上 起 石 首 , 下 迄 螺 山 站 下 游 7.5 km, 原 型 全 长 约 170 km, 江 湖 汇 流 处 延 长 至 洞 庭
湖 湖 口 以 上 6 km。
394

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2.2 试 验 条 件
上 荆 江 模 型 试 验 选 取 四 级 典 型 流 量 以 观 测 河 道 水 流 运 动 特 性 。 以 沙 市 站 实 测 流 量 为 依
据 , 四 级 典 型 流 量 包 括 该 河 段 通 航 保 证 流 量 5500 m 3 /s( 三 峡 正 常 蓄 水 运 用 后 ), 多 年 平 均 流
量 12500 m 3 /s, 平 滩 流 量 32000 m 3 /s, 河 道 安 全 泄 量 50000 m 3 /s。 上 荆 江 河 段 水 流 运 动 特 性
观 测 试 验 条 件 见 下 表 1。
表 1 上 荆 江 河 段 水 流 运 动 特 性 模 型 试 验 观 测 条 件
沙 市 流 量 (m 3 /s) 5500 12500 32000 50000
松 滋 口 分 流 (m 3 /s) 20 700 4040 8700
太 平 口 分 流 (m 3 /s) 0 250 1340 2800
藕 池 口 分 流 (m 3 /s) 0 240 2090 6150
模 型 进 口 流 量 (m 3 /s) 5520 13450 37380 61500
下 荆 江 选 取 监 利 站 四 个 特 征 流 量 作 为 长 江 干 流 模 型 试 验 流 量 : 枯 水 流 量 5000 m 3 /s、 多
年 平 均 流 量 11400 m 3 /s、 平 滩 流 量 28000 m 3 /s、 河 道 安 全 泄 量 40000 m 3 /s。
根 据 多 年 洞 庭 湖 汇 流 与 长 江 干 流 遭 遇 的 时 间 和 频 率 , 选 取 与 干 流 监 利 站 四 个 特 征 流 量 时
段 相 对 应 的 七 里 山 站 平 均 流 量 作 为 洞 庭 湖 汇 流 试 验 流 量 。 考 虑 到 洞 庭 湖 不 同 汇 流 将 对 荆 江 干
流 水 流 运 动 产 生 不 同 影 响 , 在 监 利 站 流 量 28000 m 3 /s 时 增 加 洞 庭 湖 不 同 汇 流 条 件 的 荆 江 河
段 水 流 运 动 特 性 观 测 研 究 。 下 荆 江 河 段 水 流 运 动 特 性 观 测 试 验 条 件 见 下 表 2。
表 2 下 荆 江 河 段 水 流 运 动 特 性 模 型 试 验 观 测 条 件
组 次
流 量 (m 3 /s)
监 利 七 里 山 螺 山
螺 山 水 位
( 黄 海 :m)
1 5000 5500 10500 19.00
2 11400 9600 21000 23.20
3 16600 44600 29.00
4 28000
3000 31000 26.20
5
32000 60000 31.20
6 40000 25000 65000 32.50
2.3 水 位 站 及 断 面 布 置
上 荆 江 河 段 模 型 试 验 共 布 置 断 面 141 个 , 相 邻 断 面 平 均 间 距 为 1297 m, 断 面 布 置 原 则
为 大 埠 街 以 上 河 段 较 稀 、 大 埠 街 以 下 河 段 较 密 , 过 渡 段 较 稀 , 弯 道 段 布 置 较 密 。
下 荆 江 河 段 模 型 试 验 共 设 有 11 个 水 位 观 测 站 , 从 上 游 至 下 游 分 别 为 调 关 、 塔 市 驿 、 监
利 、 上 车 湾 、 盐 船 套 、 沙 提 子 、 七 弓 岭 、 莲 花 塘 、 南 阳 洲 、 螺 山 水 位 站 , 以 及 洞 庭 湖 出 口 七
里 山 水 位 站 。
下 荆 江 模 型 流 速 观 测 断 面 布 置 与 原 型 荆 固 断 面 相 对 应 , 并 在 沿 程 增 加 了 一 些 断 面 , 共
129 个 。
3 试 验 成 果
3.1 沿 程 水 位 及 水 面 比 降 变 化
对 沙 市 站 四 级 典 型 流 量 即 5500 m 3 /s、12500 m 3 /s、32000 m 3 /s、50000 m 3 /s 下 上 荆 江 模
型 水 位 进 行 观 测 , 并 结 合 前 面 上 荆 江 定 床 验 证 试 验 的 成 果 , 增 加 两 级 典 型 流 量 即 沙 市 流 量 分
395

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
别 为 19600 m 3 /s 和 25000 m 3 /s 时 , 试 验 成 果 见 图 1。
沙 市 流 量 5500m 3 /s 沙 市 流 量 12500m 3 /s
沙 市 流 量 19600m 3 /s
50
沙 市 流 量 32000m 3 /s 沙 市 流 量 39800m 3 /s
沙 市 流 量 50000m 3 /s
水 位 (m)
45
40
35
30
25
20
枝 城 董 市 枝 江 大 埠 街 陈 家 湾 沙 市 观 音 寺 公 安 郝 穴 新 厂 石 首
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
距 离 (km)
图 1 沙 市 不 同 流 量 下 上 荆 江 水 面 线 变 化 过 程
水 面 纵 比 降 是 影 响 河 道 输 水 输 沙 能 力 的 重 要 水 力 因 素 之 一 , 影 响 上 荆 江 水 面 纵 比 降 的 主
要 因 素 是 河 床 的 边 界 条 件 、 流 量 的 变 化 以 及 相 应 的 三 口 分 流 的 调 整 , 试 验 成 果 见 下 图 2 及 图 3。
沙 市 流 量 5500m 3 /s 沙 市 流 量 12500m 3 /s
1.2
沙 市 流 量 19600m 3 /s
沙 市 流 量 32000m 3 /s
沙 市 流 量 39800m 3 /s
沙 市 流 量 50000m 3 /s
0.9
纵 比 降 (%0)
0.6
0.3
0
0.6
枝 城 董 市 枝 江 大 埠 街 陈 家 湾 沙 市 观 音 寺 公 安 郝 穴 新 厂 石 首
0 40 80 120 160 200
距 离 (km)
图 2 沙 市 不 同 流 量 下 上 荆 江 水 面 纵 比 降 沿 程 变 化 过 程
纵 比 降 (X10 -4 )
0.55
0.5
0.45
0.4
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
沙 市 流 量 (m 3 /s)
图 3 上 荆 江 ( 枝 城 - 石 首 ) 水 面 纵 比 降 随 流 量 变 化 过 程
分 析 图 2 可 见 , 上 荆 江 各 段 水 面 纵 比 降 变 化 具 体 表 现 为 : 在 不 同 流 量 级 下 枝 城 - 董 市 段 、
董 市 - 枝 江 段 以 及 枝 江 至 大 埠 街 段 三 段 在 枯 水 ( 沙 市 流 量 5000 m 3 /s) 情 况 下 , 水 面 纵 比 降 最
大 , 其 它 几 级 流 量 下 水 面 纵 比 降 变 化 不 大 ; 大 埠 街 至 陈 家 湾 、 沙 市 至 观 音 寺 、 公 安 至 郝 穴 、
新 厂 至 石 首 , 四 河 段 水 面 纵 比 降 随 流 量 的 增 加 有 逐 步 增 大 的 趋 势 ; 与 之 相 反 , 陈 家 湾 至 沙 市 、
观 音 寺 至 公 安 、 郝 穴 至 新 厂 , 三 河 段 水 面 纵 比 降 随 流 量 的 增 加 有 逐 渐 减 小 的 趋 势 。
396

第 二 部 分 工 程 水 力 学
分 析 上 荆 江 各 河 段 不 同 流 量 下 的 水 面 纵 比 降 , 由 于 枝 城 - 枝 江 段 处 于 低 山 丘 陵 向 江 汉 平
原 的 过 渡 段 , 而 河 段 中 间 的 关 洲 汊 道 段 、 芦 家 河 碛 坝 外 河 道 断 面 多 相 对 窄 深 , 当 来 流 增 加 时 ,
过 水 断 面 增 大 相 对 滞 后 , 必 然 会 对 上 游 形 成 阻 水 作 用 , 导 致 上 游 水 位 壅 高 , 而 过 了 阻 水 段 后 ,
江 面 逐 渐 放 宽 , 水 流 下 泄 通 畅 , 下 游 水 位 下 降 较 快 , 导 致 该 河 段 水 面 纵 比 降 增 大 。 同 时 在 中 小 流
量 级 ( 沙 市 流 量 5500 m 3 /s、11000 m 3 /s) 下 由 于 芦 家 河 碛 坝 的 阻 水 作 用 明 显 , 加 之 该 河 段 河
床 组 成 较 粗 糙 , 进 一 步 加 大 了 水 面 纵 比 降 , 造 成 董 市 - 枝 江 段 水 面 纵 比 降 最 大 。 陈 家 湾 至 沙
市 、 郝 穴 至 新 厂 、 新 厂 至 石 首 三 段 均 为 喇 叭 状 微 弯 放 宽 型 河 道 , 当 来 流 增 加 时 , 过 水 面 积 能
保 证 迅 速 增 加 , 断 面 平 均 流 速 并 没 有 明 显 增 大 , 水 流 紊 动 强 度 也 有 所 减 弱 , 水 面 纵 比 降 随 来
流 增 加 有 逐 渐 减 小 的 趋 势 。 与 之 相 反 大 埠 街 至 陈 家 湾 、 沙 市 至 观 音 寺 、 公 安 至 郝 穴 三 河 段 或
是 洲 滩 发 育 较 完 整 、 主 支 汊 分 流 格 局 相 对 稳 定 且 主 槽 断 面 相 对 窄 深 的 河 段 , 或 是 处 于 弯 道 、
两 岸 有 节 点 控 制 且 河 床 较 窄 的 河 段 , 当 来 流 增 加 时 , 水 流 都 不 易 宣 泄 , 因 此 水 面 纵 比 降 随 流
量 增 加 有 逐 渐 增 大 的 趋 势 。
分 析 图 3 可 见 , 上 荆 江 纵 比 降 变 化 总 体 表 现 为 : 枯 水 小 流 量 (5500 m 3 /s、11000 m 3 /s)
时 比 降 较 大 , 年 平 均 流 量 (12500 m 3 /s) 对 应 的 纵 比 降 最 小 , 当 来 流 小 于 年 均 流 量 时 枝 城 -
石 首 河 段 水 面 纵 比 降 随 流 量 的 增 大 逐 渐 减 小 ; 与 此 相 对 应 当 沙 市 流 量 在 12500 m 3 /s 至 40000 m 3 /s
区 间 变 化 时 , 上 荆 江 河 段 水 面 纵 比 降 随 流 量 的 增 大 而 逐 渐 增 大 , 当 沙 市 流 量 40000 m 3 /s 左
右 时 上 荆 江 河 段 的 水 面 纵 比 降 出 现 最 大 值 , 其 后 随 沙 市 流 量 的 增 大 上 荆 江 水 面 纵 比 降 进 入 下
一 个 变 化 周 期 , 在 该 区 间 内 纵 比 降 也 是 先 随 流 量 的 增 大 而 减 小 其 后 又 随 流 量 的 增 大 而 逐 渐 增 大 。
下 荆 江 模 型 试 验 成 果 表 明 , 影 响 下 荆 江 水 面 纵 比 降 变 化 的 主 要 因 素 是 河 床 的 边 界 条 件 、
流 量 的 变 化 以 及 洞 庭 湖 汇 流 的 影 响 , 其 变 化 规 律 和 上 荆 江 基 本 一 致 。
由 图 4 可 以 看 出 : 调 关 - 塔 市 驿 、 七 弓 岭 - 莲 花 塘 、 南 阳 洲 - 螺 山 三 河 段 水 面 纵 比 降 随 流
量 的 增 加 有 逐 步 增 大 的 趋 势 ; 与 之 相 反 , 塔 市 驿 - 监 利 、 上 车 湾 - 盐 船 套 、 沙 提 子 - 七 弓 岭 三
河 段 水 面 纵 比 降 随 流 量 的 增 加 有 逐 渐 减 小 的 趋 势 。
纵 比 降 (10 -4 )
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
调 关
监 利 流 量 5000 /s 监 利 流 量 11400 /s
监 利 流 量 28000 /s 监 利 流 量 40000 /s
塔 市 驿 监 利 上 车 湾 盐 船 套 沙 提 子 七 弓 岭
莲 花 塘 南 阳 洲 螺 山
33.5 53.5 73.5 93.5 113.5 133.5 153.5 173.5 193.5
距 离 (km)
图 4 监 利 不 同 流 量 时 下 荆 江 水 面 纵 比 降 沿 程 变 化 图
m 3 m 3
m 3 m 3
分 析 下 荆 江 各 河 段 不 同 流 量 下 的 水 面 纵 比 降 , 调 关 - 塔 市 驿 段 河 道 断 面 相 对 窄 深 , 当 来
流 增 加 时 , 由 于 调 关 弯 道 水 流 不 畅 , 过 水 断 面 增 大 相 对 滞 后 , 导 致 上 游 水 位 壅 高 , 必 然 会 使
该 河 段 水 面 纵 比 降 增 大 ; 七 弓 岭 - 莲 花 塘 段 河 道 断 面 也 为 窄 深 型 , 当 来 流 量 较 大 时 , 七 姓 洲
洲 滩 开 始 过 流 , 这 大 大 缩 短 了 水 流 的 下 泄 距 离 , 导 致 水 面 纵 比 降 的 增 大 ; 南 阳 洲 - 螺 山 段 在
南 阳 洲 的 洲 尾 处 受 地 形 节 点 的 约 束 , 河 宽 急 剧 缩 窄 , 两 岸 矶 头 阻 水 作 用 十 分 明 显 , 当 来 流 增
加 时 , 水 流 不 易 宣 泄 , 因 此 水 面 纵 比 降 随 流 量 增 加 有 逐 渐 增 大 的 趋 势 。 而 上 车 湾 - 盐 船 套 段
397

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
为 喇 叭 状 顺 直 放 宽 型 河 道 , 当 来 流 增 加 时 , 过 水 面 积 能 迅 速 增 加 、 河 段 综 合 糙 率 系 数 逐 渐 减
小 , 断 面 平 均 流 速 并 没 有 明 显 增 大 , 水 流 紊 动 强 度 也 有 所 减 弱 , 水 面 纵 比 降 随 来 流 增 加 有 逐
渐 减 小 的 趋 势 。 沙 提 子 - 七 弓 岭 段 当 来 流 量 较 大 时 , 孙 良 洲 漫 滩 过 流 , 过 水 面 积 能 迅 速 增 大 ,
导 致 水 面 纵 比 降 的 减 小 。
通 过 对 下 荆 江 各 河 段 水 面 纵 比 降 分 析 可 以 看 出 , 随 着 流 量 的 增 大 , 分 汊 河 段 水 面 纵 比 降
有 逐 渐 减 小 的 趋 势 。 分 析 塔 市 驿 - 监 利 河 段 和 莲 花 塘 - 南 阳 洲 河 段 在 不 同 流 量 下 的 水 面 纵 比 降
可 以 发 现 , 江 心 洲 的 阻 水 作 用 非 常 明 显 。 在 枯 水 ( 监 利 流 量 5000 m 3 /s) 情 况 下 , 由 于 水 深
较 浅 , 江 心 洲 对 水 流 的 阻 挡 作 用 不 明 显 , 此 时 塔 市 驿 - 监 利 河 段 和 莲 花 塘 - 南 阳 洲 河 段 的 水 面
纵 比 降 最 大 , 随 着 流 量 的 增 大 , 水 深 随 之 增 加 , 江 心 洲 对 水 流 的 阻 挡 作 用 逐 渐 增 强 , 导 致 下
游 水 位 壅 高 , 水 面 纵 比 降 逐 渐 减 小 。
在 保 持 监 利 平 滩 流 量 28000 m 3 /s 不 变 而 改 变 洞 庭 湖 汇 流 流 量 的 情 况 下 , 受 洞 庭 湖 汇 流
顶 托 的 影 响 , 汇 流 口 以 上 沿 程 水 位 都 随 着 洞 庭 湖 流 量 的 加 大 而 抬 高 ( 下 游 水 位 根 据 螺 山 站 水
位 流 量 关 系 按 自 然 泄 流 控 制 ), 而 在 七 弓 岭 以 上 , 各 个 河 段 的 水 面 比 降 也 随 着 洞 庭 湖 流 量 的
加 大 而 减 小 , 在 洞 庭 湖 流 量 3000 m 3 /s 时 , 从 调 关 至 螺 山 段 的 水 面 总 比 降 达 到 0.50×10 -4 , 洞 庭
湖 流 量 为 16600 m 3 /s 和 32000 m 3 /s 时 水 面 总 比 降 分 别 为 0.38×10 -4 和 0.30×10 -4 , 这 是 由 于
在 城 陵 矶 入 汇 口 , 江 湖 入 汇 有 一 个 夹 角 , 从 而 形 成 江 湖 之 间 互 相 顶 冲 , 随 着 洞 庭 湖 流 量 的 增
大 , 下 游 水 位 顶 托 、 上 游 沿 程 水 位 壅 高 , 比 降 变 缓 , 说 明 洞 庭 湖 出 流 顶 托 对 荆 江 干 流 水 位 及
泄 流 影 响 较 明 显 。 洞 庭 湖 不 同 汇 流 流 量 下 的 下 荆 江 河 段 沿 程 水 面 线 变 化 见 图 5。
37
35
洞 庭 湖 流 量 3000m3/s
洞 庭 湖 流 量 16600m3/s
洞 庭 湖 流 量 32000m3/s
水 位 (m)
33
31
29
27
调 关 塔 市 驿 监 利 上 车 湾 盐 船 套 沙 提 子 七 弓 岭 莲 花 塘 南 阳 洲 螺 山
25
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
距 离 (km)
图 5 监 利 流 量 28000 m3/s 洞 庭 湖 不 同 出 流 时 下 荆 江 水 面 线 变 化 图
3.2 弯 道 水 流 动 力 轴 线 影 响 因 素 分 析
20 世 纪 60 年 代 , 长 江 科 学 院 根 据 荆 江 河 段 的 沙 市 、 冲 和 观 、 碾 子 湾 、 调 关 和 来 家 铺 等
弯 曲 河 段 实 测 水 流 运 动 资 料 进 行 弯 道 水 流 特 性 研 究 , 初 步 揭 示 了 弯 道 水 流 动 力 轴 线 变 化 与 水
流 动 力 因 子 、 河 弯 形 态 特 征 之 间 的 相 互 关 系 , 即 在 一 定 河 弯 形 态 制 约 下 , 流 量 愈 大 , 水 流 动
力 轴 线 将 相 对 趋 直 , 其 曲 率 半 径 愈 大 ; 在 流 量 相 同 情 况 下 , 河 弯 半 径 越 大 , 河 槽 对 水 流 的 制
约 作 用 愈 小 , 水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 愈 大 , 反 之 河 弯 半 径 越 小 , 河 槽 对 水 流 的 制 约 作 用 愈 大 ,
水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 愈 小 。
398

第 二 部 分 工 程 水 力 学
根 据 实 测 资 料 采 用 相 关 分 析 法 得 到 水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 ( R *
) 的 经 验 表 达 式 :
2
0.348
0 æ Q
.
* ÷ ö
´ R
ç
è gA ø
R
0
= 053
(1)
(1) 式 中 : R *
为 河 弯 的 曲 率 半 径 ,m; Q 为 流 量 ,m 3 /s; A 为 过 水 断 面 面 积 ,m 2 ;g 为
重 力 加 速 度 ,m/s 2 ( 图 6)
图 6 水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 表 达 式 各 物 理 量 示 意 图
由 于 (1) 式 表 达 的 涵 义 是 整 个 弯 道 内 水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 变 化 的 平 均 情 况 , 为 了 探
索 更 具 有 工 程 实 践 意 义 且 能 反 映 水 流 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 沿 弯 道 流 程 变 化 的 表 达 式 , 长 江 科 学
院 张 植 堂 等 人 从 动 量 定 理 出 发 , 建 立 以 极 坐 标 表 示 的 河 弯 二 维 水 流 运 动 方 程 , 得 出 河 弯 水 流
动 力 轴 线 弯 曲 半 径 (R0) 的 理 论 表 达 式 :
R
0
=
3
1 æ
ç R
JJ
g è
J
*
Q ö
÷
A ø
2
(2)
(2) 式 中 : R *
为 河 弯 的 曲 率 半 径 ,m;Q 为 流 量 ,m 3 /s; A 为 过 水 断 面 面 积 ,m 2 ;g 为
重 力 加 速 度 ,m/s 2 ;J 为 河 弯 的 弯 曲 度 rad; J 为 断 面 处 水 面 纵 比 降 。
J
根 据 (2) 式 , 选 取 上 荆 江 沙 市 河 弯 荆 36、 郝 穴 河 弯 荆 67、 荆 70、 石 首 河 弯 荆 96、 碾
子 湾 河 道 荆 99, 五 个 典 型 断 面 , 采 用 上 荆 江 实 体 模 型 实 测 资 料 , 计 算 不 同 流 量 级 下 典 型 断
面 水 动 力 轴 线 弯 曲 半 径 (R0), 计 算 结 果 表 明 , 试 验 计 算 值 (R0) 与 实 测 值 存 在 一 定 的 偏 差 。
‘
对 (2) 式 各 变 量 进 行 相 关 性 分 析 并 维 持 其 量 纲 和 谐 , 将 (2) 式 改 进 为 R0 :
R
'
0
=
2
1 æ Q ö
0 .6875´
3 ç R*
÷
JJJ
g è A ø
(3)
'
0
从 图 7 可 以 看 出 (3) 式 计 算 值 R 与 实 测 值 R 比 较 集 中 分 布 在 45 0 线 附 近 , 说 明 (3)
式 计 算 结 果 与 实 测 值 吻 合 较 好 。
399

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
9000
实 测 值 RO(m)
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
计 算 值 R O (m)
图 7 上 荆 江 弯 道 典 型 断 面 主 流 线 弯 曲 半 径 实 测 值 与 计 算 值 比 较 图
4 结 论
根 据 对 上 、 下 荆 江 水 流 特 性 试 验 成 果 的 分 析 研 究 , 得 出 如 下 基 本 结 论 。
(1) 上 、 下 荆 江 水 面 纵 比 降 变 化 规 律 基 本 相 同 , 总 体 上 表 现 为 随 流 量 变 化 呈 现 周 期 性
变 化 。 具 体 表 现 为 , 流 量 较 小 时 水 面 纵 比 降 较 大 , 年 均 流 量 对 应 的 水 面 纵 比 降 最 小 , 当 来 流
小 于 年 均 流 量 时 纵 比 降 随 流 量 的 增 加 而 减 小 , 与 此 相 反 当 来 流 大 于 年 均 流 量 时 水 面 纵 比 降 随
流 量 的 增 大 而 增 大 。 当 来 流 量 接 近 河 道 安 全 下 泄 流 量 时 纵 比 降 随 流 量 变 化 进 入 下 一 个 变 化 周
期 , 并 与 上 一 周 期 变 化 趋 势 总 体 相 似 。
(2) 上 、 下 荆 江 河 段 水 面 纵 比 降 的 变 化 与 河 道 的 断 面 形 态 存 在 密 切 的 关 系 。 当 河 床 较
宽 浅 即 宽 深 比 较 大 时 水 面 纵 比 降 随 来 流 的 增 加 有 逐 渐 减 小 的 趋 势 ; 当 河 床 断 面 较 窄 深 即 宽 深
比 较 小 时 水 面 纵 比 降 随 来 流 的 增 加 有 逐 渐 增 大 的 趋 势 。
(3) 通 过 对 下 荆 江 各 河 段 水 面 纵 比 降 分 析 可 以 看 出 , 随 着 流 量 的 增 大 , 分 汊 河 段 水 面
纵 比 降 有 逐 渐 减 小 的 趋 势 。 在 枯 水 ( 监 利 流 量 5000 m 3 /s) 情 况 下 , 由 于 水 深 较 浅 , 江 心 洲
对 水 流 的 阻 挡 作 用 不 明 显 , 随 着 流 量 的 增 大 , 江 心 洲 对 水 流 的 阻 挡 作 用 逐 渐 增 强 , 当 来 流 接
近 平 滩 流 量 时 , 江 心 洲 的 阻 水 作 用 非 常 明 显 。
(4) 同 一 流 量 级 下 相 邻 河 段 纵 比 降 呈 波 浪 线 状 变 化 , 即 如 果 一 河 段 ( 如 沙 市 流 量 32000 m 3 /s
下 公 安 至 郝 穴 河 段 ) 水 面 纵 比 降 较 大 , 则 同 流 量 下 与 其 相 邻 的 河 段 ( 观 音 寺 至 公 安 及 郝 穴 至
新 厂 ) 纵 比 降 则 相 对 较 小 , 反 之 亦 然 。 同 时 就 整 个 荆 江 河 段 而 言 同 一 流 量 下 在 其 不 同 部 位 纵
比 降 的 大 小 是 相 互 转 化 和 谐 相 应 的 。
(5) 水 流 动 力 轴 线 沿 程 变 化 , 一 般 在 弯 道 进 口 段 或 上 游 过 渡 段 , 偏 靠 凸 岸 一 侧 ; 进 入
弯 道 后 主 流 逐 渐 向 凹 岸 偏 移 , 至 弯 顶 或 弯 顶 稍 上 部 分 , 主 流 靠 凹 岸 , 其 后 在 相 当 长 的 距 离 内 ,
主 流 一 般 都 紧 贴 凹 岸 下 行 ; 水 流 动 力 轴 线 在 四 级 流 量 下 表 现 为 低 水 傍 岸 , 高 水 趋 中 的 变 化 规
律 。 弯 道 水 流 的 顶 冲 位 置 , 随 水 流 动 量 的 变 化 具 有 上 提 下 挫 的 规 律 性 甚 为 明 显 。 中 小 流 量 下
水 流 顶 冲 位 置 一 般 在 弯 顶 附 近 或 弯 顶 稍 上 的 部 位 , 在 大 流 量 下 水 流 顶 冲 位 置 则 下 挫 到 弯 顶 稍
下 部 分 。 但 遇 局 部 急 弯 情 况 , 低 水 顶 冲 位 置 和 高 水 情 况 基 本 类 似 。
400

第 二 部 分 工 程 水 力 学
参 考 文 献
[1] 余 文 畴 主 编 . 长 江 河 道 演 变 与 治 理 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2005 年 8 月 .
[2] 谢 鉴 衡 主 编 . 河 流 模 拟 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,1990 年 4 月 .
[3] Helmut Kobus 主 编 . 水 力 模 拟 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,1988 年 5 月 .
[4] 谢 鉴 衡 主 编 . 河 床 演 变 及 整 治 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,1997 年 10 月 .
[5] 杨 怀 人 , 唐 日 长 主 编 . 长 江 中 游 荆 江 变 迁 研 究 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,1998.
[6] 张 植 堂 , 林 万 泉 , 等 . 天 然 河 弯 水 流 动 力 轴 线 的 研 究 [J]. 长 江 河 道 研 究 成 果 汇 编 ,1987 年 12 月 .
[7] 潘 庆 燊 , 愈 俊 等 . 荆 江 特 性 研 究 [J]. 长 江 河 道 研 究 成 果 汇 编 ,1987 年 12 月 .
[8] 张 植 堂 , 潘 庆 燊 , 等 . 下 荆 江 河 湾 水 流 分 析 研 究 [J]. 长 江 河 道 研 究 成 果 汇 编 ,1987 年 12 月 .
[9] 长 江 荆 江 河 段 近 期 河 道 演 变 分 析 报 告 ( 一 )[M]. 武 汉 : 长 江 科 学 院 ,2006 年 6 月 .
[10] 三 峡 水 库 下 游 宜 昌 至 城 陵 矶 河 段 河 道 演 变 与 整 治 研 究 [M]. 武 汉 : 长 江 科 学 院 ,1997.12.
[11] 三 峡 工 程 下 游 河 道 演 变 及 重 点 河 段 整 治 研 究 专 题 报 告 [M]. 武 汉 : 长 江 科 学 院 ,1995.12.
[12] 潘 庆 燊 . 长 江 水 利 枢 纽 工 程 泥 沙 研 究 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2003.10.
[13] 黄 贵 , 黄 云 仙 , 等 . 城 陵 矶 洪 水 位 抬 高 原 因 分 析 [J]. 水 利 学 报 ,2004.8.
[14] 殷 瑞 兰 . 长 江 中 游 洪 水 位 变 化 初 探 [J]. 长 江 科 学 院 院 报 ,2002.1.
[15] 修 建 三 峡 工 程 对 关 洲 、 芦 家 河 河 段 河 床 演 变 影 响 的 初 步 分 析 ( 一 )[J]. 武 汉 水 利 电 力 学 院 ,1989 年
3 月 .
[16] 李 彪 , 胡 旭 跃 , 等 . 复 式 断 面 滩 槽 流 速 分 布 研 究 综 述 [J]. 水 道 港 口 ,2005 年 12 月 .
401

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
亭 子 口 水 利 枢 纽 泄 洪 底 孔 突 扩 跌 坎 式 掺 气 可 行 性 分 析
韩 喜 俊
1
韩 继 斌
1
严 伟
1,
雷 长 海
2
(1. 长 江 科 学 院 武 汉 430010 hanhan_1225@yahoo.com.cn
2. 长 江 勘 测 规 划 设 计 研 究 院 武 汉 430010)
摘 要 亭 子 口 水 利 枢 纽 泄 洪 底 孔 具 有 孔 数 多 、 流 量 大 、 高 流 速 、 高 水 头 、 运 用 频 繁 以 及 运 行 水
头 变 幅 较 大 等 特 点 , 根 据 高 水 头 闸 门 止 水 要 求 及 满 足 底 孔 安 全 运 行 要 求 , 底 孔 采 用 突 扩 跌 坎 式 掺
气 , 通 过 水 工 模 型 试 验 , 比 较 了 明 槽 坡 度 、 出 口 反 弧 半 径 以 及 通 气 孔 尺 寸 和 位 置 等 因 素 , 以 优 化
底 孔 体 型 , 满 足 掺 气 减 蚀 要 求 , 保 证 在 三 期 施 工 导 流 期 至 校 核 洪 水 期 各 级 水 位 下 (421.14~463.04 m)
均 能 形 成 稳 定 空 腔 , 达 到 掺 气 减 蚀 的 目 的 。
关 键 词 亭 子 口 水 利 枢 纽 ; 底 孔 ; 突 扩 跌 坎 ; 掺 气 ; 减 蚀
1 前 言
高 坝 泄 水 深 孔 出 口 常 采 用 弧 形 门 挡 水 , 弧 形 闸 门 具 有 启 闭 力 小 、 启 闭 过 程 水 流 顺 畅 等 优
点 , 但 对 于 高 水 头 ( 水 头 大 于 50 m) 闸 门 , 由 于 承 受 较 大 水 压 、 温 度 变 化 及 制 造 安 装 误 差 等
因 素 易 引 起 闸 门 较 大 变 形 , 同 时 由 于 弧 形 闸 门 顶 止 水 与 侧 止 水 通 常 处 于 不 同 曲 面 , 在 两 者 接
缝 处 难 以 严 密 止 水 , 角 隅 处 应 力 集 中 , 止 水 容 易 撕 裂 , 从 而 形 成 缝 隙 高 速 射 流 , 导 致 空 化 、
⑴
空 蚀 及 声 振 等 问 题 , 这 就 对 高 水 头 弧 形 闸 门 止 水 型 式 的 合 理 设 置 提 出 更 高 要 求 。 为 解 决 上
述 常 规 止 水 存 在 的 问 题 , 通 过 多 年 来 国 内 外 对 弧 形 闸 门 止 水 型 式 的 积 极 探 索 , 工 程 实 践 验 证
适 用 于 高 水 头 弧 形 闸 门 的 止 水 型 式 有 偏 心 饺 压 紧 式 ( 带 突 扩 门 槽 )、 液 压 伸 缩 式 ( 带 突 扩 门 槽 )
⑵
和 滑 动 转 饺 式 ( 无 突 扩 门 槽 )3 种 , 对 于 80 m 以 上 水 头 的 弧 形 闸 门 , 多 采 用 偏 心 饺 式 或 液 压
伸 缩 式 止 水 。 故 国 内 外 的 一 些 工 程 , 如 日 本 二 濑 坝 泄 洪 深 孔 、 前 苏 联 努 列 克 导 流 隧 洞 、 美 国
的 德 沃 歇 克 坝 身 泄 洪 深 孔 、 巴 基 斯 坦 塔 贝 拉 枢 纽 泄 洪 洞 、 龙 羊 峡 水 电 站 底 孔 、 宝 珠 寺 水 电
站 泄 洪 底 孔 、 水 布 垭 水 利 枢 纽 放 空 洞 、 小 浪 底 水 利 枢 纽 泄 洪 洞 等 均 采 用 了 偏 心 饺 式 或 液 压 伸
缩 式 止 水 型 式 , 相 应 的 枢 纽 体 型 均 采 用 了 突 扩 跌 坎 式 掺 气 型 式 , 详 见 表 1。 亭 子 口 水 利 枢 纽
泄 洪 底 孔 最 高 水 头 达 89.54 m, 且 与 上 述 工 程 相 比 , 具 有 孔 数 多 、 孔 口 尺 寸 大 、 流 量 大 、 运
行 水 头 变 幅 较 大 (47.64~89.54 m)、 开 启 频 繁 、 运 行 时 间 长 等 特 点 , 故 亭 子 口 水 利 枢 纽 底 孔
体 型 拟 采 用 突 扩 跌 坎 式 掺 气 型 式 。
表 1 弧 形 闸 门 突 扩 跌 坎 式 掺 气 减 蚀 工 程 实 例
工 程 名 称
设 计
流 量
m 3 /s
设 计
水 头
m
孔 口 尺 寸
m×m
突 扩 体 型 尺 寸 运 行 情 况 备 注
努 列 克 ( 前 苏 联 ) ------- 110.0 5×6 突 扩 0.5m, 跌 坎 0.6m 运 行 良 好 导 流 隧 洞
得 沃 歇 克 ( 美 国 ) 1130 81.0
2.75×
3.80
突 扩 0.42m, 跌 坎 0.15m
发 生 空 蚀
坝 身 泄 水
孔
塔 贝 拉 ( 巴 基 斯
坦 )
------- 136.0
4.88×
7.0
突 扩 0.35m, 跌 坎 0.38m 发 生 空 蚀 泄 洪 洞
二 濑 ( 日 本 ) 400 69.0 5×5.6 突 扩 0.19m, 跌 坎 0.25m 已 运 行 泄 洪 深 孔
克 拉 斯 诺 雅 尔 斯
克 ( 前 苏 联 )
165 70.0 5×5 突 扩 0.5m, 跌 坎 7.0m 已 运 行
坝 身 泄 水
孔
结 雅 ( 前 苏 联 ) 198 83.0 5×5 突 扩 1.5m, 跌 坎 6.5m 已 运 行 泄 水 孔
402

第 二 部 分 工 程 水 力 学
续 表 1
设 计
设 计
孔 口 尺
工 程 名 称
流 量
水 头
寸
突 扩 体 型 尺 寸 运 行 情 况 备 注
m 3 /s
m
m×m
龙 羊 峡 ( 中 国 ) 1500 120.0 5×7 突 扩 0.6m, 跌 坎 2.0m 已 运 行 底 孔
九 甸 峡 ( 中 国 ) 752 93.4 5×5 突 扩 0.8m, 跌 坎 1.0m 运 行 良 好 泄 洪 洞
东 江 二 级 ( 中 国 ) 1600 100.0 6.4×7.5 突 扩 0.4m, 跌 坎 0.8m 运 行 良 好 放 空 洞
小 浪 底 ( 中 国 ) 8270 130.5 4.8×4.8 突 扩 0.5m, 跌 坎 1.5m 已 运 行
孔 板 泄
漫 湾 ( 中 国 ) ------- 90.5 3.5×3.5 突 扩 0.6m, 跌 坎 1.0m 已 运 行 排 沙 洞
天 生 桥 一 级 ( 中
国 )
洪 洞
------- 120.0 6.4×7.5 突 扩 0.4m, 跌 坎 1.2m 已 运 行 放 空 洞
宝 珠 寺 ( 中 国 ) 4500 84.7 4×8 突 扩 0.4m, 跌 坎 1.0m 运 行 良 好 右 底 孔
水 布 垭 ( 中 国 ) 1600 110 6×7 突 扩 0.6m, 跌 坎 1.2m 已 运 行 放 空 洞
⑶
亭 子 口 水 利 枢 纽 泄 洪 底 孔 为 永 久 性 建 筑 物 , 同 时 兼 做 后 期 导 流 泄 水 孔 , 底 孔 由 五 孔 组 成 ,
设 计 泄 流 能 力 为 9800 m 3 /s, 设 计 水 头 为 87.8 m, 有 压 段 出 口 断 面 尺 寸 为 6×9 m, 最 大 流 速
为 36 m/s, 因 高 水 头 闸 门 止 水 要 求 和 空 化 问 题 , 其 底 孔 采 用 突 扩 跌 坎 型 式 , 为 防 止 工 作 门
区 及 溢 流 面 下 游 的 水 流 空 化 问 题 , 应 保 证 突 扩 跌 坎 体 型 具 有 良 好 的 掺 气 效 果 。
根 据 工 程 要 求 并 结 合 有 关 突 扩 跌 坎 体 型 , 亭 子 口 水 利 枢 纽 泄 洪 底 孔 工 作 门 区 突 扩 跌 坎 体
型 参 数 取 值 为 : 两 侧 突 扩 宽 0.5 m, 跌 坎 高 度 1.6 m, 跌 坎 后 平 台 宽 2.0 m, 跌 坎 后 明 流 底
坡 为 i=0.25, 工 作 门 区 详 细 体 型 见 图 1。
3 8 9 .9 7
3 8 6 .0 0
3 9 4 .0 0
3 8 2 .5 0
3 7 3 .5 0
0+000
0+23.72
0+25.72
1 :4 .0
0+93.73
0+116.44
3 5 5 .0
尺 寸 、 高 程 单 位 : m
图 1 亭 子 口 水 利 枢 纽 底 孔 突 扩 跌 坎 式 掺 气 型 式 布 置
2 弧 门 突 扩 跌 坎 式 通 气 减 蚀 设 施 水 力 特 性
2.1 工 作 门 区 水 流 流 态
底 孔 有 压 出 口 设 置 突 扩 跌 坎 掺 气 设 施 , 水 流 出 有 压 段 后 , 侧 向 扩 散 , 底 部 经 跌 坎 后 水 流
在 一 定 范 围 内 脱 离 底 部 , 经 通 气 孔 通 气 后 形 成 底 空 腔 , 侧 扩 水 流 撞 击 侧 墙 后 , 在 主 流 水 面 线
⑷
上 形 成 水 翅 , 向 下 形 成 水 帘 , 沿 两 侧 壁 滑 落 在 底 空 腔 内 , 在 闸 门 全 开 工 作 水 头 为 43.76~
89.64 m 范 围 运 行 时 , 侧 空 腔 与 底 空 腔 水 平 长 度 分 别 为 11.9~23.8 m 和 3.8~5.0 m, 侧 空
腔 与 底 空 腔 形 态 稳 定 且 相 互 贯 通 , 底 空 腔 末 端 水 流 反 向 漩 滚 , 部 分 涌 入 空 腔 , 形 成 一 定 厚 度
403

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
和 长 度 的 回 水 区 。 跌 坎 射 流 时 流 态 见 图 2。
图 2 底 孔 出 口 跌 坎 射 流 工 作 门 区 流 态 示 意 图
在 工 作 水 头 为 34.24~43.76 m 时 , 跌 坎 处 水 流 为 射 流 与 跌 流 过 渡 状 态 , 侧 空 腔 稳 定 存
在 , 底 空 腔 摆 动 较 大 , 回 水 发 展 至 跌 坎 处 , 侧 空 腔 和 底 空 腔 不 能 稳 定 贯 穿 , 侧 空 腔 掺 气 稳 定 ,
底 空 腔 掺 气 较 弱 。
在 工 作 水 头 为 28.12 m 及 其 以 下 时 , 跌 坎 处 水 流 为 跌 流 , 侧 空 腔 形 成 但 较 小 , 不 能 稳
定 输 入 空 气 , 底 空 腔 基 本 消 失 , 水 流 不 能 稳 定 掺 气 。
2.2 明 槽 底 坡
试 验 中 比 较 了 i=0.25、0.22 和 0.20 三 种 明 槽 底 坡 型 式 , 分 别 称 方 案 Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅲ。 在 运
行 水 头 为 47.64 m 时 , 方 案 Ⅰ 和 Ⅱ 侧 空 腔 和 底 空 腔 形 成 且 稳 定 , 空 腔 相 互 贯 通 , 掺 气 稳 定 ;
但 对 于 方 案 Ⅲ, 空 腔 内 顶 托 回 水 在 库 水 位 较 低 时 (421.14 m) 已 发 展 至 跌 坎 处 , 且 基 本 为 清 水 ,
未 见 明 显 掺 气 漩 滚 水 流 , 底 空 腔 基 本 消 失 。 对 于 亭 子 口 底 孔 突 扩 跌 坎 布 置 型 式 , 明 槽 底 坡 型
式 以 i=0.25 和 0.22 为 宜 , 其 跌 坎 后 设 置 一 平 段 , 平 段 长 度 以 不 阻 碍 底 空 腔 气 流 运 动 为 度 。
各 方 案 底 孔 出 口 特 征 值 比 较 见 表 2。
表 2 各 方 案 模 型 试 验 出 口 特 征 值 比 较 表
组
掺 气 水 流 底 空 腔 长 度 侧 空 腔 长 度 水 翅 距 支 绞 距
试 验 条 件 方 案
次
长 度 D1(m) D2(m) D3(m) 离 D4(m)
Ⅰ 48.0 17.0~27.2 4.6 4.1
运 行 水 头
1
Ⅱ 41.2 14.5~24.1 4.5 4.1
89.54 m
Ⅲ 40.8 13.6~20.4 4.5 4.0
Ⅰ 40.3 23.8~26.8 4.1 4.1
运 行 水 头
2
Ⅱ 40.1 22.8~25.4 4.1 4.0
87.80 m
Ⅲ 34.0 21.0~25.0 4.1 4.1
Ⅰ 35.0 18.1~30.6 4.1 4.2
运 行 水 头
3
Ⅱ 33.8 17.0~27.1 4.0 4.1
73.40 m
Ⅲ 30.6 15.6~26.8 4.1 4.1
Ⅰ 33.2 11.9~13.6 3.8 4.2
运 行 水 头
4
Ⅱ 20.4 6.8~10.2 3.8 4.2
47.64 m
Ⅲ 18.7 0.0~3.4 3.7 4.1
404

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2.3 掺 气 浓 度 分 布
通 气 管 的 布 置 见 图 1。 为 避 免 侧 射 跌 落 水 流 封 堵 , 采 用 跌 坎 后 部 通 气 型 式 , 通 气 管 直 径
为 1.0 m。 为 了 解 底 孔 明 槽 段 侧 空 腔 及 底 空 腔 的 掺 气 浓 度 , 在 明 槽 侧 墙 布 设 两 个 掺 气 浓 度 传
感 器 , 在 明 槽 底 板 设 四 个 传 感 器 , 同 时 测 量 通 气 孔 的 风 速 , 得 到 通 气 孔 的 通 风 量 。 试 验 成 果
见 表 3。 在 各 级 水 位 下 , 方 案 Ⅰ 侧 空 腔 掺 气 浓 度 值 在 2.6%~15.6%, 底 空 腔 掺 气 浓 度 值 在
1.3%~65.3%, 其 中 闸 门 末 端 点 掺 气 浓 度 最 小 , 为 1.3%, 底 空 腔 中 部 掺 气 浓 度 最 大 , 达 65.3%;
方 案 Ⅱ 侧 空 腔 掺 气 浓 度 为 5.0%~15.4%, 底 空 腔 掺 气 浓 度 值 在 0.8%~60.0%, 闸 门 末 端 掺 气
点 浓 度 为 0.8%, 底 空 腔 中 部 掺 气 浓 度 值 为 60%; 在 各 级 库 水 位 下 , 两 方 案 中 通 气 孔 的 通 气 量
均 大 于 30 m 3 /s, 表 明 侧 空 腔 是 稳 定 的 。
⑸
根 据 Rasmussen R,E.H 的 研 究 成 果 , 掺 气 浓 度 C=1.0%~2.5% 时 , 即 可 显 著 减 轻 混 凝
土 的 空 蚀 破 坏 , 而 掺 气 浓 度 C=7%~8% 即 可 完 全 消 除 空 蚀 , 而 在 实 际 工 程 中 , 水 流 边 壁 区 域
原 型 掺 气 浓 度 大 于 模 型 掺 气 浓 度 , 故 模 型 试 验 将 模 型 掺 气 浓 度 C=1% 作 为 免 空 蚀 的 下 限 。 通
过 比 较 , 方 案 Ⅰ 掺 气 浓 度 及 通 气 量 均 优 于 方 案 Ⅱ。
掺 气
测 点
运 行 水 头
方
案
0+26.57
m
表 3 两 方 案 各 级 库 水 位 下 掺 气 浓 度 及 通 气 量 成 果 表
侧 空 腔
0+35.80
m
0+32.67
m
0+48.65
m
底 空 腔
0+63.76
m
0+77.45
m
风 速
(m/s)
通 气 量
(m 3 /s)
Ⅰ 15.6 5.1 65.3 21.5 8.6 3.2 55.3 86.8
89.54m Ⅱ 15.4 5.2 60.0 20.2 7.8 2.0 54.0 84.8
运 行 水 头
Ⅰ 8.6 4.1 64.3 18.9 3.2 3.1 52.4 82.3
87.80m Ⅱ 8.4 4.0 60.1 15.1 2.8 2.6 48.1 75.5
运 行 水 头
Ⅰ 5.2 2.0 59.2 16.5 1.8 2.2 40.8 64.1
73.40m Ⅱ 5.4 2.0 54.1 10.0 1.5 1.7 42.0 56.9
运 行 水 头
Ⅰ 6.4 2.6 50.3 8.0 1.2 1.3 29.6 45.6
73.40m Ⅱ 6.5 2.7 50.0 7.1 1.3 0.8 20.1 31.6
2.4 弧 门 突 扩 跌 坎 空 化 特 性
通 过 1:34 的 模 型 测 试 方 案 Ⅰ 工 作 门 区 动 水 时 均 压 力 和 脉 动 压 力 值 见 表 4。
突 扩 侧 墙 时 均 压 力 分 布 表 明 : 随 着 库 区 工 作 水 头 的 降 低 , 侧 扩 散 水 流 冲 击 区 上 移 , 水 流
冲 击 侧 壁 前 后 形 成 压 力 梯 度 , 水 头 越 高 , 压 力 梯 度 越 大 , 下 游 侧 壁 冲 击 区 最 大 负 压 为 0.72
×9.81 kPa, 侧 扩 冲 击 区 后 压 力 分 布 良 好 , 且 侧 空 腔 内 最 大 负 压 为 0.05×9.81 kPa, 说 明
侧 空 腔 形 成 气 流 通 道 , 与 底 空 腔 贯 穿 良 好 ; 脉 动 压 力 成 果 : 各 工 况 下 突 扩 侧 壁 测 点 脉 动 压 力
标 准 差 σ 均 小 于 0.51×9.81 kPa, 主 频 范 围 为 0.03~0.28 Hz, 优 势 频 率 范 围 为 0.01~2.0 Hz。
突 扩 下 游 中 心 线 时 均 压 力 分 布 表 明 : 底 空 腔 内 负 压 最 大 值 为 0.25×9.81 kPa, 说 明 通
气 孔 尺 寸 选 取 较 为 合 适 ; 脉 动 压 力 成 果 : 各 工 况 下 突 扩 侧 壁 测 点 脉 动 压 力 标 准 差 σ 均 小 于
4.36×9.81 kPa, 主 频 范 围 为 0.10~4.10 Hz, 优 势 频 率 范 围 为 0.02~6.60 Hz。
从 压 力 特 性 角 度 而 言 , 时 均 压 力 分 布 较 为 平 顺 , 未 见 较 大 负 压 , 所 有 脉 动 压 力 测 点 幅 值
405

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
不 高 , 在 各 种 水 位 下 未 出 现 异 常 , 表 明 底 孔 突 扩 宽 度 、 跌 坎 高 度 及 明 流 底 坡 取 值 基 本 合 理 。
表 4 跌 坎 下 游 侧 墙 及 底 板 中 心 压 力 分 布
时 均 压 力 /9.81kPa
脉 动 压 力
水 头
水 头
水 头
水 头
89.54m
水 头
87.80m
水 头
73.4m
水 头
47.64m
标 准
差 σ
89.54m
主 频
(Hz)
优 频
(Hz)
标 准
差 σ
73.4m
主 频
(Hz)
优 频
(Hz)
标 准
差 σ
47.64m
主 频
(Hz)
优 频
(Hz)
1 8.66 8.83 7.98 5.74
2 0.07 0.18 0.11 0.17
F1
0.28 0.03
0.01~
0.5
0.20 0.26
0.01~
2.0
0.28 0.11
0.01~
2.0
3 -0.01 -0.05 0.83 0.93
4 1.19 3.46 3.30 3.68
F2 0.27 0.08
0.01~
0.4
0.23 0.15
0.01~
2.0
0.51 0.28
0.01~
2.0
突
扩
后
侧
墙
5 12.17 8.07 6.98 1.95
6 6.39 4.41 3.94 0.98
7 1.11 1.89 1.41 1.35
8 0.68 0.51 0.20 0.68
9 0.36 -0.33 -0.32 0.50
10 -0.72 -0.31 0.05 0.10
11 -0.20 0.12 0.10 0.41
12
1.86
1.69
1.37
1.35
13
3.01
3.20
2.61
2.43
14
2.39
2.33
2.09
2.11
突
扩
后
下
游
中
心
线
15 1.27 0.35 1.88 2.09 F3
0.10~
0.01~
0.01~
4.36 0.21
2.54 0.15
0.48 0.20
28
28
28
16 -0.25 0.41 0.65 -0.18 F4
0.01~
0.01~
0.01~
2.22 0.42
0.32 0.02
0.27 0.13
4.0
8.0
6.0
17 0.10 0.21 0.38 0.14 F5
0.01~
0.01~
0.01~
2.59 0.02
0.76 0.03
0.76 0.27
6.0
5.0
0.5
18 0.23 0.20 0.98 -0.15 F6
0.01~
0.01~
0.01~
2.12 0.06
3.20 0.02
0.88 0.02
5.0
6.0
5.0
19 0.46 0.08 1.51 0.76 F7
0.01~
0.01~
0.01~
3.68 3.15
3.36 0.03
1.20 0.26
5.0
0.5
0.5
20 -0.24 0.03 1.87 1.77 F8
0.01~
0.01~
0.01~
3.68 3.15
1.56 0.03
1.24 0.20
5.0
2.0
0.5
21 4.06 1.64 2.26 11.88 F9
0.01~
0.01~
0.01~
3.28 3.16
1.36 0.03
0.76 0.11
5.0
2.0
3.0
22 6.75 6.07 4.88 11.41 --- --- --- --- --- --- ---
--- --- ---
23 16.83 9.52 12.41 10.78 --- --- --- --- --- --- ---
--- --- ---
24 21.35 15.40 13.08 11.18 --- --- --- --- --- --- --- --- --- ---
3 分 析 与 讨 论
3.1 突 扩 宽 度
侧 向 突 扩 宽 度 既 要 满 足 弧 门 止 水 要 求 , 又 要 能 形 成 稳 定 的 侧 空 腔 , 由 于 突 扩 易 形 成 水 翅 ,
同 时 削 弱 底 孔 结 构 , 突 扩 尺 寸 通 常 不 大 。 根 据 国 内 外 采 用 的 突 扩 体 型 , 其 突 扩 宽 度 通 常 在
0.4~0.8 m, 亭 子 口 水 利 枢 纽 底 孔 突 扩 采 用 0.5 m, 经 模 型 试 验 验 证 是 合 适 的 。
406

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3.2 跌 坎 高 度
跌 坎 高 度 不 仅 要 满 足 高 水 头 闸 门 止 水 要 求 , 重 要 的 是 满 足 掺 气 要 求 , 以 便 布 置 通 气 孔 。
一 般 而 言 , 在 同 一 明 槽 底 坡 时 , 跌 坎 高 度 越 大 底 空 腔 越 大 , 掺 气 能 力 越 明 显 。 从 掺 气 角 度 考
虑 , 跌 坎 越 大 越 好 , 但 考 虑 到 跌 坎 增 大 后 跌 流 易 形 成 与 下 游 明 槽 的 撞 击 角 度 增 大 , 回 溯 水 流
增 强 , 减 小 底 空 腔 的 有 效 长 度 , 同 时 冲 击 点 的 冲 击 压 力 增 大 , 故 根 据 相 关 工 程 经 验 , 跌 坎 高
度 通 常 在 0.6~2.0 m, 本 工 程 底 孔 跌 坎 高 度 取 1.6 m, 经 模 型 验 证 可 以 满 足 要 求 。
3.3 明 槽 底 坡
图 3 时 均 压 力 测 点 及 脉 动 压 力 测 点 布 置 图
明 槽 底 坡 对 底 空 腔 掺 气 特 性 影 响 最 为 明 显 。 一 般 来 说 , 对 运 行 要 求 较 高 ( 运 行 水 头 变 幅
大 ) 的 泄 水 孔 , 通 常 采 用 坡 度 较 大 的 底 坡 , 坡 度 较 大 , 底 空 腔 较 大 且 容 易 稳 定 , 回 溯 水 流 不
容 易 发 展 至 跌 坎
处 封 闭 底 空 腔 , 对 突 扩 跌 坎 体 型 掺 气 减 蚀 较 为 有 利 , 但 明 槽 坡 度 太 陡 , 下 泄 水 流 易 造 成 对 下
游 冲 击 区 的 强 烈 冲 击 , 故 明 槽 坡 度 需 在 合 适 的 范 围 内 。 根 据 工 程 经 验 , 结 合 亭 子 口 底 孔 处 的
地 质 特 点 , 明 槽 底 坡 分 别 取 i=0.25,0.22 和 0.20, 经 流 态 和 掺 气 效 果 等 比 较 ,i=0.20 在 部
分 工 况 时 回 溯 水 封 闭 底 空 腔 。 底 空 腔 消 失 ;i=0.22 时 部 分 工 况 掺 气 浓 度 不 能 满 足 要 求 , 故
底 孔 明 槽 底 坡 取 i=0.25。
3.4 通 气 孔
底 孔 运 行 库 水 位 变 幅 大 (421.14~463.04 m), 故 通 气 孔 风 速 变 幅 也 较 大 , 为 20.1~55.3 m/s,
⑹
但 其 最 大 风 速 亦 小 于 文 献 所 提 的 限 制 风 速 60 m/s, 通 气 孔 尺 寸 基 本 可 行 , 但 通 过 文 献 所 知 ,
在 此 流 速 下 , 泄 水 建 筑 物 通 气 减 蚀 通 气 量 原 型 观 测 成 果 , 与 相 应 水 力 条 件 下 模 型 试 验 成 果 比
较 , 存 在 通 气 量 缩 尺 效 应 系 数 m, 定 义 m = Q p
Qp
( Q
p
' 为 原 型 实 际 通 气 量 , Q
p
为 模 型 试
验 通 气 量 ), 并 建 立 与 韦 伯 数 关 系 曲 线 , 本 模 型 韦 伯 数 为 We=557, 经 查 相 应 的 通 气 量 缩 尺 效
应 系 数 m=0.68, 据 此 判 断 相 同 水 力 条 件 下 原 型 实 际 通 风 量 较 小 , 设 计 的 通 气 孔 直 径 偏 小 。
4 结 语
'
(1) 在 库 水 位 在 421.14~463.04 m 范 围 , 即 底 孔 水 头 在 47.64~89.54 m 运 行 时 , 工 作
门 区 采 用 突 扩 跌 坎 体 型 可 免 于 空 蚀 破 坏 。
407

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
(2) 明 槽 底 坡 设 计 了 i=0.25、0.22 和 0.20 三 种 方 案 , 通 过 对 空 腔 长 度 、 稳 定 性 、 掺 气
浓 度 和 通 气 量 等 多 指 标 进 行 比 较 , i=0.25 可 以 满 足 掺 气 减 蚀 要 求 。
(3) 通 气 孔 风 速 较 大 , 最 大 达 55.3 m/s, 在 此 流 速 下 , 考 虑 通 气 量 缩 尺 效 应 系 数 , 判 断
设 计 通 气 孔 直 径 Φ1.0 m 偏 小 。
(4) 底 孔 闸 墩 较 长 , 在 运 行 水 头 较 高 情 况 下 , 观 察 到 水 跃 首 部 回 溯 止 闸 室 内 , 在 闸 室 侧
壁 形 成 剪 切 流 , 容 易 形 成 空 化 源 , 建 议 进 行 减 压 模 型 对 工 作 门 区 突 扩 跌 坎 各 部 进 行 空 化 噪 声
信 息 监 测 , 对 突 扩 跌 坎 体 型 进 一 步 优 化 。
参 考 文 献
[1] 金 峰 , 周 赤 , 廖 仁 强 , 等 . 突 扩 跌 坎 型 门 座 的 水 利 学 问 题 研 究 [J]. 人 民 长 江 ,2001, l32(11):37-39.
[2] 梅 燕 . 高 水 头 弧 形 闸 门 止 水 形 式 研 究 [J]. 水 利 电 力 机 械 ,2006,28(1):12-15.
[3] 严 伟 , 韩 继 , 廖 宁 . 亭 子 口 水 利 枢 纽 底 孔 ( 突 扩 方 案 ) 水 工 断 面 模 型 试 验 研 究 报 告 [R]. 武 汉 长 江 科 学
院 ,2008.10.
[4] 廖 仁 强 , 郭 均 立 , 陈 俊 . 水 布 垭 水 利 枢 纽 防 空 洞 突 扩 跌 坎 水 利 学 问 题 研 究 [J]. 人 民 长 江 ,2007,38
(7):93-95.
[5] N.L.de.S 本 托 ,S.H 奈 德 特 . 溢 洪 道 掺 气 水 流 模 型 — 原 型 的 相 似 性 [C]. 国 际 水 工 模 型 试 验 会 议 译 文
选 集 , 泄 水 建 筑 物 高 速 水 流 情 报 网 编 译 .1984.1.
[6] 夏 毓 常 . 通 气 减 蚀 设 施 原 型 、 模 型 通 气 量 空 腔 长 度 对 比 分 析 [C]. 水 工 模 型 缩 尺 效 应 学 术 会 讨 论 文 集 ,
长 江 科 学 院 , 1991.4.
408

第 二 部 分 工 程 水 力 学
锦 屏 一 级 水 电 站 发 电 进 水 口 快 速 事 故 闸 门
工 作 特 性 试 验 研 究
张 文 远 张 东 章 晋 雄 杨 帆 张 蕊
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 北 京 复 兴 路 甲 1 号 100038 zhangweny8@163.com)
摘 要 锦 屏 一 级 水 电 站 利 用 叠 梁 闸 门 实 现 多 层 取 水 , 取 表 层 水 的 措 施 在 国 内 是 首 次 采 用 。 每 台
机 组 进 水 口 顺 水 流 方 向 分 别 布 置 四 孔 拦 污 栅 、 四 孔 挡 水 叠 梁 闸 门 、 一 孔 检 修 闸 门 、 一 孔 快 速 事 故
闸 门 , 在 机 组 出 现 甩 负 荷 且 机 组 保 护 装 置 失 灵 时 , 利 用 此 闸 门 快 速 关 闭 进 水 口 , 截 断 水 流 , 防 止
事 故 扩 大 。 该 快 速 事 故 闸 门 挡 水 水 头 和 运 行 水 头 高 , 孔 口 尺 寸 大 , 其 在 运 行 过 程 中 的 水 力 学 特
性 以 及 门 体 结 构 的 动 力 特 性 直 接 关 系 到 发 电 机 组 引 水 洞 运 行 的 技 术 可 行 性 和 安 全 可 靠 性 。 本 项 研
究 通 过 模 型 试 验 观 测 了 快 速 事 故 闸 门 模 拟 止 水 及 未 模 拟 止 水 两 种 情 况 下 动 水 关 闭 中 , 门 槽 段 的 水
流 流 态 及 门 体 的 水 动 力 荷 载 , 并 根 据 试 验 结 果 分 析 了 该 闸 门 在 动 水 关 闭 过 程 中 的 可 靠 性 。
关 键 词 分 层 取 水 ; 事 故 闸 门 ; 持 住 力 ; 闭 门 力 ; 锦 屏 一 级 水 电 站
随 着 人 们 环 护 意 识 的 增 强 , 水 库 下 泄 非 河 床 自 然 水 温 状 态 水 流 对 下 游 环 境 与 水 生 生 态 的
影 响 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 。 利 用 叠 梁 闸 门 实 现 多 层 取 水 , 取 表 层 水 , 即 根 据 水 库 运 行 水 位
变 化 , 提 起 或 放 下 相 应 数 量 的 叠 梁 门 , 从 而 达 到 引 用 水 库 表 层 水 , 提 高 下 泄 水 流 水 温 的 目 的 。
由 于 通 过 叠 梁 门 实 现 分 层 取 水 的 措 施 在 国 内 是 首 次 采 用 , 进 水 口 前 布 置 叠 梁 门 , 水 流 经 拦 污
栅 、 叠 梁 门 顶 进 入 竖 向 流 道 , 水 流 边 界 复 杂 , 因 此 探 明 进 水 口 增 设 叠 梁 门 后 对 快 速 事 故 闸 门
运 行 可 靠 性 的 影 响 是 十 分 必 要 的 。 本 文 以 锦 屏 一 级 水 电 站 发 电 引 水 洞 为 背 景 , 对 快 速 事 故 闸
门 动 水 关 闭 过 程 中 的 持 住 力 及 闭 门 力 进 行 了 试 验 研 究 。 根 据 枢 纽 布 置 要 求 , 每 台 机 组 进 水 口
顺 水 流 方 向 分 别 布 置 四 孔 拦 污 栅 、 四 孔 挡 水 叠 梁 闸 门 、 一 孔 检 修 闸 门 、 一 孔 快 速 事 故 闸 门 ( 见
图 1)。 电 站 进 水 口 挡 水 叠 梁 闸 门 孔 口 尺 寸 为 3.8m×42m( 宽 ´ 高 ), 为 平 面 滑 动 叠 梁 闸 门 ,
进 水 口 快 速 事 故 闸 门 孔 口 尺 寸 为 7.5m´9.0m-101m( 宽 ´ 高 - 设 计 水 头 ), 为 平 面 定 轮 闸 门 , 闸
门 为 常 规 下 游 面 止 水 , 其 中 顶 、 侧 水 封 为 P 型 橡 塑 水 封 , 底 水 封 为 I 型 橡 胶 水 封 , 机 组 单 机
引 用 最 大 流 量 为 350 m 3 /s。
快 速 事 故 闸 门 槽
叠 梁 门 槽
检 修 门 槽
拦 污 栅 槽
通 气 孔
i = 0 . 0 8 4
图 1 锦 屏 一 级 水 电 站 引 水 发 电 系 统 纵 剖 面 图
409

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
1 模 型 设 计 及 试 验 工 况
锦 屏 一 级 水 电 站 发 电 引 水 洞 模 型 比 尺 为 1:20, 按 重 力 相 似 准 则 设 计 。 进 水 塔 、 叠 梁 挡
水 闸 门 、 快 速 事 故 门 槽 、 渐 变 段 及 快 速 事 故 闸 门 等 部 分 的 模 型 全 部 采 用 有 机 玻 璃 精 细 加 工 制
作 , 渐 变 段 后 引 水 洞 采 用 钢 管 制 作 。
试 验 中 观 测 了 一 层 叠 梁 门 取 水 ( 叠 梁 门 门 顶 高 程 1793.0m, 对 应 上 游 水 位 1828.0m), 二
层 叠 梁 门 取 水 ( 叠 梁 门 门 顶 高 程 1807.0m, 对 应 上 游 水 位 1842.0m), 三 层 叠 梁 门 取 水 ( 叠 梁
门 门 顶 高 程 1821.0m, 对 应 上 游 水 位 1880.0m) 三 组 不 同 组 合 工 况 下 , 快 速 事 故 闸 门 在 模 拟
止 水 与 不 模 拟 止 水 两 种 情 况 下 动 水 关 闭 过 程 门 槽 段 的 水 流 流 态 及 门 体 的 水 动 力 荷 载 等 内 容 。
2 事 故 闸 门 模 拟 止 水 持 住 力 特 性 分 析
2.1 门 槽 段 水 流 流 态
不 同 试 验 工 况 下 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 中 门 槽 段 的 流 态 基 本 相 似 。 闸 门 关 闭 前 在 孔 口
上 方 1m 处 待 命 , 发 电 引 水 洞 为 满 流 , 流 态 平 顺 稳 定 , 闸 门 在 门 井 内 没 有 出 现 晃 动 , 发 电 引
水 洞 设 叠 梁 门
对 闸 门 工 作 状 态 没 有 明 显 影 响 。 随 着 闸 门 的 逐 渐 关 闭 , 门 槽 后 通 气 孔 的 水 位 逐 渐 降 低 。
当 闸 门 关 闭 到 0.3~0.2 相 对 开 度 附 近 时 , 门 后 发 电 引 水 洞 开 始 由 满 流 向 明 流 过 渡 , 通 气 孔
内 水 柱 脱 空 , 门 井 内 还 维 持 略 低 于 库 水 位 的 作 用 水 头 。 此 时 , 门 下 水 流 从 闸 门 底 缘 处 脱 离 门
体 直 射 下 游 , 在 闸 门 后 形 成 飞 溅 的 白 色 水 花 , 通 气 孔 向 发 电 引 水 洞 内 补 气 。
2.2 事 故 闸 门 动 水 闭 门 力 分 析
‘ [1]
事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 中 的 闭 门 力 为 : F
闭
= 1.2T
- 0.9G浮 重
+ Pt
, P ‘ t
为 闸 门 上 游
底 缘 上 托 力 ( 利 用 闸 门 动 水 关 闭 过 程 测 量 所 得 的 上 游 底 缘 压 力 数 据 ); G
浮 重
为 闸 门 在 水 中 的
浮 重 ( 未 考 虑 闸 门 拉 杆 重 量 ), F 为 负 值 时 表 示 闸 门 依 靠 自 重 能 关 闭 , 为 正 值 时 表 示 需 配
闭
加 重 块 或 利 用 门 顶 水 柱 闭 门 。 该 闸 门 综 合 摩 擦 系 数 f 变 化 范 围 为 0.032~0.065 之 间 , 这
里 取 f 值 0.065 时 计 算 事 故 闸 门 的 闭 门 力 见 表 1 及 图 2。
表 1
f 取 0.065 时 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 的 闭 门 力 (kN)
取 水 方 式
和 水 位
闸 门 相 对 开 度
一 层 叠 梁 门 取
水
1828.0m
二 层 叠 梁 门 取
水
1842.0m
三 层 叠 梁 门
取 水
1880.0m
1.0 -840 -692 -329
0.9 -757 -611 -258
0.8 -646 -496 -143
0.7 -468 -301 15
0.6 -262 -143 179
0.5 -1 183 525
0.4 524 785 1065
0.3 1242 1862 1879
0.2 1816 2643 5434
0.1 2037 2994 5825
410

第 二 部 分 工 程 水 力 学
(kN)
7000
5000
3000
水 位 1828.0m
水 位 1842.0m
水 位 1880.0m
事 故 闸 门 闭 门 力 曲 线
1000
-1000
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
e
0.1
图 2 不 同 工 况 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 闭 门 力 变 化 曲 线
由 表 1 及 图 2 可 知 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 中 , 闭 门 力 随 闸 门 相 对 开 度 的 减 小 而 迅 速 增
大 。 在 最 不 利 工 况 ( 三 层 叠 梁 门 取 水 , 水 位 1880.0m) 闸 门 依 靠 自 重 只 能 由 全 开 关 闭 到 0.8
开 度 附 近 , 闸 门 要 进 一 步 关 闭 , 需 依 靠 门 顶 的 水 柱 压 力 或 加 重 块 才 能 关 闭 。 闸 门 关 闭 过 程 中
的 最 小 闭 门 力 -840 kN, 最 大 闭 门 力 5825 kN。
2.3 事 故 闸 门 动 水 闭 门 持 住 力 分 析
该 闸 门 采 用 后 止 水 型 式 , 利 用 门 顶 水 柱 闭
门 。 事 故 闸 门 动 水 关 闭 时 的 持 住 力 为 :
[1]
F持
= Gg + Ws
- Pt
- T - I 。 事 故 闸 门 关 闭
过 程 中 的 作 用 力 系 见 图 3。 图 3 中 为 F
1闭 门 持
住 力 ; G g
为 闸 门 门 重 ; W s
为 闸 门 门 体 竖 向 水
力 荷 载 ; P t
为 闸 门 上 下 游 底 缘 上 托 力 或 下 吸 力
之 和 ; PHu 为 上 游 面 板 的 压 力 ; H 为 下 游 面 板
的 压 力 ;T 为 摩 擦 力 ; I 为 惯 性 力 , f 为 事 故
闸 门 行 走 机 构 及 止 水 布 置 的 综 合 摩 擦 因 子 。 模
型 试 验 测 量 了 原 型 闸 门 关 闭 过 程 中 除 摩 擦 力 以
外 的 全 部 水 力 荷 载 , 包 括 闸 门 上 下 游 面 板 的 水
压 力 、 闸 门 底 缘 的 上 托 力 或 下 吸 力 以 及 闸 门 顶
粱 的 竖 向 水 压 力 。 这 些 荷 载 是 计 算 原 型 事 故 闸
门 动 水 关 闭 过 程 中 持 住 力 的 依 据 。 考 虑 到 一 般
工 程 中 事 故 闸 门 关 闭 均 接 近 匀 速 , 惯 性 力 I 很
小 , 忽 略 不 计 。 闸 门 自 重 设 计 已 给 定 为 156.08
d
411
图 3 事 故 闸 门 关 闭 过 程 所 受 荷 载 示 意 图
吨 , 摩 擦 系 数 f 变 化 范 围 为 0.032~0.065 之 间 , 这 里 取 f 值 0.032 时 计 算 事 故 闸 门 的 闭
门 持 住 力 见 表 2 及 图 4。
由 表 2 及 图 4 可 知 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 中 , 持 住 力 随 闸 门 的 逐 渐 关 闭 而 增 大 , 在
0.3~0.2 相 对 开 度 附 近 时 达 到 最 大 值 , 与 引 水 洞 满 明 流 过 渡 时 刻 基 本 一 致 , 随 后 持 住 力 随
闸 门 的 进 一 步 关 闭 而 减 小 ; 在 相 同 摩 擦 系 数 时 , 持 住 力 随 上 游 水 位 的 升 高 而 增 大 。 三 组 试 验
工 况 下 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 的 最 小 持 住 力 为 1691kN, 最 大 持 住 力 为 6853kN, 事 故 闸 门
利 用 门 顶 水 柱 能 够 动 水 关 闭 。

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
表 2
f 取 0.032 时 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 的 持 住 力 (kN)
取 水 方 式
和 水 位
闸 门 相 对 开 度
一 层 叠 梁 门 取
水
1828.0m
二 层 叠 梁 门 取
水
1842.0m
三 层 叠 梁 门
取 水
1880.0m
1.0 1698 1691 1740
0.9 1634 1676 1657
0.8 1722 1787 1717
0.7 1843 2057 2018
0.6 2127 2343 2354
0.5 2615 2836 2697
0.4 3700 3740 3946
0.3 4506 4807 5735
0.2 4090 5029 6853
0.1 3482 4117 5798
(kN)
8000
6000
水 位 1828.0m
水 位 1842.0m
水 位 1880.0m
事 故 闸 门 闭 门 持 住 力 曲 线
4000
2000
0
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
e
0.1
图 4 不 同 工 况 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 持 住 力 变 化 曲 线
3 事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 工 况 持 住 力 特 性 分 析
为 比 较 分 析 闸 门 止 水 损 坏 情 况 动 水 关 闭 过 程 对 持 住 力 大 小 的 影 响 , 试 验 中 对 闸 门 未 模 拟
止 水 情 况 同 样 进 行 了 三 组 工 况 的 动 水 闭 门 试 验 。 闸 门 下 游 面 板 与 门 槽 下 游 边 壁 的 间 隙 约 为
1.5 mm( 模 型 中 的 尺 寸 )。
3.1 门 槽 段 水 流 流 态
与 闸 门 模 拟 止 水 工 况 动 水 关 闭 过 程 相 比 , 由 于 闸 门 没 有 模 拟 止 水 , 随 着 闸 门 的 逐 步 关 闭 ,
门 槽 后 通 气 孔 及 门 井 的 水 位 逐 渐 降 低 , 通 气 孔 的 水 位 降 幅 大 于 门 井 水 位 降 幅 。 当 闸 门 关 闭 到
0.2~0.1 开 度 附 近 时 , 发 电 引 水 洞 才 由 满 流 向 明 流 过 渡 , 门 井 内 水 位 较 模 拟 止 水 工 况 也 有
一 定 幅 度 降 低 。
3.2 事 故 闸 门 动 水 闭 门 力 分 析
事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 动 水 关 闭 过 程 闭 门 力 大 小 的 计 算 公 式 及 摩 擦 系 数 的 取 值 范 围 与 模
拟 闸 门 止 水 工 况 完 全 相 同 。 摩 擦 系 数 f 也 取 0.065 时 计 算 事 故 闸 门 的 持 住 力 见 表 3 及 图 5。
412

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 3
f 取 0.065 时 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 的 闭 门 力 (kN)
取 水 方 式
和 水 位
闸 门 相 对 开 度
一 层 叠 梁 门 取
水
1828.0m
二 层 叠 梁 门 取
水
1842.0m
三 层 叠 梁 门
取 水
1880.0m
1.0 -868 -733 -365
0.9 -823 -691 -316
0.8 -789 -656 -297
0.7 -737 -624 -268
0.6 -614 -520 -213
0.5 -494 -424 -26
0.4 -311 -168 180
0.3 114 162 583
0.2 867 1047 1437
0.1 1599 2486 4879
(kN)
5000
事 故 闸 门 闭 门 力 曲 线
3000
水 位 1828.0m
水 位 1842.0m
水 位 1880.0m
1000
-1000
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
e
0.1
图 5 不 同 工 况 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 闭 门 力 变 化 曲 线
由 表 3 及 图 5 可 知 , 事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 动 水 关 闭 过 程 中 , 闭 门 力 变 化 规 律 与 模 拟 止 水
工 况 相 比 基 本 一 致 , 随 闸 门 的 不 断 关 闭 而 增 大 。 最 不 利 工 况 下 闸 门 依 靠 自 重 可 关 闭 的 相 对 开
度 从 08 减 小 到 0.5 附 近 。 其 中 最 大 闭 门 力 4879kN 与 模 拟 止 水 工 况 相 比 减 小 了 约 16%。
3.3 事 故 闸 门 动 水 闭 门 持 住 力 分 析
事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 动 水 关 闭 过 程 持 住 力 大 小 的 计 算 公 式 及 摩 擦 系 数 的 取 值 范 围 与 模
拟 闸 门 止 水 工 况 完 全 相 同 。 摩 擦 系 数 f 也 取 0.032 时 计 算 事 故 闸 门 的 持 住 力 见 表 4 及 图 6。
由 表 4 及 图 6 可 知 , 事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 动 水 关 闭 过 程 中 , 最 小 持 住 力 与 闸 门 模 拟 止 水
工 况 相 差 较 小 , 持 住 力 的 变 化 曲 线 与 模 拟 止 水 工 况 也 有 一 定 差 异 , 持 住 力 基 本 随 闸 门 相 对 开
度 的 减 小 而 增 大 , 其 中 最 大 持 住 力 5098kN 与 模 拟 止 水 工 况 相 比 减 小 了 约 26%, 说 明 止 水 破
坏 时 造 成 门 后 漏 水 , 对 门 顶 水 柱 大 小 有 一 定 影 响 。
413

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
表 4
f 取 0.032 时 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 的 持 住 力 (kN)
取 水 方 式
三 层 叠 梁 门
一 层 叠 梁 门 取 水 二 层 叠 梁 门 取 水
和 水 位
取 水
闸 门 相 对 开 度 1828.0m 1842.0m 1880.0m
1.0 1602 1719 1780
0.9 1487 1625 1776
0.8 1459 1597 1616
0.7 1442 1604 1655
0.6 1551 1666 1749
0.5 1717 1760 1789
0.4 1933 1667 1896
0.3 2106 2066 2113
0.2 2797 2391 2931
0.1 2580 3351 5098
(kN)
6000
事 故 闸 门 持 住 力 曲 线
4000
水 位 1828.0m
水 位 1842.0m
水 位 1880.0m
2000
0
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
e
0.1
图 6 不 同 工 况 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 持 住 力 变 化 曲 线
4 结 论
(1) 发 电 引 水 洞 进 口 增 设 叠 梁 门 后 对 闸 门 工 作 状 态 没 有 明 显 影 响 。 事 故 闸 门 模 拟 止 工
况 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 到 0.3~0.2 开 度 附 近 时 , 发 电 引 水 洞 由 满 流 过 渡 到 明 流 ; 事 故 闸 门
未 模 拟 止 水 工 况 , 通 气 孔 及 事 故 闸 门 井 内 水 位 都 随 闸 门 不 断 关 闭 而 逐 渐 降 低 , 发 电 引 水 洞 由
满 流 过 渡 为 明 流 的 开 度 与 闸 门 模 拟 止 水 工 况 相 比 有 滞 后 (0.2~0.1 开 度 附 近 )。
(2) 摩 擦 系 数 f 取 0.065 时 计 算 闸 门 的 闭 门 力 可 知 , 事 故 闸 门 动 水 关 闭 过 程 中 , 闭 门
力 随 闸 门 相 对 开 度 的 减 小 而 迅 速 增 大 。 事 故 闸 门 模 拟 止 水 与 不 模 拟 止 水 两 种 情 况 下 均 不 能 依
靠 自 重 关 闭 , 需 利 用 门 顶 水 柱 或 加 重 块 关 闭 。 事 故 闸 门 模 拟 止 工 况 , 最 大 闭 门 力 5825 kN;
事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 工 况 , 其 中 最 大 闭 门 力 4879kN, 与 模 拟 止 水 工 况 相 比 减 小 了 约 16%,
因 而 闸 门 门 顶 水 柱 的 形 成 对 闸 门 动 水 关 闭 的 可 靠 性 至 关 重 要 。
(3) 摩 擦 力 是 持 住 力 测 量 计 算 中 的 主 要 因 数 之 一 , 摩 擦 系 数 主 要 取 决 于 支 撑 情 况 和 滑
道 材 料 。 本 文 中 闸 门 滑 道 综 合 摩 擦 系 数 变 化 范 围 为 0.032~0.065, 摩 擦 系 数 f 取 0.032 时
计 算 闸 门 动 水 关 闭 的 最 大 持 住 力 。 由 计 算 结 果 可 知 , 事 故 闸 门 模 拟 止 工 况 , 三 组 试 验 工 况 动
水 关 闭 过 程 中 的 最 小 持 住 力 为 1601kN, 最 大 持 住 力 为 6853kN, 事 故 闸 门 能 够 利 用 门 顶 水 柱
动 水 关 闭 。 事 故 闸 门 未 模 拟 止 水 工 况 , 与 闸 门 模 拟 止 水 工 况 相 比 , 最 小 持 住 力 相 差 较 小 , 最
大 持 住 力 (5098kN) 减 小 了 约 26%, 但 任 然 能 够 动 水 关 闭 。
414

第 二 部 分 工 程 水 力 学
参 考 文 献
[1] 水 利 水 电 工 程 钢 闸 门 设 计 规 范 SL74—95.
[2] 吴 一 红 , 高 建 标 , 李 长 河 , 等 . 溪 洛 渡 深 孔 事 故 闸 门 闭 门 力 和 工 作 闸 门 流 激 振 动 模 型 试 验 研 究 [J]. 中
国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 ,2001.4.
[3] 吴 一 红 , 谢 省 宗 , 高 建 标 , 等 . 三 峡 工 程 导 流 底 孔 6.0m×8.5m-90m 弧 形 工 作 闸 门 流 激 振 动 试 验 研 究
子 题 科 研 成 果 报 告 [J]. 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 ,2000.1.
[4] 王 韦 , 杨 永 全 , 许 唯 临 , 等 . 孔 板 泄 洪 洞 事 故 闸 门 动 水 下 门 实 验 研 究 [J]. 水 利 学 报 ,2003.1,39-44.
[5] 潘 水 波 , 钱 鸣 森 , 刘 之 平 . 三 峡 深 孔 事 故 闸 门 水 力 及 启 闭 力 特 性 研 究 [J]. 中 国 水 科 院 水 力 学 所 ,1992.1.
415

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
消 除 掺 气 坎 空 腔 回 水 的 研 究
叶 茂 黄 武 林 方 斌 蒙 富 强
( 中 国 水 电 顾 问 集 团 成 都 勘 测 设 计 研 究 院 成 都 浣 花 北 路 1 号 610072 yymm0650@126.com)
摘 要 对 于 低 Fr 数 、 小 底 坡 的 泄 水 建 筑 物 而 言 , 掺 气 空 腔 容 易 产 生 回 水 , 影 响 掺 气 效 果 , 可
通 过 修 改 掺 气 坎 体 型 和 调 整 坎 后 底 板 两 种 方 法 予 以 解 决 , 目 前 第 二 种 方 法 的 研 究 成 果 不 多 。 某 工
程 导 流 洞 内 流 速 超 过 35 m/s,Fr 数 低 于 4, 底 坡 为 1:10.45, 布 置 掺 气 设 施 的 难 度 较 大 。 原 方 案
掺 气 空 腔 内 回 水 严 重 , 采 用 理 论 分 析 和 模 型 试 验 相 结 合 的 方 法 对 掺 气 设 施 进 行 了 修 改 , 结 果 表 明 :
增 大 水 舌 冲 击 区 的 底 坡 并 将 底 板 适 当 抬 高 , 可 减 小 挑 射 水 舌 对 底 板 的 冲 击 角 , 有 效 地 消 除 了 空 腔
回 水 , 通 气 孔 风 速 和 通 气 量 明 显 增 大 。
关 键 词 掺 气 坎 ; 空 腔 回 水 ; 冲 击 角 ; 理 论 分 析 ; 模 型 试 验
1 引 言
随 着 一 批 大 中 型 水 电 站 的 陆 续 兴 建 , 泄 洪 的 水 头 和 流 量 不 断 增 加 , 高 速 水 流 条 件 下 泄 水
建 筑 物 的 空 蚀 破 坏 问 题 日 益 突 出 , 如 黄 尾 坝 、 刘 家 峡 和 二 滩 电 站 的 泄 洪 洞 都 遭 受 过 空 蚀 破 坏 。
工 程 实 践 表 明 , 布 置 掺 气 设 施 促 使 水 流 掺 气 可 以 有 效 地 减 轻 甚 至 消 除 空 蚀 破 坏 。 然 而 , 对 于
[1]
低 Fr 数 、 小 底 坡 的 泄 水 建 筑 物 而 言 , 掺 气 空 腔 容 易 产 生 回 水 , 掺 气 减 蚀 效 果 不 佳 。 为 了 消 除
空 腔 回 水 , 前 人 提 出 了 一 些 有 效 的 解 决 措 施 , 可 以 归 纳 成 两 类 : 一 类 是 修 改 掺 气 坎 的 体 型 ,
[2]
[3]
如 庞 昌 俊 等 推 荐 了 适 用 于 高 流 速 、 大 单 宽 流 量 和 小 底 坡 泄 洪 洞 的 U 型 掺 气 坎 , 漆 力 健 等
[4]
将 U 型 坎 成 功 地 应 用 于 大 岗 山 泄 洪 洞 , 孙 双 科 等 结 合 小 湾 电 站 缓 坡 泄 洪 洞 提 出 了 能 形 成 稳
[5]
[6]
定 空 腔 的 凹 型 掺 气 坎 , 刘 超 等 和 王 海 云 等 结 合 龙 抬 头 泄 洪 洞 提 出 了 能 消 除 空 腔 回 水 的 V
[7]
型 掺 气 坎 ; 另 一 类 是 对 水 舌 冲 击 区 的 底 板 进 行 调 整 , 如 吴 伟 伟 等 在 平 底 泄 洪 洞 的 掺 气 坎 下
游 加 设 贴 坡 , 有 效 地 抑 制 了 空 腔 回 水 。 目 前 , 第 二 类 措 施 的 研 究 成 果 不 多 , 本 文 结 合 实 际 工
程 , 通 过 修 改 水 舌 冲 击 区 底 板 的 坡 度 和 高 程 , 成 功 地 消 除 了 空 腔 回 水 , 改 善 了 掺 气 效 果 。
2 工 程 概 况 及 试 验 模 型
某 电 站 导 流 洞 洞 身 段 长 1220 m, 宽 12 m, 纵 坡 为 1:10.45。 导 流 洞 运 行 时 , 洞 身 段 流
速 大 、 水 流 空 化 数 小 , 存 在 空 蚀 破 坏 的 可 能 性 , 原 方 案 布 置 五 级 掺 气 坎 , 体 型 采 用 连 续 坎 ,
如 图 1 所 示 。 掺 气 坎 高 1.0 m, 挑 坎 与 洞 身 段 之 间 的 坡 度 为 1:10, 坎 后 下 凹 0.5 m, 采 用 5.26 m
平 坡 与 洞 身 段 相 接 。
图 1 掺 气 设 施 原 布 置 体 型
根 据 相 似 原 理 , 试 验 模 型 按 重 力 相 似 准 则 设 计 , 采 用 正 态 模 型 , 几 何 比 尺 为 1:35。
416

第 二 部 分 工 程 水 力 学
由 于 导 流 洞 为 临 时 建 筑 物 且 运 行 时 水 头 通 常 较 低 , 以 前 很 少 考 虑 空 蚀 破 坏 问 题 。 本 工 程
导 流 洞 具 有 高 水 头 和 大 流 量 的 特 点 , 洞 内 流 速 超 过 35 m/s, 如 何 布 置 有 效 的 掺 气 减 蚀 设 施 ,
是 本 次 试 验 的 重 点 问 题 , 由 于 大 流 量 对 应 的 Fr 数 较 小 , 掺 气 设 施 的 布 置 也 是 本 次 试 验 的 难
点 问 题 。
3 结 果 分 析
3.1 原 布 置 体 型
流 量 小 于 1000 m 3 /s 时 , 各 级 掺 气 坎 均 能 形 成 稳 定 空 腔 , 随 着 流 量 的 增 大 , 空 腔 内 出 现
回 水 , 且 回 水 的 掺 气 坎 数 量 也 随 之 增 加 。 流 量 为 3620 m 3 /s 时 ,1~4# 掺 气 坎 的 Fr 数 仅 为
2.8~3.9, 重 力 作 用 占 主 导 , 水 流 经 掺 气 坎 后 跌 落 较 快 , 空 腔 内 出 现 不 同 程 度 的 回 水 , 其 中
3# 和 4# 掺 气 坎 空 腔 出 现 局 部 回 水 ( 见 图 2), 回 水 高 度 约 1.0 m, 空 腔 不 稳 定 , 掺 气 效 果 不
佳 。 考 虑 到 大 流 量 时 3# 掺 气 坎 以 前 空 化 数 大 于 0.3, 因 此 主 要 对 3# 和 4# 掺 气 坎 进 行 修 改 。
空 腔 部 分 回 水
图 2 原 布 置 体 型 掺 气 空 腔 形 态
3.2 理 论 分 析
由 于 挑 射 水 舌 冲 击 区 底 坡 小 , 水 舌 的 冲 击 角 较 大 , 导 致 水 流 反 向 旋 滚 , 掺 气 空 腔 内 形 成
回 水 , 因 此 体 型 修 改 主 要 是 对 坎 后 底 板 进 行 调 整 。 图 3 为 水 舌 冲 击 角 的 计 算 示 意 图 。
x 轴 方 向 与 洞 身 段 底 板 平 行 , y 轴 方 向 与 底 板 垂 直 ,q 为 掺 气 坎 与 底 板 夹 角 ,a 为 底
板 坡 角 ,j 为 水 舌 冲 击 角 , V 1
为 坎 顶 水 流 流 速 , 方 向 与 掺 气 坎 坡 面 平 行 , V 2
为 挑 射 水 舌 与
底 板 相 交 处 的 冲 击 流 速 。
若 不 计 空 气 阻 力 影 响 , 挑 射 水 舌 离 开 坎 顶 后 仅 受 重 力 作 用 , 沿 x 轴 方 向 和 y 轴 方 向 的 加
速 度 分 别 为 g sin a 和 - g cos a , 设 水 舌 从 坎 顶 到 达 底 板 的 时 间 为 t , 该 时 间 内 水 舌 沿 y 轴
方 向 经 过 的 距 离 为 h , 可 以 得 出 以 下 关 系 式 :
1
2
- h = V1
sinq × t - g cosa
× t
(1)
2
417

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
由 上 式 可 得 :
V sinq
+ A
t = 1 (2)
g cosa
其 中
2
A = ( V1 sinq
) + 2g
cosa
× h
(3)
冲 击 流 速 V
2
沿 x 轴 方 向 和 y 轴 方 向 的 分 量 为 :
挑 射 水 舌 冲 击 角 j 与 速 度 分 量 的 关 系 为 :
V2 x
= V1
cosq
+ g sina
× t
(4)
V2 y
= V1
sinq
- g cosa
× t
(5)
tanj
=
V
V
2 y
2x
g cosa
× t -V1
sinq
=
V cosq
+ g sina
× t
将 式 (2) 代 入 式 (6), 可 推 导 出 挑 射 水 舌 冲 击 角 j 的 表 达 式 :
j = tan
-1
æ
ç
ç
ç V
tana(
è
1
1
1
sinq
V
+ 1)
+
A
1
ö
÷
÷
cosq
÷
A ø
(6)
(7)
由 上 式 可 知 , 当 q 和 V
1
不 变 时 , 增 大 a 并 减 小 h 时 可 减 小 j , 因 此 体 型 修 改 的 思 路 主
要 是 : 通 过 增 大 水 舌 与 底 板 相 交 处 的 坡 度 并 将 底 板 适 当 抬 高 , 以 减 小 挑 射 水 舌 对 底 板 的 冲 击
角 , 减 轻 水 流 的 反 向 旋 滚 强 度 。
图 3 挑 射 水 舌 冲 击 角 计 算 示 意 图
3.3 修 改 体 型
根 据 以 上 分 析 , 掺 气 设 施 的 修 改 体 型 如 图 4 所 示 , 掺 气 坎 的 高 度 及 坡 度 不 变 , 仅 对 坎 后
底 板 进 行 调 整 : 将 水 舌 冲 击 区 的 底 板 抬 高 ( 图 中 虚 线 为 原 底 板 线 ), 底 坡 由 1:10.45 增 大 为
1:6.5, 之 前 用 长 度 15.00 m、 坡 度 1:25 的 斜 坡 与 掺 气 坎 相 接 。
418

第 二 部 分 工 程 水 力 学
图 4 掺 气 设 施 修 改 体 型
流 量 为 3620 m 3 /s 时 修 改 体 型 的 空 腔 形 态 见 图 5, 通 气 孔 风 速 及 通 气 量 对 比 见 表 1。
空 腔 无 回 水
掺 气 坎
图 5 修 改 体 型 掺 气 空 腔 形 态
表 1 通 气 孔 风 速 及 通 气 量 对 比
原 布 置 体 型
修 改 体 型
通 气 孔 风 速 (m/s) 通 气 量 (m 3 /s) 通 气 孔 风 速 (m/s) 通 气 量 (m 3 /s)
3# 17.2 46.6 23.0 62.2
4# 24.5 66.3 32.0 86.5
3# 和 4# 掺 气 坎 下 游 底 板 调 整 后 , 掺 气 空 腔 稳 定 , 不 再 出 现 回 水 , 空 腔 长 度 分 别 为 16 m
和 19 m 左 右 。 与 原 方 案 相 比 , 流 量 3620 m 3 /s 时 通 气 孔 风 速 和 通 气 量 明 显 增 大 , 其 中 3# 掺
气 坎 通 气 孔 风 速 增 大 33.7%,4# 掺 气 坎 通 气 孔 风 速 增 大 30.6%。
4 结 语
本 文 结 合 实 际 工 程 , 采 用 理 论 分 析 和 模 型 试 验 相 结 合 的 方 法 对 消 除 掺 气 坎 空 腔 回 水 进 行
了 研 究 。 由 于 导 流 洞 具 有 小 底 坡 和 低 Fr 数 的 特 点 , 原 布 置 体 型 掺 气 空 腔 内 回 水 严 重 , 掺 气 效
果 不 佳 。 通 过 增 大 水 舌 冲 击 区 的 底 坡 并 将 底 板 适 当 抬 高 , 可 减 小 挑 射 水 舌 的 冲 击 角 , 减 轻 水 流
的 反 向 旋 滚 强 度 , 有 效 地 消 除 了 空 腔 回 水 , 掺 气 效 果 明 显 改 善 。
419

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
参 考 文 献
[1] 杨 永 森 , 杨 永 全 , 帅 青 红 . 低 Fr 数 流 动 跌 坎 掺 气 槽 的 水 力 及 掺 气 特 性 [J]. 水 力 学 报 ,2000,(2): 27-31.
[2] 庞 昌 俊 , 苑 亚 珍 . 大 型 “ 龙 抬 头 ” 明 流 泄 洪 洞 小 底 坡 掺 气 减 蚀 设 施 的 选 型 研 究 [J]. 水 力 学 报 ,1993,
(6): 61-66.
[3] 漆 力 健 , 廖 华 胜 , 李 贵 吉 , 等 . 低 佛 劳 德 数 掺 气 坎 空 腔 回 水 问 题 研 究 [J]. 水 力 学 报 ,2007,38(7):
819-825.
[4] 孙 双 科 , 杨 家 卫 , 柳 海 涛 . 缓 坡 条 件 下 掺 气 减 蚀 设 施 的 体 型 研 究 [J]. 水 利 水 电 技 术 ,2004,35(11):
26-29.
[5] 刘 超 , 杨 永 全 . 泄 洪 洞 反 弧 末 端 掺 气 减 蚀 研 究 [J]. 水 动 力 学 研 究 与 进 展 , 2004, 19(3): 375-382.
[6] 王 海 云 , 戴 光 清 , 杨 庆 , 等 . V 型 掺 气 坎 在 龙 抬 头 式 泄 洪 洞 中 的 应 用 [J]. 水 力 学 报 ,2005,36(11):
1371-1374.
[7] 吴 伟 伟 , 吴 建 华 , 阮 仕 平 . 平 底 泄 洪 洞 掺 气 设 施 体 型 研 究 [J]. 水 动 力 学 研 究 与 进 展 ,2007,22(4):
397-402.
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
戛 洒 江 一 级 水 电 站 导 流 洞 改 建 泄 洪 与 放 空 冲 沙 洞 研 究
赵 云 秀 冯 业 林 杨 家 卫
( 中 国 水 电 顾 问 集 团 昆 明 勘 测 设 计 研 究 院 云 南 昆 明 650051 zhao_yx@.khidi.com )
摘 要 戛 洒 江 一 级 水 电 站 是 红 河 ( 元 江 ) 干 流 梯 级 综 合 规 划 十 二 级 开 发 方 案 中 的 “ 龙 头 “ 水
库 , 该 工 程 是 以 发 电 为 主 , 兼 顾 防 洪 、 灌 溉 等 综 合 利 用 功 能 。 导 流 隧 洞 经 “ 龙 抬 头 结 构 ” 而 改 建
的 泄 水 隧 洞 最 大 水 头 为 137 m, 最 大 流 速 为 41.8 m/s, 属 高 水 头 大 流 量 泄 洪 建 筑 物 , 在 国 内 外 工
程 中 均 属 领 先 水 平 , 本 文 简 要 介 绍 戛 洒 江 一 级 水 电 站 导 流 洞 改 建 泄 洪 、 放 空 冲 沙 洞 的 研 究 , 它 对
相 似 工 程 有 一 定 的 借 鉴 作 用 。
关 键 词 戛 洒 江 一 级 水 电 站 ; 导 流 洞 改 建 ; 高 水 头 ; 大 流 速 ; 空 蚀 破 坏 ; 泄 洪 ; 放 空
1 工 程 概 况 及 改 建 的 目 的
戛 洒 江 一 级 水 电 站 位 于 云 南 省 玉 溪 市 新 平 县 水 塘 镇 的 戛 洒 江 河 段 上 , 是 红 河 ( 元 江 ) 干
流 梯 级 综 合 规 划 十 二 级 开 发 方 案 的 “ 龙 头 “ 水 库 ; 该 工 程 以 发 电 为 主 , 兼 顾 下 游 农 田 灌 溉 和
城 镇 供 水 , 水 库 建 成 后 可 发 展 库 区 航 运 , 促 进 地 区 旅 游 业 发 展 。 枢 纽 主 要 由 混 凝 土 面 板 堆 石
坝 、 左 岸 溢 洪 道 、 左 岸 放 空 冲 沙 ( 兼 导 流 ) 洞 、 左 岸 引 水 发 电 系 统 等 组 成 。 其 中 面 板 坝 最 大
高 度 为 167.5 m, 水 库 总 库 容 17.41×10 8 m 3 具 有 年 调 节 能 力 , 电 站 为 地 面 厂 房 , 装 机 容 量 为
270 MW, 左 岸 溢 洪 道 设 4 孔 13 m×20 m, 最 大 泄 洪 流 量 14688 m 3 /s; 导 流 洞 经 改 建 可 成 泄 洪 、
冲 沙 、 放 空 隧 洞 。 本 项 目 改 建 的 目 的 如 下 :
(1) 戛 洒 江 一 级 电 站 坝 址 地 区 左 岸 为 凸 岸 地 形 , 且 工 程 地 质 条 件 良 好 , 为 此 , 溢 洪 道 、
引 水 发 电 系 统 与 厂 房 、 导 流 洞 等 均 集 中 布 置 在 此 岸 , 已 经 显 得 拥 挤 ; 而 冲 沙 建 筑 物 布 置 必 须
另 辟 蹊 径 。
(2) 戛 洒 江 属 于 山 区 峡 谷 和 多 泥 沙 河 流 , 坝 址 多 年 平 均 悬 移 质 年 输 沙 量 2520×10 4 t,
为 了 降 低 水 库 淤 积 程 度 和 保 证 电 站 进 行 “ 门 前 清 ”, 必 须 设 有 冲 沙 洞 , 如 不 利 用 导 流 洞 改 建
而 再 加 一 条 隧 洞 , 一 方 面 布 置 上 相 当 困 难 , 另 一 方 面 将 增 加 投 资 约 8000 万 元 , 工 程 投 资 增
加 较 多 , 为 此 有 必 要 研 究 改 造 导 流 洞 成 为 冲 沙 兼 放 空 洞 的 合 理 性 。
(3) 根 据 当 前 水 电 工 程 建 设 的 趋 势 以 及 诸 多 工 程 实 践 经 验 , 只 要 条 件 允 许 , 应 尽 可 能
充 分 利 用 临 时 性 建 筑 物 的 导 流 洞 改 建 为 永 久 性 泄 水 建 筑 物 , 一 般 可 以 紧 凑 枢 纽 布 置 、 缩 短 工
期 和 节 约 投 资 , 本 工 程 的 改 建 项 目 研 究 和 实 践 也 将 推 动 携 沙 高 速 水 流 问 题 的 研 究 。
2 改 建 方 案 比 较
根 据 国 内 外 的 成 功 先 例 , 以 及 戛 洒 江 一 级 电 站 自 身 特 点 , 本 项 目 改 建 方 案 研 究 与 比 较 分
析 如 下 :
(1) 导 流 洞 直 接 一 次 建 成 为 泄 洪 冲 沙 洞 : 此 方 案 在 进 口 段 设 事 故 检 修 门 , 隧 洞 中 后 部
设 弧 形 工 作 门 。 其 优 点 是 泄 洪 冲 沙 洞 与 导 流 洞 完 全 结 合 , 导 流 隧 洞 利 用 充 分 , 且 通 过 工 作 闸
门 位 置 和 孔 口 尺 寸 , 可 尽 量 减 短 无 压 高 流 速 隧 洞 段 长 度 , 从 而 减 小 因 高 速 水 流 引 发 空 蚀 破 坏
的 几 率 。 但 本 方 案 缺 点 也 较 为 明 显 , 闸 门 工 作 水 头 高 , 平 板 事 故 检 修 门 的 水 头 将 达 到 135 m,
弧 形 工 作 门 的 水 头 将 达 到 138 m, 尤 其 平 板 事 故 检 修 门 尺 寸 为 2—6×18 m, 该 闸 门 规 模 超 过
目 前 的 技 术 水 平 较 多 ; 而 工 作 门 后 移 , 隧 洞 大 部 分 为 有 压 , 对 于 13 m×17 m、 内 水 130 m
水 头 的 大 断 面 城 门 洞 形 结 构 设 计 也 较 为 困 难 , 即 使 断 面 形 式 改 为 圆 形 , 按 限 裂 设 计 , 也 仍 然
421

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
存 在 结 构 和 防 渗 方 面 的 难 度 。
(2) 采 用 “ 龙 落 尾 ” 形 式 : 此 方 案 将 泄 洪 洞 进 口 抬 高 , 进 口 设 事 故 检 修 门 , 后 段 设 工
作 弧 门 , 工 作 门 后 通 过 “ 龙 落 尾 ” 形 式 降 至 导 流 洞 后 段 , 出 口 与 导 流 洞 相 结 合 , 本 方 案 解 决
了 方 案 1 中 高 水 头 下 的 闸 门 和 大 断 面 隧 洞 设 计 的 困 难 , 同 时 保 留 了 较 长 的 有 压 低 流 速 隧 洞 段
与 较 短 的 无 压 高 流 速 隧 洞 段 组 合 方 式 , 但 因 此 也 带 来 了 结 合 段 较 短 , 近 似 于 重 新 设 置 一 条 泄
洪 隧 洞 , 工 程 不 经 济 。
(3) 采 用 龙 抬 头 式 : 此 方 案 将 泄 洪 洞 进 口 抬 高 , 进 口 设 事 故 检 修 门 及 工 作 弧 门 , 其 后
采 用 竖 井 或 斜 井 以 较 短 的 距 离 降 至 导 流 洞 , 隧 洞 大 部 分 与 导 流 洞 相 结 合 , 在 兼 顾 经 济 性 的 同
时 , 解 决 了 高 水 头 闸 门 的 难 度 , 但 由 于 导 流 洞 高 程 低 , 水 流 进 入 导 流 洞 时 较 高 的 势 能 转 为 动
能 , 隧 洞 高 流 速 段 较 长 , 高 速 水 流 引 发 空 蚀 破 坏 的 几 率 增 大 。
采 用 斜 井 式 龙 抬 头 改 建 为 大 泄 量 泄 洪 洞 已 有 较 多 的 实 践 经 验 , 见 表 1。 目 前 水 头 最 大 的
为 美 国 格 兰 峡 大 坝 的 泄 洪 洞 , 最 大 水 头 达 到 了 178.84 m; 单 洞 最 大 泄 量 为 美 国 的 胡 佛 坝 泄
洪 洞 , 达 到 了 5500 m3/s, 这 些 工 程 经 过 多 年 的 实 践 运 行 , 虽 然 发 生 一 些 局 部 空 蚀 破 坏 , 但
不 影 响 整 个 枢 纽 建 筑 物 的 安 全 , 经 修 补 后 均 能 正 常 运 行 , 这 些 工 程 的 实 践 为 其 他 工 程 提 供 了
可 资 借 鉴 的 经 验 。
根 据 以 上 分 析 比 较 , 综 合 考 虑 改 造 的 技 术 难 度 、 工 程 安 全 性 及 经 济 性 , 戛 洒 江 一 级 电 站
拟 采 用 “ 龙 抬 头 ” 斜 井 式 方 案 将 导 流 洞 改 建 为 泄 洪 洞 。
表 1 国 内 外 典 型 大 型 泄 洪 洞 水 力 特 性 参 数
工 程 名 称
设 计
流 量
设 计
水 头
孔 口 尺
寸
突 扩 体 型 尺 寸 运 行 情 况 备 注
m 3 /s m m×m
努 列 克 ( 前 苏
联 )
------- 110.0 5×6 突 扩 0.5m, 跌 坎 0.6m 运 行 良 好 导 流 隧 洞
得 沃 歇 克 ( 美
2.75 ×
1130 81.0
国 )
3.80
突 扩 0.42m, 跌 坎 0.15m 发 生 空 蚀 坝 身 泄 水 孔
塔 贝 拉 ( 巴 基
斯 坦 )
------- 136.0 4.88×7.0 突 扩 0.35m, 跌 坎 0.38m 发 生 空 蚀 泄 洪 洞
二 濑 ( 日 本 ) 400 69.0 5×5.6 突 扩 0.19m, 跌 坎 0.25m 已 运 行 泄 洪 深 孔
克 拉 斯 诺 雅 尔
斯 克 ( 前 苏 联 )
165 70.0 5×5 突 扩 0.5m, 跌 坎 7.0m 已 运 行 坝 身 泄 水 孔
结 雅 ( 前 苏 联 ) 198 83.0 5×5 突 扩 1.5m, 跌 坎 6.5m 已 运 行 泄 水 孔
龙 羊 峡 ( 中 国 ) 1500 120.0 5×7 突 扩 0.6m, 跌 坎 2.0m 已 运 行 底 孔
九 甸 峡 ( 中 国 ) 752 93.4 5×5 突 扩 0.8m, 跌 坎 1.0m 运 行 良 好 泄 洪 洞
东 江 二 级 ( 中
国 )
1600 100.0 6.4×7.5 突 扩 0.4m, 跌 坎 0.8m 运 行 良 好 放 空 洞
小 浪 底 ( 中 国 ) 8270 130.5 4.8×4.8 突 扩 0.5m, 跌 坎 1.5m 已 运 行 孔 板 泄 洪 洞
漫 湾 ( 中 国 ) ------- 90.5 3.5×3.5 突 扩 0.6m, 跌 坎 1.0m 已 运 行 排 沙 洞
天 生 桥 一 级
( 中 国 )
------- 120.0 6.4×7.5 突 扩 0.4m, 跌 坎 1.2m 已 运 行 放 空 洞
宝 珠 寺 ( 中 国 ) 4500 84.7 4×8 突 扩 0.4m, 跌 坎 1.0m 运 行 良 好 右 底 孔
水 布 垭 ( 中 国 ) 1600 110 6×7 突 扩 0.6m, 跌 坎 1.2m 已 运 行 放 空 洞
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
3 “ 龙 抬 头 ” 斜 井 式 方 案 改 建 的 重 点 技 术 问 题
高 水 头 泄 洪 洞 不 论 其 泄 流 量 大 小 , 都 普 遍 存 在 高 速 水 流 问 题 , 如 水 流 掺 气 、 脉 动 、 空 蚀 等 。
在 实 际 工 程 经 验 中 , 有 一 部 分 高 水 头 泄 洪 洞 发 生 了 不 同 程 度 的 空 蚀 破 坏 , 如 胡 佛 坝 、 格 兰 峡 、
刘 家 峡 、 二 滩 等 , 经 统 计 , 大 部 分 破 坏 都 出 现 在 反 弧 段 。 有 关 学 者 对 此 作 了 深 入 的 研 究 , 指
出 本 类 型 泄 洪 洞 水 力 学 特 性 及 高 速 水 流 存 在 的 问 题 , 主 要 如 下 :
(1) 反 弧 段 泄 洪 水 头 高 、 流 速 大 。 表 1 中 列 举 的 几 项 国 内 外 大 型 泄 洪 洞 设 计 参 数 表 明 ,
泄 洪 洞 在 反 弧 段 水 头 都 在 100 m 左 右 。 我 国 目 前 正 在 设 计 的 单 洞 最 大 泄 量 溪 洛 渡 泄 洪 洞 , 达
到 了 4100 m3/s, 反 弧 段 处 的 流 速 普 遍 达 到 40 m/s~50 m/s 量 级 。 戛 洒 江 一 级 水 电 站 最 大
水 头 137 m, 最 大 流 速 41.8 m/s, 量 值 相 当 可 观 。
(2) 泄 洪 洞 空 化 空 蚀 问 题 突 出 。 高 水 头 、 大 流 量 的 泄 洪 洞 水 流 流 速 高 达 40 m/s 以 上 ,
“ 龙 抬 头 ” 及 反 弧 段 体 形 的 变 化 导 致 水 流 方 向 不 断 改 变 , 流 线 弯 曲 , 在 离 心 力 的 作 用 下 断 面
流 速 重 新 分 布 、 底 流 速 增 大 、 边 界 层 变 薄 、 沿 程 压 力 梯 度 大 、 水 流 流 态 复 杂 , 水 流 空 化 数 较
小 , 容 易 引 发 空 化 水 流 的 产 生 , 进 而 引 起 空 蚀 破 坏 。 戛 洒 江 一 级 泄 洪 洞 内 流 速 最 大 达
41.8m/s, 空 化 空 蚀 问 题 是 改 建 导 流 洞 可 行 性 的 关 键 技 术 难 点 。 反 弧 段 末 端 , 其 掺 气 的 高 速
水 流 由 于 离 心 力 的 作 用 使 气 泡 上 浮 漂 移 , 缩 短 了 掺 气 有 效 保 护 长 度 , 从 而 减 弱 了 掺 气 减 蚀 保
护 的 效 果 , 空 蚀 破 坏 就 发 生 在 反 弧 段 下 游 一 定 范 围 内 , 所 以 保 护 的 重 点 部 位 就 是 位 于 反 弧 段
末 端 以 及 下 游 几 十 米 范 围 内 。
(3) 缓 底 坡 长 隧 洞 掺 气 比 较 困 难 。 与 导 流 洞 结 合 段 水 平 投 影 长 度 513.792 m, 隧 洞 底
坡 0.495%, 接 近 临 界 底 坡 0.386%, 底 坡 较 缓 而 隧 洞 很 长 , 造 成 这 段 洞 子 掺 气 困 难 。 完 全 只
能 靠 反 弧 末 端 掺 气 设 施 及 沿 程 水 流 表 面 自 掺 气 , 而 一 般 掺 气 槽 的 保 护 长 度 为 150 m~200 m, 怎
样 保 证 这 么 长 的 隧 洞 沿 程 的 掺 气 浓 度 是 这 个 项 目 的 难 点 。
因 此 “ 龙 抬 头 ” 式 泄 洪 洞 需 要 解 决 的 重 点 技 术 问 题 是 采 取 可 行 措 施 减 小 “ 龙 抬 头 ” 反 弧
段 末 端 的 空 蚀 破 坏 及 保 证 缓 底 坡 长 隧 洞 段 掺 气 浓 度 。 参 照 已 建 工 程 经 验 , 其 主 要 措 施 有 如 下
三 项 。
(1) 优 化 泄 洪 洞 体 型 。 从 二 滩 、 溪 洛 渡 、 小 湾 等 大 型 泄 洪 洞 的 研 究 和 运 行 实 践 可 以 看
出 , 高 水 头 、 大 流 量 泄 洪 洞 的 反 弧 连 接 段 体 型 的 优 劣 至 关 重 要 , 反 弧 段 末 端 掺 气 坎 下 游 的 空
腔 形 成 与 反 弧 段 处 的 弗 汝 德 数 Fr 密 切 相 关 , 这 是 今 后 需 要 进 一 步 开 展 研 究 的 重 点 , 力 求 该 段
体 型 的 布 置 更 加 合 理 。
(2) 优 化 反 弧 末 端 掺 气 设 施 , 掺 气 减 蚀 是 防 止 泄 洪 洞 空 蚀 的 重 要 措 施 , 研 究 的 重 点 则
是 反 弧 段 末 端 的 掺 气 型 式 和 体 型 。 掺 气 坎 形 式 主 要 有 连 续 坎 式 、U 型 槽 式 、V 型 槽 式 以 及 凸
型 坎 式 , 对 侧 墙 部 位 , 有 空 腔 的 掺 气 设 施 凸 型 坎 式 掺 气 时 减 小 坎 后 隧 洞 边 墙 部 位 水 翅 及 减 少
空 腔 底 部 回 水 更 有 利 。
(3) 改 善 施 工 工 艺 , 应 用 抗 冲 耐 磨 材 料 。 严 格 施 工 技 术 要 求 , 提 高 过 流 面 的 平 整 度 以
降 低 初 生 空 化 数 。
4 改 建 方 案 布 置
对 拟 改 建 的 “ 龙 抬 头 ” 式 泄 洪 、 放 空 、 冲 沙 洞 布 置 简 述 如 下 , 具 体 布 置 见 图 1。
423

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
图 1 与 导 流 洞 结 合 前 纵 剖 面 ( 注 : 图 中 尺 寸 单 位 为 米 )
采 用 岸 塔 式 进 水 口 , 进 口 底 板 高 程 600.00 m, 有 压 进 水 口 后 紧 接 进 水 塔 。 进 水 塔 由 检
修 闸 门 井 和 工 作 闸 门 室 组 成 , 塔 内 设 一 道 平 板 事 故 检 修 闸 门 和 弧 形 工 作 门 ; 闸 门 井 后 一 边 突
扩 1 m, 跌 坎 高 度 1.5 m, 且 与 闸 室 的 通 风 井 联 通 ; 进 水 塔 ( 闸 门 井 ) 后 紧 接 无 压 斜 井 段 即
“ 龙 抬 头 ” 段 , 这 段 底 板 采 用 折 线 型 , 上 折 坡 段 坡 度 为 20%, 下 折 坡 段 坡 度 为 35%, 斜 井
段 尺 寸 , 放 空 洞 为 9 m×13.2 m, 泄 洪 洞 为 12 m×15 m; 俩 折 坡 间 设 一 道 掺 气 槽 , 折 坡 处 的
掺 气 坎 高 度 为 0.70 m, 掺 气 坎 高 程 为 585.178 m, 掺 气 孔 尺 寸 2 m×1.5 m; 反 弧 末 端 掺 气
设 施 采 用 突 扩 突 跌 式 。 跌 坎 高 度 3 米 ; 一 边 突 扩 2 m, 突 扩 部 分 空 腔 可 作 为 补 气 通 道 , 同 时
缝 隙 是 水 翅 窜 出 的 通 道 , 由 于 突 扩 较 大 , 两 侧 水 翅 非 常 严 重 , 为 减 小 两 侧 水 翅 , 将 每 侧 边 墙
向 内 收 缩 1.3 m, 两 侧 的 水 流 受 到 边 墙 的 约 束 而 减 少 水 翅 , 长 度 25 m,( 其 中 前 5 m 作 为 侧
空 腔 通 气 井 , 实 际 只 修 建 后 20 m 边 墙 , 边 墙 高 度 与 导 流 洞 直 墙 高 度 相 同 ), 然 后 再 经 20 m
长 的 渐 扩 恢 复 至 原 导 流 洞 边 墙 , 体 型 见 图 2。
图 2 龙 抬 头 与 导 流 洞 结 合 部 位 掺 气 与 减 翅 构 造 示 意 图 ( 注 : 图 中 尺 寸 单 位 为 米 )
方 案 布 置 中 龙 抬 头 斜 井 段 布 置 及 反 弧 段 末 端 掺 气 槽 设 施 对 反 弧 末 端 以 下 空 蚀 破 坏 是 比
较 关 键 的 , 本 文 重 点 对 这 两 个 方 面 做 一 些 说 明 :
(1) 龙 抬 头 段 初 始 设 计 采 用 涡 居 曲 线 , 因 为 这 种 曲 线 最 接 近 水 流 出 闸 后 的 水 流 形 态 , 可
以 降 低 底 板 的 压 力 , 但 这 种 曲 线 断 面 在 实 际 施 工 时 都 是 采 用 小 折 线 形 式 , 即 小 段 小 段 的 直 线
组 成 , 在 两 段 折 线 结 合 处 存 在 很 多 小 折 角 凸 点 , 平 整 度 较 差 , 在 高 速 水 流 下 容 易 诱 发 局 部 绕
流 出 现 负 压 , 从 而 进 一 步 引 起 空 蚀 破 坏 , 使 不 平 整 度 经 一 步 加 剧 , 初 生 空 化 数 越 大 , 引 起 更
严 重 的 空 蚀 破 坏 , 隧 洞 对 流 速 超 过 30 m/s 的 平 整 度 要 求 相 当 高 , 而 本 电 站 最 大 流 速 高 达 41.8
424

第 二 部 分 工 程 水 力 学
m/s, 可 见 平 整 度 对 本 项 目 的 重 要 性 , 所 以 最 后 本 电 站 采 用 折 线 型 , 俩 折 线 形 状 尽 量 比 较 贴
近 涡 居 曲 线 , 上 折 坡 度 为 20%, 下 折 坡 度 为 35%, 俩 折 坡 间 设 一 道 连 续 坎 型 式 掺 气 槽 。
(2) 反 弧 段 末 端 掺 气 采 用 跌 坎 突 扩 式 。 考 虑 到 跌 坎 后 有 一 定 的 回 水 , 需 要 把 跌 坎 做 的 高
一 些 以 保 证 形 成 稳 定 的 空 腔 补 气 , 同 时 又 不 能 太 高 以 避 免 水 流 落 水 点 砸 击 底 板 , 最 后 确 定 跌
坎 高 度 为 3 米 , 通 过 试 验 验 证 跌 坎 部 位 回 水 深 度 为 2 米 。 还 有 1 米 的 空 腔 补 气 通 道 ,3 米 的
跌 坎 高 度 是 合 适 的 。 反 弧 段 末 段 突 扩 与 导 流 洞 相 接 , 由 于 龙 抬 头 段 隧 洞 尺 寸 比 导 流 洞 段 小 ,
在 相 接 处 俩 侧 墙 部 位 就 留 有 空 腔 , 可 作 为 侧 墙 及 底 板 的 补 气 通 道 。 避 免 了 传 统 掺 气 槽 对 侧 边
墙 不 能 补 气 的 缺 点 , 很 好 的 保 护 了 反 弧 段 下 游 左 右 边 墙 不 受 空 蚀 破 坏 , 这 就 有 点 类 似 目 前 正
在 研 究 的 比 较 新 型 的 三 维 掺 气 的 原 理 。 本 方 案 也 有 缺 点 , 就 是 俩 边 墙 空 腔 处 容 易 发 生 水 翅 窜
顶 的 的 现 象 , 本 项 目 是 通 过 在 跌 坎 后 5 m 每 侧 边 墙 向 内 收 缩 1.3 m 来 控 制 水 翅 , 不 过 还 可 通
过 改 变 底 板 横 断 面 的 型 式 , 调 整 高 底 坎 的 高 度 及 宽 度 来 减 免 俩 侧 墙 空 腔 水 翅 窜 顶 现 象 , 这
个 问 题 留 待 后 续 继 续 研 究 。
5 模 型 试 验 验 证
上 述 改 建 设 计 除 了 进 行 理 论 分 析 和 借 鉴 已 建 工 程 实 际 经 验 外 , 还 开 展 了 相 关 的 水 工 模 型
试 验 。 模 型 试 验 由 昆 明 院 科 研 所 与 四 川 大 学 水 力 学 实 验 室 共 同 进 行 , 主 要 研 究 成 果 如 下 。
(1) 沿 程 压 强 。 压 强 测 量 结 果 显 示 在 各 工 况 下 各 测 点 均 无 负 压 , 掺 气 空 腔 与 大 气 连 通 ,
压 强 接 近 大 气 压 强 , 相 对 压 强 为 非 常 轻 微 的 负 压 , 此 外 的 所 有 测 点 沿 程 压 强 均 为 正 值 , 水 舌
冲 击 区 有 明 显 的 冲 击 压 强 , 其 后 有 相 对 的 低 压 区 , 最 小 压 力 约 2m 水 柱 正 压 。
(2) 沿 程 流 速 。 试 验 显 示 , 反 弧 段 末 段 流 速 最 大 , 汛 限 工 况 为 37.8 m/s, 设 计 工 况 为
40.5 m/s, 校 核 工 况 为 41.8 m/s, 闸 室 末 端 突 变 处 、 折 坡 处 和 与 导 流 洞 结 合 处 有 明 显 的 能
量 损 失 , 表 现 为 流 速 有 所 降 低 。 导 流 洞 内 由 反 弧 段 末 端 至 导 流 洞 出 口 范 围 内 流 速 汛 限 工 况 运
行 时 从 35.6m/s 逐 渐 减 小 至 27.4 m/s, 校 核 工 况 时 从 40.3 m/s 逐 渐 减 小 至 30.9 m/s, 进 入
导 流 洞 后 流 速 有 较 明 显 的 减 小 。 导 流 洞 内 为 壅 水 曲 线 , 流 速 沿 程 减 小 。
(3) 水 流 空 化 数 。 汛 限 水 位 、 设 计 水 位 及 校 核 水 位 运 行 水 流 空 化 数 最 小 值 分 别 为 0.18、
0.15、0.14, 具 体 部 位 均 出 现 在 反 弧 末 端 跌 坎 下 部 。 且 最 小 值 为 0.18, 可 通 过 提 高 过 流 面
的 平 整 度 、 采 用 抗 空 蚀 性 能 较 好 的 材 料 提 高 建 筑 物 的 抗 蚀 性 能 等 等 技 术 措 施 减 免 空 蚀 破 坏 ;
设 计 水 位 EL675( 运 行 水 头 为 130 m) 以 下 水 流 空 化 数 不 满 足 规 范 要 求 (0.2) 的 有 4 个 观 测
点 , 位 置 为 反 弧 末 端 至 以 下 90 米 范 围 内 ; 校 核 洪 水 运 行 水 位 EL682.47( 运 行 水 头 为 137 m)
以 下 水 流 空 化 数 不 满 足 规 范 要 求 (0.2) 的 有 6 个 观 测 点 , 位 置 为 反 弧 末 端 前 50 m 至 反 弧 末
端 以 下 90 m 范 围 内 ; 由 此 可 见 运 行 水 头 超 过 120 m 及 汛 限 水 位 以 上 运 行 , 水 流 空 化 数 不 满
足 规 范 要 求 的 范 围 逐 渐 加 大 , 空 蚀 破 坏 的 范 围 及 程 度 也 逐 渐 加 大 。 不 过 按 照 已 建 工 程 经 验 可
通 过 泄 洪 完 毕 后 及 时 进 行 检 查 , 发 现 有 空 蚀 破 坏 可 进 行 检 修 补 强 。 但 该 泄 水 建 筑 物 在 校 核 洪
水 工 况 下 运 行 时 其 最 大 泄 洪 水 头 为 137 m, 最 大 泄 量 2672 m3/s, 洞 内 最 大 流 速 达 41.8 m/s,
在 国 内 外 均 属 于 领 先 水 平 , 技 术 风 险 较 大 。 相 较 而 言 , 比 在 汛 限 水 位 工 况 下 运 行 的 风 险 大 很
多 。
(4) 掺 气 空 腔 均 较 好 , 掺 气 效 果 良 好 。 折 坡 段 掺 气 浓 度 全 部 大 于 4%。 导 流 洞 段 掺 气 效
果 好 于 预 期 , 前 段 的 掺 气 浓 度 均 超 过 4%, 从 结 合 段 200 m 后 至 隧 洞 出 口 仍 保 持 较 高 的 掺 气
浓 度 , 大 部 分 测 点 超 过 3%。
(5) 沿 程 水 深 。 试 验 中 观 测 到 折 坡 上 、 下 两 段 的 洞 高 略 显 不 足 , 按 掺 气 水 深 加 20% 洞
顶 余 幅 作 为 隧 洞 断 面 尺 寸 , 需 加 高 洞 身 1.2 m 方 可 满 足 洞 顶 余 幅 要 求 。
综 上 所 述 , 导 流 洞 段 由 于 底 坡 缓 , 隧 洞 长 不 能 设 掺 气 设 施 , 只 能 通 过 过 流 表 面 自 掺 气 ,
虽 不 满 足 一 般 的 掺 气 保 护 150 m~200 m 的 要 求 , 但 由 于 本 冲 沙 放 空 洞 的 导 流 洞 内 单 宽 流 量
425

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
相 对 较 小 , 佛 氏 数 Fr 很 大 , 掺 气 浓 度 沿 程 保 持 较 高 , 且 水 流 空 化 数 沿 程 增 大 , 隧 洞 下 游 段
的 掺 气 减 蚀 虽 不 能 充 分 保 证 , 但 可 以 判 断 不 存 在 严 重 的 空 蚀 破 坏 问 题 。
6 结 论
根 据 以 上 分 析 及 模 型 试 验 验 证 , 戛 洒 江 一 级 导 流 洞 改 建 的 “ 龙 抬 头 ” 式 泄 水 建 筑 物 是 可
行 的 , 在 汛 限 水 位 665 m( 运 行 水 头 120 m) 以 下 运 行 基 本 不 会 发 生 空 蚀 破 坏 , 虽 然 与 导 流
洞 结 合 段 为 长 达 510 m 的 无 掺 气 缓 坡 隧 洞 , 不 满 足 一 般 的 掺 气 保 护 150 m~200 m 的 要 求 ,
但 由 于 单 宽 流 量 相 对 较 小 , 佛 氏 数 Fr 很 大 , 掺 气 浓 度 沿 程 保 持 较 高 , 水 流 空 化 数 沿 程 增 大 ,
运 行 安 全 可 以 得 到 保 证 ; 随 运 行 水 位 的 抬 高 ( 最 大 137 m 水 头 ), 反 弧 段 和 结 合 段 发 生 空 蚀
破 坏 的 风 险 加 大 , 故 本 工 程 暂 定 此 泄 水 建 筑 物 只 在 汛 限 水 位 以 下 运 行 即 只 作 为 放 空 冲 沙 使
用 , 而 参 与 高 水 位 泄 洪 工 况 运 行 使 用 则 尚 需 进 一 步 的 分 析 研 究 。
参 考 文 献
[1] 郭 军 , 张 东 , 等 . 大 型 泄 洪 洞 高 速 水 流 的 研 究 进 展 及 风 险 分 析 [J]. 水 利 学 报 ,2006,(10).
[2] 刘 善 军 , 许 唯 临 , 王 伟 . 高 坝 竖 井 泄 洪 洞 、 龙 抬 头 放 空 洞 与 导 流 洞 “ 三 洞 合 一 ” 优 化 布 置 研 究 [J]. 四
川 大 学 学 报 2003(02).
426

第 二 部 分 工 程 水 力 学
大 比 降 陡 坡 的 水 深 计 算 研 究
韩 群 柱 赵 红
( 西 安 理 工 大 学 西 安 市 金 花 南 路 5 号 710048 hanqz@xaut.edu.cn)
摘 要 本 文 主 要 通 过 对 多 个 陡 坡 模 型 试 验 和 陡 坡 原 型 观 测 的 观 测 数 据 进 行 综 合 分 析 研 究 , 建 立
并 应 用 了 一 个 陡 坡 直 接 因 子 系 数 A, 提 出 了 大 比 降 陡 坡 净 水 深 和 掺 气 水 深 的 计 算 公 式 , 结 合 实 际
例 证 分 析 , 其 计 算 结 果 较 好 的 符 合 了 大 比 降 陡 坡 水 深 的 实 际 状 态 。 对 于 工 程 设 计 具 有 较 大 的 实 用
价 值 。 同 时 还 对 大 比 降 陡 坡 变 速 流 方 程 进 行 了 研 究 讨 论 和 分 析 。 指 出 了 其 所 适 应 的 范 围 和 条 件 。
关 键 词 陡 坡 ; 掺 气 水 深 ; 变 速 流 方 程 式 ; 试 验 模 型
1 引 言
大 比 降 陡 坡 是 指 陡 槽 底 坡 在 1:1.5~1:5 之 间 的 陡 坡 。 其 特 点 是 : 其 一 , 坡 降 陡 , 借 以 适
应 陡 峭 的 地 形 和 节 省 工 程 量 ; 其 二 , 落 差 集 中 , 单 级 落 差 一 般 在 5~30 m, 有 的 高 达 60 m;
其 三 , 流 量 范 围 大 , 单 宽 流 量 5~50 m 3 /s, 有 的 高 达 100 m 3 /s 以 上 ; 其 四 , 等 宽 度 和 直 坡 ,
为 适 应 高 速 水 流 和 施 工 方 便 , 陡 槽 大 多 做 成 同 一 宽 度 , 也 有 采 用 渐 缩 或 渐 展 型 式 。 有 些 虽 然
槽 底 在 进 出 口 处 有 曲 面 , 但 总 体 上 基 本 为 直 坡 , 也 有 少 数 采 用 折 坡 或 竖 曲 线 底 坡 , 为 增 强 抗
冲 能 力 , 多 作 整 张 式 混 凝 土 护 面 或 砌 石 护 面 。
我 国 西 部 地 区 , 地 形 复 杂 , 山 高 沟 深 , 随 着 水 利 水 电 工 程 的 建 设 , 大 比 降 陡 坡 在 输 水
渠 道 , 水 库 溢 洪 道 , 退 水 和 排 洪 工 程 中 的 应 用 与 日 俱 增 。 确 定 陡 槽 及 未 端 水 深 是 陡 坡 设 计 的
主 要 问 题 , 本 文 根 据 模 型 试 验 及 原 型 观 测 的 数 据 , 研 究 提 出 了 大 比 降 陡 坡 净 水 深 和 渗 气 水 深
计 算 公 式 , 可 以 简 便 的 解 决 这 一 问 题 。
2 大 比 降 陡 坡 变 速 流 方 程
2.1 变 速 流 方 程
如 图 1 所 示 为 陡 坡 落 水 曲 线 示 意 图 , 可 建 如 下 能 量 方 程 :
2
av
hE
= a - is + hcosq
+
2g
(1)
式 中 : hE 为 总 能 量 ; i = sinq
;a 为 基 准 面 到 断 面 0-0 的 距 离 ;s 为 计 算 断 面 到 起 始 断
面 坡 距 ;
h 为 水 深 ;a 为 流 速 不 均 匀 函 数 ;v 为 流 速 。
2 2
av
Q
由 于 = a( ) 将 其 代 入 (1) 得 :
2
2g
2gw
2
aQ
hE
= a - is + hcosq
+ (2)
2
2gw
427

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
图 1 陡 坡 落 水 曲 线 示 意 图
w 为 过 水 断 面 面 积 ,Q 为 流 量 。 对 (2) 式 微 分 并 令 λ=cosq ,
又 因 为
2
dhE
dh d Q
= - i + l + a ( )
(3)
2
ds ds ds 2gw
2 2
d Q Q w dh
= - + B
2 3
ds 2gw
gw
s ds
( ) ( )
w
其 中 :B 为 水 流 断 面 顶 宽 , 对 于 棱 柱 体 河 道 而 言 = 0 , 故 (3) 式 可 变 为 :
s
由 于
dhE
2 2
ds K c R
2
dhE
dh aQ Bdh
i l
3
(4)
= - + - (5)
ds ds gw
ds
2 2
Q n
= - = - 由 此 可 得 陡 坡 变 速 流 方 程
[1]
2
2
Q
0
i - 1-
K
dh 2 2
= K = i K
ds aQ B K
l - -
gw K
2 2
0
l j
3 2
(6)
其 中 :K 为 流 量 系 数 ;C 为 舍 齐 系 数 ;R 为 水 力 半 径 ;
K
令 k = (k 为 流 量 系 数 比 ,j 为 动 能 变 化 值 ) 将 其 代 入 (6) 式 为 :
K
0
dh
ds
2
k -1
i
lk - j
=
2
(7)
h
令 h = ,( h 为 水 深 比 ), 则 dh = h0dh
, 代 入 (7) 并 经 分 离 变 数 适 当 变 形 得 以 下 微 分 式 :
h 0
i
h
dh
l dh
+ ( l - j)
(8)
h 1
ds =
x
0
-
428

第 二 部 分 工 程 水 力 学
将 上 式 从 1-1 断 面 到 n-n 断 积 分 可 得 :
i
h
h l - j
( sn - s1
) = l(
h0
-h1)
+ ò dh
(9)
1 x
h -
0
1
dh
取 j ( h)
= -ò (x 为 水 力 指 数 ), 令 l
x
n
= sn
- s1
, 用 水 力 指 数 积 分 后
h -1
变 为 :
i L
h
0
[ ]
n n 1 n 1
[2]
, 则 方 程 (9)
= l( h -h ) - ( l - j ) j( h ) - j( h )
(10)
方 程 (10) 即 为 变 速 流 流 量 方 程 , 对 于 不 同 坡 度 l 值 见 表 1。
表 1 λ 值 表
i 1:1.5 1:2 1:2.5 1:3 1:4 1:5
λ 0.832 0.895 0.925 0.949 0.970 0.981
令 λ=1, 则 (10) 变 为 :
i Ln = ( hn
-h1) - (1 - j ) éj( hn) -j( h1
) ù
h
ë û (11)
0
(11) 式 即 为 目 前 常 用 的 棱 柱 体 河 槽 的 变 速 流 方 程 式 。
2.2 变 速 流 方 程 分 析
(11) 式 水 深 是 按 铅 垂 线 计 算 的 , 在 大 比 降 陡 坡 中 , 当 i 较 大 时 , 经 计 算 对 比 , 在 落 水
曲 线 的 中 下 部 (10)、(11) 式 计 算 所 得 的 hn 的 差 异 很 小 ( 如 表 2 所 示 )。 但 在 曲 线 的 首 部 ,
由 于 h
n
-h1
数 值 较 小 , 而 J( 水 力 坡 度 ) 一 般 相 对 较 大 , l 值 对 计 算 结 果 有 较 大 的 影 响 ,
且 hn 计 算 误 差 随 i 增 大 而 增 大 , 最 大 误 差 可 达 百 分 之 三 十 、 四 十 。 因 此 , 对 于 需 要 较 为 准 确
计 算 陡 坡 落 水 曲 线 首 端 的 建 筑 物 , 如 退 水 道 上 的 大 比 降 明 流 浅 水 洞 , 采 用 (10) 或 计 算 较 为
合 适 , 以 保 证 隧 洞 进 口 水 力 尺 寸 满 足 明 流 的 要 求 。
1
2
表 2 hn 的 对 比 算 例
例 号 按 (13) 式 计 算 按 (12) 式 计 算 差 (%)
54.6
136
53
134
3
1.5
3 大 比 降 陡 坡 水 深 的 计 算 公 式
按 上 述 式 (10)、(11) 式 计 算 的 陡 坡 水 深 均 须 采 用 分 段 试 算 法 , 计 算 过 程 比 较 复 杂 , 且
均 未 考 虑 掺 气 状 态 , 对 于 渠 道 建 筑 物 而 言 , 未 必 是 一 个 理 想 的 计 算 方 式 。 因 此 , 现 在 笔 者 将
陡 坡 水 深 直 接 表 示 为 各 主 要 影 响 因 子 的 函 数 关 系 式 , 根 据 模 型 实 验 和 原 型 观 察 的 资 料 , 分 析
各 因 子 对 其 陡 坡 的 水 深 影 响 , 从 而 提 出 一 种 比 较 简 单 、 实 用 而 符 合 实 际 状 态 的 计 算 方 法 。
3.1 大 比 降 陡 坡 净 水 深 计 算
陡 坡 的 净 水 深 是 指 没 有 考 虑 掺 气 状 态 下 的 水 深 , 我 们 知 道 陡 坡 水 深 的 影 响 因 子 除 了 陡 坡
的 落 差 P、 上 游 动 水 头 能 量 E。、 和 单 宽 流 量 q 外 , 还 有 不 同 的 陡 坡 边 坡 的 大 小 以 及 糙 率 n。
本 文 通 过 对 16 个 模 型 的 试 验 数 据 ( 见 表 3) 进 行 分 析 研 究 , 依 据 大 量 的 分 析 计 算 资 料 ,
429

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
在 分 析 各 因 子 对 陡 坡 水 深 的 影 响 后 , 建 立 了 一 个 陡 坡 直 接 因 子 系 数 A 。 将 实 验 模 型 观 测 数
据 hn/p 做 为 纵 坐 标 ,AE0/q 2/3 做 为 横 坐 标 , 得 到 模 型 观 测 数 据 曲 线 图 , 如 图 2。
0.3
0.2
陡 坡 模 型
0.1
9
8
7
5
4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
h
3
2
0.01
9
8
7
1
P n 2 3 4 5 6 7 8 10 15
A E 0
q
2/3
图 2 陡 坡 模 型 试 验
表 3 模 型 试 验 工 程 概 况
模 型 编 号 槽 宽 b(M) 槽 壁 坡 率 m 槽 底 坡 率 m ’
最 大 流 量 Q(M 3 /S)
落 差
护 面 材 料
P(M)
1
10
0
4
830
18.5
混 凝 土
2
12
0
4
795
15.5
混 凝 土
3
40
0.5
2
2,490
28.0
砌 石
4
30
1.0
3
2,000
6.7
砌 石
5
30
0.5
3
2,000
15.0
砌 石
6
30
0.5
2
1,862
14.0
砌 石
7
15
1.0
2.5
550
15.2,30.0
砌 石
8
70
0.25
1.5
5,000
14.7
混 凝 土
9
70
0.25
2
5,000
11.0,17.5,31.4
混 凝 土
10
20
1.0
4.5
1,400
25.0
混 凝 土
11
25
1.0
5
1,400
32.0
混 凝 土
12
20
1.0
5
1,400
20
混 凝 土
13
70
1.0
3.5
3,150
22.8
混 凝 土
14
40
0
2.0
4,420
28.56
混 凝 土
5
50
0
3,3.6
1,100
35
砌 石
16
4
0
1,1.33
18
108.9
混 凝 土
经 过 对 实 验 数 据 分 析 计 算 , i 在 0.707~0.196( 坡 度 在 1:1~1:5) 之 间 时 , i 值 对 大
比 降 陡 坡 水 深 的 影 响 在 0.014% 与 5% 之 间 , 随 着 坡 度 越 陡 , 其 影 响 越 小 , 因 此 对 于 大 比 降 陡
坡 而 言 , 系 数 A 是 一 个 与 边 坡 系 数 m、 底 宽 b 、 糙 率 n 等 有 关 的 量 , 表 4 给 出 了 具 体 的 A 值 。
430

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 4 A 值 表 ( 混 凝 土 n=0.014、 砌 石 n=0.025)
m/b 0.1 0.09 0 .08 0 .07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02
混 凝 土 护 面 1.038 1.036 1.034 1.032 1.029 1.027 1.024 1.021 1.017
砌 石 护 面 1.165 1.162 1.160 1.158 1.155 1.152 1.149 1.146 1.141
m/b 0.01 0.125 0.15 0.2 0.25 0.3
混 凝 土 护 面 1.012 1.042 1.046 1.054 1.06 1.075
砌 石 护 面 1.135 1.169 1.174 1.182 1.189 1.196
由 16 个 模 型 实 验 观 测 数 据 , 在 分 析 各 因 子 对 陡 坡 水 深 的 影 响 后 , 结 合 图 1, 经 过 各 种
修 正 得 出 如 下 净 水 深 计 算 公 式 :
E
当 A q
0
2/3
3.5 时
h
n
0.967
= 0.293p
0.293pq
1.45
E
= 0 1.45
( A )
( AE0
)
(13)
q
2/3
式 中 :
E = p + h + v g ;P 为 落 差 ;hk 为 陡 坡 进 口 控 制 断 面 处 的 临 界 水 深 ; n k
2
0 k k
/ 2
为 临 界 水 深 断 面 处 水 的 流 速 ;
3.2 大 比 降 陡 坡 掺 气 水 深 的 计 算
目 前 求 掺 气 水 流 水 深 尚 无 精 确 理 论 公 式 , 工 程 设 计 中 主 要 依 据 经 验 公 式 和 原 型 观 测 资 料
以 及 水 工 模 型 试 验 成 果 进 行 分 析 计 算 。 由 于 目 前 的 经 验 公 式 和 各 家 的 原 型 观 测 资 料 以 及 水 工
模 型 试 验 成 果 不 尽 相 同 , 因 而 掺 气 水 深 的 计 算 成 果 差 别 各 异 。 计 算 结 果 偏 大 则 造 成 设 计 断 面
[3]
过 大 , 造 成 工 程 量 和 投 资 浪 费 , 偏 小 则 不 利 于 工 程 的 安 全 运 行 。 基 于 上 述 观 点 , 本 文 选 取 10
个 大 比 降 陡 坡 原 型 观 测 数 据 , 直 接 表 现 为 A 、E0、q 等 各 种 因 素 的 关 系 式 , 用 以 估 算 大 比 降
0.1
陡 坡 的 掺 气 水 深 。 引 入 参 数 A = ( h / b)
A , 以 10 个 原 型 观 测 数 据 得 出 以 实 测 值 h /
c
n
c
p( h c
2/3
为 掺 气 水 深 )、 A E q 分 别 为 纵 横 坐 标 , 得 图 3 所 示 的 原 型 观 测 的 曲 线 图 , 由 图 3 曲 线
c
0 /
结 合 大 量 的 资 料 分 析 , 可 得 出 如 下 掺 气 水 深 计 算 公 式 。
当 A
c
E
q
0
2 3
£ 5 时 , ( A
c
0.1
æ hn
ö
= ç ÷
è
b
ø
)
h
c
0.45p
0.45 pq
= =
æ E ö ( A E )
0
Ac
2
ç
q 3 ÷
è ø
1.105
1.637 1.657
c 0
(14)
当 A
c
E
q
> 时 ( A
0
5
2 3
c
0.1
æ hn
ö
= ç ÷
è
b
ø
)
h
c
=
0.16 p 0.16 p
=
æ E ö
0
Ac
2
ç
q 3 ÷
è ø
( A E )
0.711
1.067 1.067
c 0
(15)
431

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
0.3
0.2
0.1
5
4
3
hc
P
2
0.01
9
7
5
4
3
1 2 3 4 5 6 7 8 910
20 30 40
Ac
E
q
0
2/3
1 号 原 型 5 号 原 型 9 号 原 型
2 号 原 型 6 号 原 型
3 号 原 型 7 号 原 型
4 号 原 型 8 号 原 型
10 号 原 型
图 3 陡 坡 原 型 观 测
4 结 论
经 过 上 述 综 合 分 析 和 计 算 , 对 于 坡 度 在 1:1~1:5 之 间 的 大 比 降 坡 , 通 过 模 型 试 验 和 原
型 观 测 , 经 综 析 分 析 计 算 而 选 用 了 陡 坡 直 接 因 子 系 数 A, 由 此 而 求 得 计 算 净 水 深 的 公 式 (12)
和 (13) 和 计 算 掺 气 水 深 公 式 (14) 和 (15), 较 好 真 实 的 反 映 出 大 比 降 陡 坡 实 际 的 水 深 ,
且 能 符 合 原 型 的 掺 气 规 律 。 同 时 , 计 算 方 便 , 简 捷 , 实 际 物 理 意 义 也 非 常 明 显 。
5 算 例
已 知 一 梯 形 断 面 等 宽 渠 道 陡 坡 , 混 凝 土 护 面 ,b = 4 m 、m=1、i=0.438 , 设 计 流 量 Q=
25.5 m 3 /s、 落 差 p=23.0 m。 临 界 水 深 hk=1.46 m。 求 其 陡 坡 末 端 水 深 。
5.1 计 算 净 水 深
由 于 m/b=1/4=0.25, 查 表 4。 知 :A 值 为 1.06,q=Q/b=25.5/4=6.38 m 3 /(s.m)
临 界 水 深 断 面 面 积 w k=(mhk+b)hk=(4+1.46)×1.46=7.96(m 2 )
V
k
Q
= = 25.5 / 7.96 = 3.2 m / s
w
k
2
VK
E0
= p + hk
+ =25
2g
E0
因 为 A = 7.704 > 3.5 应 用 公 式 (13) 可 计 算 净 水 深 hn:
q
2/3
432

第 二 部 分 工 程 水 力 学
hn
0.967
0.293´ 23 ´ (6.38)
= = 0.349( m)
1.45
(1.06´
25)
由 图 1 知 , 实 际 模 型 对 应 的 hn
/ p = 0.0151 , 因 此 得 h
n
= 0.0151´ 23 = 0.347 (m) 与 (13)
式 计 算 值 相 0.002, 误 差 率 =0.002/0.347=0.02=0.5%, 两 者 符 合 较 好 。
5.2 计 算 掺 气 水 深
E0 AE0
h 0.1 1.06 25 0.34 0.1
由 于
( n
´
Ac = ) = ´ ( ) = 6.021 >5 应 用 公 式 (15) 计 算
q
2/3 q
2/3 b
2/3
(6.38) 4
掺 气 水 深 :
h
c
0.711 0.711 0.711
0.16 pq 0.16 pq
0.16´ 23 ´ (6.38)
= = = = 0.522
1.067
0.1
1.067 0.167
( Ac
E0) éæ h
0.349 0.1
h ö ù é ù
ê AE
( ) ´ 0.106´
25
ç ÷ 0
ú ê
b
ë 4
ú
û
êë
è ø úû
h c
由 图 3 按 原 型 观 测 曲 线 知 = 0.024 h
c
= 0.024´ 23 = 0.552 (m), 与 (15) 式 计 算 结
p
果 一 致 。
参 考 文 献
[1] 郭 维 东 等 编 . 水 力 学 ,1 版 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,294.
[2] 白 玉 川 . 水 力 学 ,1 版 [M]. 天 津 : 天 津 大 学 出 版 社 ,199.
[3] 夏 全 斌 . 溢 洪 道 高 速 水 流 掺 气 水 深 计 算 及 溢 洪 道 设 计 [J]. 云 南 水 力 发 电 ,2005 年 第 6 期 ,47-50.
433

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
亭 子 口 水 利 枢 纽 通 航 建 筑 物 水 力 学 试 验 研 究
石 教 豪 李 莉 严 伟
( 长 江 科 学 院 武 汉 430010 shijiaohao@126.com)
摘 要 本 文 通 过 对 亭 子 口 水 利 枢 纽 左 右 岸 线 及 河 床 的 整 治 、 隔 流 堤 长 度 和 堤 头 偏 角 调 整 等 影 响
因 素 比 较 优 化 , 进 行 多 种 方 案 的 试 验 研 究 , 提 出 了 推 荐 方 案 及 其 研 究 成 果 :Q≤12100 m 3 /s 流 量
条 件 下 , 上 游 口 门 区 水 流 条 件 满 足 通 航 标 准 要 求 ; 在 流 量 4000 m 3 /s 和 6000 m 3 /s 时 , 下 游 口 门
区 水 流 条 件 满 足 通 航 标 准 要 求 , 但 当 流 量 为 8000 m 3 /s、10000 m 3 /s 和 12100 m 3 /s 等 较 大 流 量 条
件 下 , 下 游 口 门 区 局 部 区 域 的 横 向 流 速 、 回 流 、 波 浪 等 通 航 水 力 学 参 数 超 标 。 在 12100 m 3 /s~10000 m 3 /s
流 量 时 船 队 上 行 的 航 行 指 标 难 以 满 足 船 队 进 、 出 口 门 航 行 标 准 , 船 队 下 行 漂 移 较 大 。 在 8000 m 3 /s
流 量 时 , 船 队 右 线 上 行 的 航 行 指 标 基 本 满 足 船 队 进 出 口 门 航 行 标 准 , 船 队 左 、 中 航 线 下 行 , 若 操
纵 得 当 可 安 全 驶 入 大 桥 主 跨 。
关 键 词 亭 子 口 水 利 枢 纽 ; 通 航 标 准 ; 口 门 区 ; 隔 流 堤 ; 自 航 驳 船 模 ; 横 向 流 速 ; 纵 向 流 速 ; 回
流 ; 航 线
1 概 述
亭 子 口 水 利 枢 纽 位 于 四 川 省 广 元 市 苍 溪 县 境 内 , 是 嘉 陵 江 干 流 开 发 中 的 控 制 性 梯 级 工
程 , 枢 纽 开 发 的 主 要 任 务 是 防 洪 、 灌 溉 、 发 电 、 航 运 等 。 枢 纽 主 要 建 筑 物 有 混 凝 土 重 力 坝 、
左 岸 坝 后 式 厂 房 、 河 床 9 表 孔 、5 深 孔 泄 水 建 筑 物 及 右 岸 通 航 建 筑 物 。 正 常 蓄 水 位 458 m,
设 计 洪 水 位 461.3 m, 校 核 洪 水 位 463.04 m, 总 库 容 42 亿 m 3 , 灌 溉 面 积 为 340 万 亩 。 电 站
装 机 四 台 , 装 机 容 量 为 75 万 kW, 多 年 平 均 发 电 量 为 33.7 亿 kW·h, 通 航 船 只 可 达 300 t~
500 t 级 。
图 1 重 力 坝 推 荐 方 案 枢 纽 布 置 图
通 航 建 筑 物 位 于 溢 流 坝 段 和 右 岸 门 库 坝 段 右 侧 , 其 轴 线 与 坝 轴 线 垂 直 , 主 要 由 上 游 引 航
道 、 垂 直 升 船 机 和 下 游 引 航 道 等 组 成 , 轴 线 总 长 度 约 1165.4 m。 上 游 引 航 道 长 290 m, 垂 直
升 船 机 主 要 由 上 闸 首 、 船 箱 室 和 下 闸 首 组 成 , 上 闸 首 采 用 整 体 式 “U” 型 结 构 , 总 长 80.0 m,
总 宽 42.0 m, 其 中 通 航 有 效 宽 度 12.0 m, 船 箱 室 的 结 构 高 132.9 m, 总 长 55.2 m, 总 宽 42.0 m,
下 闸 首 结 构 总 长 20.0 m, 总 宽 38.0 m, 其 中 通 航 槽 宽 12.0 m, 下 游 引 航 道 长 720.0 m。 枢 纽
布 置 方 案 总 体 平 面 布 置 图 见 图 1。
434

第 二 部 分 工 程 水 力 学
枢 纽 所 在 河 段 为 微 弯 河 段 , 坝 址 上 游 河 段 基 本 顺 直 , 下 游 河 段 稍 向 右 岸 侧 向 转 弯 , 起 弯
点 离 坝 轴 线 约 500 m, 其 左 岸 岸 坡 陡 峻 , 弯 道 与 表 孔 中 心 线 夹 角 约 9º, 右 岸 为 滩 地 , 面 宽 约 50
m, 长 约 350 m, 滩 地 高 程 370.3~372.2 m。 弯 道 下 游 河 床 宽 约 300 m, 右 深 左 浅 , 航 道 位 于
河 床 右 侧 , 下 引 航 道 底 高 程 为 369.5 m。
嘉 陵 江 航 道 在 渠 化 前 , 其 通 航 条 件 通 过 河 道 整 治 可 得 到 局 部 改 善 , 通 航 规 模 不 可 能 有 大
幅 度 提 高 , 当 航 道 渠 化 后 , 通 航 条 件 将 得 到 极 大 改 善 , 有 利 于 发 展 和 运 用 分 节 驳 顶 推 船 队 。
根 据 长 江 水 系 办 规 划 的 广 元 至 苍 溪 的 航 道 标 准 , 拟 定 亭 子 口 水 利 枢 纽 通 航 标 准 为 Ⅳ 级 , 推 荐
分 节 驳 顶 推 船 队 , 为 推 轮 +2×500t 驳 船 , 驳 船 船 型 均 为 45 m×10.8 m×1.8 m, 船 队 尺 寸 为
112 m×10.8 m×1.8 m( 长 × 宽 × 吃 水 )。 预 测 2020 年 货 运 量 为 244.0 万 t, 其 中 上 水 36 万 t,
下 水 208 万 t, 亭 子 口 水 利 枢 纽 的 建 成 将 为 四 川 省 经 济 发 展 作 出 重 要 贡 献 。
鉴 于 亭 子 口 水 利 枢 纽 坝 址 附 近 河 势 复 杂 , 引 航 道 口 门 区 及 连 接 段 通 航 水 流 条 件 不 佳 , 有
必 要 开 展 本 水 工 整 体 模 型 试 验 , 研 究 优 化 亭 子 口 水 利 枢 纽 通 航 建 筑 物 的 平 面 布 置 , 提 出 通 航
水 流 条 件 的 改 善 措 施 , 为 工 程 的 设 计 和 建 设 提 供 依 据 。
2 模 型 设 计
2.5 5
模 型 按 照 重 力 相 似 准 则 设 计 , 几 何 比 尺 为 : Lr = 100 , 流 量 比 尺 为 : Qr = Lr = 10 ,
0.5
0.5
流 速 比 尺 为 : Vr = Lr = 10 , 时 间 比 尺 为 : Tr = Lr = 10 。
设 计 推 荐 分 节 驳 顶 推 船 队 的 主 尺 度 为 112.0 m×10.8 m×1.8 m( 长 × 宽 × 吃 水 深 ), 实
船 主 尺 度 见 图 2。
图 2 船 队 平 面 图
3
自 航 船 队 几 何 比 尺 为 1:100, 按 重 力 相 似 和 几 何 相 似 的 准 则 设 计 制 作 , 排 水 量 比 尺 :λΔ=λL
=1000000。
自 航 船 模 的 静 水 航 速 均 在 标 定 池 内 进 行 标 定 。 标 定 池 水 深 0.35~0.40 m, 满 足 水 深 要
求 (H≥(8~10)×Hk,Hk 为 自 航 驳 吃 水 深 )。 试 验 前 后 , 均 进 行 了 静 水 航 速 标 定 和 操 纵 性 指
数 复 核 , 以 保 证 船 模 试 验 输 出 资 料 ( 漂 角 和 舵 角 等 ) 的 可 靠 性 。
3 通 航 标 准
(1) 通 航 水 流 标 准
引 航 道 口 门 区 表 面 流 速 : 纵 向 流 速 V 纵 ≤2.00 m/s, 横 向 流 速 V 横 ≤0.30 m/s, 回 流 流 速 V 回 ≤
0.40 m/s, 波 高 Bmax≤0.60 m, 引 航 道 口 门 区 要 避 免 出 现 泄 水 波 、 泡 漩 水 和 乱 流 等 碍 航 流 态 。
(2) 船 队 进 出 口 门 航 行 标 准
根 据 葛 洲 坝 、 三 峡 和 彭 水 等 多 个 航 电 枢 纽 的 试 验 成 果 , 参 照 《 三 峡 船 舶 航 行 标 准 》 及
其 它 船 舶 航 行 标 准 , 一 般 要 求 : 船 队 与 河 岸 之 间 必 须 有 一 定 的 安 全 距 离 △b,△b=0.5×
Bc=5.40 m( 其 中 Bc 为 船 队 最 大 船 宽 , 对 于 亭 子 口 水 利 枢 纽 ,Bc=10.80 m); 对 岸 航 速 要 求 瞬
时 Vb≥0.5 m/s, 全 航 段 平 均 Vb≥1.0 m/s; 舵 角 |δ|≤25°; 漂 角 |β|≤10°。
435

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
4 原 设 计 方 案 试 验 研 究
4.1 上 游 引 航 道 口 门 区 水 流 条 件
上 游 通 航 建 筑 物 位 于 重 力 坝 右 岸 , 与 表 孔 坝 段 毗 邻 。 上 游 引 航 道 与 表 孔 泄 洪 坝 段 之 间
设 50 m×10 m×4.5 m( 长 × 宽 × 高 ) 钢 浮 堤 , 共 两 段 。 上 游 引 航 道 布 置 见 图 1。 上 游 口 门
区 长 度 为 280 m, 宽 60 m。 上 游 最 高 通 航 水 位 458.0 m, 上 游 最 低 通 航 水 位 438.0 m。
在 上 游 水 位 438.0~458.0 m 区 间 ,Q≤12100 m 3 /s 各 级 通 航 流 量 下 , 钢 浮 堤 堤 头 以 上
通 航 水 域 表 面 流 速 均 小 于 0.3 m/s, 最 大 波 高 Bmax=0.18 m, 未 出 现 泡 漩 水 和 乱 流 等 碍 航 流 态 ,
引 航 道 内 调 顺 段 、 导 航 段 基 本 为 静 水 区 , 停 泊 段 表 面 流 速 小 于 0.15 m/s, 水 流 条 件 满 足 通
航 要 求 。
4.2 下 游 引 航 道 口 门 区 水 流 条 件
设 计 方 案 下 游 隔 流 堤 堤 头 桩 号 为 0+619.84 m, 口 门 区 转 弯 半 径 约 400 m。 下 游 通 航 建 筑
物 所 在 河 槽 为 宽 浅 型 , 河 道 主 流 基 本 位 于 河 中 心 。 在 电 厂 出 口 下 游 , 左 岸 的 收 缩 角 度 达 15°, 势
必 对 河 道 水 流 产 生 一 定 的 挑 向 作 用 。 坝 轴 线 下 游 约 1900 m 处 为 嘉 陵 江 大 桥 , 大 桥 轴 线 与 坝
轴 线 约 成 10º 夹 角 。 该 桥 主 跨 宽 度 约 130 m, 次 跨 宽 度 约 85 m。 平 面 布 置 见 图 1。
各 运 行 工 况 下 , 下 游 口 门 区 均 未 出 现 泡 漩 水 和 乱 流 等 碍 航 流 态 。 制 动 段 和 停 泊 段 : 纵 向 流 速 V 纵 ≤
0.50 m/s, 横 向 流 速 V 横 ≤0.15 m/s。 口 门 区 内 纵 向 流 速 、 横 向 流 速 以 及 回 流 流 速 随 着 流 量
的 增 大 而 增 大 。 在 4000 m 3 /s~12100 m 3 /s 流 量 范 围 , 口 门 区 通 航 水 力 学 参 数 均 有 较 大 范 围
超 标 , 纵 、 横 向 流 速 超 标 区 基 本 位 于 口 门 区 下 游 100~280 m 范 围 内 , 回 流 超 标 区 基 本 位 于
航 道 中 心 线 以 右 0~100 m 范 围 内 。 波 高 除 在 Q=4000 m 3 /s 仅 有 个 别 点 超 标 外 , 其 它 流 量 级
超 标 范 围 较 大 。
5 下 游 引 航 道 布 置 优 化
5.1 河 道 开 挖 整 治 试 验 研 究
鉴 于 设 计 方 案 下 游 航 道 中 心 线 与 水 流 夹 角 较 大 , 口 门 区 纵 、 横 向 流 、 回 流 等 通 航 水 力 参
数 均 严 重 超 标 , 故 在 设 计 方 案 基 础 上 对 口 门 区 位 置 附 近 的 右 岸 滩 地 进 行 了 开 挖 整 治 , 使 口 门
区 相 应 顺 直 , 以 期 减 小 航 道 中 心 线 与 水 流 的 夹 角 , 其 它 均 不 变 。
各 运 行 工 况 条 件 下 , 下 游 口 门 区 均 未 出 现 泡 漩 水 和 乱 流 等 碍 航 流 态 。 纵 向 流 速 、 横 向 流
速 、 回 流 流 速 以 及 波 高 随 着 流 量 的 增 大 而 增 大 , 纵 、 横 向 流 速 超 标 区 基 本 位 于 航 道 中 心 线 左
侧 , 回 流 流 速 超 标 区 基 本 位 于 航 道 中 心 线 右 侧 。
河 道 开 挖 整 治 后 相 对 设 计 方 案 而 言 , 下 游 口 门 区 更 靠 右 岸 边 , 口 门 区 相 应 顺 直 , 水 流 与
航 道 中 心 线 夹 角 较 小 , 各 工 况 下 口 门 区 内 纵 向 流 速 较 设 计 方 案 有 所 减 小 , 横 向 流 速 较 设 计 方
案 大 幅 减 小 , 回 流 流 速 大 致 相 当 。 但 仍 不 能 满 足 通 航 水 力 学 条 件 要 求 。
5.2 隔 流 堤 长 短 及 偏 转 角 度 试 验 研 究
考 虑 坝 下 河 道 锁 口 位 置 以 及 河 势 影 响 , 对 隔 流 堤 长 短 及 堤 头 偏 角 等 因 素 进 行 了 比 较 研
究 。
将 隔 流 堤 向 下 游 延 伸 , 使 口 门 区 远 离 锁 口 及 左 岸 突 咀 处 , 口 门 区 纵 向 、 横 向 流 速 分 布 、
回 流 强 度 以 及 波 浪 均 有 所 改 善 , 经 过 将 隔 流 堤 堤 头 桩 号 延 长 至 0+1009、0+1059、0+1109、
0+1159 等 方 案 的 试 验 研 究 比 较 , 隔 流 堤 偏 转 角 度 均 为 5.71º, 结 果 表 明 : 堤 头 太 长 , 口 门 区
回 流 范 围 及 强 度 过 大 , 堤 头 太 短 , 斜 流 效 应 明 显 , 纵 、 横 向 流 速 太 大 , 隔 流 堤 堤 头 桩 号 延 长
436

第 二 部 分 工 程 水 力 学
至 0+1109 方 案 的 通 航 水 力 学 指 标 最 佳 。
在 隔 流 堤 堤 头 桩 号 延 长 至 0+1109 方 案 基 础 上 分 别 做 了 将 隔 流 堤 偏 转 角 度 改 为 0º 和 8.63 º 的
试 验 研 究 分 析 , 试 验 结 果 表 明 , 隔 流 堤 偏 转 角 度 0 º 时 斜 流 效 应 明 显 , 口 门 区 纵 、 横 向 流 速
超 标 区 域 增 大 , 而 隔 流 堤 转 角 8.63 º 时 , 口 门 区 回 流 区 域 超 标 范 围 增 大 , 故 认 为 隔 流 堤 偏
转 角 5.71 º 比 较 合 适 。
鉴 于 上 述 试 验 成 果 分 析 , 隔 流 堤 堤 头 桩 号 0+1109、 偏 转 角 5.71 º 方 案 布 置 方 式 口 门 区
通 航 水 力 学 条 件 较 佳 , 基 本 满 足 通 航 要 求 , 可 作 为 进 一 步 船 模 试 验 的 推 荐 方 案 。
6 推 荐 方 案 试 验 研 究
6.1 通 航 水 力 学 条 件 研 究
(1) 下 游 口 门 区 波 高
下 游 口 门 区 内 共 布 置 了 5 个 波 浪 测 试 断 面 , 分 别 位 于 隔 流 堤 堤 头 、 堤 头 下 游 80、160、
240 和 280 m, 每 个 断 面 布 置 了 4 个 测 点 。 波 高 成 果 列 于 表 1。Q≤4000 m 3 /s 时 , 口 门 区 波
高 均 小 于 0.6 m, 满 足 通 航 要 求 , 流 量 Q=6000 m 3 /s 时 , 航 道 中 心 线 左 20 m 的 下 游 侧 有 个 别
点 波 高 略 有 超 标 ; 流 量 Q=8000 m 3 /s、10000 m 3 /s 和 12100 m 3 /s 时 的 波 高 超 标 区 域 和 量 级 随
着 流 量 的 增 大 而 增 加 , 流 量 Q=12100 m 3 /s 时 , 口 门 区 波 高 的 超 标 区 域 达 80%, 最 大 波 高 为
1.63 m。
表 1 推 荐 方 案 下 游 口 门 区 波 浪 统 计 表
流 量 (m 3 /s)
距 隔 流 堤 末 端
(m)
航 道 中 心 线 右
40m(m)
航 道 中 心 线 右
20m(m)
航 道 中 心 线 (m)
航 道 中 心 线 左
20m(m)
0 0.15 0.15 0.15 0.15
80 0.22 0.18 0.17 0.19
4000
160 0.21 0.20 0.24 0.35
240 0.27 0.24 0.36 0.42
280 0.26 0.35 0.38 0.30
0 0.30 0.37 0.23 0.25
80 0.32 0.29 0.31 0.28
6000
160 0.34 0.29 0.31 0.49
240 0.30 0.39 0.31 0.57
280 0.43 0.54 0.79 0.82
0 0.35 0.34 0.32 0.31
80 0.46 0.52 0.56 0.56
8000
160 0.52 0.54 0.68 0.94
240 0.57 0.68 0.79 1.09
280 0.73 0.98 0.99 1.02
0 0.42 0.37 0.37 0.36
10000
80 0.54 0.54 0.62 0.65
160 0.62 0.70 0.72 0.96
240 0.71 0.71 1.08 1.22
280 0.99 1.02 1.41 1.39
437

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
续 表 1
流 量 (m 3 /s)
距 隔 流 堤 末 端
(m)
航 道 中 心 线 右
40m(m)
航 道 中 心 线 右
20m(m)
航 道 中 心 线 (m)
航 道 中 心 线 左
20m(m)
0 0.42 0.38 0.44 0.43
12000
80 0.58 0.57 0.65 0.69
160 0.67 0.74 0.65 0.93
240 0.88 0.74 1.07 1.35
280 1.37 1.13 1.63 1.54
(2) 下 游 口 门 区 及 连 接 段 流 速 分 布
Q=4000 m 3 /s~12100 m 3 /s 各 通 航 流 量 条 件 下 的 下 游 口 门 区 特 征 参 数 列 于 表 2。
下 游 口 门 区 流 速 成 果 表 明 ,Q=4000 m 3 /s~12100 m 3 /s 各 级 流 量 条 件 下 , 口 门 区 航 道 中
心 线 左 右 20 m 范 围 内 的 纵 、 横 向 流 速 均 能 满 足 要 求 , 回 流 流 速 除 个 别 点 外 均 能 满 足 通 航 标
准 , 且 超 标 值 也 不 大 , 试 验 测 得 的 五 级 流 量 下 最 大 纵 向 流 速 1.74 m/s, 最 大 横 向 流 速 0.21 m/s,
最 大 回 流 流 速 0.70 m/s。 滩 地 区 域 基 本 为 回 流 区 , 但 回 流 流 速 值 不 大 。
下 游 连 接 段 流 速 试 验 成 果 表 明 , 推 荐 方 案 下 游 连 接 段 表 面 流 速 呈 左 边 大 、 右 边 小 分 布 ,
且 随 着 流 量 的 增 大 而 增 大 , Q=4000 m 3 /s 和 6000 m 3 /s 时 , 连 接 段 左 下 侧 流 速 较 大 , 航 线 区
域 中 流 速 达 3.2~4.49 m/s 的 区 域 约 占 30%, 嘉 陵 江 大 桥 主 跨 中 心 表 面 流 速 分 别 为 2.85 m/s
和 3.59 m/s, 右 侧 次 跨 中 心 表 面 流 速 分 别 为 1.92 m/s 和 3.19 m/s;Q=8000 m 3 /s 时 , 连 接
段 左 下 侧 流 速 较 大 , 航 线 区 域 中 流 速 达 3.2~5.14m/s 的 区 域 约 占 40%, 嘉 陵 江 大 桥 主 跨 中
心 表 面 流 速 为 4.33 m/s, 右 侧 次 跨 中 心 表 面 流 速 为 3.76 m/s。Q=10000 m 3 /s 和 12100 m 3 /s
时 , 连 接 段 左 下 侧 流 速 更 大 , 航 线 区 域 中 流 速 达 3.2~5.17 m/s 的 区 域 约 占 50%, 嘉 陵 江 大
桥 主 跨 中 心 表 面 流 速 分 别 为 4.78 m/s 和 5.17 m/s, 右 侧 次 跨 中 心 表 面 流 速 分 别 为 4.45 m/s
和 5.00 m/s。
表 2 推 荐 方 案 各 流 量 条 件 下 的 特 征 参 数 表
下 游 引 航 道
流 量 (m 3 /s)
下 游 口 门 区 及 右 岸 滩 地 流 态
停 泊 段 流 态
4000
6000
8000
10000
12100
纵 、 横 向 流 速 超 标 率 4%, 最 大 纵 向 流 速 为 1.74 m/s, 最 大 横 向 流 速
为 0.21 m/s; 一 个 测 点 回 流 超 标 。 滩 地 最 大 回 流 流 速 为 0.41 m/s。
纵 、 横 向 流 速 超 标 率 0%, 最 大 纵 向 流 速 为 1.55 m/s, 最 大 横 向 流 速
为 0.19 m/s。 回 流 超 标 率 0%。 滩 地 最 大 回 流 流 速 为 0.66 m/s。
纵 、 横 向 流 速 超 标 率 0%, 最 大 纵 向 流 速 为 1.89 m/s, 最 大 横 向 流 速
为 0.13 m/s。 回 流 超 标 率 0%。 滩 地 最 大 回 流 流 速 为 0.63 m/s。
纵 、 横 向 流 速 超 标 率 0%, 最 大 纵 向 流 速 为 1.66 m/s, 最 大 横 向 流 速 为 0.23 m/s。
最 大 回 流 流 速 0.70 m, 回 流 超 标 率 30%。 滩 地 最 大 回 流 流 速 为 0.89 m/s。
纵 、 横 向 流 速 超 标 率 0%, 最 大 纵 向 流 速 为 1.61 m/s, 最 大 横 向 流 速 为 0.06 m/s
最 大 回 流 流 速 为 0.62 m/s, 回 流 超 标 率 35%。 滩 地 最 大 回 流 流 速 为 0.98 m/s。
表 面 流 速 小
于 0.15m/s
6.2 船 模 试 验 研 究
各 试 验 工 况 下 的 船 模 试 验 主 要 航 行 参 数 统 计 见 表 3, 试 验 成 果 表 明 :
流 量 12100 m 3 /s~ 流 量 10000 m 3 /s 时 船 队 在 连 接 段 从 右 线 斜 向 上 行 进 入 口 门 区 航 道 中
心 线 左 边 水 域 时 , 航 行 阻 力 较 大 , 对 岸 航 速 Vb 降 至 0.20 m/s, 无 法 驶 入 口 门 区 , 该 船 队 即
使 用 快 车 档 使 静 水 航 速 VS 达 到 4.00 m/s, 船 队 也 难 以 上 行 。 由 于 连 接 段 航 道 中 心 线 左 边 水
域 流 速 较 大 , 船 队 只 能 沿 右 岸 线 保 持 约 20 m 的 岸 距 航 行 , 船 队 在 连 接 段 从 右 线 上 行 , 斜 向
438

第 二 部 分 工 程 水 力 学
进 入 口 门 区 的 右 航 线 水 域 时 , 由 于 口 门 区 右 航 线 水 域 受 回 流 的 影 响 , 船 队 上 水 对 岸 航 速 在
2.85~2.91 m/s, 须 用 +15 o ~-10 o 的 舵 量 调 整 航 向 方 可 进 入 口 门 内 , 口 门 区 漂 角 βmax 均 小
于 11 o , 航 态 较 差 。 表 明 流 量 12100 m 3 /s~10000 m 3 /s 范 围 不 能 满 足 船 队 上 水 进 出 口 门 的
航 行 标 准 。 当 船 队 从 引 航 道 内 沿 口 门 区 左 、 中 航 线 下 行 时 , 受 斜 向 水 流 的 影 响 , 船 队 下 行 对
岸 航 速 在 2.89~3.10 m/s, 口 门 区 用 舵 在 +15 o ~-10 o
范 围 , 漂 角 βmax 分 别 小 于 11 o 和 10 o 。
船 队 行 至 连 接 段 处 , 斜 流 更 加 明 显 , 船 队 向 右 岸 飘 移 , 随 流 量 增 大 漂 移 量 亦 随 之 加 大 , 上 述
流 量 下 在 连 接 段 处 的 偏 航 距 分 别 为 60 m 和 35 m, 使 其 船 队 难 以 安 全 进 入 下 游 大 桥 的 主 跨 航
行 水 域 。 另 外 , 受 大 坝 下 泄 水 流 波 动 的 影 响 , 船 队 上 、 下 行 在 连 接 段 及 口 门 区 水 域 , 有 明 显
的 颠 簸 和 左 右 摇 晃 现 象 。
流 量 8000 m 3 /s 时 由 于 连 接 段 左 中 航 线 区 域 水 流 流 速 较 大 , 船 队 也 只 能 从 连 接 段 右 线 斜
向 进 入 航 道 中 心 线 左 、 中 航 线 水 域 上 行 , 连 接 段 航 行 仍 与 右 岸 保 持 40 m 的 岸 距 , 上 行 斜 向
进 入 口 门 区 的 右 航 线 , 由 于 受 口 门 区 右 航 线 水 域 回 流 的 影 响 , 船 队 上 水 对 岸 航 速 在 2.78 m/s
左 右 , 可 用 +16 o ~-10 o 的 舵 量 调 整 航 向 进 入 口 门 内 , 口 门 区 漂 角 βmax 均 小 于 9 o , 表 明 该 流
量 基 本 满 足 船 队 上 水 进 出 口 门 航 行 标 准 。 当 船 队 从 引 航 道 内 沿 口 门 区 航 线 下 行 时 , 受 斜 向 水
流 的 影 响 , 船 队 下 行 对 岸 航 速 在 3.11 m/s 左 右 , 用 舵 在 +15 o ~-10 o 范 围 , 口 门 区 漂 角 βmax
均 小 于 9 o 。 船 队 行 至 连 接 段 处 , 斜 流 的 作 用 更 加 明 显 , 船 队 向 右 岸 飘 移 , 在 连 接 段 处 其 偏
航 距 为 20 m, 船 队 操 纵 得 当 方 可 安 全 进 入 下 游 大 桥 的 主 跨 航 行 水 域 , 但 船 队 上 、 下 行 在 连
接 段 及 口 门 区 水 域 , 有 明 显 的 颠 簸 和 左 右 摇 晃 现 象 。
表 3 下 游 口 门 区 及 连 接 段 船 模 试 验 的 主 要 航 行 参 数 统 计 表
距 隔 流 堤 末 端 (m) 0~280( 口 门 区 ) 280~400( 部 分 连 接 段 )
流 量 Q
(m 3 /s)
航 向
VS
(m/s)
Vi min
(m/s)
Vip
(m/s)
βmax*
(o)
δmax*
(o)
Vimin
(m/s)
Vip
(m/s)
βmax*
(o)
δmax*
(o)
左 上 3.20 / / / / 0.23 1.25 29 +23~-21
12100
右 上 3.20 2.53 2.85 11 +5~-15 3.27 3.33 16 +20~-5
下 水 3.20 2.67 2.89 11 +15~-10 3.97 4.21 13 +15~-16
左 上 3.20 / / / / 0.20 1.34 28 +23~-19
10000
右 上 3.20 2.63 2.91 11 +5~-15 3.31 3.30 16 +20~-5
下 水 3.20 2.71 3.10 10 +15~-10 3.37 3.57 13 +15~-16
左 上 3.20 / / / / 0.21 1.12 31 +24~-18
8000
右 上 3.20 2.63 2.78 9 +16~-10 3.23 3.38 19 +19~-12
下 水 3.20 2.67 3.11 9 +15~-7 2.74 3.17 12 +15~-18
左 上 3.20 3.01 3.10 9 +17~-18 0.50 0.81 17 +20~-12
6000
右 上 3.20 2.77 3.12 7 +14~-15 3.23 3.10 9 +19~-12
下 水 3.20 2.79 3.11 5 +5~-10 2.84 3.27 9 +9~-8
左 上 3.20 2.53 3.01 8 +12~-10 1.13 1.34 11 +15~-10
4000
右 上 3.20 2.57 3.08 7 +14~-15 2.53 2.78 9 +19~-12
下 水 3.20 2.70 3.01 4 +5~-10 2.94 3.30 5 +9~-8
* “+” 为 右 舵 , “-” 为 左 舵 。Vi min 为 最 小 对 岸 航 速 ,Vi p 为 平 均 对 岸 航 速 。
流 量 6000 m 3 /s 和 4000 m 3 /s 时 船 队 从 右 线 进 入 口 门 区 , 沿 航 道 中 心 线 左 边 水 域 上 行 时 ,
全 程 对 岸 航 速 Vb 大 于 0.80 m/s, 用 舵 在 +20 o ~-18 o
范 围 , 口 门 区 漂 角 βmax 分 别 小 于 9 o 和 8 o 。
船 队 沿 右 航 线 上 行 时 , 对 岸 航 速 在 3.08~3.12 m/s, 全 程 用 舵 在 +19 o ~-15 o 范 围 , 口 门 区
漂 角 βmax 均 小 于 7 o 。 当 船 队 从 引 航 道 内 沿 左 、 右 航 线 下 行 时 , 对 岸 航 速 在 3.01~3.11 m/s,
439

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
全 程 用 舵 在 +15 o ~-10 o
范 围 , 口 门 区 漂 角 βmax 分 别 小 于 5 o 和 4 o , 航 态 良 好 。 受 大 坝 下 泄 水
流 的 波 动 影 响 不 大 , 船 队 上 、 下 行 在 连 接 段 及 口 门 区 水 域 , 颠 簸 和 摇 晃 的 现 象 不 明 显 。 表 明
该 流 量 范 围 基 本 满 足 船 队 上 、 下 水 进 出 口 门 航 行 标 准 。
7 结 语
1) 在 Q≤12100 m 3 /s 的 各 级 流 量 下 , 上 游 引 航 道 及 口 门 区 的 通 航 水 流 条 件 较 好 , 均 能 满
足 通 航 要 求 。
2) 下 游 航 道 所 在 河 槽 为 宽 浅 型 , 电 厂 下 游 的 左 岸 的 收 缩 角 度 达 15°, 设 计 方 案 下 游 口
门 区 内 纵 、 横 向 流 速 、 波 高 和 回 流 流 速 严 重 超 标 , 水 流 条 件 不 能 满 足 通 航 要 求 。 在 设 计 方 案
的 基 础 上 将 下 游 右 岸 进 行 开 挖 后 , 口 门 区 纵 、 横 向 流 速 分 布 有 明 显 改 善 , 但 回 流 流 速 、 波 高
仍 然 较 大 , 还 是 不 能 满 足 通 航 要 求 。
3) 考 虑 坝 下 河 道 锁 口 位 置 以 及 河 势 影 响 , 对 隔 流 堤 长 短 及 堤 头 偏 角 等 因 素 进 行 了 比 较
研 究 , 结 果 表 明 : 堤 头 太 长 , 口 门 区 回 流 范 围 及 强 度 过 大 , 堤 头 太 短 , 斜 流 效 应 明 显 , 纵 、
横 向 流 速 太 大 , 堤 头 偏 角 太 大 , 回 流 强 度 和 范 围 太 大 , 堤 头 偏 角 太 小 , 斜 流 效 应 明 显 , 口 门
区 纵 横 向 流 太 大 。 经 过 多 方 案 中 和 比 较 , 隔 流 堤 堤 头 桩 号 0+1109、 偏 转 角 5.71 º 方 案 布 置
方 式 比 较 合 适 。
4) 推 荐 方 案 的 下 游 引 航 道 口 门 区 波 浪 在 流 量 Q=4000 m 3 /s 时 全 部 满 足 通 航 要 求 , 流 量
Q=6000 m 3 /s 时 , 靠 河 心 侧 有 局 部 超 标 , 流 量 Q=12100 m 3 /s 时 有 约 80% 范 围 超 标 ; Q=4000 m 3 /s
和 6000 m 3 /s 时 , 下 游 口 门 区 内 纵 、 横 向 流 速 以 及 回 流 流 速 均 能 满 足 通 航 标 准 , 连 接 段 处 流
速 较 大 , 航 线 区 域 中 流 速 达 3.2~4.49 m/s 的 区 域 约 占 30%;Q=8000 m 3 /s 时 , 下 游 口 门 区
内 纵 、 横 向 流 速 均 未 超 标 , 回 流 流 速 除 个 别 点 外 均 能 满 足 通 航 标 准 , 但 连 接 段 处 流 速 较 大 ,
航 线 区 域 中 流 速 达 3.2~5.14 m/s 的 区 域 约 占 40%;Q=10000 m 3 /s 和 12100 m 3 /s 时 , 下 游 口
门 区 内 纵 、 横 向 流 速 均 未 超 标 , 回 流 流 速 有 局 部 超 标 , 但 连 接 段 处 流 速 较 大 , 航 线 区 域 中 流
速 达 3.2~5.17 m/s 的 区 域 约 占 50%。
5) 下 游 引 航 道 口 门 区 及 连 接 段 的 船 模 试 验 的 航 行 参 数 表 明 : 在 流 量 Q=12100 m 3 /s~
10000 m 3 /s 时 , 船 队 右 线 上 行 的 航 行 指 标 不 能 满 足 船 队 进 出 口 门 航 行 标 准 , 左 线 上 行 困 难 ;
船 队 左 、 中 航 线 下 水 的 航 行 , 船 队 向 右 岸 漂 移 较 大 , 若 操 纵 不 当 , 快 速 下 行 的 船 队 难 以 驶 入
下 游 大 桥 主 跨 的 航 行 水 域 , 极 易 发 生 海 损 事 故 , 另 外 船 队 进 出 口 门 区 摇 晃 较 为 明 显 。 在 流 量
Q=8000 m 3 /s 时 , 船 队 右 线 上 行 的 航 行 指 标 基 本 满 足 船 队 进 出 口 门 航 行 标 准 , 左 线 上 行 困 难 ;
船 队 左 、 中 航 线 下 水 的 航 行 , 若 操 纵 得 当 , 快 速 下 行 的 船 队 可 以 安 全 驶 入 下 游 大 桥 主 跨 的 航
行 水 域 , 但 船 队 进 出 口 门 区 摇 晃 较 为 明 显 。 在 流 量 Q=6000 m 3 /s 和 4000 m 3 /s 时 , 船 队 左 、
右 上 下 水 的 航 行 指 标 基 本 满 足 船 队 进 出 口 门 航 行 标 准 , 口 门 区 可 满 足 船 队 安 全 进 出 口 门 的 航
行 要 求 , 船 队 进 出 口 门 区 摇 晃 不 明 显 。
参 考 文 献
[1] 严 伟 . 彭 水 水 电 站 通 航 水 力 学 试 验 研 究 报 告 [J]. 长 江 科 学 院 ,2004.5.
[2] 船 闸 总 体 设 计 规 范 JTJ305-2001[M]. 北 京 : 人 民 交 通 出 版 社 ,2001.11.
[3] 程 子 兵 . 构 皮 滩 水 电 站 1:110 水 工 整 体 模 型 通 航 水 力 学 试 验 研 究 报 告 [J]. 长 江 科 学 院 ,2006.12.
[4] 陈 桂 馥 . 船 闸 导 航 建 筑 物 透 空 形 式 对 通 航 水 流 条 件 的 影 响 [J]. 水 运 工 程 ,2004 年 第 9 期 .
440

第 二 部 分 工 程 水 力 学
输 水 渠 道 中 分 水 口 和 节 制 闸 的 水 力 敏 感 性 分 析
郭 晓 晨 陈 文 学 吴 一 红 刘 之 平
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 北 京 复 兴 路 甲 1 号 100038 xiaochenguo@sina.com)
摘 要 水 流 调 控 建 筑 物 和 渠 道 水 流 的 相 互 作 用 是 渠 道 控 制 的 一 个 重 要 方 面 。 调 控 过 程 会 对 渠 道
产 生 水 力 扰 动 , 这 些 扰 动 不 但 受 操 作 频 率 和 模 式 的 影 响 , 也 受 到 建 筑 物 水 力 敏 感 性 的 影 响 。 基 于
非 恒 定 流 数 值 模 型 , 通 过 分 析 确 定 分 水 口 和 节 制 闸 影 响 渠 道 水 位 的 关 键 因 素 , 提 出 水 力 学 敏 感 性
指 标 来 描 述 分 水 口 和 节 制 闸 对 某 种 扰 动 的 动 态 水 力 响 应 特 性 。 实 现 了 渠 道 动 态 水 力 响 应 特 性 的 定
量 化 描 述 。 研 究 表 明 , 分 水 口 分 水 流 量 变 化 幅 度 和 节 制 闸 开 度 变 化 幅 度 是 影 响 渠 道 水 位 的 关 键 因
素 。 对 南 水 北 调 中 线 京 石 段 输 水 渠 道 进 行 敏 感 性 分 析 表 明 , 分 水 口 敏 感 性 指 标 随 流 向 递 增 , 节 制
闸 敏 感 性 指 标 随 流 量 的 增 加 而 减 少 。 最 后 , 给 出 水 力 敏 感 性 指 标 相 对 较 低 和 较 高 的 节 制 闸 , 用 于
指 导 渠 道 控 制 操 作 。
关 键 字 敏 感 性 ; 非 恒 定 流 ; 分 水 口 ; 节 制 闸 ; 扰 动
1 研 究 背 景
为 适 应 分 水 流 量 的 变 化 , 渠 道 中 的 节 制 闸 总 是 处 于 动 态 调 整 过 程 中 , 由 此 产 生 的 扰 动 向
上 下 游 传 播 , 引 起 渠 道 水 位 波 动 。 扰 动 引 起 的 渠 道 中 水 位 变 化 会 对 渠 道 的 安 全 稳 定 运 行 产 生
重 要 的 影 响 。 因 此 要 求 水 位 保 持 恒 定 ( 控 制 目 标 ), 或 控 制 水 位 的 变 化 速 率 , 以 保 证 渠 坡 和
[1]
衬 砌 的 稳 定 安 全 。 丁 志 良 等 取 长 距 离 输 水 渠 道 中 某 一 渠 段 模 拟 研 究 其 上 下 游 闸 门 调 节 速 度
[2]
对 水 面 线 波 动 的 影 响 ; 方 神 光 等 考 虑 了 渠 道 所 有 节 制 闸 、 分 水 口 及 其 它 过 水 建 筑 物 的 影 响 ,
进 行 了 南 水 北 调 中 线 渠 道 全 程 模 拟 计 算 , 研 究 某 一 节 制 闸 开 度 变 化 幅 度 和 变 化 速 度 对 整 个 渠
[3]
道 水 位 和 流 量 的 影 响 , 进 而 分 析 了 渠 道 的 安 全 性 和 稳 定 性 。 张 成 等 考 察 了 典 型 分 水 口 单 独
增 加 分 水 流 量 或 减 少 分 水 流 量 所 引 起 的 渠 段 内 的 水 力 响 应 现 象 , 包 括 水 位 升 高 或 降 落 幅 度 、
[4]
沿 流 向 的 影 响 距 离 等 , 探 讨 分 水 流 量 变 化 速 率 对 这 些 特 征 参 数 的 影 响 规 律 。 方 神 光 等 研 究
了 南 水 北 调 中 线 输 水 渠 道 中 分 水 口 流 量 变 化 对 干 渠 的 影 响 特 征 , 得 出 了 分 水 口 前 水 位 下 降 速
度 与 分 水 口 流 量 变 率 呈 线 性 变 化 关 系 , 并 给 出 了 其 拟 合 公 式 。 以 上 研 究 或 者 是 研 究 局 部 过 水
建 筑 物 水 力 响 应 影 响 特 征 , 或 者 是 给 出 某 个 建 筑 物 特 征 参 数 的 影 响 规 律 , 没 有 对 渠 道 上 所 有
建 筑 物 进 行 对 比 分 析 , 没 有 找 出 对 水 力 扰 动 相 对 敏 感 的 建 筑 物 。
国 外 基 于 恒 定 流 水 力 模 型 对 渠 道 建 筑 物 的 水 力 敏 感 性 指 标 进 行 大 量 了 研 究 , 并 给 出 了 敏
感 性 指 标 的 表 达 式 。Renault 和 Hemakumara [5] 研 究 了 干 渠 水 位 扰 动 对 分 水 口 流 量 的 敏 感 性 指
标 , 影 响 因 素 包 括 上 游 水 位 、 建 筑 物 控 制 状 态 和 分 水 口 下 游 水 位 ;Renault [6,7] 研 究 了 系 统 层
面 上 的 渠 道 敏 感 性 指 标 , 可 以 根 据 要 达 到 的 性 能 而 给 出 控 制 精 度 , 并 对 不 同 的 渠 道 系 统 进 行
了 定 量 分 析 和 比 较 。Renault [8] 通 过 对 渠 道 上 建 筑 物 的 敏 感 性 分 析 , 给 出 了 敏 感 性 指 标 较 高 的
[9]
建 筑 物 , 并 给 出 了 控 制 变 量 操 作 范 围 的 估 计 。Renault 等 对 影 响 建 筑 物 敏 感 性 大 小 的 因 素
进 行 了 研 究 , 并 给 出 建 筑 物 的 敏 感 性 取 决 于 干 渠 设 计 水 深 和 分 水 口 最 大 分 流 流 量 的 结 论 。
Vatankhah [10] 提 出 了 有 效 水 力 敏 感 性 指 标 的 概 念 , 用 很 少 的 数 据 就 可 以 估 计 出 水 力 敏 感 性 指
标 。 以 上 研 究 是 基 于 恒 定 流 分 析 的 基 础 上 的 , 敏 感 性 指 标 反 映 的 是 两 个 稳 态 过 程 之 间 水 位 和
流 量 间 的 变 化 规 律 , 没 有 反 映 系 统 的 动 态 特 性 。 目 前 , 以 渠 道 非 恒 定 流 为 研 究 对 象 , 定 量 给
出 输 水 系 统 动 态 变 化 过 程 的 敏 感 性 指 标 , 研 究 水 位 变 化 速 率 对 渠 道 安 全 性 的 影 响 还 未 见 文 献
441

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
介 绍 。
本 文 通 过 建 立 渠 道 输 水 系 统 的 非 恒 定 流 数 学 模 型 , 以 京 石 段 应 急 供 水 渠 道 为 研 究 对 象 ,
分 析 影 响 渠 道 建 筑 物 水 力 学 特 性 的 主 要 因 素 , 并 给 出 分 水 口 和 节 制 闸 敏 感 性 指 标 的 定 义 , 通
过 渠 道 建 筑 物 敏 感 性 指 标 的 计 算 , 找 出 敏 感 性 较 高 和 较 低 的 建 筑 物 。
2 数 学 模 型 及 解 法
输 水 渠 道 非 恒 定 流 计 算 采 用 一 维 Saint-Venant 方 程 模 型 , 方 程 由 连 续 性 方 程 和 动 力 方 程
组 成
ì h Q + = q
ï t x
í
ï æ ö æ ö
ç ÷
ï
ç ÷
î t è A ø x è 2A
ø x
2
Q Q h
+ + g + g ( S - S0
) = 0
2 f
(1)
式 中 ,x 和 t 为 空 间 和 时 间 坐 标 ;A 为 过 流 面 积 ;Q 为 流 量 ;h 为 水 深 ;S 0 为 渠 道 底 坡 ;
g 为 重 力 加 速 度 ;q 为 单 位 长 度 渠 道 上 的 侧 向 出 流 量 ; S f
为 摩 擦 坡 度 , 定 义 为
S Q Q K
f
2
= / ,
其 中 K 为 流 量 模 数 。
2.1 数 值 解 法
本 文 采 用 收 敛 快 , 稳 定 性 高 的 Preissmann 四 点 时 空 偏 心 隐 格 式 将 Saint-Venant 方 程 组 转
化 成 差 分 方 程 组 [11,12] , 采 用 高 效 双 扫 描 法 对 线 性 化 后 的 方 程 进 行 迭 代 求 解 。 由 于 采 用 的 是 隐
式 差 分 格 式 , 时 间 步 长 取 值 不 受 科 朗 条 件 限 制 , 但 应 考 虑 水 流 的 变 化 特 性 以 及 计 算 效 率 , 此
处 非 恒 定 流 计 算 的 时 间 步 长 取 为 60 s。
2.2 渠 道 两 端 的 边 界 条 件
所 计 算 的 京 石 段 应 急 供 水 渠 段 , 起 始 位 置 为 南 水 北 调 中 线 河 北 段 起 点 , 终 止 位 置 是 河 北
渠 段 终 点 ( 进 人 惠 南 庄 前 池 )。 渠 首 为 水 库 , 保 持 库 水 位 不 变 , 水 库 闸 门 的 开 度 随 下 游 渠 道 需
水 流 量 的 变 化 而 变 化 。 为 观 察 节 制 闸 开 度 变 化 和 分 水 口 分 流 量 变 化 对 渠 道 中 水 位 和 流 量 的 影
响 , 保 持 渠 道 末 端 引 水 流 量 不 变 。
2.3 闸 门 边 界 条 件 的 处 理 方 法
京 石 段 应 急 供 水 渠 段 中 存 在 13 座 节 制 闸 , 水 流 经 过 节 制 闸 的 过 流 流 态 非 常 复 杂 , 过 闸
水 流 可 能 是 缓 流 也 可 能 是 急 流 ,Preissmann 方 法 无 法 求 解 急 流 问 题 , 为 了 保 证 算 法 的 稳 定 性 ,
将 闸 门 作 为 一 维 模 型 计 算 中 的 内 边 界 进 行 处 理 。 内 边 界 条 件 通 常 都 包 含 两 个 相 容 条 件 : 流 量
的 连 续 性 条 件 和 能 量 守 恒 条 件 ( 或 动 量 守 恒 条 件 )。 首 先 , 不 考 虑 节 制 闸 的 容 积 效 应 。 这 时 ,
节 制 闸 的 上 下 游 的 流 量 相 等 , 可 以 给 出 流 量 连 续 性 方 程 。
节 制 闸 在 干 渠 中 用 于 水 流 调 控 , 即 通 过 闸 门 开 度 的 变 化 实 施 对 干 渠 水 位 、 流 量 的 控 制 。
由 于 干 渠 运 行 中 存 在 多 种 可 能 工 况 , 其 闸 下 过 流 会 出 现 闸 孔 自 由 出 流 、 闸 孔 淹 没 出 流 、 堰 流
淹 没 出 流 、 堰 流 自 由 出 流 等 不 同 流 态 。 这 要 求 数 学 模 型 不 仅 能 够 描 述 各 个 流 态 , 还 能 描 述 因
水 位 流 量 变 化 引 起 的 流 态 转 化 过 程 , 从 而 增 加 了 水 流 模 拟 的 难 度 。 根 据 过 渡 态 的 特 性 , 采 用
变 指 数 公 式 可 以 较 好 地 解 决 流 态 “ 跳 变 ” 问 题 , 提 高 数 值 计 算 的 精 度 和 稳 定 性 [13] 。
442

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2.4 初 始 条 件
总 干 渠 恒 定 流 计 算 模 型 应 能 计 算 各 分 水 口 门 不 同 分 水 流 量 组 合 情 况 下 , 总 干 渠 的 恒 定 非
均 匀 流 水 面 线 , 作 为 总 干 渠 非 恒 定 流 计 算 的 初 始 条 件 。 首 先 计 算 恒 定 非 均 匀 流 水 面 线 的 常 微
分 方 程
S0
- S f
dh
= (2)
2
dx
1 - F
式 中 ,F 为 佛 汝 德 数 。 用 Runge-Kutta 法 对 上 式 进 行 积 分 。 并 计 算 出 节 制 闸 的 初 始 开 度 。
然 后 , 在 恒 定 流 情 况 下 , 令 Saint-Venant 方 程 中 所 有 关 于 t 的 微 分 项 均 为 零 , 如 下 式
ì
Q
= q
ï x
í
ï æ ö
ï
ç ÷
î x è 2A
ø x
2
Q h
+ g + g ( S - S0
) = 0
2 f
(3)
采 用 与 非 恒 定 流 同 样 的 离 散 格 式 和 数 值 计 算 方 法 计 算 上 式 。 如 此 处 理 可 以 保 证 非 恒 定 流
模 型 在 模 拟 计 算 时 间 充 分 长 的 情 况 下 收 敛 到 相 应 的 恒 定 流 解 。 即 恒 定 流 与 非 恒 定 流 模 型 满 足
“ 相 容 性 ” 准 则 。
3 分 水 口 特 征 参 数 对 干 渠 水 位 的 影 响 分 析
表 征 分 水 口 流 量 变 化 程 度 的 特 征 参 数 主 要 有 :(1) 分 水 口 流 量 变 化 速 率 ;(2) 分 水 流 量
变 幅 占 渠 段 流 量 比 例 ;(3) 分 水 口 流 量 变 化 幅 度 。 渠 道 水 位 下 降 的 控 制 速 率 一 般 为 0.15m/h [14] 。
分 水 口 所 在 的 渠 道 断 面 水 位 在 过 渡 过 程 最 初 的 1h 的 下 降 速 率 最 大 , 因 此 从 渠 道 水 力 控 制 的
观 点 来 看 , 用 分 水 口 所 在 的 渠 道 断 面 水 位 在 过 渡 过 程 最 初 的 1h 的 变 率 来 反 映 渠 道 非 恒 定 流
的 水 力 特 性 。
选 取 沙 河 北 节 制 闸 和 漠 道 沟 节 制 闸 之 间 的 中 管 头 分 水 口 为 研 究 对 象 , 初 始 状 态 为 渠 道 通
过 70% 的 设 计 流 量 , 各 分 水 口 分 水 流 量 也 为 设 计 分 水 流 量 的 70%。 该 分 水 口 位 于 京 石 段 的
中 部 。
3.1 分 水 口 流 量 变 化 速 度 对 渠 道 水 位 的 影 响
给 定 分 水 口 流 量 变 化 幅 度 为 5 m 3 /s 到 15 m 3 /s, 分 水 流 量 变 幅 占 渠 段 流 量 比 例 为 10.05 %。 图
1(a) 为 分 水 流 量 变 化 速 率 与 中 管 头 分 水 口 渠 道 断 面 在 最 初 1h 的 水 位 变 化 速 率 的 关 系 。 可 以
看 出 在 分 水 流 量 变 化 速 率 大 于 1.0 m 3 /(s.min) 时 , 分 水 流 量 增 加 速 率 对 于 水 位 下 降 的 速 度 的 影
响 很 小 。 从 总 体 来 看 , 分 水 流 量 的 变 化 速 率 由 0.25 m 3 /(s.min) 增 加 到 10.0 m 3 /(s.min), 水 位
下 降 速 率 由 0.048 m/h 增 加 到 0.063 m/h, 增 加 幅 度 仅 为 0.015 m/h。 所 以 分 水 流 量 的 变 化 速
率 不 是 影 响 渠 道 水 位 的 主 要 因 素 。
3.2 分 水 流 量 增 量 占 渠 段 流 量 比 例 对 渠 道 水 位 的 影 响
给 定 分 水 口 流 量 变 化 幅 度 为 5 m 3 /s–15 m 3 /s, 分 水 流 量 变 化 速 度 为 1.0 m 3 /(s.min)。 图 1(b)
为 分 水 流 量 变 幅 占 渠 道 过 流 量 的 比 例 与 中 管 头 分 水 口 渠 道 断 面 在 最 初 1h 的 水 位 变 化 速 率 的
关 系 。 可 以 看 出 分 水 流 量 变 幅 占 渠 道 过 流 量 的 比 例 不 是 影 响 渠 道 水 位 的 主 要 因 素 。
443

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
初 始 1h 的 水 位 下 降 速 度 /(m/h)
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
分 水 流 量 增 加 速 率 /(m 3 /s/min)
初 始 1h 的 水 位 下 降 速 率 /(m/h)
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
分 水 增 量 占 渠 段 流 量 比 例 /(%)
初 始 1h 的 水 位 下 降 速 率 /(m/h)
0.16
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
分 水 流 量 增 量 /(m 3 /s)
(a) 分 水 流 量 增 加 速 率 (b) 分 水 增 量 占 渠 段 流 量 比 例 (c) 分 水 流 量 增 量
图 1 分 水 口 特 征 参 数 对 干 渠 水 位 的 影 响
3.3 分 水 流 量 增 量 对 渠 道 水 位 的 影 响
给 定 分 水 流 量 变 化 速 度 为 1.0 m 3 /(s.min)。 图 1(c) 为 分 水 流 量 变 幅 与 中 管 头 分 水 口 渠 道 断
面 在 最 初 1h 的 水 位 变 化 速 率 的 关 系 。 可 以 看 出 分 水 流 量 变 幅 是 影 响 渠 道 水 位 下 降 速 率 的 敏
感 因 素 。
3.4 分 水 口 敏 感 性 指 标 分 析
基 于 以 上 分 析 , 分 水 口 流 量 扰 动 的 特 征 参 数 中 , 只 有 分 水 流 量 变 化 幅 度 对 渠 道 水 位 的 变
化 起 关 键 作 用 。 因 此 , 定 义 分 水 口 的 敏 感 度 指 标 为
S = Dh / D q
(4)
o
式 中 , S o
为 分 水 口 的 敏 感 性 指 标 (cm/(m 3 /s)), D q 为 分 水 口 流 量 变 化 幅 度 (m 3 /s), D h 为
渠 道 水 位 变 化 幅 度 (cm)。 图 2 为 设 计 工 况 流 量 的 80%, 50% 和 30% 下 的 分 水 口 的 敏 感 性 指
标 。 可 以 看 出 分 水 口 的 敏 感 性 指 标 基 本 上 是 遵 循 从 上 游 到 下 游 增 加 的 规 律 , 原 因 是 从 上 游 到
下 游 渠 道 的 水 深 和 过 流 量 是 不 断 减 小 的 , 渠 段 内 的 蓄 水 容 积 也 是 随 水 流 方 向 减 少 。 因 此 , 分
水 口 对 渠 道 水 位 的 扰 动 具 有 从 上 游 到 下 游 越 来 越 敏 感 的 趋 势 , 也 就 是 说 , 渠 道 水 位 抗 分 水 口
的 干 扰 能 力 从 上 游 到 下 游 不 断 变 弱 。 此 外 , 同 一 分 水 口 在 不 同 流 量 工 况 下 的 敏 感 性 指 标 值 基
本 相 同 , 说 明 分 水 口 的 敏 感 性 指 标 随 分 水 流 量 变 化 较 小 。
1.6
分 水 口 敏 感 性 指 /(cm/(m3/s)) 标
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
80% 工 况
50% 工 况
30% 工 况
0
永 安 村 分 水 口
留 营 分 水 口
中 管 头 分 水 口
郑 家 佐 分 水 口
西 黑 山 分 水 口
瀑 河 分 水
三 岔 沟 分 水 口
图 2 不 同 工 况 下 的 分 水 口 的 敏 感 性 指 标
分 水 口 敏 感 性 指 标 不 仅 反 映 了 不 同 分 水 口 对 渠 道 扰 动 的 强 弱 。 同 时 根 据 敏 感 度 指 标 的 大
小 可 以 确 定 分 水 口 流 量 变 化 的 极 值 及 分 水 口 流 量 变 化 时 渠 道 水 位 的 变 化 。 如 中 管 头 分 水 口 的
S
o
= 0.52, 假 设 增 加 10.0 m 3 /s 分 水 流 量 , 那 么 渠 道 中 的 水 位 降 低 5.2 cm。 反 之 , 如 果 保 证 渠
道 水 位 降 幅 速 率 小 于 15 cm/h, 那 么 分 水 流 量 的 增 加 幅 度 应 小 于 28.9 m 3 /s。
444

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4 节 制 闸 特 征 参 数 对 渠 道 水 位 的 影 响 分 析
表 征 节 制 闸 开 度 变 化 程 度 的 特 征 参 数 主 要 有 :(1) 开 度 变 化 速 率 ;(2) 开 度 变 化 幅 度 。
选 取 西 黑 山 节 制 闸 为 研 究 对 象 , 该 节 制 闸 紧 邻 西 黑 山 分 水 口 , 距 下 游 惠 南 庄 前 池 仅 75km。
4.1 闸 门 关 闭 对 闸 前 、 后 水 位 的 影 响
渠 道 设 计 流 量 的 70% 作 为 初 始 状 态 , 各 分 水 口 分 水 流 量 也 为 设 计 分 水 流 量 的 70%。 给
定 闸 门 开 度 变 幅 为 0.5 m,0.6 m 和 0.75 m 三 种 计 算 工 况 。
在 每 个 工 况 下 , 选 择 不 同 的 闸 门 关 闭 速 度 , 研 究 闸 门 关 闭 对 闸 后 水 位 下 降 速 度 的 影 响 和
闸 前 水 位 上 涨 速 度 的 影 响 。 模 拟 计 算 结 果 如 图 3。 可 以 看 出 , 当 闸 门 关 闭 速 度 小 于 0.05 m/min
时 , 闸 门 关 闭 速 度 对 闸 后 水 位 下 降 速 度 有 影 响 , 但 影 响 程 度 很 小 ; 当 闸 门 关 闭 速 率 大 于 0.05 m/min
时 , 闸 后 水 面 下 降 速 度 与 闸 门 关 闭 速 度 无 关 , 因 此 闸 门 的 关 闭 速 度 不 是 影 响 闸 后 水 位 下 降 速
度 的 主 要 因 素 。 同 样 从 图 3 可 以 看 出 , 闸 门 关 闭 速 度 小 于 0.05 m/min 时 , 闸 门 关 闭 速 度 对
闸 前 水 位 上 涨 速 度 有 影 响 , 但 影 响 程 度 不 大 , 当 闸 门 关 闭 速 率 大 于 0.05 m/min 时 , 闸 前 水
位 上 涨 速 度 与 闸 门 关 闭 速 度 基 本 无 关 , 因 此 闸 门 的 关 闭 速 度 不 是 影 响 闸 前 水 位 上 涨 速 度 的 主
要 因 素 。
0.25
0.26
0.24
闸 后 水 位 下 降 速 度 /(m/h)
0.20
0.15
闸 门 开 度 变 化 为 0.5 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.6 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.75 m
闸 前 水 位 上 升 速 度 /(m/h)
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
闸 门 开 度 变 化 为 0.5m
闸 门 开 度 变 化 为 0.6m
闸 门 开 度 变 化 为 0.75m
0.12
0.10
0 0.05 0.10 0.15 0.20
闸 门 关 闭 速 度 /(m/min)
0.10
0 0.05 0.10 0.15 0.20
闸 门 关 闭 速 度 /(m/min)
图 3 闸 门 关 闭 对 闸 前 、 后 水 位 的 影 响
闸 门 不 同 关 闭 速 度 时 , 对 比 图 3 中 三 种 不 同 的 闸 门 开 度 变 幅 工 况 , 可 以 明 显 看 出 闸 门 关
闭 幅 度 对 闸 门 前 、 后 的 水 位 变 化 速 度 的 影 响 很 明 显 。 因 此 , 闸 门 关 闭 幅 度 是 影 响 闸 前 、 后 水
位 变 化 速 度 的 敏 感 因 素 。
4.2 闸 门 开 启 对 闸 前 、 后 水 位 的 影 响
初 始 状 态 为 渠 道 通 过 50% 的 设 计 流 量 , 各 分 水 口 分 水 流 量 为 设 计 分 水 流 量 的 50%。 给
定 闸 门 开 度 变 幅 为 0.1 m,0.3 m 和 0.6 m 三 种 计 算 工 况 。
在 每 个 工 况 下 , 选 择 不 同 的 闸 门 开 启 速 度 , 研 究 闸 门 开 启 对 闸 后 水 位 上 涨 速 度 和 闸 前 水
位 下 降 速 度 的 影 响 。 模 拟 计 算 结 果 如 图 4 所 示 。 可 以 看 出 , 闸 门 开 启 速 度 对 闸 前 、 后 水 位 的
影 响 很 小 。 因 此 , 闸 门 的 开 启 速 度 不 是 影 响 闸 前 、 后 水 位 变 化 速 度 的 主 要 因 素 。
在 图 4 中 , 在 闸 门 开 启 速 度 不 同 时 , 对 比 三 种 不 同 的 闸 门 开 度 变 幅 工 况 , 可 以 明 显 看 出
闸 门 开 启 幅 度 对 闸 门 前 、 后 的 水 位 变 化 速 度 的 影 响 很 明 显 。 因 此 , 闸 门 开 启 幅 度 是 影 响 闸 前 、
后 水 位 变 化 速 度 的 敏 感 因 素 。
445

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
0.35
0.35
0.30
0.30
闸 前 水 位 降 落 速 度 /(m/h)
0.25
0.20
0.15
0.10
闸 门 开 度 变 化 为 0.6 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.3 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.1 m
闸 后 水 位 上 升 速 度 /(m/h)
0.25
0.20
0.15
0.10
闸 门 开 度 变 化 为 0.6 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.3 m
闸 门 开 度 变 化 为 0.1 m
0.05
0.05
0
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
闸 门 开 启 速 度 /(m/min)
0
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
闸 门 开 启 速 度 /(m/min)
4.3 节 制 闸 敏 感 性 指 标 分 析
图 4 闸 门 开 启 对 闸 前 、 后 水 位 的 影 响
基 于 以 上 分 析 , 节 制 闸 扰 动 的 特 征 参 数 中 , 只 有 节 制 闸 开 度 变 幅 对 渠 道 水 位 的 变 化 速 度
起 关 键 作 用 。 因 此 , 定 义 节 制 闸 水 位 的 敏 感 性 指 标 为
S = Dh / D e
Rup up (5)
S = Dh / D e
Rdown down (6)
式 中 , S Rup
, S Rdown
为 节 制 闸 闸 前 、 闸 后 水 位 的 敏 感 性 指 标 , D h up
, D h down
为 节 制 闸
闸 前 、 闸 后 水 位 变 化 幅 度 (m), D e 为 节 制 闸 开 度 变 化 幅 度 (m)。 图 5,6 为 设 计 工 况 流 量 的
30%, 50% 和 80% 的 节 制 闸 闸 前 、 后 水 位 的 敏 感 性 指 标 。 可 以 看 出 节 制 闸 闸 前 、 后 水 位 的
敏 感 性 指 标 具 有 随 流 量 增 加 而 减 少 的 趋 势 。 也 就 是 说 过 闸 流 量 越 大 , 闸 门 对 闸 前 、 后 水 位 的
控 制 作 用 能 力 越 小 。 从 图 5 上 可 以 看 出 漠 道 沟 节 制 闸 和 磁 河 节 制 闸 闸 门 开 度 对 闸 前 水 位 不 敏
感 。 从 图 6 上 可 以 看 出 , 蒲 阳 河 和 汶 庄 河 节 制 闸 闸 门 开 度 对 闸 后 水 位 敏 感 。 比 较 图 5 和 图 6
可 知 , 闸 门 开 度 对 闸 前 水 位 的 控 制 能 力 明 显 比 闸 后 要 大 。
敏 感 性 指 标
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
滹 沱 河 闸
磁 河 闸
沙 河 北 闸
漠 道 沟 闸
唐 河 沟 闸
放 水 河 闸
蒲 阳 河 闸
岗 头 闸
西 黑 山 闸
瀑 河 节 制 闸
北 易 水 闸
坟 庄 河 闸
30% 设 计 工 况 50% 设 计 工 况 80% 设 计 工 况
图 5 不 同 工 况 下 的 节 制 闸 闸 前 水 位 敏 感 性 指 标
446

第 二 部 分 工 程 水 力 学
敏 感 性 指 标
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
滹 沱 河 闸
磁 河 闸
沙 河 北 闸
漠 道 沟 闸
唐 河 沟 闸
放 水 河 闸
蒲 阳 河 闸
岗 头 闸
西 黑 山 闸
瀑 河 节 制 闸
北 易 水 闸
坟 庄 河 闸
30% 设 计 工 况 50% 设 计 工 况 80% 设 计 工 况
图 6 不 同 工 况 下 的 节 制 闸 闸 后 水 位 敏 感 性 指 标
5 结 论
本 文 通 过 对 输 水 渠 道 上 分 水 口 和 节 制 闸 的 非 恒 定 流 模 拟 分 析 , 给 出 影 响 建 筑 物 水 力 学 特
征 的 主 要 因 素 , 定 义 了 建 筑 物 的 敏 感 性 指 标 , 并 对 南 水 北 调 中 线 京 石 段 进 行 了 敏 感 性 分 析 。
主 要 结 论 如 下 :
1) 分 水 口 分 水 流 量 的 变 化 速 率 和 分 水 流 量 增 量 占 渠 段 流 量 比 例 不 是 影 响 渠 道 水 位 的 主
要 因 素 , 分 水 流 量 增 量 是 影 响 渠 道 水 位 的 主 要 因 素 。
2) 分 水 口 的 敏 感 性 指 标 基 本 上 是 遵 循 从 上 游 到 下 游 增 加 的 规 律 。 每 个 分 水 口 的 敏 感 性
指 标 基 本 不 随 分 水 流 量 变 化 而 变 化 。
3) 节 制 闸 开 度 变 化 速 率 不 是 影 响 渠 道 水 位 的 主 要 因 素 , 节 制 闸 开 度 变 幅 是 影 响 渠 道 水
位 变 化 速 度 的 主 要 因 素 。
4) 节 制 闸 闸 前 、 后 水 位 的 敏 感 性 指 标 具 有 随 流 量 增 加 而 减 少 的 规 律 。 漠 道 沟 节 制 闸 河
和 磁 河 节 制 闸 闸 门 开 度 对 闸 前 水 位 不 敏 感 。 蒲 阳 河 和 汶 庄 河 节 制 闸 闸 门 开 度 对 闸 后 水 位 敏
感 。 闸 门 对 闸 前 水 位 的 控 制 能 力 明 显 比 对 闸 后 水 位 的 控 制 能 力 大 。
参 考 文 献
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[2] 方 神 光 , 吴 保 生 . 南 水 北 调 中 线 输 水 渠 道 中 节 制 闸 影 响 研 究 [J]. 水 利 水 电 技 术 ,2008,39:32-39.
[3] 张 成 , 傅 旭 东 , 王 光 谦 . 分 水 口 运 用 引 起 的 南 水 北 调 中 线 总 干 渠 水 力 响 应 特 征 [J]. 南 水 北 调 与 水
利 科 技 ,2007,5(6):25-29.
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[11] 袁 雄 燕 , 杨 国 录 . 对 流 方 程 数 值 解 法 比 较 及 分 析 研 究 [J]. 泥 沙 研 究 ,2004,(1):35-42.
[12] 杨 国 录 . 四 点 时 空 偏 心 Preissmann 格 式 的 应 用 问 题 [J]. 泥 沙 研 究 ,1991,(4):88-98.
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448

第 二 部 分 工 程 水 力 学
长 江 镇 江 港 大 港 港 区 四 期 码 头 工 程 防 洪 论 证 研 究
沈 之 平 张 文 二 刘 桂 生
( 长 江 科 学 院 武 汉 市 江 岸 区 九 万 方 430010 szp12345@sina.com )
摘 要 镇 江 港 大 港 港 区 位 于 镇 扬 河 段 的 下 端 , 区 位 优 势 明 显 , 港 口 条 件 优 越 。 本 文 分 析 了 镇 江
港 大 港 港 区 四 期 码 头 工 程 所 在 的 大 港 水 道 河 床 演 变 过 程 , 认 为 大 港 水 道 多 年 来 岸 线 稳 定 少 变 , 滩
槽 稳 定 , 河 床 冲 淤 交 替 , 深 泓 偏 右 , 以 微 冲 为 主 , 河 势 稳 定 。 采 用 平 面 二 维 数 学 模 型 计 算 方 法 从
河 势 稳 定 、 河 道 行 洪 、 堤 防 工 程 等 方 面 对 工 程 可 行 性 进 行 了 科 学 论 证 , 为 有 关 部 门 决 策 提 供 参 考
依 据 。
关 键 词 河 势 ; 河 道 行 洪 ; 堤 防 工 程 ; 数 学 模 型
1 前 言
长 江 镇 江 港 位 于 长 江 下 游 三 角 洲 腹 部 , 由 高 资 、 龙 门 、 谏 壁 、 大 港 、 高 桥 、 扬 中 等 六 大
港 区 组 成 地 理 位 置 和 区 位 优 势 明 显 , 港 口 集 疏 运 条 件 优 越 。 其 中 大 港 港 区 是 上 世 纪 八 十 年 代
为 适 应 对 外 开 放 和 内 外 贸 发 展 的 需 要 而 开 辟 以 海 运 为 主 的 新 港 区 。 大 港 港 区 一 期 工 程 1985
年 底 投 产 , 二 期 工 程 1993 年 投 产 , 三 期 工 程 2008 年 刚 刚 建 成 。
目 前 , 镇 江 港 大 港 港 区 存 在 功 能 交 叉 、 散 货 、 杂 货 受 码 头 能 力 限 制 , 未 能 形 成 明 确 功 能
分 工 , 集 装 箱 在 改 造 而 成 的 集 装 箱 泊 位 作 业 , 泊 位 等 级 低 , 通 过 能 力 小 , 距 规 模 化 、 集 约 化
发 展 要 求 还 有 较 大 差 距 。 大 港 三 期 工 程 的 建 成 , 初 步 缓 解 了 散 货 和 集 装 箱 码 头 能 力 不 足 的 矛
盾 , 随 着 港 口 发 展 , 码 头 能 力 不 足 矛 盾 依 然 存 在 。 因 此 , 需 要 建 设 镇 江 港 大 港 四 期 码 头 工 程 。
大 港 四 期 工 程 的 建 设 , 一 方 面 可 以 为 集 装 箱 快 速 发 展 做 好 项 目 储 备 , 另 一 方 面 可 以 使 集 团 资
源 优 化 调 整 成 为 现 实 , 同 时 四 期 工 程 紧 邻 三 期 码 头 , 便 于 实 现 港 口 成 规 模 、 成 片 区 开 发 , 形
成 规 模 化 、 集 约 化 的 集 装 箱 码 头 作 业 区 。
镇 江 大 港 港 务 有 限 公 司 对 镇 江 港 大 港 四 期 码 头 工 程 防 洪 论 证 工 作 非 常 重 视 , 从 河 势 稳
定 、 河 道 行 洪 、 堤 防 工 程 等 方 面 进 行 了 科 学 论 证 , 为 有 关 决 策 部 门 提 供 参 考 依 据 。
2 基 本 概 况
镇 江 港 大 港 四 期 码 头 工 程 由 2 座 50,000 t 级 集 装 泊 位 码 头 ( 长 676 m)、 三 座 码 头 引 桥
及 其 它 配 套 建 设 等 建 筑 物 , 占 用 岸 线 长 约 680 m。 码 头 平 台 长 × 宽 为 676×42 m, 舾 装 码 头
前 沿 线 平 行 于 水 流 流 向 , 码 头 前 沿 线 布 置 在 -14.2 m 等 高 线 附 近 。 从 上 往 下 游 布 置 #3、#2、
#1 三 座 引 桥 , 引 桥 长 度 分 别 为 88 m、82 m、46.8 m。 相 关 水 位 为 : 设 计 高 水 位 6.34 m, 码
头 前 沿 设 计 河 底 高 程 -14.20 m, 引 桥 梁 底 板 高 程 5.65 m ~6.00 m。
另 配 套 建 设 堆 场 、 道 路 以 及 其 它 生 产 和 辅 助 生 产 设 施 。 港 区 陆 域 总 面 积 为 45.34 公 顷 ,
整 个 港 区 与 后 方 疏 港 公 路 ( 临 江 路 ) 之 间 的 陆 域 纵 深 在 700 m 左 右 , 沿 岸 线 长 度 676 m, 厂
区 形 状 呈 不 规 则 多 边 形 。 厂 区 地 势 平 坦 , 厂 区 目 前 标 高 一 般 在 5.1~10.0 m 之 间 , 在 厂 区 西
北 角 有 最 高 点 约 25 m 的 小 山 包 , 工 程 所 在 的 岸 线 无 堤 防 。
2.1 河 道 情 况
拟 建 工 程 所 在 的 的 镇 扬 河 段 上 起 三 江 口 , 下 迄 五 峰 山 , 河 段 全 长 约 为 74 km, 自 上 而 下
按 河 道 平 面 形 态 的 不 同 分 为 仪 征 水 道 、 世 业 洲 汊 道 、 六 圩 弯 道 、 和 畅 洲 汊 道 以 及 大 港 水 道 。
449

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
其 中 和 畅 洲 尾 至 五 峰 山 为 大 港 水 道 , 长 约 8.0 km, 多 年 来 河 道 较 为 稳 定 , 平 均 河 宽 为 1500 m
左 右 , 为 曲 率 适 度 的 弯 曲 河 道 ( 见 图 1)。
五 峰 山
孟 家 港
和 畅 洲
四 墩 山
0
长 江
0
谏 壁 镇
大 港 河 口
0
拟 建 工 程
0
深 泓 线
1km
比 例 尺
长 江 大 堤
子 堤
图 1 大 港 水 道 平 面 图
2.2 水 文 泥 沙 特 征
本 河 段 位 于 长 江 下 游 大 通 水 文 站 以 下 约 315 km, 本 河 段 与 大 通 水 文 站 之 间 无 较 大 支 流
入 汇 , 且 大 通 水 文 站 是 长 江 下 游 最 后 一 个 径 流 水 文 站 , 故 采 用 大 通 站 水 文 泥 沙 统 计 资 料 代 表
本 河 段 的 水 文 泥 沙 特 性 。
大 通 站 多 年 平 均 径 流 量 为 8992 亿 m 3 , 多 年 平 均 流 量 为 28400 m 3 /s, 实 测 历 年 最 大 流
量 为 92600 m 3 /s(1954 年 8 月 1 日 ), 历 年 最 小 流 量 为 4620 m 3 /s(1979 年 1 月 31 日 )。 多 年
平 均 年 输 沙 量 为 4.14 亿 t, 最 大 年 输 沙 量 为 6.78 亿 t(1964 年 ), 最 小 年 输 沙 量 为 0.849 亿 t(2006
年 )。2007 年 输 沙 量 为 1.38 亿 t, 比 多 年 平 均 输 沙 量 减 少 276 个 百 分 点 。 其 中 20 世 纪 50~
80 年 代 平 均 输 沙 量 为 4.68 亿 t/a, 而 20 世 纪 90 年 代 平 均 值 为 3.52 亿 t/a, 减 少 约 25%。
三 峡 工 程 施 工 期 (1991 年 ~2002 年 ) 大 通 水 文 站 的 平 均 年 输 沙 量 为 3.27 亿 t/a, 平 均 年 径
流 量 为 9528 亿 m 3 。 三 峡 工 程 运 用 后 (2003 年 ~2007 年 ) 大 通 水 文 站 的 平 均 年 输 沙 量 为 1.58
亿 t/a, 平 均 年 径 流 量 为 8148 亿 m 3 , 从 中 可 见 三 峡 工 程 运 用 后 长 江 大 通 水 文 站 的 来 沙 来 水
量 大 为 减 少 。
2.3 河 道 边 界 条 件
工 程 所 在 河 段 所 处 地 理 位 置 在 地 质 构 造 上 属 扬 子 准 地 台 , 河 势 走 向 与 地 质 构 造 方 向 基 本
一 致 , 呈 西 东 向 , 河 谷 上 窄 下 宽 , 呈 不 对 称 喇 叭 形 。 两 岸 为 冲 积 平 原 , 向 外 是 黄 土 阶 地 和 低
山 丘 陵 。 河 床 组 成 大 都 是 青 灰 色 极 细 砂 和 粉 砂 , 局 部 水 深 较 大 处 有 中 粗 砂 , 深 层 还 有 砾 石 。
工 程 下 游 2300 m 为 大 港 河 口 , 是 镇 江 新 区 的 入 江 通 道 , 也 是 该 区 的 灌 溉 河 道 , 设 计 排 水 量
约 30 m 3 /s。 在 工 程 上 下 游 还 建 有 6 座 码 头 。
2.4 河 道 边 界 条 件 现 有 防 洪 标 准 和 相 应 流 量 水 位
按 照 国 务 院 已 正 式 批 准 的 《 长 江 流 域 综 合 利 用 规 划 简 要 报 告 (1990 年 修 订 )》 中 防 御 标
准 , 长 江 中 下 游 洪 水 达 到 1954 年 重 现 期 时 , 确 保 重 点 地 区 防 洪 安 全 。 防 洪 设 计 洪 水 位 镇 江
站 为 6.96 m、 三 江 营 站 为 6.45 m。 相 应 流 量 为 85400 m 3 /s。 拟 建 工 程 附 近 洪 水 位 6.68 m(85
国 家 高 程 基 准 ) 左 右 。
3 工 程 附 近 河 床 演 变 特 点
拟 建 工 程 地 处 镇 扬 河 段 和 畅 洲 洲 尾 下 端 大 港 水 道 的 右 岸 , 大 港 水 道 多 年 来 岸 线 稳 定 少
450

第 二 部 分 工 程 水 力 学
变 , 滩 槽 稳 定 , 河 床 冲 淤 交 替 , 深 泓 偏 右 , 以 微 冲 为 主 , 河 势 稳 定 , 工 程 所 在 大 港 水 道 进 口
段 受 和 畅 洲 洲 尾 的 影 响 河 道 有 着 一 定 的 冲 淤 变 化 。
3.1 深 泓 变 化
工 程 所 在 位 置 的 深 泓 线 受 和 畅 洲 汇 流 点 的 影 响 深 泓 线 变 化 影 响 , 深 泓 有 一 定 幅 度 摆 动 ,
1982~1997 年 工 程 所 在 位 置 的 深 泓 左 移 , 平 均 移 动 60 m, 最 大 左 移 91 m。1997~1999 年 工
程 附 近 的 深 泓 交 汇 点 上 提 200 m, 受 交 汇 点 位 置 变 化 的 影 响 , 工 程 位 置 上 段 左 汊 的 深 泓 左 移
150 m, 右 汊 的 深 泓 右 移 150 m, 交 汇 点 以 下 的 深 泓 变 化 不 大 。1999~2002 年 工 程 附 近 深 泓
线 在 25 m 内 左 右 摆 动 。2002~2004 年 工 程 附 近 的 深 泓 线 的 交 汇 点 右 移 50 m 且 上 移 140 m。
相 应 和 左 畅 洲 左 右 汊 汇 流 段 的 深 泓 也 向 右 移 动 。2004~2006 年 工 程 附 近 的 深 泓 线 右 移 , 最
大 右 移 130 m, 深 泓 线 的 交 汇 点 右 移 40 m 且 下 移 350 m。2006~2008 年 工 程 附 近 的 深 泓 线
左 移 , 最 大 左 移 150 m, 深 泓 线 的 交 汇 点 左 移 150 m 且 下 移 330 m, 其 交 汇 点 位 置 在 工 程 下
游 100 m 处 。
3.2 平 面 变 化
因 受 上 游 和 畅 洲 变 化 的 影 响 工 程 附 近 河 道 的 平 面 变 化 发 生 了 微 小 的 影 响 。
从 0 m 等 高 线 看 ,1982~1997 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等 高 线 右 岸 在 15 m 范 围 内 呈 左 右
摆 动 变 化 。 左 岸 在 80 m 范 围 内 呈 左 右 摆 动 变 化 ;1997~1999 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等 高 线
右 岸 左 移 变 化 , 最 大 左 移 14 m。 左 岸 的 0 m 等 高 线 工 程 位 置 上 段 左 移 , 最 大 左 移 45 m, 工
程 位 置 尾 端 的 下 游 在 左 右 60 m 内 摆 动 ;1999~2002 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等 高 线 右 岸 工 程
上 呈 右 移 工 程 中 下 呈 左 移 变 化 , 最 大 左 移 25 m, 最 大 右 移 20 m。 整 个 左 岸 的 0 m 等 高 线 变
化 不 大 ;2002~2004 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等 高 线 右 岸 在 15m 内 左 右 摆 动 , 整 个 左 岸 的 0m
等 高 线 右 移 , 最 大 右 移 88 m;2004~2006 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等 高 线 右 岸 在 20 m 内 左 右
摆 动 。 整 个 左 岸 的 0 m 等 高 线 左 移 , 最 大 左 移 41 m;2006~2008 年 工 程 附 近 河 道 的 0 m 等
高 线 右 岸 在 10 m 内 左 右 摆 动 。 整 个 左 岸 的 0 m 等 高 线 恢 复 到 2000 年 的 位 置 。
从 -10m 等 高 线 的 变 化 看 , 工 程 所 在 的 右 岸 多 年 来 保 持 稳 定 , 冲 淤 变 化 不 大 , 其 变 化 幅
度 最 大 不 足 50 m。1982~2008 年 -10 m 等 高 线 摆 动 不 到 25 m。 而 远 离 工 程 的 左 岸 相 对 变 化
较 大 。1982~1997 年 左 岸 的 -10m 等 高 线 左 移 , 最 大 左 移 190m。1997~1999 年 左 岸 的 -10m
等 高 线 右 移 , 最 大 右 移 180 m。1999~2002 年 左 岸 的 -10m 等 高 线 右 移 , 最 大 右 移 140 m。2002~
2004 年 左 岸 的 -10m 等 高 线 变 化 不 大 。2004~2006 年 左 岸 的 -10m 等 高 线 左 移 , 最 大 左 移 140 m。
2006~2008 年 左 岸 的 -10 m 等 高 线 恢 复 在 2002 年 的 位 置 。
-20 m 深 槽 的 变 化 ,1982~1997 年 工 程 附 近 河 道 -20 m 等 高 线 右 岸 除 局 部 最 大 右 移 80 m
外 , 基 本 变 化 不 大 。 整 个 左 岸 -20 m 等 高 线 向 左 移 动 , 最 大 移 动 90 m;1997~1999 年 工 程
附 近 河 道 右 岸 的 -20 m 等 高 线 工 程 上 段 右 移 70 m 外 变 化 不 大 。 左 岸 -20 m 等 高 线 变 化 不 大 ;
1999~2002 年 工 程 附 近 河 道 的 -2 0m 等 高 线 左 右 两 岸 变 化 不 大 ;2002~2004 年 工 程 附 近 河
道 的 -20 m 等 高 线 右 岸 恢 复 到 1999 年 的 位 置 。 整 个 左 岸 -20 m 等 高 线 恢 复 到 2002 年 位 置 ;
2004~2006 年 工 程 附 近 河 道 -20 m 等 高 线 右 岸 在 20 m 内 左 右 摆 动 。 整 个 左 岸 -20 m 等 高 线
向 左 移 动 , 最 大 移 动 达 190 m;2006~2008 年 工 程 附 近 河 道 -20 m 等 高 线 右 岸 在 15 m 内 左
右 摆 动 。 整 个 左 岸 -20 m 等 高 线 右 移 , 最 大 右 移 110 m。
4 平 面 二 维 数 学 模 型 的 建 立 和 计 算 条 件
4.1 曲 线 坐 标 系 下 基 本 方 程
模 型 采 用 有 限 体 积 法 进 行 计 算 , 为 适 应 不 规 则 河 道 边 界 , 首 先 需 对 基 本 方 程 进 行 曲 线 变
451

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
换 , 得 到 对 应 的 一 般 曲 线 坐 标 系 下 方 程 如 下 :
M
J
t
+
h
N
J
t
q
+
h
Z FM FN
J + + =
t x h
2
2 2
gn M u + v
[ DJ ( q
12
M
x
+ q
22
M
h
)] -
J + Jqu
0
h
4
3
Jq
[ DJ ( q M + q M )]
(1)
MU MV æ Z Z ö
+ + = - ghJ ç x
x
+ h
x
÷ +
11 x 12 h
x h è x h ø x
(2)
NU
+
NV
+
= - ghJ
æ
ç x
è
Z
2
2 2
gn N u + v
[ DJ ( q
12
N
x
+ q
22
N
h
)] -
J + Jqv
0
其 中 :
2 2
11 x y
4
3
[ DJ ( q N + q N )]
y
y
11 x 12 h
x h
x h x
(3)
h
+ h
Z
yh
J = xx
yh
-xh
yx
; x = , x
J
y
= x + x ; q = x h
x
+ x
yh
y
12
;
q
ö
÷ +
ø
2 2
22 x y
- xh
yx
xx
= , h
J
x
= - , h
J
y
= ;
J
= h + h ; M x
、 M h
、 N x
、 N h
表 示 偏 导 数 ,
如 M
x
= M ;U,V 分 别 为 ξ、η 方 向 流 速 分 量 ;u0,v0 分 别 为 沿 水 深 平 均 的 源 汇 速 度 在 ξ、
x
η 方 向 上 的 分 量 ;z、h 分 别 为 水 位 和 水 深 ;g 为 重 力 加 速 度 ; u t
为 水 流 紊 动 粘 性 系 数 ;n 为
糙 率 系 数 。
4.2 数 值 求 解 方 法
根 据 推 导 , 平 面 二 维 一 般 曲 线 坐 标 系 下 沿 水 深 平 均 的 水 流 模 型 基 本 方 程 可 表 示 成 如 下 一
般 形 式 :
J
t
x
x
( H F ) + ( HU F ) + ( HV F )
( G Jq H F ) + ( G Jq H F ) + + F
11
x
h
h
22
h
=
S U
S P
(4)
该 方 程 的 数 值 离 散 采 用 有 限 体 积 法 , 该 方 法 的 优 点 在 于 能 很 好 保 证 水 流 模 型 中 水 量 和 动
量 守 恒 , 离 散 采 用 了 自 动 迎 风 格 式 , 离 散 方 程 的 求 解 基 于 SIMPLE 算 法 。 模 型 计 算 物 理 量 采
用 同 位 ( 非 交 错 ) 网 格 布 置 , 即 计 算 物 理 量 布 置 在 控 制 体 中 心 点 上 。
利 用 计 算 网 格 划 分 、 动 边 界 处 理 , 系 数 取 值 的 确 定 及 模 型 定 解 条 件 对 二 维 水 流 数 学 模 型
进 行 了 率 定 验 证 , 模 型 分 别 采 用 2008 年 8 月 、2008 年 6 月 、2005 年 4 月 和 2004 年 11 月 的
实 测 资 料 进 行 了 验 证 , 验 证 内 容 包 括 潮 位 过 程 、 断 面 流 速 分 布 和 汊 道 分 流 比 等 。
由 潮 位 过 程 、 流 速 过 程 、 断 面 流 速 分 布 及 汊 道 分 流 比 验 证 结 果 表 明 : 采 用 的 河 道 平 面 二
维 数 学 模 型 能 较 好 模 拟 整 个 计 算 河 段 的 水 流 运 动 , 且 验 证 计 算 精 度 较 高 。 因 此 , 该 数 学 模 型
可 用 于 拟 建 工 程 对 河 道 水 位 及 流 场 影 响 计 算 分 析 。
4.3 工 程 影 响 计 算 水 流 条 件
工 程 影 响 计 算 水 流 条 件 如 表 1 所 示 。
452

第 二 部 分 工 程 水 力 学
表 1 工 程 影 响 计 算 水 流 条 件 表
序 号 条 件 进 口 流 量 (m 3 /s) 镇 江 站 水 位 (m) 三 江 营 站 水 位 (m)
1 防 洪 设 计 流 量
设 计 洪 水 位 85400 6.96 6.46
低 潮 位 85400 6.00 5.50
2 1996 年 洪 水 81700 6.70 6.16
3 平 滩 水 位 流 量 48000 3.80 3.30
5 工 程 对 河 势 、 防 洪 等 影 响 分 析
5.1 工 程 建 设 对 河 势 稳 定 影 响 分 析
根 据 河 演 分 析 结 果 , 就 整 个 镇 扬 河 段 河 势 变 化 来 看 , 世 业 洲 汊 道 左 汊 分 流 比 近 年 逐 步 增
加 , 六 圩 弯 道 顶 冲 点 有 所 下 移 及 和 畅 洲 左 汊 分 流 比 有 所 控 制 , 但 并 未 影 响 整 体 河 势 的 稳 定 。
拟 建 工 程 位 于 长 江 畅 洲 洲 洲 尾 的 汇 流 区 处 的 大 港 水 道 进 口 处 , 该 段 主 流 自 和 畅 洲 左 右 汇 合 后
很 快 就 过 渡 到 凹 岸 , 紧 贴 右 岸 下 泄 , 在 五 峰 山 处 开 始 折 转 , 进 入 扬 中 河 段 。 大 港 水 道 长 期 以
来 始 终 保 持 主 流 靠 南 岸 的 微 弯 形 河 势 , 年 际 间 的 冲 淤 变 化 以 及 受 和 畅 洲 汊 道 变 化 影 响 的 河 床
冲 淤 幅 度 均 相 对 较 小 , 具 备 拟 建 工 程 建 设 的 水 域 条 件 。
根 据 数 模 计 算 结 果 , 工 程 兴 建 后 , 由 于 工 程 的 阻 水 引 起 水 位 壅 高 , 流 速 减 小 ; 码 头 平 台
下 游 由 于 工 程 的 阻 水 绕 流 、 水 流 分 散 , 流 速 也 减 小 ; 又 由 于 工 程 的 挤 压 约 束 水 流 , 使 拟 建 工
程 前 沿 线 外 侧 局 部 区 域 内 成 为 流 速 增 大 区 。 在 选 取 的 计 算 条 件 下 , 工 程 后 流 速 增 加 最 大 值 约
为 0.06 m/s, 流 速 减 小 最 大 值 为 0.21m/s, 流 速 影 响 最 大 范 围 在 拟 建 码 头 上 游 300 m、 工 程
下 游 810 和 沿 线 外 侧 宽 170 m 范 围 内 。
工 程 后 工 程 附 近 各 监 测 点 水 流 流 向 变 化 一 般 在 1 度 之 内 , 拟 建 工 程 对 水 流 流 向 影 响 不
大 ; 工 程 后 工 程 附 近 断 面 流 速 分 布 基 本 没 有 变 化 , 河 道 主 流 稳 定 。 因 此 , 由 于 工 程 的 建 设 对
河 道 水 流 流 态 影 响 较 小 , 且 对 河 道 流 场 影 响 范 围 有 限 , 影 响 值 不 大 , 不 足 以 使 工 程 范 围 内 河
床 冲 淤 性 质 产 生 实 质 性 的 改 变 。 拟 建 工 程 兴 建 后 , 对 和 畅 洲 右 汊 分 流 比 有 轻 微 的 减 小 影 响 ,
不 会 对 整 体 河 势 的 稳 定 造 成 明 显 不 利 影 响 。
综 合 上 述 分 析 , 拟 建 工 程 不 会 对 其 所 处 河 段 河 势 产 生 明 显 不 利 的 影 响 。
5.2 工 程 建 设 对 河 道 行 洪 的 影 响 分 析
根 据 码 头 结 构 资 料 分 析 , 在 该 河 段 防 洪 设 计 洪 水 条 件 下 , 拟 建 码 头 最 大 横 断 面 几 何 面 积
约 为 491 m 2 , 码 头 横 断 面 面 积 占 整 个 河 道 行 洪 面 积 的 比 值 约 为 1.22%, 该 面 积 比 值 不 大 ,
从 定 性 上 分 析 , 拟 建 工 程 的 修 建 对 河 道 行 洪 影 响 较 小 。
数 模 计 算 结 果 表 明 , 工 程 兴 建 后 , 对 河 道 洪 水 位 的 影 响 不 大 , 水 位 的 变 化 主 要 集 中 于 拟
建 工 程 周 围 局 部 区 域 内 , 表 现 为 拟 建 工 程 上 游 水 位 壅 高 , 下 游 水 位 降 低 。 在 以 上 各 组 水 流 条
件 下 , 工 程 后 水 位 壅 高 最 大 值 为 1.6 cm; 拟 建 工 程 水 位 影 响 范 围 在 码 头 上 游 310 m、 拟 建 工
程 下 游 390 m 内 ; 大 堤 近 岸 水 位 变 化 值 在 0.3 cm 左 右 。 因 此 , 工 程 的 修 建 对 该 河 段 的 防 洪
水 位 影 响 较 小 , 不 会 影 响 到 工 程 范 围 内 大 堤 的 防 洪 标 准 。 工 程 对 流 场 的 影 响 仅 限 于 码 头 上 下
游 及 其 局 部 区 域 , 在 防 洪 设 计 洪 水 ( 低 潮 位 ) 条 件 下 流 速 影 响 最 大 , 工 程 后 流 速 增 加 最 大 值
为 0.06 m/s, 流 速 减 小 最 大 值 为 0.21 m/s, 工 程 河 段 流 态 没 有 明 显 变 化 , 主 流 位 置 稳 定 。
总 之 , 工 程 的 修 建 对 河 道 水 位 流 场 影 响 不 大 , 不 会 对 河 道 行 洪 带 来 明 显 不 利 影 响 。
因 此 , 工 程 的 兴 建 不 会 对 河 道 行 洪 带 来 明 显 不 利 影 响 。
453

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
5.3 对 堤 防 工 程 影 响 分 析
根 据 《 中 华 人 民 共 和 国 防 洪 法 》 和 《 中 华 人 民 共 和 国 河 道 管 理 条 例 》, 修 建 码 头 等 工 程
不 得 危 害 堤 防 安 全 。
拟 建 工 程 包 括 码 头 、 引 桥 等 工 程 。 拟 建 码 头 引 桥 直 接 与 滩 地 上 护 岸 相 交 于 7.25 m, 然
后 通 过 缓 坡 与 滩 地 相 交 于 6.8 m, 然 后 直 接 进 入 厂 区 后 方 陆 域 。 通 过 岸 坡 稳 定 计 算 结 果 表 明 ,
在 计 算 条 件 下 , 工 程 兴 建 前 后 引 桥 断 面 边 坡 最 小 抗 滑 安 全 系 数 可 满 足 规 范 要 求 。 由 于 工 程 附
近 没 有 堤 防 , 河 道 处 在 天 然 的 演 变 之 中 , 后 方 陆 域 地 面 较 高 , 因 此 , 工 程 的 兴 建 不 会 影 响 工
程 附 近 的 防 洪 。
5.4 工 程 建 设 对 防 洪 通 道 及 防 汛 抢 险 的 影 响 分 析
目 前 拟 建 码 头 工 程 附 近 主 要 以 离 江 岸 700m 左 右 的 临 江 路 作 为 防 汛 通 道 , 码 头 工 程 和 厂
区 等 建 筑 物 均 布 置 在 临 江 路 的 临 江 侧 , 因 此 工 程 的 修 建 不 会 影 响 原 有 的 防 汛 通 道 和 防 汛 抢 险
的 畅 通 。 在 码 头 工 程 施 工 期 , 尽 量 避 开 长 江 防 汛 期 , 工 程 后 及 时 清 理 施 工 场 地 内 临 时 建 筑 物
等 行 洪 障 碍 物 , 以 减 小 对 长 江 行 洪 渡 汛 的 影 响 。
另 外 , 在 防 汛 期 间 , 厂 区 运 输 车 辆 不 得 妨 碍 防 汛 车 辆 的 通 行 。
5.5 对 第 三 人 的 合 法 水 事 权 益 影 响
工 程 下 游 2.3 km 为 大 港 河 口 , 在 工 程 上 游 3km 有 中 盛 粮 油 码 头 、 工 程 上 游 2.8 km 有
6940 码 头 、 工 程 上 游 2.5 km 有 港 龙 石 化 码 头 , 紧 邻 拟 建 工 程 有 大 港 三 期 码 头 , 工 程 下 游 2.0 km
有 大 港 新 区 码 头 、 工 程 下 游 3.0 km 有 大 港 码 头 。
由 于 拟 建 码 头 紧 邻 大 港 三 期 码 头 , 故 对 其 影 响 稍 大 , 在 防 洪 设 计 洪 水 条 件 下 , 大 港 三 期
码 头 上 游 侧 处 水 位 壅 高 约 1.5 cm, 流 速 减 小 约 0.21 m/s。 建 议 建 设 单 位 与 大 港 三 期 码 头 做
好 协 调 工 作 。
由 于 大 港 河 口 距 工 程 较 远 , 因 此 拟 建 工 程 对 其 基 本 无 影 响 。 中 盛 粮 油 码 头 、6940 码 头 、
港 龙 石 化 码 头 、 大 港 新 区 码 头 及 大 港 码 头 距 本 工 程 均 较 远 , 因 此 拟 建 工 程 的 兴 建 不 会 对 其 产
生 明 显 不 利 影 响 。
由 此 可 见 , 除 对 大 港 三 期 码 头 影 响 稍 大 外 , 工 程 的 兴 建 对 附 近 河 口 和 已 建 工 程 影 响 较 小 ,
不 会 对 第 三 人 合 法 水 事 权 益 造 成 明 显 不 利 影 响 。
5.6 施 工 期 防 洪 影 响 分 析
拟 建 工 程 所 在 地 的 长 江 水 位 一 般 每 年 5~10 月 为 洪 水 期 ,11~3 月 为 枯 水 期 。 拟 建 工 程
的 水 工 建 筑 物 的 基 础 工 程 安 排 在 枯 水 季 节 施 工 时 , 因 此 工 程 施 工 不 会 对 河 道 行 洪 带 来 大 的 影
响 。
由 于 工 区 面 临 长 江 主 航 道 , 施 工 期 应 按 航 道 管 理 部 门 要 求 , 设 置 警 示 标 志 。 施 工 期 间 应
加 强 对 长 江 水 文 观 测 , 一 旦 发 现 有 可 能 对 施 工 安 全 造 成 威 胁 的 现 象 , 应 立 即 停 止 施 工 。
施 工 结 束 应 立 即 清 理 滩 地 上 的 弃 土 弃 渣 , 已 满 足 安 全 渡 汛 要 求 。
6 结 论
(1) 工 程 所 在 的 大 港 水 道 长 期 以 来 始 终 保 持 主 流 靠 南 岸 的 微 弯 形 河 势 , 年 际 间 的 冲 淤
变 化 以 及 受 和 畅 洲 汊 道 变 化 影 响 的 河 床 冲 淤 幅 度 均 相 对 较 小 , 具 备 拟 建 工 程 建 设 的 水 域 条
件 。
(2) 防 洪 评 价 计 算 结 果 表 明 , 在 选 取 的 三 组 计 算 水 流 条 件 下 , 拟 建 工 程 建 成 后 , 水 位
最 大 壅 高 1.6 cm, 水 位 最 大 降 低 1.8 cm, 水 位 影 响 范 围 在 工 程 上 游 310 m、 下 游 390 m 的
454

第 二 部 分 工 程 水 力 学
局 部 区 域 内 。 工 程 对 流 场 的 影 响 局 限 于 工 程 上 下 游 及 其 附 近 局 部 区 域 , 局 部 区 域 流 速 最 大 增 加
0.06 m/s, 最 大 减 小 0.21 m/s, 流 速 影 响 最 大 范 围 在 拟 建 工 程 上 游 300 m、 下 游 810 m 和 码
头 前 沿 线 外 侧 宽 170 m 范 围 内 。
(3) 河 势 稳 定 影 响 分 析 、 行 洪 及 防 洪 影 响 分 析 表 明 , 拟 建 工 程 对 工 程 河 段 水 位 及 流 场 影
响 不 大 , 影 响 范 围 有 限 , 不 会 对 工 程 所 在 河 段 河 势 、 行 洪 产 生 明 显 不 利 影 响 ; 该 工 程 的 兴 建
对 附 近 河 口 不 会 产 生 明 显 不 利 影 响 。
(4) 根 据 平 面 布 置 和 影 响 计 算 成 果 分 析 需 对 船 台 结 构 进 一 布 优 化 , 以 减 小 对 长 江 河 道 的
影 响 。
参 考 文 献
[1] 刘 娟 , 舒 行 瑶 . 镇 扬 河 段 和 畅 洲 汊 道 二 期 整 治 工 程 [J]. 水 利 水 电 快 报 ,2002 年 23 卷 24 期 .
[2] 林 木 松 , 卢 金 友 , 张 岱 峰 , 等 . 长 江 镇 扬 河 段 和 畅 洲 汊 道 演 变 和 治 理 工 程 [J]. 长 江 科 学 院 院 报 ,2006,
23(5).
[3] 余 文 畴 , 卢 金 友 . 长 江 河 道 演 变 与 治 理 [M]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ./ 2005-8-1[ISBN 号 ]:
9787508428338 / 7508428331.
455

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
堤 坝 溃 口 周 界 近 壁 区 紊 动 强 度 试 验 研 究
侯 斌 刘 晓 平 刘 洋 王 能 贝 潘 宣 何
( 长 沙 理 工 大 学 长 沙 410076 houbin0719@yahoo.com.cn)
摘 要 试 验 模 拟 在 洪 水 期 间 , 由 于 漫 堤 导 致 溃 堤 时 溃 口 的 扩 展 情 况 , 根 据 无 粘 性 土 堤 和 粘 性 土
堤 动 床 模 型 的 试 验 成 果 , 建 立 定 床 模 型 试 验 , 对 溃 口 近 壁 区 域 水 流 的 三 维 流 速 进 行 测 量 , 对 堤 坝
近 壁 区 的 水 紊 动 流 特 性 进 行 研 究 , 从 而 分 析 紊 动 水 流 对 堤 坝 溃 决 的 影 响 , 为 抗 洪 抢 险 的 实 施 提 供
参 考 。
关 键 字 航 道 工 程 堤 坝 溃 决 ; 模 型 试 验 ; 三 维 流 速
1 前 言
河 堤 溃 决 造 成 的 洪 水 , 其 数 量 级 要 远 大 于 降 雨 造 成 的 洪 水 , 加 之 传 播 速 度 非 常 十 分 快 ,
会 给 周 边 地 区 带 来 巨 大 损 失 。 因 此 , 模 拟 溃 堤 过 程 , 了 解 溃 口 处 水 流 三 维 特 性 对 堤 坝 的 影 响 ,
对 抗 洪 救 灾 措 施 和 方 案 的 制 定 等 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。
在 对 堤 坝 溃 决 的 研 究 中 , 很 多 从 大 坝 的 溃 决 经 验 中 取 得 的 , 大 坝 溃 决 模 型 相 继 开 发 出 了
DAMBRK 模 型 、BEED 模 型 、BREACH 模 型 , 以 及 最 近 开 发 出 来 的 “ 陡 坎 ” 冲 刷 模 型 , 美 国 和 欧
洲 近 年 来 做 了 大 量 溃 坝 试 验 , 在 对 试 验 及 溃 坝 实 例 的 观 察 基 础 上 , 拉 尔 斯 顿 (Ralston), 瓦 尔
和 汉 森 等 研 究 者 提 出 了 一 种 新 的 土 坝 漫 溃 机 理 ——“ 陡 坎 ” 冲 刷 (headcut-erosion)。“ 陡 坎 ”
( headcut) 是 指 地 面 ( 河 床 面 ) 在 高 程 上 突 降 , 类 似 于 瀑 布 状 的 地 貌 形 态 。 而 对 堤 坝 溃 决 研 究
中 , 以 数 学 模 型 研 究 为 主 , 通 过 建 立 一 维 和 二 维 耦 合 模 型 进 行 研 究 , 但 堤 坝 溃 决 周 围 水 流 明
显 呈 现 出 三 维 特 性 , 采 用 一 维 或 二 维 模 型 需 要 进 行 一 系 列 的 假 定 , 从 而 加 大 模 型 计 算 误 差 ,
与 实 际 堤 坝 溃 决 模 型 差 距 较 大 。
在 堤 防 溃 决 的 过 程 中 , 溃 口 形 状 变 化 较 快 , 与 水 接 触 的 边 界 也 会 随 之 改 变 , 边 界 条 件 的
不 断 改 变 为 溃 口 水 流 提 供 紊 源 , 造 成 溃 口 水 流 的 紊 动 。 溃 口 边 界 泥 沙 的 运 动 与 猝 发 现 象 有 着
密 切 的 联 系 , 特 别 是 近 壁 区 (y/h

第 二 部 分 工 程 水 力 学
15
15
10
10
5
5
y
0
-5
y
0
-5
-10
-10
-15
-15
x
0 5 10 15
图 1 地 形 等 值 线 图
x
0 5 10 15
图 2 水 面 线 等 值 线 图
3 试 验 结 果 分 析
3.1 溃 口 周 界 近 壁 区 流 速 研 究 分 析
河 流 明 渠 大 尺 度 紊 动 起 源 与 边 界 的 扰 动 息 息 相 关 , 溃 口 边 界 的 改 变 对 水 流 的 干 扰 作 用 首
先 作 用 在 近 壁 流 层 区 , 通 过 近 壁 区 流 层 的 旋 涡 紊 动 逐 渐 扩 散 到 整 个 流 区 , 水 流 流 经 堤 坝 溃 口
后 , 堤 坝 溃 口 内 的 水 面 形 态 发 生 明 显 变 化 。 本 试 验 对 堤 坝 溃 口 周 界 的 近 壁 流 速 进 行 了 测 量 ,
试 验 结 果 如 图 3、 图 4 所 示 :
15
10
5
0
y
-5
-10
-15
图 3 近 壁 区 二 维 平 面 流 速 图
0 5 10 15
x
图 4 近 壁 区 垂 向 流 速 等 值 线 图
从 以 上 结 果 分 析 可 知 , 水 流 进 入 堤 坝 溃 口 后 , 水 流 结 构 重 新 调 整 , 流 速 沿 纵 向 、 河 宽 和
水 深 三 个 方 向 的 分 布 发 生 变 化 。 流 速 沿 纵 向 和 河 宽 方 向 重 分 布 表 现 为 : 由 于 堤 坝 溃 口 的 束 窄
影 响 , 在 溃 口 入 口 处 水 流 变 化 明 显 , 近 壁 区 纵 向 流 速 的 整 体 趋 势 是 不 断 增 加 的 。 但 由 于 溃 口
并 未 发 展 完 全 , 在 x=10 处 属 于 堤 坝 斜 坡 的 一 小 部 分 并 未 完 全 被 冲 刷 破 坏 , 该 部 分 相 对 于 上
游 河 床 微 微 凸 起 , 故 在 此 纵 向 流 速 遇 到 阻 碍 , 流 速 减 缓 。 由 于 下 游 河 床 高 程 相 对 上 游 较 低 ,
导 致 堤 坝 溃 口 至 出 口 段 水 流 流 速 加 速 , 近 壁 区 纵 向 最 大 流 速 由 0.1 m/s 增 大 到 1.3 m/s。
而 对 于 横 向 流 速 , 在 溃 口 入 口 处 流 速 也 是 不 断 增 大 , 这 是 由 于 水 流 逐 渐 向 溃 口 处 汇 集 ,
水 流 到 达 溃 口 , 横 向 流 速 达 到 最 大 , 而 在 x=10 处 溃 口 底 部 河 床 出 现 微 凸 后 , 底 部 水 流 遇 到
河 床 的 微 凸 的 抵 触 后 , 横 向 流 速 迅 速 减 小 , 另 外 两 侧 横 向 水 流 互 相 发 生 碰 撞 , 也 导 致 流 速 的
减 小 。 并 且 在 溃 口 段 底 部 横 向 流 速 开 始 指 向 主 流 中 心 线 , 而 观 测 到 的 表 面 横 向 流 速 则 指 向 溃
457

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
口 边 界 , 表 明 该 处 已 有 横 向 环 流 产 生 。 在 横 向 环 流 的 作 用 下 , 水 流 对 堤 坝 边 壁 不 断 进 行 淘 刷 ,
导 致 溃 口 边 壁 的 泥 沙 迅 速 起 动 并 带 向 下 游 , 从 而 加 速 堤 坝 坍 塌 溃 决 。
床 面 垂 向 流 速 受 到 河 床 地 形 影 响 较 大 , 由 于 入 口 处 的 河 床 地 形 基 本 为 一 平 面 , 垂 向 流 速
变 化 不 大 , 但 在 x=10 处 溃 口 底 部 河 床 出 现 微 凸 后 , 垂 向 流 速 迅 速 增 大 , 而 在 溃 口 出 口 底 部
为 一 斜 坡 , 水 流 出 现 跌 落 , 垂 向 流 速 迅 速 减 小 , 在 溃 口 进 口 处 流 速 经 过 几 次 小 的 波 动 , 流 速
自 动 调 整 为 平 顺 状 态 。
3.2 溃 口 周 界 近 壁 区 紊 动 强 度 研 究 分 析
本 研 究 利 用 NDV 能 同 时 获 取 三 个 脉 动 流 速 分 量 数 据 的 优 点 , 获 得 了 大 量 的 三 维 信 息 , 通
过 紊 动 强 度 与 三 维 流 速 的 关 系 式 转 换 计 算 紊 动 强 度 值 如 下 图 :
15
15
15
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10
10
5
5
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y
0
y
0
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0
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-15
-15
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x
0 5 10
x
15
0 5 10 15
x
图 5 近 壁 区 纵 向 紊 动 强 度 等 值 线 图 图 6 近 壁 区 横 向 紊 动 强 度 等 值 线 图 图 7 近 壁 区 垂 向 紊 动 强 度 等 值 线 图
在 水 流 到 达 溃 口 附 近 , 紊 动 强 度 的 分 布 发 生 改 变 , 如 图 5、 图 6 所 示 。 紊 流 核 心 区 是 溃
口 边 界 区 域 , 从 两 张 图 中 紊 动 强 度 的 数 值 来 看 , 无 论 是 纵 向 还 是 横 向 紊 动 强 度 , 在 溃 口 顶 部
边 壁 附 近 明 显 。 进 口 段 纵 向 水 流 受 到 堤 坝 的 阻 碍 , 水 流 向 溃 口 汇 集 , 流 速 迅 速 增 大 , 受 到 堤
坝 的 干 扰 也 逐 渐 明 显 , 脉 动 流 速 加 大 , 导 致 纵 向 紊 动 强 度 变 化 明 显 , 对 边 壁 作 用 也 加 大 。
横 向 流 速 在 进 口 至 溃 口 段 , 基 本 呈 现 出 沿 堤 坝 边 界 逐 渐 增 大 的 现 象 , 在 溃 口 至 出 口 段 ,
横 向 环 流 对 堤 坝 坝 身 不 断 淘 刷 , 其 附 近 水 流 也 将 受 到 来 自 边 壁 的 干 扰 , 淘 刷 越 明 显 , 受 到 边
壁 的 干 扰 也 就 越 强 烈 , 从 而 使 水 流 的 脉 动 流 速 越 大 , 紊 动 强 度 越 大 。 从 图 6 中 可 以 看 出 , 在
入 口 段 、 溃 口 段 都 有 一 个 位 置 紊 动 强 烈 区 , 它 的 产 生 是 由 于 边 界 条 件 改 变 较 大 , 产 生 较 大 的
脉 动 引 起 紊 动 强 度 的 增 加 。
垂 向 紊 动 强 度 受 到 底 部 河 床 高 程 影 响 较 大 , 在 河 床 高 程 变 化 明 显 的 位 置 紊 动 强 度 变 化 较
大 。 由 于 与 溃 口 微 凸 相 连 接 的 是 一 道 斜 坡 , 水 流 会 有 跌 落 的 过 程 , 引 起 垂 向 脉 动 急 剧 增 加 。
从 以 上 分 析 可 以 得 出 结 论 , 在 溃 口 附 近 , 水 流 的 紊 动 特 性 增 强 , 溃 口 进 口 处 边 壁 附 近 的
紊 动 强 度 较 大 , 该 处 是 导 致 紊 动 强 度 梯 度 变 化 起 始 的 区 域 , 也 是 主 要 的 紊 源 所 在 。 紊 动 强 度
变 化 主 要 原 因 有 两 个 方 面 , 一 是 受 流 速 的 影 响 , 二 是 受 边 壁 的 影 响 。 流 速 较 大 的 地 方 , 附 近
各 质 点 的 能 量 交 换 增 加 , 其 附 近 的 紊 动 强 度 必 然 也 很 大 。 同 时 , 边 壁 对 质 点 有 本 能 的 反 射 作
用 , 而 质 点 本 身 又 具 有 惯 性 , 这 样 使 局 部 水 流 的 紊 动 增 强 。 从 这 一 点 来 看 , 紊 动 强 度 的 增 加
会 使 溃 口 边 壁 出 现 反 复 的 淘 刷 等 , 加 速 堤 坝 的 坍 塌 。
458

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4 结 语
通 过 对 堤 坝 溃 口 附 近 水 流 流 态 的 分 析 , 研 究 了 溃 口 周 界 的 水 流 流 速 和 紊 动 强 度 分 布 的 规
律 , 同 时 也 探 讨 了 水 流 流 态 对 堤 坝 溃 口 的 稳 定 性 的 影 响 。 研 究 得 出 , 由 于 边 界 条 件 的 影 响 在
溃 口 周 界 区 域 , 流 速 梯 度 变 化 明 显 , 尤 其 是 横 向 流 速 差 异 较 大 , 在 溃 口 区 域 形 成 复 杂 的 三 维
水 流 , 从 而 形 成 较 为 明 显 的 横 向 环 流 , 对 堤 坝 坝 身 反 复 淘 刷 , 导 致 堤 坝 溃 口 处 泥 沙 的 起 动 并
带 向 下 游 。 同 时 , 在 靠 近 堤 坝 边 壁 处 水 流 的 紊 动 特 性 增 强 , 紊 动 强 度 达 到 最 大 。 由 于 试 验 中
室 内 缩 尺 试 验 对 水 流 紊 动 强 度 的 影 响 , 与 实 际 堤 坝 溃 决 仍 存 在 一 定 的 差 别 。
通 过 对 溃 口 边 壁 水 流 结 构 的 测 量 , 发 现 横 向 环 流 的 反 复 淘 刷 严 重 影 响 了 堤 坝 坝 身 的 稳 定
性 。 要 维 持 堤 坝 坝 身 的 稳 定 , 就 要 解 决 溃 口 附 近 水 流 的 横 向 环 流 作 用 , 建 议 在 抢 险 过 程 中 溃
口 附 近 增 设 障 碍 物 以 阻 止 水 流 的 横 向 流 动 , 从 而 降 低 横 向 环 流 对 堤 坝 坝 身 的 淘 刷 作 用 , 以 达
到 阻 止 堤 坝 溃 口 进 一 步 扩 大 。
参 考 文 献
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459

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
刚 性 阻 流 板 和 柔 性 导 流 板 对 海 底 管 线 防 护 的
对 比 试 验 研 究
韩 艳 拾 兵 任 兴 月 杨 立 鹏
( 中 国 海 洋 大 学 工 程 学 院 青 岛 市 松 岭 路 238 号 266100 hanyanainy@126.com)
摘 要 通 过 物 理 模 型 试 验 对 单 向 恒 定 流 作 用 下 安 装 柔 性 导 流 板 、 刚 性 阻 流 板 和 无 导 流 板 的 海 底
管 线 周 围 压 力 分 布 和 冲 刷 坑 进 行 了 比 较 。 试 验 结 果 表 明 刚 性 阻 流 板 加 剧 海 床 冲 刷 , 冲 刷 深 度 和 冲
刷 范 围 都 明 显 增 大 , 并 且 使 管 线 受 到 向 下 的 压 力 , 可 以 实 现 管 线 自 埋 。 柔 性 导 流 板 减 缓 海 床 冲 刷 ,
冲 刷 深 度 明 显 减 小 , 并 使 管 线 受 到 向 上 的 升 力 , 能 够 防 止 管 线 被 冲 刷 和 下 沉 。 对 比 两 者 对 海 底 管
线 不 同 的 防 护 作 用 , 刚 性 阻 流 板 虽 然 可 以 实 现 管 线 自 埋 , 但 是 对 管 线 周 围 海 床 侵 蚀 严 重 , 对 海 底
环 境 造 成 破 坏 , 而 柔 性 导 流 板 在 有 效 地 防 止 管 线 的 冲 刷 和 下 沉 的 同 时 , 对 海 洋 环 境 保 护 起 到 了 有
利 的 作 用 。
关 键 词 海 底 管 线 ; 柔 性 导 流 板 ; 刚 性 阻 流 板 ; 压 力 ; 升 力 ; 冲 刷 坑
1 前 言
海 底 油 气 输 送 管 道 是 海 上 油 气 开 发 中 油 气 传 输 的 主 要 方 式 , 是 海 洋 油 气 生 产 系 统 中 一 个
不 可 缺 少 的 重 要 组 成 部 分 。 由 于 海 底 管 道 所 处 的 海 洋 动 力 环 境 非 常 恶 劣 , 许 多 不 确 定 因 素 的
相 互 影 响 使 得 海 底 管 道 的 铺 设 和 运 营 风 险 俱 增 , 因 冲 蚀 悬 空 而 造 成 破 坏 的 报 道 一 直 层 出 不
穷 。 随 着 我 国 深 海 油 气 资 源 的 不 断 开 发 , 海 底 管 线 在 海 洋 工 程 中 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 因 此 海
洋 动 力 作 用 下 管 线 冲 刷 、 破 坏 及 防 护 问 题 也 越 来 越 引 起 广 大 海 洋 工 程 技 术 人 员 的 关 注 。 开 展
海 底 管 线 防 护 问 题 的 研 究 , 具 有 一 定 的 理 论 和 工 程 应 用 价 值 .
国 外 对 管 线 安 装 阻 流 板 (Spoiler) 的 自 埋 技 术 研 究 得 较 多 。 在 单 向 流 作 用 下 ,Hulsbergen,
C.H [1] 研 究 了 管 线 顶 部 和 底 部 附 加 2 个 1/4D(D 管 道 直 径 ) 长 度 的 阻 流 板 对 管 线 冲 刷 的 影 响 ,
发 现 管 下 冲 刷 比 无 阻 流 板 的 管 线 冲 刷 增 加 了 4 倍 。Gokce, K.T. 和 Gunbak, A.R. [2] 研 究 了 波
浪 作 用 下 的 阻 流 板 对 管 线 的 冲 刷 影 响 , 发 现 附 加 阻 流 板 后 管 线 冲 刷 深 度 增 加 了 。Chiew, Y.M. [3、4]
研 究 了 单 向 流 作 用 下 阻 流 板 的 安 装 方 位 对 海 底 管 线 的 冲 刷 影 响 , 并 观 测 了 附 加 阻 流 板 后 海 底
0
0 0
管 线 冲 刷 的 增 加 深 度 。 发 现 a = ±30 对 管 下 冲 刷 最 有 效 , 当 a 在 30 - 70 范 围 内 变 化 时 对
0
0
管 线 尾 流 区 内 的 冲 刷 影 响 较 大 , 而 a = ±120 和 ± 135 时 , 二 次 冲 刷 坑 被 形 成 。Romke
Bijker [5] 的 试 验 研 究 认 为 , 阻 流 板 影 响 管 线 周 边 的 流 场 和 压 力 场 , 因 阻 挡 面 积 的 增 大 , 海 流
拖 曳 力 系 数 增 加 , 上 举 力 系 数 减 少 , 管 底 冲 刷 加 剧 。 由 冲 刷 引 起 的 悬 跨 管 线 下 沉 经 偏 转 进 入
冲 刷 坑 内 , 能 实 现 沙 质 海 床 管 线 自 埋 。L. Cheng 和 L.W. Chew 【6】 通 过 数 值 模 拟 得 出 阻 流 板 明
显 增 大 了 管 线 上 游 表 面 的 压 力 , 减 小 了 管 线 背 部 基 底 的 压 力 。 因 此 拖 曳 力 和 升 力 绝 对 值 明 显
增 大 , 使 管 线 受 到 相 当 大 的 向 下 的 力 。 阻 流 板 使 管 线 和 海 床 之 间 的 水 流 速 度 增 大 是 增 大 局 部
冲 刷 深 度 的 主 要 原 因 。 阻 流 板 增 大 了 管 线 附 近 的 涡 旋 强 度 , 从 而 导 致 尾 流 冲 刷 增 加 。
到 目 前 , 对 海 底 管 线 上 安 装 刚 性 阻 流 板 的 研 究 很 多 , 然 而 , 刚 性 阻 流 板 会 增 大 管 线 阻 力 ,
增 大 床 面 冲 刷 , 加 大 海 床 扰 动 范 围 , 影 响 海 床 的 稳 定 。 因 此 , 本 文 旨 在 与 刚 性 阻 流 板 对 比 ,
460

第 二 部 分 工 程 水 力 学
研 究 柔 性 导 流 板 对 海 底 管 线 的 防 护 作 用 。
2 试 验 研 究
2.1 试 验 布 置
本 试 验 在 长 30 m、 宽 0.6 m、 深 1 m 的 波 流 水 槽 中 进 行 , 管 线 模 型 采 用 直 径 为 10 cm,
长 度 为 60 cm 的 有 机 玻 璃 管 加 工 而 成 , 模 型 布 置 如 图 1 所 示 。 管 线 放 置 在 厚 度 为 20 cm 的 细
沙 之 上 ,12 个 压 力 传 感 器 均 匀 布 置 在 管 线 中 心 断 面 ( 距 水 槽 两 侧 壁 面 均 为 30 cm) 的 圆 管 外
表 面 。 试 验 采 用 h=0.125D、0.25D、0.375D、0.5D(D 为 管 线 直 径 ),4 种 高 度 的 刚 性 阻 流 板 ,
刚 性 阻 流 板 由 厚 度 为 7 mm 的 有 机 玻 璃 加 工 而 成 , 安 装 在 管 线 中 轴 线 正 上 方 , 模 型 布 置 如 图
10。 试 验 采 用 s=0.5D 、0.75D、1.0D、1.25D 四 种 长 度 的 柔 性 导 流 板 , 柔 性 导 流 板 由 厚 度 3 mm
的 软 塑 料 板 加 工 而 成 , 安 装 在 管 线 中 轴 线 正 下 方 , 向 水 流 下 游 方 向 延 展 , 模 型 布 置 如 图 11。
1Vectrino 点 式 流 速 仪 器 2 笔 记 本 3 造 流 机 4 水 泵 5 消 能 滩
6 水 库 7 数 据 采 集 仪 8 循 环 泵 实 验 布 置
图 1 试 验 系 统 布 置 图
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
粒 径 /mm
小 于 某 粒 径 含 量 累 计 百 分 比 /%
图 2 试 验 沙 粒 径 级 配 曲 线
2.2 试 验 内 容
本 试 验 根 据 刚 性 阻 流 板 和 柔 性 导 流 板 的 不 同 长 度 分 为 若 干 种 工 况 , 分 别 对 各 种 工 况 下 管
线 表 面 的 压 力 和 管 线 下 方 的 冲 刷 坑 进 行 了 测 量 。 试 验 采 用 高 精 度 点 式 压 力 传 感 器 测 量 管 线 外
表 面 的 动 水 压 强 , 采 用 水 位 测 针 和 标 尺 测 量 冲 刷 坑 的 深 度 和 范 围 。
2.3 试 验 参 数
试 验 沙 厚 度 为 20 cm, 颗 粒 级 配 曲 线 如 图 2 所 示 , 中 值 粒 径 d
50
=0.85 mm, 标 准 偏 差
s =2.05。 水 深 是 沙 面 以 上 50 cm 高 , 水 流 为 单 项 恒 定 流 , 断 面 平 均 流 速 为 0.247 m/s。 试
g
验 水 温 20℃, 其 运 动 粘 滞 系 数 为 u =1.01×10 6 m 2 /s, 雷 诺 数 Re 为 3.46×10 4 。
2 实 验 数 据 分 析
3.1 压 力 系 数 比 较
在 试 验 过 程 中 , 通 过 压 力 传 感 器 测 得 对 应 测 点 上 的 动 水 压 强 值 , 计 算 得 到 流 体 压 强 引 起
的 圆 管 表 面 拖 曳 力 Fd 和 升 力 Fl:
461

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
F
d
12
= -
å
n=
1
pD
p
12
n
np
cos( ) F
6 ,
l
12
= -
å
n=
1
pD
p
12
n
np
sin( )
6
(1)
式 中 :n 为 测 点 编 号 ;
p n
为 第 n 个 测 点 上 测 得 的 动 水 压 强 值 ;D 为 圆 管 的 直 径 。
拖 曳 力 系 数 C
d
和 升 力 系 数 C
l
为 : C
d
2F
= ,
rDU
d
2
m
C
l
2F
= (2)
rDU
l
2
m
C
测 点 压 力 系 数 定 义 为 :
p
=
p
2
1/
2rum
(3)
式 中 : U 均 为 管 轴 位 置 的 来 流 流 速 的 平 均 值 , 本 实 验 该 值 为 恒 定 值 0.24 m/s。
m
图 3 和 图 4 分 别 是 安 装 刚 性 阻 流 板 、 柔 性 导 流 板 与 无 导 流 板 的 圆 管 表 面 压 力 系 数 在 整 个
冲 刷 过 程 的 平 均 值 。 无 导 流 板 的 管 线 表 面 压 力 系 数 分 布 呈 现 很 强 的 规 律 性 , 只 有 管 线 上 游 迎
水 面 压 力 系 数 为 正 值 , 其 他 位 置 压 力 系 数 均 为 负 值 。 如 图 来 流 在 测 点 1 附 近 发 生 边 界 层 分 离 。
安 装 刚 性 阻 流 板 和 柔 性 导 流 板 改 变 了 管 线 周 围 压 力 分 布 和 边 界 层 分 离 点 的 位 置 。
图 3 所 示 为 安 装 刚 性 阻 流 板 的 管 线 表 面 压 力 分 布 , 安 装 刚 性 阻 流 板 后 , 管 线 上 方 压 强 增
大 (10、11、12 测 点 所 示 ), 管 线 下 方 压 强 减 小 (5、6、7 测 点 所 示 ), 因 此 管 线 受 到 向 下 的
压 力 而 下 沉 , 为 实 现 管 线 自 埋 提 供 了 条 件 。 管 线 表 面 在 阻 流 板 的 上 游 位 置 压 力 系 数 增 大 , 如
图 10,11 测 点 所 示 , 这 是 阻 流 板 对 来 流 产 生 强 大 的 阻 力 作 用 造 成 的 。 而 从 测 点 12 开 始 压 力
系 数 突 然 减 小 , 这 是 由 于 在 阻 流 板 的 位 置 ( 测 点 12 附 近 ) 水 流 已 发 生 边 界 层 分 离 , 即 分 离
点 比 无 导 流 板 的 管 线 提 前 , 因 此 尾 流 旋 涡 区 域 增 大 。 管 线 下 游 表 面 的 压 力 系 数 为 负 值 , 且 明
显 加 大 , 如 图 2、3、4、5 测 点 所 示 。 这 表 明 安 装 阻 流 板 后 , 尾 流 处 涡 旋 强 度 明 显 增 大 。 与
L.Cheng [6] 的 数 值 模 拟 结 果 相 一 致 。
图 4 所 示 为 安 装 柔 性 导 流 板 的 管 线 表 面 压 力 分 布 , 与 无 导 流 板 的 压 力 分 布 相 比 , 安 装 柔
性 导 流 板 的 管 线 下 方 的 压 力 增 大 ( 如 图 4 中 管 线 表 面 第 5、6、7 测 点 所 示 ), 管 线 上 方 的 压
力 明 显 减 小 ( 如 图 4 中 管 线 表 面 1、12、11 测 点 所 示 ), 管 线 表 面 其 他 位 置 的 压 力 与 无 导 流
板 相 比 变 化 不 大 。 因 此 管 线 受 到 向 上 的 升 力 , 阻 止 了 管 线 的 下 沉 。 安 装 柔 性 导 流 板 后 , 来 流
的 边 界 层 分 离 点 发 生 在 测 点 2 附 近 , 相 比 无 导 流 板 的 分 离 点 在 测 点 1 附 近 , 分 离 点 推 后 , 因
此 尾 流 旋 涡 区 域 减 小 。 管 线 下 游 表 面 的 压 力 系 数 为 负 值 , 比 无 导 流 板 的 管 线 此 位 置 的 压 力 系
数 减 小 , 如 图 2、3、4、5 测 点 所 示 。 这 表 明 安 装 导 流 板 后 , 尾 流 处 涡 旋 强 度 减 小 。
图 3 安 装 刚 性 阻 流 板 的 管 线 表 面 压 力 分 布
图 4 安 装 柔 性 导 流 板 的 管 线 表 面 压 力 分 布
3.2 升 力 系 数 比 较
图 5 和 图 7 分 别 是 在 冲 刷 过 程 中 , 刚 性 阻 流 板 、 柔 性 导 流 板 与 无 导 流 板 的 管 线 升 力 系 数
462

第 二 部 分 工 程 水 力 学
图 。 从 图 中 可 以 看 出 , 在 整 个 冲 刷 的 过 程 中 , 不 同 工 况 下 升 力 系 数 有 相 似 的 变 化 趋 势 , 都 是
先 减 小 再 增 大 , 到 达 一 定 时 间 后 趋 于 平 稳 。
如 图 5 所 示 为 光 滑 管 线 与 安 装 刚 性 阻 流 板 的 管 线 表 面 升 力 系 数 随 冲 刷 时 间 的 变 化 , 安 装
刚 性 阻 流 板 后 , 管 线 受 到 的 升 力 比 无 阻 流 板 的 情 况 明 显 减 小 , 并 且 升 力 系 数 是 负 值 , 即 管 线
受 到 的 是 向 下 的 压 力 , 从 而 实 现 了 管 线 的 下 沉 。 图 6 中 对 试 验 数 据 进 行 统 计 , 得 到 了 平 均 升
力 系 数 C 和 阻 流 板 高 度 与 管 径 比 值 h/D 拟 合 关 系 :
l
3
2
C l
= -12(
h / D)
+ 15( h / D)
- 6.8( h / D)
(4)
由 图 6 可 知 , 管 线 升 力 系 数 随 阻 流 板 高 度 的 增 加 而 减 小 , 即 管 线 受 到 的 是 向 下 的 压 力 随
阻 流 板 高 度 增 加 而 增 大 。
图 5 安 装 刚 性 阻 流 板 的 管 线 升 力 系 数 图
图 6 刚 性 阻 流 板 高 度 与 平 均 升 力 系 数 关 系 图
如 图 7 所 示 为 光 滑 管 线 与 安 装 柔 性 导 流 板 的 管 线 表 面 升 力 系 数 随 冲 刷 时 间 的 变 化 。 安 装
柔 性 导 流 板 后 , 管 线 受 到 的 升 力 明 显 增 大 , 而 且 升 力 系 数 为 正 值 , 即 管 线 受 到 向 上 的 升 力 ,
从 来 阻 止 了 管 线 下 沉 。 图 8 中 对 试 验 数 据 进 行 统 计 , 得 到 了 平 均 升 力 系 数 C 和 柔 性 导 流 板
长 度 与 管 径 比 值 h/D 拟 合 关 系 :
1
C l
= - 0.15
(5)
s / D
由 图 8 可 知 , 管 线 升 力 系 数 随 导 流 板 长 度 的 增 加 而 减 小 , 呈 现 双 曲 线 型 变 化 。 当 柔 性 导
流 板 长 度 为 0.5D 时 , 管 线 受 到 向 上 的 升 力 最 大 , 防 止 管 线 下 沉 的 效 果 最 好 。
l
图 7 安 装 柔 性 导 流 板 的 管 线 升 力 系 数 图
图 8 柔 性 导 流 板 长 度 与 升 力 系 数 关 系 图
3.3 冲 刷 坑 数 据 分 析
在 恒 定 流 作 用 下 , 无 导 流 板 的 光 滑 管 道 周 围 的 局 部 冲 刷 开 始 于 管 道 下 部 海 床 的 起 动 。 当
动 力 条 件 达 到 和 超 过 起 动 标 准 时 , 冲 刷 开 始 , 涡 旋 也 伴 随 产 生 。 这 种 管 道 下 部 的 冲 刷 通 常 被
成 为 隧 道 冲 刷 , 其 深 度 与 来 流 流 速 和 海 床 泥 沙 的 性 质 有 关 。 当 隧 道 冲 刷 形 成 后 , 管 前 分 离 的
来 流 在 管 后 汇 合 成 尾 流 对 下 游 床 面 造 成 冲 刷 , 这 被 称 为 下 游 尾 流 冲 刷 , 冲 刷 深 度 和 范 围 取 决
463

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
于 尾 流 和 涡 旋 的 大 小 和 强 度 。
在 水 流 和 海 床 等 外 界 因 素 都 不 变 的 情 况 下 , 分 别 对 安 装 刚 性 阻 流 板 和 柔 性 导 流 板 后 的 管
线 冲 刷 稳 定 后 的 冲 刷 坑 范 围 和 深 度 分 别 进 行 了 测 量 , 图 9 为 无 导 流 板 的 管 线 冲 刷 坑 图 , 图
10 为 安 装 不 同 高 度 的 刚 性 阻 流 板 后 管 线 的 冲 刷 坑 图 。 比 较 可 以 明 显 看 出 , 安 装 刚 性 阻 流 板
明 显 增 大 了 冲 刷 坑 的 深 度 和 范 围 。 无 导 流 板 的 冲 刷 坑 范 围 大 约 为 15 cm, 即 1.5D( 管 道 直 径
D=10 cm)( 如 图 9), 安 装 刚 性 阻 流 板 的 冲 刷 坑 范 围 大 约 为 25 cm, 即 2.5D( 如 图 10)。 冲 刷
坑 范 围 大 约 是 无 阻 流 板 的 1.7 倍 。 图 12 显 示 了 刚 性 阻 流 板 高 度 h 与 冲 刷 坑 深 度 G 的 无 量 纲
关 系 图 。 无 阻 流 板 的 冲 刷 坑 深 度 大 约 是 0.26D, 安 装 阻 流 板 后 , 深 度 明 显 增 大 , 随 着 阻 流 板
高 度 的 增 加 , 冲 刷 坑 深 度 有 先 增 大 后 减 小 的 趋 势 , 最 大 的 冲 刷 坑 深 度 达 到 0.54D, 是 无 阻 流
板 管 道 冲 刷 坑 深 度 的 两 倍 多 。
比 较 图 9 和 图 11, 安 装 柔 性 导 流 板 后 , 冲 刷 坑 深 度 减 小 , 冲 刷 范 围 向 管 线 下 游 方 向 偏
移 , 然 而 冲 刷 范 围 与 无 导 流 板 相 比 没 有 明 显 变 化 , 大 约 为 15 cm, 即 1.5D。 图 13 显 示 了 柔
性 导 流 板 长 度 s 与 冲 刷 坑 深 度 G 的 无 量 纲 关 系 图 , 安 装 柔 性 导 流 板 后 , 冲 刷 坑 深 度 减 小 明 显 ,
无 导 流 板 的 冲 刷 坑 深 度 约 为 0.26D, 安 装 柔 性 导 流 板 后 冲 刷 坑 深 度 减 小 至 0.17D-0.18D, 冲
刷 减 小 35%。 并 且 随 着 导 流 板 长 度 的 增 加 , 冲 刷 坑 深 度 变 化 不 大 。
图 9 无 导 流 板 管 线 冲 刷 坑 图
图 10 安 装 不 同 高 度 刚 性 阻 流 板 的 管 线 冲 刷 坑 图
464

第 二 部 分 工 程 水 力 学
图 11 安 装 不 同 长 度 柔 性 导 流 板 的 管 线 冲 刷 坑 图
G D
G/D
h/D
图 12 刚 性 阻 流 板 高 度 与 冲 刷 坑 深 度 关 系 图
s/D
图 13 柔 性 导 流 板 长 度 与 冲 刷 坑 深 度 关 系 图
对 比 柔 性 导 流 板 和 刚 性 阻 流 板 的 冲 刷 坑 试 验 结 果 , 可 以 得 出 : 刚 性 阻 流 板 明 显 增 大 了 冲
刷 深 度 , 能 够 为 管 线 自 埋 提 供 条 件 。 柔 性 导 流 板 明 显 减 小 了 冲 刷 深 度 , 为 防 止 管 线 下 沉 , 保
持 管 线 稳 定 提 供 了 条 件 。 两 者 从 不 同 角 度 对 管 线 防 护 起 到 了 不 同 的 作 用 。 然 而 , 安 装 刚 性 阻
流 板 后 , 明 显 增 大 了 冲 刷 范 围 , 对 海 床 造 成 严 重 的 侵 蚀 , 而 安 装 柔 性 导 流 板 后 , 冲 刷 范 围 与
无 导 流 板 相 比 没 有 明 显 变 化 , 对 保 护 海 床 稳 定 起 到 了 较 好 的 作 用 。
4 结 论
安 装 刚 性 阻 流 板 后 管 线 冲 刷 明 显 加 剧 , 尾 流 区 域 增 大 , 涡 旋 强 度 增 大 , 使 冲 刷 坑 的 范 围
和 深 度 都 明 显 增 大 。 最 大 的 冲 刷 坑 深 度 是 无 阻 流 板 管 道 冲 刷 坑 深 度 的 两 倍 多 。 冲 刷 坑 范 围 大
约 是 无 阻 流 板 的 1.7 倍 。 管 线 受 到 的 升 力 变 为 向 下 的 压 力 , 从 而 促 使 管 道 下 沉 自 埋 。
安 装 柔 性 导 流 板 后 , 冲 刷 明 显 减 缓 , 尾 流 区 域 减 小 , 涡 旋 强 度 减 小 , 冲 刷 坑 深 度 明 显 减
小 , 比 无 导 流 板 的 管 道 减 小 35% 左 右 。 管 线 受 到 的 向 上 的 升 力 明 显 增 大 , 防 止 了 管 线 下 沉 ,
保 持 了 管 线 的 稳 定 性 。 管 线 升 力 系 数 随 导 流 板 长 度 的 增 加 而 减 小 , 当 柔 性 导 流 板 长 度 为 0.5D
时 , 管 线 受 到 向 上 的 升 力 最 大 , 防 止 管 线 下 沉 的 效 果 最 好 。
安 装 刚 性 阻 流 板 后 可 以 实 现 管 线 自 埋 , 但 由 于 其 尾 流 冲 刷 严 重 , 对 管 线 周 围 海 床 造 成 严
重 的 侵 蚀 , 对 海 底 环 境 造 成 破 坏 。 安 装 柔 性 导 流 板 后 , 在 有 效 地 防 止 管 线 的 冲 刷 和 下 沉 的 同
时 , 减 小 了 对 海 床 的 侵 蚀 , 对 海 洋 环 境 保 护 起 到 了 有 利 的 作 用 。
465

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
参 考 文 献
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466

第 二 部 分 工 程 水 力 学
黄 河 下 游 建 造 活 动 式 导 流 网 设 想 的 可 行 性 研 究
邓 宇
1,2
王 娟
3
(1. 黄 河 水 利 科 学 研 究 院 河 南 郑 州 顺 河 路 45 号 450003 lanson0201@yahoo.com.cn
2. 水 利 部 堤 防 安 全 与 病 害 防 治 工 程 技 术 研 究 中 心 河 南 郑 州 顺 河 路 45 号
3. 清 华 大 学 水 沙 科 学 与 水 利 工 程 国 家 重 点 实 验 室 北 京 海 淀 区 清 华 大 学 )
摘 要 为 了 满 足 现 代 化 防 汛 抢 险 的 需 要 , 补 充 黄 河 下 游 机 械 化 抢 险 和 河 道 治 理 的 不 足 , 根 据 黄
河 下 游 目 前 的 情 况 , 从 充 分 利 用 现 有 资 源 和 实 际 应 用 需 要 的 角 度 出 发 , 提 出 了 一 种 活 动 式 导 流 网
的 设 想 。 通 过 对 活 动 式 导 流 网 设 计 方 案 的 介 绍 及 适 用 条 件 、 固 定 方 式 、 结 构 稳 定 性 的 分 析 , 论 证
了 以 钢 浮 箱 、 网 帘 结 构 为 基 础 的 活 动 式 导 流 网 导 流 设 计 方 案 的 可 行 性 。 研 究 表 明 , 这 种 活 动 式 导
流 网 结 构 投 资 少 、 施 工 工 艺 简 便 、 可 重 复 利 用 , 在 防 止 水 流 淘 刷 、 防 止 大 溜 顶 冲 局 部 河 势 、 缓 流
落 淤 等 方 面 都 能 发 挥 很 好 的 作 用 。 其 结 果 为 黄 河 下 游 活 动 式 导 流 装 置 的 深 入 研 究 提 供 了 可 供 借 鉴
的 参 考 。
关 键 词 导 流 网 ; 可 行 性 ; 活 动 式 ; 黄 河 下 游
由 于 黄 河 下 游 河 势 变 化 快 、 控 导 工 程 的 不 完 善 以 及 主 槽 不 稳 定 , 黄 河 险 情 的 时 空 变 化 对
抢 险 技 术 提 出 了 高 机 动 性 要 求 , 虽 然 目 前 黄 河 上 已 在 不 同 的 地 方 建 立 了 相 应 的 水 上 机 动 抢 险
队 , 但 鉴 于 黄 河 的 特 殊 情 况 不 利 于 大 型 船 只 的 通 航 以 及 水 上 抢 险 队 在 装 备 及 经 验 方 面 的 不
足 , 黄 河 的 水 上 施 工 作 业 并 没 有 取 得 非 常 理 想 的 效 果 [1-2] 。 因 而 , 面 对 黄 河 下 游 目 前 的 现 状 ,
在 防 汛 抢 险 中 需 要 有 水 上 抢 险 平 台 和 临 时 导 流 装 置 。 活 动 式 导 流 网 设 计 方 案 可 行 性 研 究 就 是
针 对 目 前 黄 河 下 游 防 洪 工 作 的 需 要 提 出 的 , 这 种 导 流 装 置 或 水 上 抢 险 平 台 主 要 适 用 于 黄 河 非
汛 期 、 黄 河 小 洪 水 期 。 它 主 要 是 针 对 水 流 冲 刷 堤 岸 , 防 止 大 溜 顶 冲 或 淘 刷 而 采 取 的 一 种 防 护
措 施 , 主 要 起 到 缓 流 落 淤 的 作 用 , 同 时 也 能 起 到 局 部 导 流 的 辅 助 作 用 。
1 活 动 式 导 流 网 的 设 计 方 案
活 动 式 导 流 网 设 计 由 三 部 分 组 成 : 可 悬 浮 于 水 中 的 构 筑 物 , 如 钢 浮 箱 ; 控 导 部 件 , 即 导
流 网 , 可 以 发 挥 缓 流 落 淤 作 用 ; 与 之 配 套 的 机 械 设 备 。 整 个 结 构 的 上 部 结 构 采 用 钢 浮 箱 , 其
外 形 尺 寸 ( 长 、 宽 、 高 ) 主 要 有 以 下 两 种 , 分 别 为 :4.8 m×1.2 m×0.8 m 和 1.8 m×0.3 m×
0.8 m。 导 流 网 结 构 是 由 高 分 子 聚 合 物 , 如 尼 龙 、 聚 氯 乙 烯 、 聚 丙 烯 和 聚 乙 烯 等 的 线 材 编 织
而 成 , 几 种 不 同 高 分 子 聚 合 物 性 能 比 较 见 下 表 1。
表 1 几 种 高 分 子 聚 合 物 性 能 比 较
性 能
高 分 子 聚 合 物
聚 酯 聚 酰 胺 聚 丙 烯 聚 乙 烯 聚 氯 乙 烯
单 位 质 量
高
中
低
低
高
强 度
高
中
低
低
低
弹 性 模 量
高
中
低
低
低
破 坏 应 变
中
中
高
高
高
蠕 变 性
低
中
高
高
抗 紫 外 线
高
中
中
低
高
耐 碱 性
低
高
高
高
高
耐 霉 , 耐 虫
中
中
中
高
高
467

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
经 测 算 , 聚 丙 稀 扁 丝 编 织 布 的 透 水 系 数 a =0.35, 塑 料 窗 纱 的 透 水 系 数 a =0.7。 导 流 网
上 部 固 定 在 钢 浮 箱 上 , 在 钢 浮 箱 上 可 将 卷 好 的 网 帘 缓 慢 下 放 , 其 结 构 布 置 形 式 如 图 1 所 示 。
作 为 钢 管 的 替 代 物 , 也 可 将 混 凝 土 块 或 大 网 笼 做 为 坠 子 , 坠 子 沿 网 帘 底 边 每 0.5 m 系 上 一 个 ,
其 结 构 布 置 形 式 如 图 2 所 示 。
图 1 活 动 式 导 流 网 结 构 布 置 图 ( 钢 管 坠 )
图 2 活 动 式 导 流 网 结 构 布 置 图 ( 混 凝 土 坠 )
2 活 动 式 导 流 网 的 适 用 条 件
这 种 活 动 式 导 流 网 结 构 设 计 适 应 于 流 速 小 于 2 m/s, 水 深 小 于 5 m 的 工 况 。 其 中 钢 浮 箱
作 为 浮 体 , 不 但 要 满 足 工 作 时 的 强 度 和 稳 定 性 的 限 制 条 件 , 为 快 速 施 工 还 应 满 足 下 列 要 求 :
1) 便 于 运 输 。 黄 河 下 游 不 能 通 航 , 只 能 通 过 公 路 将 这 些 装 备 运 抵 现 场 , 因 此 要 求 钢 浮
箱 等 部 件 满 足 公 路 运 输 的 多 种 限 制 。
2) 现 场 装 配 工 作 量 小 , 且 便 于 操 作 。 因 此 要 求 :1 多 种 装 配 式 部 件 不 能 划 分 得 过 分 零
散 ;2 同 一 种 类 的 部 件 没 有 方 位 和 排 序 的 要 求 ;3 装 配 精 度 适 应 现 场 工 作 条 件 , 导 流 工 程 现
场 工 作 条 件 较 差 , 装 配 精 度 要 求 不 能 过 高 ;4 装 配 操 作 动 作 简 单 。
3) 装 配 时 不 需 要 使 用 大 型 机 械 。
4) 能 满 足 多 种 装 配 方 案 的 要 求 , 钢 浮 箱 用 于 挑 流 坝 、 浮 桥 和 软 体 坝 , 使 用 目 的 不 同 ,
468

第 二 部 分 工 程 水 力 学
受 力 状 态 不 同 。 当 钢 浮 箱 的 外 形 尺 寸 确 定 后 , 只 能 通 过 不 同 的 拼 装 方 案 来 实 现 钢 浮 箱 的 多 种
功 能 。
5) 可 实 现 多 种 固 定 方 式 。 拟 考 虑 桩 或 锚 两 种 固 定 方 式 , 或 者 两 种 固 定 方 式 同 时 运 用 。
3 活 动 式 导 流 网 的 固 定 方 式
活 动 式 导 流 网 是 一 种 可 移 动 的 拼 装 组 合 结 构 , 因 此 对 于 这 种 结 构 的 固 定 来 说 , 一 般 要 经
过 以 下 几 个 步 骤 : 浮 体 单 元 的 入 水 、 浮 体 水 上 运 输 、 浮 体 水 上 拼 装 和 固 定 。
首 先 在 河 边 将 钢 浮 箱 组 装 成 浮 体 单 元 。 装 配 现 场 一 般 选 择 在 浮 体 导 流 坝 或 浮 桥 位 置 的 上
游 滩 地 。 下 水 场 地 不 可 能 很 坚 实 、 平 整 , 为 使 河 体 单 元 能 顺 利 下 水 , 可 采 用 柔 性 下 水 技 术 。
此 项 技 术 适 用 于 船 舶 下 水 场 地 不 平 整 和 地 面 坡 度 不 均 匀 的 情 况 , 目 前 国 内 已 有 数 百 家 中 小 船
厂 采 用 此 项 技 术 [3] 。 浮 体 的 水 上 浮 运 , 施 工 条 件 为 水 流 速 度 不 大 于 2.0 m/s, 可 采 用 GZQ230
型 (TG 式 ) 舟 桥 配 备 的 汽 艇 拖 运 。 该 装 备 全 套 器 材 包 括 16 艘 190 匹 马 力 的 汽 艇 , 因 而 一
套 器 材 足 够 架 设 浮 桥 或 挑 流 坝 使 用 。 至 于 拖 运 方 式 , 亦 可 采 用 舟 桥 的 拖 运 方 式 。
拼 装 宜 从 岸 边 开 始 逐 渐 向 河 心 展 开 。 岸 边 单 元 , 由 于 水 浅 流 缓 可 用 多 种 方 式 固 定 , 当 水
浅 于 浮 体 吃 水 深 时 ( 一 般 水 深 小 于 0.5 m), 可 用 土 石 等 以 进 占 方 式 与 浮 体 相 接 。 单 元 之 间 的
连 接 , 在 设 计 上 已 考 虑 了 键 销 连 接 方 式 。 当 单 元 之 间 对 位 后 , 可 用 键 销 直 接 插 入 钢 浮 箱 之 键
销 盒 内 , 盖 上 压 板 , 浮 体 单 元 之 间 的 连 接 即 告 完 成 。
浮 体 的 固 定 主 要 采 用 桩 固 定 与 锚 固 定 两 种 结 构 方 式 。 采 用 桩 固 定 方 式 时 , 与 单 元 连 接 完
成 之 后 , 盖 上 盖 板 , 即 可 在 盖 板 上 的 预 留 孔 中 沉 桩 。 预 留 孔 大 小 允 许 使 用 F 200 mm 以 下 桩 ,
用 桩 数 量 可 根 据 水 流 情 况 随 时 决 定 。 浮 箱 上 装 备 有 起 吊 用 小 型 扒 杆 , 供 吊 桩 之 用 。 当 采 用 锚
固 定 浮 体 时 , 可 在 浮 体 单 元 外 侧 钢 浮 箱 之 键 销 盒 内 插 入 系 缆 键 销 , 再 将 锚 缆 挂 于 系 缆 键 销 之
上 , 用 锚 机 收 紧 缆 绳 。 当 钢 浮 箱 用 于 挑 流 时 , 用 锚 数 量 较 大 , 原 则 上 浮 体 上 游 各 侧 每 个 钢 浮
箱 用 两 个 锚 固 定 , 每 个 锚 需 承 受 32.42 kN 水 平 拉 力 。 用 一 个 锚 时 受 力 加 倍 , 需 考 虑 锚 的 承
受 能 力 。 如 果 锚 的 承 受 能 力 较 小 , 允 许 增 加 锚 的 数 量 , 钢 浮 箱 上 留 有 足 够 的 键 销 盒 ( 每 侧 共
8 个 键 销 盒 ) 以 供 使 用 。 如 果 水 流 湍 急 , 也 可 同 时 采 用 上 述 两 种 方 式 固 定 浮 体 。
其 中 导 流 功 能 部 件 的 吊 装 应 掌 握 在 流 速 不 大 于 2.0 m/s 时 进 行 。 因 此 , 一 般 应 在 组 装 固
定 导 流 浮 体 完 成 之 后 , 测 量 水 流 速 度 , 确 知 水 流 速 度 减 缓 至 2.0 m/s 以 下 , 再 进 行 施 工 。 吊
装 顺 序 应 由 河 边 开 始 向 河 心 推 进 , 当 发 现 有 走 锚 现 象 , 或 桩 头 位 移 显 著 时 , 应 停 止 吊 装 , 立
即 采 用 措 施 如 增 加 锚 的 数 量 或 补 打 桩 增 强 导 流 网 的 抵 抗 能 力 。
4 活 动 式 导 流 网 的 稳 定 性 分 析
钢 浮 箱 作 为 活 动 式 导 流 网 上 部 结 构 , 主 要 承 受 下 部 导 流 功 能 部 件 传 递 的 水 平 力 , 与 一 般
浮 体 受 力 不 同 , 以 此 种 情 况 作 为 浮 箱 结 构 的 控 制 条 件 之 一 , 计 算 其 结 构 内 力 。 由 于 钢 浮 箱 是
装 配 浮 体 的 构 件 , 位 置 不 是 预 先 确 定 的 , 安 装 在 不 同 方 位 上 , 受 力 可 以 是 相 反 的 , 使 得 对 活
动 式 导 流 网 结 构 的 稳 定 性 分 析 变 的 比 较 复 杂 。 下 面 通 过 对 三 种 不 利 情 况 的 简 单 计 算 , 了 解 了
结 构 受 力 的 大 致 情 况 , 为 在 实 际 操 作 中 采 用 何 种 固 定 方 式 提 供 了 参 考 。 不 利 的 受 力 工 况 如 图
3-5 所 示 , 浮 箱 所 受 水 压 力 荷 载 为 :
q = P×h=3.377×4.0=13.5(KN/M)
其 中 :P 为 总 水 压 力 ;h 为 箱 体 吃 水 深 。
由 此 算 出 : 斜 腹 杆 最 大 拉 力 P 斜 =22.93 kN; 直 腹 杆 最 大 压 力 P 直 =16.21 kN; 弦 杆 最 大
压 力 P 弦 =16.21 kN。
469

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
图 3 受 力 钢 浮 箱 的 位 置 一 及 其 桁 架 受 力 简 图
图 4 受 力 浮 箱 的 位 置 二 及 其 桁 架 受 力 简 图
图 5 受 力 浮 箱 的 位 置 三 及 其 桁 架 受 力 简 图
需 要 说 明 的 是 , 钢 浮 箱 是 顶 面 和 底 面 水 平 布 置 两 榀 桁 架 , 每 榀 桁 架 只 分 担 一 半 荷 载 , 但
考 虑 到 可 能 有 受 力 不 均 衡 情 况 , 拟 取 上 述 计 算 值 的 0.7 倍 作 为 杆 件 的 设 计 值 , 即 : 斜 腹 杆 设
计 最 大 拉 力 :16.051 kN; 直 腹 杆 设 计 最 大 压 力 :11.347 kN; 弦 杆 设 计 最 大 压 力 :11.347 kN。
用 作 导 流 作 用 的 钢 浮 箱 , 一 般 不 采 用 单 锚 固 定 , 原 因 是 钢 桁 架 浮 箱 受 拉 压 力 均 增 加 一 倍 , 锚
力 将 达 到 64.84 kN, 所 以 只 有 当 阻 水 面 较 小 , 才 可 能 采 用 这 种 方 式 。
总 体 来 说 , 由 于 活 动 式 导 流 网 方 案 主 要 是 作 为 一 种 辅 助 性 的 措 施 , 起 到 缓 流 落 淤 的 作 用 ,
而 且 要 求 适 用 的 水 流 流 速 相 对 较 小 、 水 深 相 对 较 浅 , 因 此 对 于 它 的 稳 定 性 来 说 , 相 比 较 其 它
设 计 方 案 会 容 易 一 些 。 考 虑 到 来 水 来 沙 条 件 的 变 化 , 一 旦 水 流 条 件 超 出 设 想 的 范 围 , 上 部 钢
浮 箱 不 能 平 衡 下 部 导 流 网 传 来 的 水 平 力 , 造 成 导 流 网 结 构 失 稳 , 可 以 根 据 不 同 的 情 况 采 取 不
同 的 措 施 。 如 果 是 导 流 网 刚 开 始 使 用 , 还 没 充 分 发 挥 作 用 , 可 以 采 取 继 续 加 固 、 锚 固 的 方 式 ;
如 果 是 导 流 网 已 发 挥 作 用 , 并 有 部 分 落 淤 效 果 , 可 采 用 放 弃 导 流 网 的 方 式 , 使 导 流 网 沉 入 河
中 继 续 发 挥 作 用 , 同 时 移 走 上 部 的 钢 浮 箱 以 备 后 用 。
5 结 语
通 过 上 面 对 活 动 式 导 流 网 结 构 的 可 行 性 分 析 可 知 , 活 动 式 导 流 网 结 构 作 为 一 种 导 流 装
置 , 在 临 时 改 变 局 部 不 利 河 势 、 缓 解 险 情 发 展 、 缓 流 落 淤 、 护 岸 等 方 面 还 是 有 比 较 明 显 效 果
的 , 在 技 术 实 施 上 也 是 可 行 的 。 鉴 于 目 前 黄 河 下 游 的 防 洪 抢 险 形 势 依 旧 很 严 峻 , 如 果 条 件 成
熟 , 可 考 虑 将 这 种 导 流 网 技 术 方 案 进 行 试 验 , 通 过 查 看 试 验 效 果 积 累 经 验 , 以 期 能 够 将 这 种
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
造 价 低 廉 , 可 重 复 利 用 的 防 汛 抢 险 辅 助 技 术 方 案 逐 步 推 广 , 运 用 于 黄 河 下 游 。
参 考 文 献
[1] 胡 一 三 , 张 红 武 , 刘 贵 芝 , 等 . 黄 河 下 游 游 荡 性 河 段 河 道 整 治 [M]. 郑 州 : 黄 河 水 利 出 版 社 ,1998: 21-35.
[2] 张 俊 华 , 许 雨 新 , 张 红 武 , 等 . 河 道 整 治 及 堤 防 管 理 [M]. 郑 州 : 黄 河 水 利 出 版 社 ,1999: 44-65.
[3] 孙 菊 香 , 朱 珉 虎 . 柔 性 下 水 技 术 走 进 [J]. 港 口 装 卸 ,1994(4):37.
471

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
火 电 厂 取 水 流 道 布 置 形 式 探 讨
王 英 伟 郑 慧 洋 张 海 勇 禹 胜 颖
( 中 水 北 方 勘 测 设 计 研 究 有 限 责 任 公 司 300222 wangywzhou@sina.com)
摘 要 电 厂 取 水 流 道 的 布 置 形 式 直 接 关 系 到 吸 水 室 内 水 流 流 态 的 好 坏 、 工 程 的 投 资 及 施 工 难
度 。 受 各 种 条 件 影 响 , 流 道 内 水 流 现 象 往 往 比 较 复 杂 , 可 能 会 对 今 后 电 厂 的 正 常 运 行 带 来 安 全 隐
患 , 通 过 模 型 试 验 可 以 对 流 道 的 布 置 形 式 加 以 优 化 , 避 免 因 回 流 漩 涡 等 问 题 对 工 程 的 影 响 。
关 键 词 循 环 水 泵 取 水 流 道 旋 转 滤 网 漩 涡
循 环 水 泵 是 火 电 厂 最 重 要 的 辅 机 之 一 , 对 电 厂 的 安 全 运 行 起 着 十 分 关 键 的 作 用 。 而 循 环
水 泵 站 进 水 流 道 形 式 的 合 理 选 择 和 设 计 , 直 接 关 系 到 流 道 内 水 头 损 失 的 大 小 和 流 态 的 好 坏 ,
对 循 环 水 泵 的 安 全 高 效 运 行 和 投 资 较 省 的 泵 房 工 程 布 置 方 案 , 起 着 非 常 重 要 的 作 用 。 优 化 的
进 水 流 道 形 式 应 该 尽 可 能 的 减 少 吸 水 室 内 部 的 水 力 损 失 , 尽 可 能 的 消 除 吸 水 池 室 内 部 的 各 种
漩 涡 , 能 使 循 环 水 泵 的 水 力 性 能 得 到 充 分 发 挥 。 同 时 , 进 水 流 道 形 式 的 选 择 又 直 接 影 响 到 整
个 泵 站 的 投 资 大 小 和 施 工 难 度 。
水 泵 吸 水 室 水 流 流 态 应 满 足 以 下 条 件 :
(1) 机 组 各 种 不 同 运 行 组 合 工 况 下 , 水 流 平 稳 , 水 头 损 失 较 小 ;
(2) 水 泵 吸 水 喇 叭 口 喉 部 断 面 八 点 流 速 均 匀 , 每 点 与 八 点 平 均 值 的 偏 差 小 于 ±10%;
(3) 水 泵 吸 水 口 的 水 流 前 旋 角 α

第 二 部 分 工 程 水 力 学
在 前 池 内 增 设 导 流 栅 及 分 流 墩 、 优 化 进 口 体 型 等 措 施 , 有 效 地 改 善 了 水 流 流 态 , 可 以 保 证 吸
水 池 水 面 平 稳 和 进 流 均 匀 。
2 滤 网 室
旋 转 滤 网 对 保 障 循 环 水 泵 和 凝 汽 器 等 设 备 的 安 全 运 行 起 着 十 分 关 键 的 作 用 。 由 于 沿 江 沿
海 电 厂 一 般 采 用 敞 开 式 循 环 水 系 统 , 水 中 含 有 大 量 的 垃 圾 、 漂 浮 物 等 杂 物 , 侧 向 进 水 旋 转 滤
网 拦 截 杂 物 的 性 能 明 显 优 于 正 向 进 水 旋 转 滤 网 , 所 以 沿 江 、 沿 海 新 电 厂 的 设 计 和 旧 电 厂 的 改
造 大 多 采 用 侧 向 进 水 的 布 置 方 式 。 侧 向 进 水 与 正 向 进 水 的 布 置 方 式 相 比 , 其 进 水 水 流 条 件 和
流 态 较 差 , 为 了 改 善 流 态 、 保 证 进 水 水 流 均 匀 稳 定 , 就 必 须 加 长 泵 房 进 水 流 道 长 度 或 者 增 设
整 流 消 涡 设 施 。
汉 川 电 厂 一 期 工 程 于 1990 年 1 月 建 成 发 电 , 鉴 于 取 水 流 道 拦 污 栅 的 拦 污 、 清 污 效 果 较 差 ,
电 厂 拟 将 正 向 进 水 的 拦 污 栅 改 造 成 侧 向 进 水 的 旋 转 滤 网 , 以 改 善 清 污 效 果 。 通 过 模 型 试 验 发
现 , 滤 网 改 造 后 流 道 内 水 流 条 件 恶 化 , 吸 水 室 内 水 流 不 对 称 , 有 进 气 漩 涡 产 生 。 试 验 在 网 前
进 水 孔 内 加 分 流 板 , 使 过 网 水 流 对 称 , 并 在 泵 室 内 加 设 2 m 高 导 流 墙 , 使 底 层 水 流 平 稳 均 匀 ,
吸 水 室 内 没 有 漩 涡 产 生 。 汉 川 电 厂 在 改 造 后 的 实 际 运 行 中 , 流 道 内 水 流 流 态 良 好 , 机 组 运 行
正 常 , 也 证 明 了 改 造 方 案 的 合 理 和 试 验 成 果 的 准 确 可 靠 。
侧 向 进 水 旋 转 滤 网 的 不 同 布 置 形 式 也 可 以 造 成 吸 水 池 内 流 态 的 差 异 。 青 岛 黄 岛 电 厂 旋 转
滤 网 采 用 侧 向 进 水 全 框 架 导 轨 结 构 , 下 喷 式 冲 洗 , 旋 转 滤 网 名 义 宽 度 为 3.5 m, 滤 网 净 孔 尺
寸 为 6.43×6.43 mm, 网 板 名 义 高 度 为 500 mm。 试 验 针 对 旋 转 滤 网 为 外 进 内 出 和 内 进 外 出 两
种 形 式 ( 见 图 1) 进 行 分 析 比 较 , 提 出 最 优 进 出 水 形 式 。
外 进 内 出 方 案
内 进 外 出 方 案
图 1 黄 岛 电 厂 流 道 旋 转 滤 网 布 置 形 式
试 验 结 果 表 明 , 在 外 进 内 出 方 案 试 验 中 , 水 流 经 进 水 闸 、 拦 污 栅 、 旋 转 滤 网 、 扩 散 段 对
称 均 匀 地 进 入 吸 水 池 , 闸 前 与 吸 水 管 前 0.7 m 处 的 水 头 损 失 为 0.10 m, 水 流 进 入 滤 网 前 的
最 大 流 速 为 0.80 m/s, 水 流 从 左 向 右 绕 过 吸 水 管 形 成 一 个 循 环 回 流 区 , 偶 尔 只 在 取 水 流 道
的 扩 散 段 末 有 细 小 的 表 面 凹 陷 漩 涡 产 生 , 漩 涡 产 生 的 频 率 比 较 低 , 力 度 也 比 较 弱 。 在 内 进 外
出 方 案 试 验 中 , 水 流 同 样 对 称 均 匀 地 进 入 吸 水 池 , 流 道 内 沿 程 水 位 变 化 较 小 , 闸 前 与 吸 水 管
473

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
前 0.7 m 处 的 水 头 损 失 仅 为 0.08 m, 水 流 进 入 滤 网 前 的 最 大 流 速 为 0.78 m/s, 吸 水 池 内 水
面 稍 有 波 动 , 偶 尔 只 在 取 水 流 道 的 扩 散 段 末 有 细 小 的 表 面 凹 陷 漩 涡 产 生 。 两 种 方 案 旋 转 滤 网
后 扩 散 段 末 断 面 流 速 分 布 对 比 见 图 2, 可 见 内 进 外 出 方 案 流 速 分 布 更 对 称 均 匀 , 回 流 范 围 也
小 。 综 合 来 看 , 内 进 外 出 方 案 比 外 进 内 出 方 案 有 一 定 的 优 越 性 , 试 验 最 终 推 荐 旋 转 滤 网 采 用
内 进 外 出 的 布 置 形 式 。
水 深 (m) 水 深 (m) 水 深 (m)
水 深 (m)
水 深 (m)
外 进 内 出 方 案
水 深 (m)
水 深 (m)
水 深 (m)
水 深 (m)
水 深 (m)
内 进 外 出 方 案
图 2 两 方 案 扩 散 段 末 断 面 流 速 分 布 比 较
3 吸 水 室
3.1 吸 水 室 长 度
为 使 水 泵 吸 水 口 有 较 好 的 流 态 , 水 泵 吸 水 室 应 有 一 定 长 度 , 根 据 侧 向 进 水 旋 转 滤 网 的 结
构 形 式 和 《 火 力 发 电 厂 循 环 水 泵 房 进 水 流 道 及 其 布 置 设 计 技 术 规 定 》 的 要 求 : 吸 水 室 长 度 ( 旋
转 滤 网 出 口 至 水 泵 吸 水 管 轴 线 的 距 离 ) 在 没 有 整 流 措 施 时 应 为 9D(D 为 喇 叭 口 直 径 ), 有 整 流
措 施 时 可 缩 短 至 6D。
可 门 火 电 厂 原 设 计 方 案 吸 水 室 长 度 为 9.26D, 水 流 经 旋 转 滤 网 后 , 表 面 流 速 随 机 性 强 , 水
流 比 较 紊 乱 , 经 试 验 优 化 后 , 吸 水 室 长 度 缩 短 为 5.7D, 增 设 的 整 流 设 施 和 吸 水 室 胸 墙 有 效 地
使 流 速 分 布 均 趋 于 均 匀 。 印 尼 百 通 电 厂 原 设 计 方 案 吸 水 室 长 度 为 8D, 通 过 模 型 试 验 验 证 , 因
吸 水 管 入 口 处 淹 没 深 度 较 大 , 在 10.7 m~13.9 m 之 间 , 设 计 工 况 下 吸 水 室 内 水 流 比 较 平 顺 ,
水 面 平 稳 基 本 无 波 动 , 即 使 在 吸 水 室 长 度 缩 短 为 6D, 不 加 整 流 设 施 的 情 况 下 , 吸 水 室 内 水 面
波 动 也 很 小 , 偶 有 表 面 凹 陷 漩 涡 形 成 , 不 会 对 电 厂 的 正 常 运 行 带 来 不 利 影 响 , 完 全 可 以 满 足
474

第 二 部 分 工 程 水 力 学
机 组 引 水 要 求 。
3.2 整 流 消 涡 设 施
漩 涡 运 动 是 最 复 杂 的 水 流 现 象 之 一 , 如 果 在 火 电 厂 取 水 流 道 中 , 产 生 吸 气 漏 斗 漩 涡 会 给
工 程 带 来 危 害 。 比 如 : 降 低 循 环 泵 引 水 能 力 、 影 响 机 组 效 率 、 加 剧 水 流 脉 动 、 发 生 气 蚀 、 产
生 噪 音 以 及 吸 入 水 面 漂 浮 物 等 。 流 道 泵 室 一 般 要 求 不 允 许 出 现 大 于 二 级 的 表 面 凹 陷 漩 涡 以 及
各 种 水 内 涡 和 边 壁 涡 , 在 试 验 中 一 些 电 厂 取 水 流 道 中 往 往 出 现 回 流 和 漩 涡 等 不 利 于 工 程 安 全
的 水 流 现 象 , 这 就 需 要 布 设 整 流 消 涡 设 施 来 调 整 改 善 水 流 流 态 。
台 山 电 厂 取 水 流 道 旋 转 滤 网 出 口 宽 2 m, 其 下 游 以 45° 的 扩 散 角 与 长 14.8 m, 宽 6.5 m
的 吸 水 室 相 连 。 原 设 计 方 案 吸 水 室 内 没 有 整 流 消 涡 设 施 , 水 流 在 旋 转 滤 网 以 0.85 m/s 的 平
均 流 速 在 2 m 宽 的 出 口 进 入 吸 水 室 , 在 惯 性 力 的 驱 使 下 , 中 间 流 速 大 两 侧 流 速 小 , 流 速 大 的
水 体 与 流 速 小 的 水 体 发 生 剪 切 , 在 流 道 的 两 侧 形 成 较 强 的 回 流 , 回 流 又 进 一 步 压 迫 主 流 , 使
吸 水 室 的 水 流 更 集 中 , 加 剧 了 水 面 的 紊 动 。 涡 流 试 验 表 明 , 水 流 在 流 道 中 部 产 生 脉 动 吸 气 漏
斗 漩 涡 , 这 将 会 引 起 水 泵 效 率 降 低 , 产 生 气 蚀 和 机 组 震 动 。 优 化 试 验 根 据 原 方 案 吸 水 室 内 水
流 特 点 , 将 旋 转 滤 网 出 口 的 扩 散 角 由 45° 改 为 30°, 针 对 原 方 案 吸 水 室 内 上 层 水 流 的 回 流
流 速 较 大 , 下 层 流 速 分 布 中 间 大 两 边 小 , 在 旋 转 滤 网 出 口 扩 散 段 尾 的 -3.5 m 高 程 以 上 设 置
实 体 胸 墙 , 以 下 设 置 5 个 中 间 密 两 边 疏 大 小 不 一 的 分 流 墩 。 优 化 试 验 结 果 表 明 , 水 流 通 过 旋
转 滤 网 后 , 经 30° 扩 散 角 均 匀 扩 散 , 回 流 区 域 和 强 度 都 明 显 见 小 ; 导 流 墩 和 胸 墙 的 合 理 设
置 , 使 下 层 较 集 中 的 水 流 , 经 分 流 墩 的 作 用 , 相 对 较 均 匀 地 进 入 吸 水 室 ; 胸 墙 后 形 成 回 流 ,
水 流 有 一 定 紊 动 , 但 影 响 不 大 , 吸 水 室 内 出 现 有 二 级 表 面 凹 陷 漩 涡 , 没 有 水 内 涡 及 边 壁 涡 出
现 , 可 见 优 化 方 案 比 较 合 理 。
吸 水 管 喇 叭 口 区 域 对 水 流 的 稳 定 性 和 对 称 性 要 求 更 高 , 通 常 要 求 吸 水 喇 叭 口 喉 部 断 面 八
点 流 速 均 匀 , 每 点 与 八 点 平 均 值 的 偏 差 小 于 ±10%; 吸 水 口 的 水 流 前 旋 角 小 于 5°; 不 能 出
现 水 内 涡 和 底 部 涡 等 。 为 了 使 吸 水 管 喇 叭 口 水 流 对 称 均 匀 , 防 止 漩 涡 的 产 生 , 通 常 在 喇 叭 口
附 近 布 置 导 流 消 涡 设 施 。 青 岛 黄 岛 电 厂 吸 水 管 下 设 置 分 流 锥 和 导 流 隔 板 ( 见 图 3), 能 够 减
少 吸 水 管 前 旋 流 强 度 , 有 效 地 缓 解 漩 涡 的 影 响 。 印 尼 百 通 电 厂 采 用 三 角 形 阻 涡 板 ( 见 图 4),
试 验 证 明 也 起 到 了 良 好 的 消 涡 作 用 。
W 向
W
475

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
图 3 导 流 隔 板 和 分 流 锥
平 面
三 维
图 4 三 角 形 阻 涡 板
4 结 论
(1) 受 自 然 条 件 制 约 某 些 电 厂 流 道 设 计 不 能 完 全 符 合 技 术 规 定 , 但 通 过 优 化 建 筑 物 体
型 及 增 设 整 流 设 施 , 也 可 以 满 足 循 环 水 泵 取 水 要 求 。
(2) 进 水 前 池 的 布 置 通 常 以 吸 水 室 从 前 池 正 面 取 水 、 前 池 平 面 扩 散 较 缓 、 底 坡 坡 度 较
小 为 宜 ; 侧 面 进 水 旋 转 滤 网 有 较 好 的 拦 污 性 能 , 与 正 面 进 水 式 滤 网 相 比 , 水 流 条 件 相 对 较 差 ;
吸 水 池 长 度 在 循 环 水 泵 淹 没 深 度 较 大 、 吸 水 室 内 整 流 消 涡 设 施 布 设 合 理 等 因 素 的 综 合 作 用 下
可 以 适 当 缩 短 ; 吸 水 室 内 若 出 现 大 于 二 级 的 表 面 凹 陷 漩 涡 、 各 种 水 内 涡 和 边 壁 涡 , 必 须 增 设
整 流 消 涡 设 施 来 调 整 水 流 。
(3) 受 引 水 工 况 、 流 道 布 置 边 界 条 件 、 循 环 泵 出 力 等 因 素 作 用 , 电 厂 取 水 流 道 内 水 流
流 态 往 往 比 较 复 杂 , 不 利 的 水 流 现 象 可 能 对 电 厂 的 安 全 运 行 有 很 大 的 影 响 , 必 须 通 过 物 理 模
型 试 验 这 一 科 学 直 观 的 工 具 对 设 计 方 案 加 以 验 证 。
参 考 文 献
[1] 国 家 电 力 公 司 规 划 设 计 总 院 .DLGJ150-1999, 火 力 发 电 厂 循 环 水 泵 房 进 水 流 道 及 其 布 置 设 计 技 术 规 定 [S].
[2] 安 伟 , 郑 慧 洋 . 对 某 电 厂 取 水 流 道 漩 涡 问 题 的 分 析 研 究 [J]. 水 利 水 电 工 程 设 计 ,2006 年 第 2 期 .
476

第 二 部 分 工 程 水 力 学
U 形 渠 道 的 水 力 最 佳 断 面 及 正 常 水 深 的 计 算
邹 珊
( 天 津 农 学 院 天 津 西 青 区 津 静 公 路 22 号 300384 zsun001@126.com)
摘 要 U 形 渠 道 具 有 水 力 和 结 构 的 优 越 性 , 在 输 水 工 程 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 本 文 介 绍 了 U 形 渠
道 水 力 最 佳 断 面 的 设 计 方 法 , 推 导 出 了 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 的 A ( 过 水 断 面 积 )、c ( 湿 周 ) 和
r ( 底 弧 半 径 ) 的 计 算 公 式 。 水 力 计 算 中 的 正 常 水 深 无 显 函 数 形 式 的 表 达 公 式 , 传 统 的 方 法 计 算 量
大 且 繁 琐 。 本 文 利 用 明 渠 均 匀 流 理 论 , 提 出 了 一 种 简 便 而 实 用 的 计 算 方 法 。 该 方 法 利 用 K ~h ~
f 关 系 表 格 直 接 求 解 , 可 获 得 可 靠 的 设 计 成 果 , 具 有 很 强 的 实 用 价 值 。
关 键 词 水 力 最 佳 断 面 ;U 形 渠 道 ; 明 渠 均 匀 流 ; 正 常 水 深
1 引 言
U 形 渠 道 是 指 底 部 为 圆 弧 而 上 部 是 矩 形 或 者 梯 形 的 组 合 断 面 。 它 既 具 有 圆 形 断 面 湿 周 小
的 特 点 , 又 具 有 梯 形 断 面 边 坡 稳 定 的 特 点 , 具 有 较 优 的 水 力 条 件 , 在 我 国 水 利 建 设 中 得 到 广
泛 应 用 。 水 力 最 优 断 面 是 指 在 流 量 一 定 时 , 过 水 面 积 最 小 , 湿 周 最 短 的 断 面 形 式 。 这 种 断 面 既
能 节 省 衬 砌 用 料 和 用 工 , 又 能 减 少 沿 程 水 头 损 失 。 在 U 形 渠 道 的 水 力 设 计 中 , 快 速 准 确 地 确 定
水 力 最 佳 断 面 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 确 定 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 主 要 是 确 定 U 形 渠 道 的 底 弧 半
径 、 底 弧 半 径 所 对 的 圆 心 角 以 及 底 弧 上 部 直 线 段 的 边 坡 系 数 。 本 文 介 绍 了 设 计 U 形 渠 道 水 力
最 佳 断 面 的 方 法 , 推 导 出 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 的 过 水 断 面 积 、 湿 周 和 底 弧 半 径 的 计 算 公 式 ,
给 出 了 底 弧 半 径 、 底 弧 半 径 所 对 的 圆 心 角 以 及 底 弧 上 部 直 线 段 的 边 坡 系 数 的 关 系 表 格 , 为 工
程 设 计 提 供 了 计 算 方 法 。
明 渠 均 匀 流 时 的 正 常 水 深 是 明 渠 水 力 学 中 的 一 个 重 要 参 数 , 在 水 力 设 计 及 计 算 中 应 用 非
常 频 繁 。 然 而 在 计 算 过 程 中 无 法 找 到 其 显 函 数 形 式 的 表 达 公 式 , 不 能 直 接 进 行 计 算 。 传 统 的
计 算 方 法 是 试 算 法 , 这 种 算 法 非 常 复 杂 。 针 对 这 一 难 题 , 本 文 提 出 了 一 种 新 的 计 算 方 法 ――
查 表 法 , 此 法 可 以 使 计 算 简 化 , 提 高 了 工 程 设 计 的 效 率 。
2 U 形 渠 道 的 水 力 最 佳 断 面
2.1 水 力 最 佳 断 面 的 公 式 推 导
U 形 渠 道 的 断 面 形 式 可 用 图 1 和 图 2 来 表 示 。 图 1 表 示 的 是 渠 道 水 深 位 于 底 弧 内 部 , 图
【1】
2 表 示 的 是 水 深 高 于 底 弧 上 边 缘 的 情 况 。 各 水 力 要 素 的 计 算 也 要 分 成 以 上 两 种 情 况 分 别 进 行 。
由 图 1、 图 2 当 中 的 几 何 关 系 :
当 h ³ s 时 :
æ 2r
ö
2 æ m ö
过 水 断 面 面 积 : A = Dhç
÷
+ mDh
+ r çq -
2
÷ (1)
2
è 1+
m ø è 1+
m ø
2
湿 周 : c = r q + 2Dh
1+
m
(2)
当 h < s 时 :
477

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
2
A = r
(3)
2
过 水 断 面 面 积 : ( b - sin b )
湿 周 : c = rb
(4)
1
h
m
r
β
Φ
S
1
m
r
θ
Φ
Δh
S
h
图 1
h < s 时 渠 道 断 面 图 2 h ³ s 时 渠 道 断 面
式 中 :A –– 过 水 断 面 面 积 ,c –– 湿 周 , D h –– 底 弧 上 边 缘 处 水 深 , r –– 底 弧 半 径 ,
m –– 侧 壁 边 坡 系 数 ,q –– 底 弧 所 对 圆 心 角 (rad), b –– h < s 时 湿 周 所 对 圆 心 角
(rad)。
当 渠 道 水 深 位 于 圆 弧 内 时 , 圆 形 断 面 本 身 就 是 水 力 最 优 断 面 。 即 式 (3)、 式 (4) 即 为
水 力 最 优 时 的 过 水 断 面 积 和 湿 周 , 不 需 进 行 进 一 步 计 算 了 。
【2】
现 在 只 对 水 深 大 于 圆 弧 高 时 的 公 式 进 行 推 导 。
Dh
设 k = , 将 其 代 入 式 (1)、(2) 整 理 后 可 得 :
r
é æ
ö
ù
2 2
æ m ö
A = r êkç
÷
+ mk
+ çq - ÷ ú
(5)
2
2
êë
è 1+
m ø è 1+
m øúû
2
c = r q + 2kr
1+
m
(6)
由 于 边 坡 系 数 m 可 以 由 边 坡 稳 定 条 件 确 定 , 所 以 A 、 c 都 是 k 和 r (k)
的 函 数 , 将 其 对 k 求
导 数 , 并 代 入 微 分 方 程 组 :
dA A dr A
= + = 0
dk r dk k
dc
c dr c
= + = 0
dk r dk k
联 立 求 解 得 到 :
Dh
m q
k = = = cos
(7)
r
2
1+
m 2
上 式 即 为 U 形 渠 道 水 力 最 优 断 面 水 深 与 半 径 的 比 值 关 系 , 其 比 值 为 圆 心 所 对 半 角 的 函
478

第 二 部 分 工 程 水 力 学
数 。 将 上 式 变 形 得 到 h = r cos q
æ q ö
D , 由 图 2 可 知 , 渠 道 水 深 h = s +D h = rç1
- cos ÷+Dh
= r ,
2
è 2ø
于 是 得 出 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 为 水 面 线 恰 好 过 底 弧 圆 心 , 即 水 深 与 底 弧 半 径 相 等 所 对 应 的
过 水 断 面 。 对 侧 墙 铅 直 的 标 准 形 断 面 , 因 m = 0 , 所 以 k = 0
, 此 时 圆 心 角 q
°
= 180
, 水 力
° Dh
最 优 断 面 刚 好 是 半 圆 形 。 从 上 式 还 可 以 看 出 , 随 着 q 减 小 ( 从 180 - 140 ° ), 增 大 , 这 r
时 湿 周 c 将 会 增 加 , 这 时 断 面 的 水 力 特 性 较 标 准 的 U 形 渠 道 差 , 但 渠 道 的 稳 定 性 得 到 了 提 高 。
将 式 (7) 代 入 式 (5)、 式 (6) 整 理 得 到 与 水 力 最 佳 断 面 相 应 的 水 力 要 素 , 分 别 用
c
u
来 表 示 。
已 知 明 渠 均 匀 流 的 基 本 公 式 为 :
A
u
、
æ ö
Au = ru
çm
+ ÷
(8)
è 2 ø
2 q
æ q ö
c u
= 2r u çm
+ ÷
(9)
è 2 ø
2
3
1
2
1
Q = AR J
(10)
n
将 式 (8)、(9) 代 入 式 (10), 可 导 出 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 底 弧 半 径 r
u
的 计 算 公 式 :
5
8
3
8
3
-
16
-
( nQ) i ( 2m
+ ) 8
3
r u
= 2
q
(11)
上 式 中 U 形 渠 道 边 坡 系 数 m 、 底 弧 所 对 圆 心 角 q 与 底 弧 半 径 r 有 关 , 有 关 参 数 见 表 1。
表 1
r 、 m、
q关 系
r/(m) < 0.6 0.6-1.2 1.2-1.8 > 1.8
m 0.087-0.141 0.141-0.243 0.243-0.278 0.278-0.364
q /(rad) 2.968-2.862 2.862-2.702 2.702-2.610 2.610-2.440
设 计 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 时 , 可 参 考 表 1 确 定 底 弧 半 径 r 。 工 程 中 U 形 渠 道 底 弧 圆 心
角 取 值 为 140°< q < 180°( 70
可 以 近 似 写 为 :
°
q
< < 90
2
°
16
( nQ) 8
3
-
8
), 此 时 的 ( 2 + q ) 8 × 2 » 1
3
3
-
5
m , 此 时 式 (11)
r u
= i
(12)
设 计 时 可 以 用 式 (12) 计 算 底 弧 半 径 r , 再 根 据 表 1 来 选 择 m 和 q 。
2.2 算 例
3
(1) 某 U 形 渠 道 , 已 知 底 坡 i= 001, 糙 率 n =014, , 当 流 量 Q=4.9 m / s
时 , 试 按 照 水 力 最
479

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
佳 断 面 的 要 求 确 定 渠 道 尺 寸 。
解 : 首 先 用 式 (12) 计 算 水 力 最 佳 断 面 时 的 底 弧 半 径 :
r u
u
=
3
8
3
-
-
16
16
( nQ) i = ( 0.014´
4.9) × 0.001 = 0.56 < 0. 6
°
r 对 应 了 表 1 中 的 第 一 列 , 可 以 选 择 m = 0. 1,
q = 165 。
3
8
(2) 某 U 形 渠 道 , 设 计 Q = 3m
3 / s , i = 1/ 1500 , n = 0. 014 , 试 确 定 U 形 断 面 尺 寸 。
°
解 : 前 以 提 到 q 值 在 140°~ 180° 之 间 , 现 在 选 择 q = 160 , 由 式 (7) :
D h q
= cos = cos80
° = 0.1736
r 2
D h = 0. 1736r
由 式 (7) 还 可 算 出 m = 0. 18
由 式 (12) 有 r
u
= 1. 19
将 r u
、m、 q 代 入 式 (8)、 式 (9) 计 算 得 到 :
2
Au=
2.
223m
c
u
= 3. 737m
Au
R = c
u
= 0.59m
【3】
此 结 果 与 张 志 昌 等 的 计 算 结 果 基 本 符 合 。
3 U 形 渠 道 正 常 水 深 的 计 算
3.1 传 统 方 法 计 算 U 形 渠 道 的 正 常 水 深
3
工 程 实 际 中 , 在 求 解 其 均 匀 流 水 深 时 , 主 要 采 用 传 统 的 试 算 法 来 进 行 计 算 , 这 一 过 程 计 算
【4】
量 大 , 较 繁 琐 。 吕 宏 兴 等 从 过 水 断 面 几 何 形 状 与 水 深 的 关 系 入 手 , 给 出 确 定 水 深 范 围 的
界 限 流 量 及 水 深 的 迭 代 计 算 公 式 。 此 方 法 计 算 结 果 准 确 , 但 是 需 要 经 过 多 次 迭 代 才 能 得 到 结
果 。 下 面 介 绍 一 种 U 形 渠 道 简 便 的 近 似 水 力 计 算 法 。 简 便 算 法 的 实 质 是 用 直 段 铅 垂 的 特 殊 U
形 渠 道 断 面 代 替 直 段 向 外 倾 斜 的 一 般 U 形 渠 道 , 来 进 行 水 力 计 算 , 其 精 度 完 全 可 满 足 工 程 要
求 。
3.2 简 捷 法 计 算 U 形 渠 道 的 正 常 水 深
3.2.1 h = s 时 过 流 量 Q
0
的 计 算
s = r( 1- sinf)
( p - f)
c = r 2
2 æ p 1 ö
A = r ç -f
- sin 2f
÷
è 2 2 ø
480

第 二 部 分 工 程 水 力 学
5
1 8
3
-1
2 3
æ p 1 ö
0
n i r ç -f
- sin 2f
÷ 2
2
-
( p - ) 3
Q = f
(13)
è 2 2 ø
3.2.2 h > s
Q = n
时 过 流 量 Q 的 计 算
h
令 h = , 则 有 h = hr
r
2 ì
æ p 1 öü
A = r í( h -1+
sinf) [ 2cosf
+ ( h -1+
sinf
) tanf]
+ ç - f - sin 2f
÷ ý
î
è 2 2 øþ
é 2
c = r êp
- 2f
+
f
ë cosf
i
-1
1
2
é
êp
- 2f
+
ë
r
8
3
ì
í
î
2
cos
ù
( h -1+
sin ) úû
( h -1+
sinf) [ 2cosf
+ ( h -1+
sinf)
tanf]
f
ù
ú
û
( h -1+
sinf)
2
-
3
3.2.3 h < s 时 过 流 量 Q 的 计 算
p b æ p ö
令 g = - çf
£ g £ ÷
2 2 è 2 ø
h = r( 1- sin g )
h
由 h = 有 : h = 1- sin g
r
sin g = 1-h
( )
g = arcsin 1-h
æ p 1 öü
+ ç -f
- sin 2f
÷ ý
è 2 2 øþ
5
3
(14)
cos
2
g = 1-
sin g = 2h
-
2
h
2
( -h) 2h
h
sin 2g = 2sin g cosg
= 2 1 -
( p - 2g
) = r[ p - 2arcsin( h)
]
c = r
1-
A = r
æ p 1 ö
ç - g - sin 2g
÷ = r
è 2 2 ø
2
2
ép
ê
- arcsin 1
ë 2
2 ù
( -h)-
( 1-h) 2h
-h
ú û
1 8
-1
2 3
ép
ù
= n i r - arcsin 1
h
2
2
-
( -h)-
( 1-h) 2h
-h
[ p - 2arcsin( 1-
)] 3
Q ê
ë 2
ú
(15)
û
5
3
481

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
3.2.4 水 力 计 算 表 编 制 方 法
令 K = Q / Q0
(16)
当 Q ³ Q0
时 , K ³ 1, h ³ s , h ³ 1- sinf
此 时 有 :
ì
ï
K = í
ï
ïî
( h -1+
sinf) [ 2cosf
+ ( h -1+
sinf)
tanf]
é
ê p - 2f
ê
ê 2
p - 2f
+
êë
cosf
( h -1+
sinf
)
p 1
-f
- sin 2f
2 2
ù
ú
ú
ú
úû
2
3
æ p 1 öü
+ ç -f
+ sin 2f
÷
2 2
ï
è
ø
ý
ï
ïþ
5
3
×
(17)
当 Q £ Q0
时 , K £ 1, h £ s , h £ 1- sinf
此 时 有 :
ìép
2 ù ü
2
arcsin( 1 ) ( 1 ) 2
ïê
- -h
- -h
h -h
2
ï
é - 2 ù 3
ë
ú
û p f
K = í
1
ý ê
2arcsin( 1 )
ú
(18)
ï
p
sin 2 ï ëp
- -h
-f
- f
û
ïî
2 2
ïþ
由 式 (17)、(18) 可 以 看 出 K 是 h 和 f 的 函 数 , 根 据 以 上 关 系 式 , 可 编 制 出 K ~h ~f
的 关 系 图 表 。
表 格 编 制 时 用 第 一 列 表 示 f ( 从 0 ° - 20°
, 级 差 为 1 ° ), 第 一 行 表 示 h 值 ( 从 0 - 2 ,
级 差 为 0 . 02 ), 然 后 将 每 一 对 f 和 h 值 代 入 式 (17) 或 式 (18) 进 行 计 算 , 得 到 的 结 果 写 在
该 h 所 在 列 与 该 f 所 在 行 的 交 点 处 即 为 K 值 , 见 表 2 。( 由 于 表 格 篇 幅 过 大 , 只 列 出 了 以 下
算 例 中 将 要 用 到 的 表 格 局 部 )
5
3
表 2 K ~h ~f 关 系
f
K
h
… 0.66 0.68 … 1.42 1.44 …
… … … … … … … …
12° … 0.711 0.752 … 2.732 2.799 …
… … … … … … … …
说 明 : 利 用 以 上 表 格 求 解 水 深 可 使 比 较 繁 琐 的 问 题 得 到 简 化 , 但 需 注 意 的 是 , 图 表 的 制 作
精 度 对 计 算 结 果 有 直 接 的 影 响 , 在 应 用 中 , 应 根 据 实 际 需 要 尽 可 能 提 高 图 表 的 制 作 精 度 。
1
°
3.2.5 算 例 已 知 某 U 型 渠 道 底 坡 i = , 糙 率 n = 0. 017 , 倾 角 f = 12 , 圆 弧 半 径
2000
482

第 二 部 分 工 程 水 力 学
r = 2m , 试 分 别 计 算 出 当 Q = 15m
3
1
/ s 和 Q = 4m
3
2
/ s 时 的 水 深 值 。
°
1
解 : 将 已 知 的 r = 2m
、 f = 12 、 n = 0. 017 、 i = 代 入 式 (13), 计 算 得 到 :
2000
3
Q 5.47m
/ s
0 =
将 Q = 15m
3
1
/ s 、 Q = 4m
3 / s
2
分 别 代 入 式 (16) 计 算 K 值 :
K
1
= 15/ 5.47 = 2.7422
K
2
= 4 / 5.47 = 0.7313
用 K ~h ~f 表 查 算 :
表 中 可 以 找 到 的 参 考 点 为 :
第 一 组 : h = 1. 42 , K = 2. 732
h = 1.44 K = 2. 799
将 K
1
= 2. 7422 内 插 入 以 上 两 点 , 得 到 : h = 1. 423
相 应 水 深 : h1 = h r = 2. 846m
第 二 组 : h = 0. 66 , K = 0. 711
h = 0.68 K = 0. 752
将 K
2
= 0. 7313 内 插 入 以 上 两 点 , 得 到 : h = 0. 67
相 应 水 深 : h2 = hr
=1. 34 m
广 使 用 。
本 例 的 求 解 属 于 近 似 解 法 , 但 是 其 误 差 不 超 过 0.001, 完 全 可 以 满 足 工 程 需 要 , 可 以 推
4 结 语
本 文 推 求 了 U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 的 计 算 公 式 , 举 例 说 明 了 如 何 根 据 已 知 水 力 参 数 设 计
U 形 渠 道 的 几 何 尺 寸 。 针 对 正 常 水 深 无 法 找 到 显 函 数 形 式 的 计 算 公 式 这 一 难 题 , 提 出 了 一 种
计 算 U 形 渠 道 均 匀 流 水 深 的 简 便 方 法 , 并 且 通 过 实 例 验 证 了 这 一 方 法 的 误 差 在 允 许 的 范 围 内 ,
可 以 在 工 程 上 推 广 使 用 。
参 考 文 献
[1] 陕 西 省 水 利 水 保 厅 .U 形 渠 道 [M]. 水 利 电 力 出 版 社 ,1986, 北 京 .
483

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
[2] 吕 宏 兴 , 冯 家 涛 . 明 渠 水 力 最 佳 断 面 的 比 较 [J]. 人 民 长 江 , 第 25 卷 ( 第 11 期 ),42-45.
[3] 张 志 昌 , 等 .U 形 渠 道 水 力 最 优 断 面 的 计 算 [J]. 陕 西 水 力 发 电 , 第 17 卷 ( 第 二 期 ),25-27.
[4] 吕 宏 兴 .U 形 渠 道 水 力 最 佳 断 面 与 水 力 计 算 [J]. 西 北 水 资 源 与 水 工 程 , 第 二 卷 ( 第 四 期 ),42-45.
484

第 二 部 分 工 程 水 力 学
混 凝 土 表 面 磨 蚀 破 坏 划 分 标 准 初 议
戴 晓 兵 李 延 农
( 中 国 水 电 顾 问 集 团 中 南 勘 测 设 计 研 究 院 湖 南 长 沙 410014 msjldai@163.com)
摘 要 本 文 对 磨 蚀 的 基 本 概 念 及 其 特 征 进 行 了 分 析 和 描 述 。 磨 蚀 具 有 磨 损 和 空 蚀 两 层 含 义 。 混
凝 土 磨 损 是 指 : 泄 水 建 筑 物 表 面 在 含 沙 水 流 的 摩 擦 作 用 下 产 生 的 混 凝 土 材 料 的 流 失 。 混 凝 土 空 蚀
是 指 : 由 于 高 速 水 流 中 空 泡 溃 灭 时 产 生 的 微 射 流 的 冲 击 作 用 导 致 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 材 料 的 流 失 。
由 此 可 知 , 混 凝 土 磨 蚀 是 指 : 由 于 含 沙 水 流 磨 损 和 空 化 水 流 空 蚀 共 同 作 用 导 致 泄 水 建 筑 物 混 凝 土
材 料 的 流 失 。 本 文 对 混 凝 土 磨 蚀 后 的 表 面 性 状 特 征 进 行 了 统 计 分 析 和 描 述 , 对 混 凝 土 表 面 磨 蚀 破
坏 的 划 分 标 准 进 行 了 探 讨 。
关 键 词 磨 蚀 ; 磨 损 ; 空 蚀 ; 划 分 标 准
1 问 题 的 由 来
在 我 国 西 部 地 区 , 特 别 是 西 南 地 区 的 一 些 河 流 , 河 谷 狭 窄 , 坡 陡 流 急 , 挟 带 大 量 推 移 质
下 泄 , 粒 径 一 般 在 20 cm~30 cm, 最 大 超 过 100 cm。 已 建 的 不 少 大 中 型 水 利 水 电 工 程 泄 水
建 筑 物 在 高 水 头 、 大 流 量 挟 沙 水 流 的 作 用 下 , 常 遭 受 不 同 程 度 的 磨 损 。 浅 层 的 磨 损 破 坏 可 能
不 会 对 结 构 带 来 致 命 的 危 害 , 但 随 着 磨 损 深 度 的 进 一 步 加 剧 , 可 能 造 成 水 流 的 边 界 分 离 , 形
成 恶 劣 的 空 化 水 流 流 态 , 并 造 成 结 构 缝 的 止 水 破 坏 、 钢 筋 外 露 等 各 种 不 利 于 结 构 稳 定 的 现 象 。
目 前 我 国 对 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 表 面 磨 蚀 破 坏 程 度 尚 无 划 分 标 准 , 给 泄 水 建 筑 物 的 安 全 鉴
定 和 评 估 带 来 不 便 , 因 此 有 必 要 对 混 凝 土 表 面 磨 蚀 破 坏 程 度 的 划 分 标 准 进 行 探 讨
2 混 凝 土 的 磨 蚀
磨 蚀 具 有 两 层 含 义 , 即 : 磨 损 和 空 蚀 。
混 凝 土 磨 损 是 指 : 泄 水 建 筑 物 表 面 在 含 沙 水 流 的 摩 擦 作 用 下 产 生 的 混 凝 土 材 料 的 流 失 。
混 凝 土 磨 损 的 主 要 特 征 是 : 悬 移 质 或 推 移 质 随 水 流 运 动 , 先 磨 掉 表 面 较 软 弱 的 砂 浆 层 , 然 后
磨 掉 细 骨 料 , 待 细 骨 料 流 失 后 , 露 出 粗 骨 料 , 若 粗 骨 料 硬 度 大 , 易 形 成 一 层 坚 硬 的 防 护 层 ,
其 磨 损 会 相 对 稳 定 下 来 。 对 于 推 移 质 ( 粗 砂 , 砾 卵 石 、 块 石 等 ) 来 说 , 除 了 对 建 筑 物 有 摩 擦
作 用 外 , 还 有 撞 击 作 用 , 其 大 小 取 决 于 流 速 、 流 态 、 推 移 质 数 量 、 粒 径 、 形 状 、 运 动 方 式 等 ,
对 建 筑 物 的 磨 损 破 坏 还 与 过 流 时 间 、 建 筑 物 体 型 、 材 料 的 抗 冲 磨 能 力 有 关 。 由 于 重 力 作 用 ,
磨 损 部 位 大 都 集 中 在 底 部 , 在 有 平 面 弯 道 的 压 力 洞 中 , 内 侧 磨 损 较 大 。
混 凝 土 空 蚀 是 指 : 由 于 高 速 水 流 中 空 泡 溃 灭 时 产 生 的 微 射 流 的 冲 击 作 用 导 致 泄 水 建 筑 物
混 凝 土 材 料 的 流 失 。 混 凝 土 空 蚀 的 主 要 特 征 是 : 在 高 中 水 头 泄 水 建 筑 物 中 的 某 些 部 位 , 当 设
计 体 型 不 良 或 施 工 不 平 整 度 过 大 时 , 常 常 会 产 生 水 流 的 边 界 分 离 , 形 成 空 化 水 流 , 造 成 空 蚀
破 坏 。 空 蚀 破 坏 在 混 凝 土 表 面 , 轻 者 造 成 斑 点 麻 面 , 重 者 形 成 蜂 窝 状 甚 至 大 洞 。 空 蚀 的 发 生
直 接 影 响 到 建 筑 物 的 寿 命 , 甚 至 造 成 整 个 建 筑 物 的 失 事 。 所 以 空 蚀 已 成 为 泄 水 建 筑 物 设 计 中
的 一 个 重 要 问 题 。 根 据 上 述 分 析 可 知 , 混 凝 土 磨 蚀 指 : 由 于 含 沙 水 流 磨 损 和 空 化 水 流 空 蚀 共
同 作 用 导 致 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 材 料 的 流 失 。
混 凝 土 磨 蚀 的 主 要 特 征 是 : 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 表 面 在 含 沙 水 流 的 作 用 下 , 以 沙 粒 磨 损 为
先 导 , 沙 粒 的 冲 击 、 摩 擦 和 切 削 , 使 混 凝 土 表 面 出 现 凹 凸 不 平 , 形 成 空 化 源 。 空 泡 溃 灭 , 产
生 空 蚀 。 混 凝 土 表 面 粗 糙 加 剧 了 水 流 的 紊 动 , 又 促 使 沙 粒 的 动 能 大 为 提 高 , 从 而 加 速 了 混 凝
485

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
土 的 磨 损 。 在 磨 损 和 空 蚀 的 共 同 作 用 下 , 形 成 恶 劣 的 空 化 水 流 流 态 , 水 流 分 离 明 显 , 水 流 紊
动 剧 烈 , 导 致 恶 性 循 环 , 进 而 形 成 较 大 的 破 坏 面 乃 至 整 体 破 坏 。
自 1935 年 巴 拿 马 麦 登 坝 泄 水 道 进 口 发 现 严 重 破 坏 以 来 , 泄 水 建 筑 物 的 破 坏 时 有 发 生 。
[1]
在 查 阅 文 献 和 工 程 调 查 的 基 础 上 , 表 1 汇 总 了 我 国 一 些 典 型 的 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 磨 蚀 实 例 。
表 1 泄 水 建 筑 物 混 凝 土 磨 蚀 实 例
序 号 工 程 名 称 建 筑 物 名 称 运 行 及 磨 蚀 破 坏 情 况 破 坏 原 因
1 刘 家 峡 泄 水 道
1968 年 10 月 至 1989 年 底 运 行 41049 小
时 , 泄 水 总 量 863.8 亿 m 3 , 累 计 排 沙 量
6943×104 t。1985 年 汛 后 检 查 底 板 呈 沟
状 麻 面 或 保 护 层 骨 料 外 露 , 面 积 约 占 底 板
面 积 95%, 导 墙 与 底 板 空 蚀 , 个 别 部 位 钢
筋 外 露 深 达 30 cm, 空 蚀 连 续 破 坏 区 达 80
m 2 左 右 , 深 度 10 cm~15 cm。
含 沙 量 大 、 流 速 高 , 还 与
闸 门 不 对 称 开 启 有 关 。
2 三 门 峡 底 孔
1970 年 ~1980 年 运 行 18842 小 时 后 检 查 ,
2# 工 作 门 后 有 四 个 冲 坑 深 20 cm, 平 均 磨
去 2 cm~4 cm, 侧 墙 距 底 板 2.5 cm~3.0
cm 以 内 , 粗 骨 料 裸 露 ;3# 底 孔 底 板 C50
水 泥 石 英 沙 浆 平 均 磨 蚀 深 8 cm。
含 沙 量 高 , 再 加 施 工 围 堰
未 拆 除 , 部 分 石 块 经 底 孔
下 泄 。
3 青 铜 峡
坝 内 泄 水
底
孔
孔 壁 剥 蚀 严 重 , 一 般 深 2 cm, 最 大 磨 蚀
坑 深 65 cm。
4 八 盘 峡 消 力 池 底 板
5 石 泉 中 孔 消 力 戽
到 1982 年 3 月 止 , 消 力 池 护 坦 受 磨 损 面
积 达 280 m 2 , 磨 深 为 30~40 cm, 钢 筋 外
露 。
戽 内 有 两 个 大 的 冲 坑 , 深 30~40 cm 每 个
面 积 约 20 m 2 , 大 导 墙 骨 料 露 出 。
磨 蚀 破 坏 , 因 混 凝 土 保 护
层 薄 。
据 说 是 下 泄 水 流 将 戽 下
游 石 子 带 到 戽 内 冲 磨 造
成 。
6 官 厅 泄 洪 洞
7 西 岗 南 溢 洪 道
8
二 龙 山 泄 洪 隧 洞
( 吉 林 省 ) 出 口 消 力 池
9 鸭 河 口 消 力 池 底 板
明 渠 底 板 和 侧 墙 底 部 磨 去 0.5 cm~1.0
cm, 石 子 露 出 , 并 有 深 达 5 cm、 面 积 10 cm
×15 cm 的 坑 。
溢 洪 道 底 板 及 消 力 池 混 凝 土 表 面 呈 现 坑
窝 及 刷 痕 , 最 大 坑 深 50 cm 钢 筋 出 露 。
消 力 池 底 板 消 力 墩 表 面 水 泥 石 大 部 分 被
冲 磨 掉 , 露 出 粗 骨 料 , 磨 深 2 cm~5 cm,
最 大 10 cm, 个 别 处 露 出 钢 筋 。
消 力 池 底 板 损 坏 面 积 1030.5 m 2 , 磨 损 最
深 11cm, 钢 筋 亦 有 折 断 。
施 工 导 流 期 间 磨 蚀
消 力 池 内 施 工 残 碴 未 清
除 干 净 , 过 水 时 受 残 碴 滚
磨
池 内 残 碴 未 清 除 , 混 凝 土
保 护 层 薄 , 闸 门 不 对 称 开
启 , 池 内 产 生 立 轴 旋 涡 。
486

第 二 部 分 工 程 水 力 学
续 表 1
序 号 工 程 名 称 建 筑 物 名 称 运 行 及 磨 蚀 破 坏 情 况 破 坏 原 因
10 天 桥 泄 洪 洞
11 葛 洲 坝 二 江 泄 洪 洞
经 10 年 运 用 , 溢 流 面 冲 磨 破 坏 严 重 ,4 号 孔
严 重 破 坏 部 位 在 弧 门 底 坎 以 下 6 m 段 , 钢 筋
多 处 露 出 或 折 断 , 坑 深 2 m, 面 积 40 m 2 , 侧
墙 弧 门 底 坎 与 侧 轨 也 破 坏 严 重
1981 年 投 入 运 行 , 遇 特 大 洪 水 , 闸 室 及
护 坦 的 混 凝 土 被 磨 损 , 磨 损 轻 的 部 位 深 度
不 超 过 1 cm, 磨 损 较 重 部 位 , 大 部 分 露
出 小 石 子 和 中 石 子 , 深 度 1 cm~2 cm;
26 号 、27 号 闸 室 底 板 局 部 磨 损 最 重 , 深
度 2 cm~3 cm, 个 别 3 cm~5 cm。
水 流 挟 带 泥 沙 中 坚 硬 的
石 英 、 长 石 含 量 多 磨 损 能
力 强 ; 溢 流 面 未 作 高 强 抗
冲 耐 磨 层 。
闸 前 行 进 流 速 大 , 挟 带 沙
卵 砾 石 过 闸 造 成 冲 磨 。
3 混 凝 土 磨 蚀 破 坏 划 分 标 准
通 过 数 据 分 析 和 感 观 判 断 , 结 合 混 凝 土 表 面 磨 蚀 对 混 凝 土 结 构 物 的 影 响 程 度 , 初 步 拟 定
了 混 凝 土 表 面 磨 蚀 破 坏 程 度 划 分 标 准 ( 见 表 2)。
表 2 混 凝 土 表 面 磨 蚀 破 坏 程 度 划 分 标 准
破 坏 程 度 划 分 标 准 轻 度 (Ⅰ 级 ) 中 度 (Ⅱ 级 ) 重 度 (Ⅲ 级 ) 破 坏
磨 蚀 深 度
d(mm)
0

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
堰 塞 湖 溃 决 影 响 快 速 评 估 及 应 急 措 施 探 讨
张 宝 森
1
霍 风 霖
2
(1. 黄 河 水 利 科 学 研 究 院 郑 州 顺 河 路 45 号 450003 zhangbaosen@hky.yrcc.gov.cn
2. 水 利 部 堤 防 安 全 与 病 害 工 程 技 术 研 究 中 心 郑 州 顺 河 路 45 号 450003)
摘 要 针 对 堰 塞 湖 可 能 发 生 漫 溢 及 溃 决 险 情 , 通 过 现 场 地 形 测 绘 , 已 有 地 形 图 资 料 及 实 时 遥 感
资 料 分 析 , 快 速 生 成 溃 决 影 响 范 围 内 地 形 图 , 采 用 相 关 洪 水 演 进 模 型 计 算 溃 决 洪 水 可 能 影 响 范 围 ,
根 据 计 算 结 果 , 及 时 采 取 相 关 应 急 措 施 , 降 低 堰 塞 湖 溃 决 形 成 的 次 生 灾 害 对 下 游 造 成 的 损 失 。 根
据 评 估 结 果 可 采 取 快 速 拆 除 ; 建 造 排 洪 隧 道 ; 建 造 虹 吸 管 ; 建 造 抽 水 站 ; 建 造 永 久 性 溢 洪 道 ; 建
造 大 坝 等 处 理 方 案 。
关 键 词 堰 塞 湖 ; 溃 决 ; 快 速 评 估 ; 应 急 措 施
1 概 述
由 于 地 震 引 发 山 体 滑 坡 并 堵 塞 河 道 形 成 的 湖 泊 称 为 地 震 堰 塞 湖 。 据 统 计 , 我 国 自 1856
年 以 来 , 共 计 产 生 141 个 地 震 堰 塞 湖 , 按 照 其 形 成 和 造 成 的 灾 害 来 看 , 堰 塞 湖 可 以 分 为 3 类 :
[1]
高 危 型 堰 塞 湖 、 稳 态 型 堰 塞 湖 和 即 生 即 消 型 堰 塞 湖 。 高 危 型 堰 塞 湖 由 于 蓄 水 量 大 、 落 差 大 ,
往 往 在 形 成 后 几 天 至 几 年 后 会 被 冲 垮 , 形 成 严 重 的 地 震 滞 后 次 生 水 灾 。 稳 态 型 堰 塞 湖 ( 亦 称
“ 死 湖 ”), 可 以 存 在 很 长 时 间 且 湖 积 水 量 很 大 。 即 生 即 消 型 堰 塞 湖 为 震 时 形 成 的 短 时 堰 塞
湖 , 很 快 会 被 后 来 累 积 的 水 体 冲 毁 , 一 般 危 害 不 大 。
地 震 堰 塞 湖 由 于 主 要 是 快 速 堆 积 所 致 , 因 而 其 坝 体 结 构 较 为 松 垮 , 组 成 物 质 松 散 , 胶 结
不 良 , 很 容 易 因 松 动 而 造 成 溃 堤 , 属 于 短 暂 的 湖 泊 型 态 。 很 多 情 况 下 , 由 于 地 震 堰 塞 湖 堵 塞
了 正 常 河 道 的 水 流 , 会 造 成 堰 塞 湖 区 内 的 水 位 不 断 升 高 , 水 体 的 渗 流 压 力 会 逐 渐 增 大 , 在 疏
松 堆 积 的 堰 塞 湖 堤 上 形 成 管 涌 , 从 而 造 成 垮 坝 , 在 很 短 的 时 间 内 将 湖 区 中 的 全 部 水 量 一 起 排
泄 出 来 , 高 水 头 洪 水 将 会 造 成 下 游 的 灭 顶 之 灾 , 形 成 很 大 的 地 震 次 生 灾 害 ,1933 年 四 川 叠
[2]
溪 地 震 的 海 子 垮 坝 就 是 一 例
。 因 此 , 在 地 震 应 急 和 地 震 抢 险 工 作 中 , 凡 是 出 现 地 震 堰 塞 湖
的 地 方 , 都 必 须 及 时 排 除 堵 塞 物 , 将 河 道 疏 通 , 这 样 才 能 避 开 险 情 。
5.12 汶 川 地 震 发 生 以 后 , 在 四 川 省 的 9 个 县 形 成 34 座 堰 塞 湖 , 这 些 堰 塞 湖 有 大 有 小 。
[3]
其 中 北 川 的 唐 家 山 堰 塞 湖 最 大 。 经 现 场 核 定 ,35 处 堰 塞 湖 主 要 集 中 在 北 川 、 绵 竹 和 什 邡 等
地 , 分 布 在 沱 江 、 涪 江 、 岷 江 和 嘉 陵 江 水 系 。 单 个 堰 塞 湖 集 雨 面 积 范 围 在 80 至 3550 km 2 之
间 , 堰 塞 体 体 积 达 10 至 2037 万 m 3 , 其 地 质 构 成 多 为 松 散 堆 积 土 石 体 , 坝 高 10 至 120 m,
最 大 蓄 水 量 达 50 万 至 3 亿 m 3 。 针 对 5.12 汶 川 地 震 形 成 的 堰 塞 湖 , 首 先 要 建 立 了 完 整 的 监 测
体 系 , 随 时 掌 握 堰 塞 湖 动 态 , 其 次 要 制 定 抢 险 方 案 和 应 急 预 案 ; 现 在 对 有 些 危 险 性 比 较 高 的
堰 塞 湖 已 经 制 定 了 完 整 的 应 急 预 案 , 非 常 时 期 疏 散 下 游 可 能 受 淹 没 的 村 镇 , 把 人 民 群 众 撤 离
到 安 全 的 地 方 。
2 堰 塞 湖 溃 决 影 响 快 速 评 估 方 案
2.1 功 能 与 用 途
可 以 快 速 估 算 因 堰 塞 湖 溃 决 对 下 游 造 成 的 影 响 , 为 下 游 人 员 开 展 应 急 避 难 措 施 及 财 产 转
移 节 省 宝 贵 时 间 , 保 障 下 游 人 员 的 生 命 财 产 安 全 。
488

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2.2 技 术 简 介
(1) 地 形 绘 制
采 用 已 有 地 形 图 构 建 计 算 影 响 区 域 , 采 用 多 时 相 高 分 辨 率 卫 星 遥 感 数 据 对 地 形 图 进 行 修
正 , 体 现 因 灾 造 成 的 堰 塞 湖 下 游 河 道 变 形 ; 采 用 多 种 方 法 确 定 堰 塞 湖 下 游 河 道 糙 率 。
(2) 堰 塞 湖 库 容 动 态 监 测
对 堰 塞 湖 局 部 地 区 原 有 地 形 图 进 行 局 部 修 正 , 由 专 业 技 术 人 员 现 场 局 部 测 绘 ; 监 测 上 游
河 道 流 量 过 程 , 绘 制 堰 塞 湖 水 面 边 界 ; 利 用 高 分 辨 率 卫 星 遥 感 数 据 监 测 堰 塞 湖 内 沉 积 物 , 动
态 计 算 堰 塞 湖 库 容 。
(3) 溃 决 洪 水 快 速 评 估
针 对 可 能 发 生 溃 决 险 情 的 堰 塞 湖 , 采 用 洪 水 溃 决 计 算 模 型 快 速 计 算 溃 决 洪 水 要 素 ( 淹 没
范 围 , 水 深 、 流 速 等 ), 为 下 游 实 施 人 员 应 急 避 险 及 财 产 转 移 提 供 技 术 支 持 。
(4) 迁 安 救 护 实 施
水 利 部 堤 防 安 全 与 病 害 工 程 技 术 研 究 中 心 、 黄 河 水 利 科 学 研 究 院 在 处 理 洪 水 演 进 计 算 、
洪 水 风 险 图 编 制 、 堤 防 险 情 ( 溃 决 、 渗 漏 、 坍 塌 、 管 涌 及 滑 坡 等 )、 人 员 迁 安 救 护 预 案 制 定
等 方 面 积 累 了 丰 富 的 工 程 经 验 、 成 熟 的 技 术 , 且 拥 有 雄 厚 的 工 程 技 术 科 研 队 伍 。
2.3 计 算 需 要 相 关 资 料
(1) 基 础 资 料 :1 堰 塞 湖 局 部 地 区 大 比 例 尺 电 子 地 图 及 湖 区 地 形 图 、 下 游 河 道 纵 横 断
面 资 料 、 水 位 流 量 关 系 曲 线 资 料 、 下 游 河 道 糙 率 ;2 堰 塞 湖 坝 体 相 关 尺 寸 ( 坝 高 、 坝 宽 等 ),
下 游 河 道 地 形 图 , 包 括 等 高 线 , 高 程 点 及 相 关 居 民 财 产 分 布 ;3 洪 水 影 响 区 域 社 会 经 济 信 息 ;
4 堰 塞 湖 多 时 相 遥 感 监 测 数 据 , 堰 塞 湖 湖 区 库 容 动 态 监 测 数 据 。
(2) 水 文 资 料 : 堰 塞 湖 上 游 河 道 集 水 区 域 水 文 相 关 资 料 ( 集 水 面 积 、 下 垫 面 类 型 等 ),
控 制 水 文 站 水 文 资 料 序 列 、 四 川 省 水 文 计 算 手 册 , 堰 塞 湖 上 游 入 库 流 量 资 料 及 坝 体 下 游 渗 水
监 测 数 据 。
(3) 堰 塞 湖 溃 坝 计 算 所 需 数 据 : 滑 坡 堵 江 事 件 在 世 界 范 围 内 的 山 区 广 泛 发 育 , 形 成 的
天 然 坝 高 几 米 至 几 百 米 , 存 在 时 间 由 几 十 分 钟 至 上 千 年 (22 % 的 天 然 坝 在 形 成 后 一 天 内 溃 决 ,
一 半 的 天 然 坝 在 10d 内 溃 决 , 据 Schuster [4] ) 。 坝 体 一 旦 溃 决 , 形 成 高 达 几 米 至 几 十 米 的
洪 峰 , 常 将 沿 江 两 岸 洗 劫 一 空 , 冲 毁 各 种 工 程 建 筑 , 造 成 人 员 伤 亡 。
天 然 坝 溃 决 洪 水 峰 顶 流 量 计 算 是 溃 坝 洪 水 计 算 的 重 要 内 容 之 一 , 它 与 洪 峰 高 度 是 溃 坝 洪
水 灾 害 评 价 的 重 要 依 据 。 本 文 借 用 谢 任 之 教 授 提 出 的 人 工 坝 溃 决 洪 水 计 算 方 法 , 将 其 应 用 于
[5]
天 然 坝 溃 决 洪 水 计 算 中 , 经 历 史 溃 坝 实 例 验 证 计 算 结 果 可 靠 。
2.4 快 速 评 估 计 算
[6]
(1) 按 照 堆 石 坝 瞬 时 溃 决 方 式 进 行 计 算 , 初 步 采 用 谢 任 之 计 算 溃 坝 最 大 流 量 。
q m
= lB
3
2
0
gH 0
其 中 λ 为 流 量 参 数 ,B0 为 河 道 宽 度 ,H0 为 坝 上 游 水 深 。
l = m
m-1
é
ê2
ê
ê
ê
êë
m +
u
1 + 2m
0
gH
0
ù
ú
ú
ú
ú
úû
2m+
1
489

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
其 中 m 为 河 谷 断 面 形 状 指 数 , 峡 谷 取 2。
(2) 溃 坝 下 游 流 量 计 算 所 需 资 料 :
Q
LM
=
W
Q
M
式 中 : 近 似 传 播 速 度 vK 值 , 采 用 黄 河 水 利 委 员 会 公 式 , 山 区 河 道 ,vK=7.15; 下 游 距 坝
址 处 距 离 L;QLM 为 当 最 大 流 量 演 进 至 坝 址 为 L 处 时 , 该 处 出 现 的 最 大 流 量 ;W 为 水 库 溃 坝 时
库 容 ;QM 溃 坝 最 大 流 量 。
(3) 洪 水 传 播 及 最 大 流 量 到 达 时 间 计 算 :
1.75
L (10 - h0
)
洪 水 起 涨 时 间 计 算 公 式 t1
= K1
0.2 0. 35
W H
1.4
L
最 大 流 量 到 达 时 间 公 式 t
2
= K2
0.2 0.5 0. 25
W H
0
0
h M
W
式 中 :L 为 距 坝 址 距 离 ;K1 为 系 数 , 取 平 均 值 0.70×10 -3 ;W 为 可 泻 库 容 ;hM 为 溃 坝 洪
水 到 达 前 计 算 断 面 的 平 均 水 深 :H0 为 坝 上 游 水 深 ;hM 为 最 大 流 量 时 的 平 均 水 深 ;K2 为 系 数 ,
取 值 0.8~1.2。
(4) 堰 塞 湖 溃 坝 下 游 应 急 避 难 实 施 :
1 调 查 下 游 历 史 最 高 洪 痕 线 , 作 为 下 游 群 众 应 急 避 险 的 参 考 安 全 线 , 将 群 众 转 移 到 高
于 这 一 线 的 地 带 ;2 调 查 可 修 复 道 路 状 况 及 可 通 行 交 通 状 况 资 料 , 为 快 速 组 织 人 员 财 产 转
移 提 供 可 选 择 路 线 。3 收 集 多 种 应 急 预 警 警 报 装 置 , 可 预 见 警 报 期 内 , 保 证 通 信 畅 通 。
3 堰 塞 湖 溃 决 应 对 策 略
根 据 历 史 经 验 , 处 理 堰 塞 湖 的 方 法 主 要 有 :1 快 速 拆 除 ;2 建 造 排 洪 隧 道 ;3 建 造
虹 吸 管 ;4 建 造 抽 水 站 ;5 建 造 永 久 性 溢 洪 道 ;6 建 造 大 坝 。
对 于 5.12 汶 川 地 震 形 成 的 堰 塞 湖 , 首 先 要 根 据 现 场 勘 查 , 根 据 具 体 情 况 提 出 以 下 紧 急
处 理 方 案 :
方 案 1: 开 挖 临 时 溢 洪 道 对 于 有 交 通 条 件 , 可 以 进 入 施 工 机 械 设 备 的 , 在 堰 顶 开 挖 临
时 溢 洪 道 紧 急 处 理 。
方 案 2: 堰 体 爆 破 快 速 拆 除 对 于 没 有 交 通 条 件 , 不 能 进 入 施 工 机 械 设 备 的 , 采 用 堰 体
爆 破 快 速 拆 除 紧 急 处 理 。
对 于 具 有 危 险 性 的 堰 塞 湖 , 通 过 对 堰 塞 湖 堵 塞 物 的 结 构 分 析 , 制 定 科 学 合 理 的 药 包 布 置
方 式 , 采 用 毫 秒 微 差 爆 破 技 术 , 分 层 、 分 段 拆 除 , 使 堰 顶 高 程 逐 步 降 低 , 或 使 堰 体 缺 口 得 到
有 效 控 制 , 实 现 堰 塞 湖 的 分 洪 时 间 由 不 可 控 变 为 可 控 , 在 实 施 爆 破 前 , 可 主 动 撤 离 危 险 区 域 ,
避 免 下 游 人 民 生 命 财 产 受 到 威 胁 。
方 案 3: 堰 体 爆 破 加 固 处 理 对 于 没 有 交 通 条 件 , 不 能 进 入 施 工 机 械 设 备 的 , 采 用 堰 体
爆 破 快 速 加 固 紧 急 处 理 。
+
1.3
该 方 案 采 用 爆 破 ( 分 别 向 上 下 游 爆 破 ) 降 低 堰 体 高 度 , 加 宽 堰 体 , 提 高 堰 体 的 稳 定 性 。
方 案 4: 建 造 无 动 力 虹 吸 管 对 于 有 交 通 条 件 , 可 以 进 入 施 工 机 械 设 备 的 , 堰 体 比 较 稳
定 的 , 开 挖 难 度 较 大 的 , 可 以 建 造 无 动 力 虹 吸 管 。
进 入 汛 期 , 突 降 暴 雨 , 会 危 及 大 坝 和 下 游 人 民 群 众 的 安 全 。 按 照 常 规 , 洪 水 必 须 涨 到 高
L
vK
490

第 二 部 分 工 程 水 力 学
于 溢 洪 道 才 能 自 行 泄 洪 , 安 装 一 定 数 量 的 无 动 力 虹 吸 溢 洪 设 备 , 在 洪 水 未 上 涨 至 溢 洪 道 前 可
运 行 该 设 备 预 先 ( 无 动 力 ) 溢 洪 , 尤 其 是 无 排 洪 能 力 的 堰 塞 湖 和 排 洪 能 力 较 差 的 大 中 型 病 险
水 库 , 可 自 动 抽 吸 比 溢 洪 道 低 8m 以 内 的 洪 水 出 库 , 在 暴 雨 到 来 之 前 预 留 出 一 定 的 库 容 , 保
护 大 坝 的 安 全 ; 匹 配 管 径 从 1m 至 4m; 虹 吸 管 径 可 依 据 排 洪 库 容 量 进 行 计 算 确 定 。 若 采 用 该
设 备 跨 坝 或 溢 洪 道 ( 跨 高 8m) 向 外 虹 吸 引 水 溢 洪 , 加 大 泄 洪 速 度 , 无 须 任 何 动 力 , 无 须 抽
吸 真 空 , 安 全 可 靠 , 紧 急 汛 期 关 头 , 自 动 排 洪 泄 洪 , 治 标 治 本 , 投 资 少 , 见 效 快 。 该 项 技 术
有 无 动 力 虹 吸 溢 洪 成 套 设 备 , 施 工 安 装 速 度 快 。 施 工 安 装 见 图 1、 图 2。
图 1 堰 塞 湖 无 动 力 虹 吸 溢 洪 示 意 图
图 2 无 动 力 虹 吸 溢 洪 安 装 实 景 图
4 结 语
5.12 汶 川 地 震 发 生 以 后 , 在 四 川 省 的 9 个 县 形 成 34 座 堰 塞 湖 , 这 些 堰 塞 湖 有 大 有 小 。
其 中 北 川 的 唐 家 山 堰 塞 湖 最 大 , 这 些 堰 塞 湖 都 存 在 一 定 风 险 , 因 此 , 在 地 震 应 急 和 地 震 抢 险
工 作 中 , 凡 是 出 现 地 震 堰 塞 湖 的 地 方 , 都 必 须 及 时 排 除 堵 塞 物 , 将 河 道 疏 通 , 这 样 才 能 避 开
险 情 。 针 对 5.12 汶 川 地 震 形 成 的 堰 塞 湖 , 首 先 要 建 立 了 完 整 的 监 测 体 系 , 随 时 掌 握 堰 塞 湖
动 态 , 其 次 要 制 定 抢 险 方 案 和 应 急 预 案 。 特 别 是 抢 险 方 案 , 首 先 要 根 据 现 场 勘 查 , 根 据 具 体
情 况 确 定 紧 急 处 理 方 案 。
另 外 本 人 参 加 了 2008 年 四 川 抗 震 救 灾 专 家 组 , 全 国 范 围 内 开 展 水 库 安 全 生 产 专 项 检 查
甘 肃 专 家 组 。 本 文 只 针 对 地 震 形 成 的 堰 塞 湖 提 出 了 堰 塞 湖 溃 决 影 响 快 速 评 估 方 案 和 溃 决 应 对
策 略 , 仅 供 参 考 , 不 当 之 处 欢 迎 探 讨 。
参 考 文 献
[1] 聂 高 众 , 高 建 国 , 邓 砚 . 地 震 诱 发 的 堰 塞 湖 初 步 研 究 [J]. 第 四 纪 研 究 ,2004 年 5 月 :293-301.
[2] 刘 锁 旺 , 丁 忠 孝 , 张 俊 山 .1856 年 湖 北 咸 丰 县 大 路 坝 地 震 考 察 [J]. 地 壳 形 变 与 地 震 ,1981,(2):69-81.
http://news.163.com/08/0524/01/4CM25DMP0001124J.html.
[3] Schuster, R L,Costa,J E.Perspective on landslide dams[C].Amercan Society of Civil Engineering,
Geotechnical Spec.Publ.,1986,3:1-20.
[4] 韩 爱 果 , 等 . 人 工 坝 溃 决 洪 水 峰 顶 流 量 计 算 公 式 应 用 于 滑 坡 堵 江 坝 的 可 行 性 探 讨 [J]. 水 土 保 持 研 究 ,
2007 年 12 月 :231-234.
[5] 谢 任 之 . 溃 坝 水 力 学 [M]. 济 南 : 山 东 科 学 技 术 出 版 社 ,1990.
491

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
非 均 质 材 料 坝 防 渗 体 开 裂 位 置 对 渗 流 特 性 的 影 响
刘 达
1
邹 俊
2
李 连 侠
2
(1. 广 东 省 水 利 水 电 科 学 研 究 院 广 州 市 天 河 区 天 寿 路 101 号 510610 liuwenda1616@163.com
2. 四 川 大 学 水 力 学 及 山 区 河 流 开 发 保 护 国 家 重 点 实 验 室 成 都 市 一 环 路 南 一 段 24 号 610065
56438439@qq.com)
摘 要 本 文 结 合 实 际 工 程 对 非 均 质 材 料 坝 防 渗 体 开 裂 位 置 对 渗 流 特 性 的 影 响 进 行 了 研 究 。 采 用
基 于 有 限 体 积 法 的 渗 流 二 维 计 算 模 型 IGW 对 防 渗 体 未 开 裂 的 正 常 工 况 以 及 位 于 不 同 渗 透 特 性 地
层 的 四 个 开 裂 高 程 工 况 进 行 了 计 算 , 通 过 五 个 工 况 的 出 逸 点 位 置 、 浸 润 线 高 度 、 单 宽 渗 流 量 、 渗
流 场 特 征 以 及 渗 透 坡 降 场 的 对 比 分 析 , 认 为 非 均 质 堰 体 中 防 渗 墙 裂 缝 位 置 不 同 其 渗 流 特 性 较 为 复
杂 , 规 律 性 不 强 , 地 层 特 性 相 似 的 情 况 下 , 开 裂 位 置 越 高 越 不 利 , 除 与 防 渗 墙 裂 缝 位 置 有 关 外 ,
其 渗 流 特 性 也 与 防 渗 墙 裂 缝 所 处 位 置 地 层 的 渗 透 特 性 有 较 大 关 系 , 地 层 的 渗 透 特 性 越 强 , 开 裂 造
成 的 危 害 越 大 。
关 键 词 渗 流 力 学 ; 非 均 质 材 料 坝 防 渗 体 开 裂 ; 数 值 模 拟 ; 开 裂 位 置 ; 渗 流 特 性
1 前 言
当 前 , 我 国 正 陆 续 建 设 一 大 批 大 型 水 利 水 电 工 程 , 这 些 工 程 大 都 是 高 坝 , 库 容 和 水 头 都
很 大 。 这 些 大 型 水 电 工 程 大 多 位 于 我 国 西 南 地 区 , 而 西 南 地 区 为 我 国 高 地 震 频 发 地 区 , 且 地
理 地 质 条 件 复 杂 。 已 有 的 结 构 计 算 表 明 : 由 于 地 震 、 坝 基 不 均 匀 沉 降 、 温 度 应 力 等 因 素 的 存
在 , 防 渗 体 可 能 会 产 生 规 模 不 等 的 裂 缝 。 同 时 , 由 于 在 极 为 复 杂 的 地 质 条 件 上 进 行 防 渗 墙 的
施 工 , 防 渗 墙 可 能 存 在 诸 如 开 叉 和 裂 缝 等 施 工 缺 陷 。 以 上 这 些 因 素 造 成 的 防 渗 体 的 裂 缝 , 在
[1]
较 大 的 水 头 下 , 可 能 会 产 生 水 力 劈 裂 , 使 裂 缝 发 展 , 最 终 造 成 防 渗 体 部 分 或 全 部 失 效 , 致
使 水 库 的 蓄 水 效 益 降 低 , 经 济 上 损 失 严 重 , 更 为 严 重 的 后 果 是 , 防 渗 体 开 裂 后 对 坝 基 的 整 体
稳 定 性 产 生 严 重 影 响 , 极 大 的 威 胁 着 水 利 工 程 的 安 全 。
目 前 国 内 对 于 防 渗 体 开 裂 对 坝 基 渗 流 场 的 影 响 的 研 究 较 少 , 已 有 的 研 究 一 般 也 局 限 于 对
[2-6]
概 化 的 均 质 材 料 坝 的 防 渗 体 开 裂 的 研 究 , 其 研 究 成 果 认 为 防 渗 墙 一 旦 开 裂 其 防 渗 阻 水 能
力 会 大 大 降 低 , 以 致 难 以 达 到 工 程 防 渗 要 求 , 对 堰 体 的 安 全 造 成 威 胁 , 但 是 对 于 非 均 质 材 料
坝 的 防 渗 体 开 裂 的 情 况 其 规 律 是 否 相 同 、 自 身 有 何 特 点 , 以 往 的 研 究 是 鲜 有 涉 及 的 。 本 文 结
[7-9]
合 实 际 工 程 利 用 数 值 计 算 的 方 法 研 究 了 非 均 质 材 料 坝 的 防 渗 体 开 裂 位 置 对 渗 流 特 性 的 影
响 , 以 供 同 类 工 程 研 究 的 参 考 和 借 鉴 。
沙 湾 水 电 站 枢 纽 工 程 位 于 四 川 省 乐 山 市 沙 湾 区 大 渡 河 干 流 葫 芦 镇 河 段 , 为 大 渡 河 干 流 下
游 梯 级 开 发 中 的 第 一 级 , 枢 纽 区 上 游 11.5km 为 已 建 的 铜 街 子 水 电 站 , 下 游 为 规 划 的 安 谷 水
电 站 , 其 施 工 期 围 堰 由 三 部 分 组 成 , 上 游 围 堰 、 下 游 围 堰 以 及 纵 向 围 堰 。
上 游 围 堰 工 程 : 堰 顶 高 程 为 426.50 m, 最 大 堰 高 13 m, 堰 体 长 347.88 m。 采 用 砂 卵 石
堰 型 , 堰 顶 宽 20 m, 迎 水 坡 1:2, 背 水 坡 1:1.5, 堰 体 、 堰 基 采 用 塑 性 砼 防 渗 墙 防 渗 , 墙
厚 1 m。
纵 向 围 堰 : 堰 顶 高 程 为 426.50~424.0 m, 堰 体 长 555.43 m。 采 用 砂 卵 石 堰 型 , 堰 顶 宽
20 m, 迎 水 坡 1:2, 背 水 坡 1:1.5, 堰 体 、 堰 基 采 用 塑 性 砼 防 渗 墙 防 渗 , 墙 厚 1 m。 束 窄
河 床 最 大 平 均 流 速 5.87 m/s, 在 迎 水 面 设 置 1~2m 厚 钢 筋 笼 卵 石 防 冲 护 底 、 护 坡 。
下 游 围 堰 工 程 : 堰 顶 高 程 为 424.0 m, 堰 体 长 306.98 m。 采 用 砂 卵 石 堰 型 , 堰 顶 宽 20 m,
迎 水 坡 1:2, 背 水 坡 1:1.5, 堰 体 、 堰 基 采 用 塑 性 砼 防 渗 墙 防 渗 , 墙 厚 1 m。
492

7 ,7 6
15 ,5 3
105 °
第 二 部 分 工 程 水 力 学
2 渗 流 计 算 模 型 简 介
本 文 中 的 渗 流 数 值 计 算 采 用 IGW (Interactive GroundWater) 软 件 , 它 采 用 的 是 有 限 体
积 法 。IGW 为 互 动 、 实 时 、 可 视 化 确 定 性 和 随 机 地 下 水 模 拟 的 软 件 。 该 软 件 代 表 了 目 前 能
进 行 地 下 水 互 动 、 实 时 、 可 视 化 分 析 和 监 测 等 较 先 进 的 综 合 性 随 机 模 拟 系 统 。
描 述 多 孔 介 质 水 流 运 动 的 微 分 方 程 可 写 成 下 式
h
h
S
s
= ( Kij
) + q
(1)
s
t X X
i
其 中 , S s
为 贮 水 系 数 ;h 为 水 头 ; K ij
为 水 力 传 导 系 数 张 量 ( 渗 透 系 数 ); q 为 源 或 汇 项 ,
s
X 为 Cartesian 坐 标 。 方 程 (1) 为 本 文 采 用 的 渗 流 计 算 模 型 的 控 制 方 程 。
i
计 算 网 格 布 置 见 图 1。 图 2 示 出 了 网 格 节 点 及 其 邻 近 节 点 的 关 系 图 。 图 中 的 非 节 点 值 采
用 调 和 平 均 进 行 插 值 ; 渗 流 速 度 与 水 力 传 道 系 数 在 网 格 上 错 开 布 置 。
j
Xi
Xi+1
Y
(i,j)
Y
j+1
Yj
NW
W
Y
w
sw
N
X
n
P
s
ne
e
se
NE
E
Y
j+1
Yj
X
SW
Xi
S
Xi+1
SE
NODE
GRID LINE
CELL
图 1 采 用 的 网 格 布 局
图 2 典 型 单 元 及 其 符 号 标 记
3 渗 流 计 算 剖 面 及 参 数
3.1 渗 流 计 算 剖 面
工 程 勘 察 设 计 部 门 沿 纵 向 围 堰 共 钻 探 了 四 个 地 质 剖 面 , 四 个 剖 面 的 间 距 相 当 , 从 其 剖 面
图 来 看 , 地 层 分 布 基 本 上 是 较 为 连 续 和 均 匀 的 , 没 有 突 变 的 断 面 和 较 大 的 裂 隙 。 考 虑 到 上 游
围 堰 和 纵 向 围 堰 接 头 处 的 水 力 条 件 最 为 恶 劣 , 在 四 个 剖 面 中 靠 上 游 的 剖 面 应 该 是 围 堰 实 际 运
行 中 最 易 发 生 防 渗 体 开 裂 的 , 因 此 , 选 择 了 最 靠 上 游 的 地 质 剖 面 作 为 本 次 的 典 型 剖 面 进 行 二
维 渗 流 计 算 计 算 剖 面 , 见 图 3。
下 坝 VIII-2
下 坝 XV-2
1:2
下 坝 VII-2
100°
1:2
下 游 围 堰
166,08
上 游 围 堰
1:1.5
1:2
纵 向 围 堰
计 算 剖 面
图 3 沙 湾 电 站 厂 房 基 坑 施 工 围 堰 计 算 剖 面 平 面 位 置 图
根 据 剖 面 图 及 地 质 分 层 情 况 , 拟 定 了 本 次 计 算 中 该 典 型 剖 面 的 计 算 区 域 , 如 图 4 所 示 ,
图 中 还 将 各 地 层 分 区 情 况 绘 于 其 中 , 分 区 范 围 为 按 提 供 的 地 质 分 层 特 性 确 定 , 其 中 的 A、B、
493

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
C 和 D 区 对 应 于 覆 盖 层 II 层 、 覆 盖 层 I 层 、 盐 溶 角 砾 岩 和 泥 质 白 云 岩 。
A1
E
E
A2
F
高 程 386 处 裂 缝 , 缝 宽 =0.002m
C1
B1
高 程 380 处 裂 缝 , 缝 宽 =0.002m
高 程 374 处 裂 缝 , 缝 宽 =0.002m
C3
C2
高 程 368 处 裂 缝 , 缝 宽 =0.002m
B2
D2
D3
图 4 纵 向 围 堰 剖 面 示 意 图
3.2 渗 流 计 算 参 数
本 次 渗 流 计 算 所 选 的 纵 向 围 堰 计 算 剖 面 的 各 地 层 特 性 参 数 见 表 1。 堰 体 堆 筑 料 的 渗 透 系
数 为 6´10 -2 cm/s, 高 喷 混 凝 土 防 渗 墙 封 闭 到 D2 层 的 弱 风 化 基 岩 , 其 渗 透 系 数 为 10 -4 ~ 10 -6
cm/s。
表 1 剖 面 各 地 层 分 层 特 性 及 其 渗 透 系 数
位 置
名 称
渗 透 系 数
(cm/s)
允 许 坡 降
计 算 分 区 编 号
覆 盖 层
基 岩
II
I
岩 溶 角
砾 岩
白 云 岩
卵 砾 石 夹 砂 (II-2) 7.5´10 -2 0.10~0.15 A1
漂 卵 砾 石 夹 砂 (II-1) 8.4´10 -2 0.10~0.15 A2
粘 土 夹 卵 砾 石 (I-2-2) 0.99´10 -2 B1
卵 砾 石 夹 砂 (I-2) 3.9´10 -2 0.20 B2
砂 夹 卵 砾 石 (I-2) 0.5´10 -2 0.20 B4
砂 层 透 镜 体 (I-2-1) 0.25´10 -2 0.20~0.25 B3
强 风 化 w =84 Lu C1
弱 风 化 w =67 Lu C2
新 鲜 w =44 Lu C3
强 风 化 w =20 Lu D1
弱 风 化 w =8.02 Lu D2
新 鲜 w =6.3 Lu D3
堰 体 堆 筑 料 6´10 -2 E
防 渗 墙 高 喷 混 凝 土 10 -4 ~ 10 -6 80~100 F
4 计 算 结 果 分 析
4.1 浸 润 线 变 化 分 析
复 杂 地 层 防 渗 墙 开 裂 , 并 非 是 防 渗 墙 裂 缝 位 置 越 高 防 渗 阻 水 作 用 越 弱 , 而 是 在 防 渗 墙 裂
494

C3
C1
A2
A1
C2
B1
E
E
F
D2
D3
B2
B2
C4
D1
38
第 二 部 分 工 程 水 力 学
缝 位 于 高 程 374 m 和 380 m 两 处 有 较 高 墙 后 水 头 及 出 逸 点 位 置 。 究 其 原 因 可 知 : 高 程 为 368 m
的 防 渗 墙 裂 缝 处 于 c1 地 层 中 ,c1 地 层 为 强 风 化 岩 溶 角 砾 岩 , 其 渗 透 系 数 是 1.4´10 -3 cm/s;
高 程 为 386 m 的 防 渗 墙 裂 缝 处 于 b1 地 层 中 ,b1 地 层 为 粘 土 夹 卵 砾 石 , 其 渗 透 系 数 是 9.9´10 -3 cm/s;
高 程 为 374 m 与 380 m 的 防 渗 墙 裂 缝 处 于 b2 地 层 中 ,b2 地 层 为 卵 砾 石 夹 砂 , 其 渗 透 系 数 是
3.9´10 -2 cm/s。 高 程 为 374 m 与 380 m 的 防 渗 墙 裂 缝 所 处 地 层 的 渗 透 系 数 较 大 , 是 c1 地 层
的 28 倍 , 是 b1 地 层 的 4 倍 。 所 以 造 成 防 渗 墙 裂 缝 高 程 为 374 m 与 380 m 时 , 墙 后 水 头 以 及
出 逸 点 位 置 较 高 。
表 2 沙 湾 电 站 纵 向 围 堰 防 渗 墙 不 同 位 置 开 裂 后 的 各 渗 流 参 数 的 计 算 结 果
(m)
裂 缝 位 置
368 374 380 386 正 常
墙 后 浸 润 线 高 度 (m) 385.06 397.19 398.40 395.18 370.50
出 逸 点 位 置 (m) 366.12 377.15 380.47 371.81 361.46
出 逸 点 位 置 (m)
382
380
378
376
374
372
370
368
366
364
365 370 375 380 385 390
开 裂 位 置 (m)
图 5 不 同 位 置 开 裂 后 的 出 逸 点 位 置 比 较
浸 润 线 高 度 (m)
400
398
396
394
392
390
388
386
384
365 370 375 380 385 390
开 裂 位 置 (m)
图 6 不 同 位 置 开 裂 后 的 浸 润 线 高 度 比 较
4.2 单 宽 渗 流 量 变 化 分 析
由 表 3 可 知 , 与 防 渗 墙 在 不 同 高 程 部 位 开 裂 时 计 算 的 堰 体 浸 润 线 一 样 , 单 宽 流 量 也 不 是
随 防 渗 墙 裂 缝 位 置 的 升 高 而 增 加 , 高 程 为 374 m 与 380 m 的 防 渗 墙 裂 缝 有 较 大 单 宽 流 量 。 其
原 因 也 是 , 高 程 为 374 m 与 380 m 的 防 渗 墙 裂 缝 所 处 地 层 的 渗 透 系 数 较 大 , 是 c1 地 层 的 28
倍 , 是 b1 地 层 的 4 倍 ; 同 时 , 与 不 开 裂 情 况 相 比 , 单 宽 深 流 量 增 大 了 约 8~20 倍 。
表 3 沙 湾 电 站 纵 向 围 堰 防 渗 墙 不 同 位 置 开 裂 后 单 宽 渗 流 量
裂 缝 位 置 (m) 368 374 380 386 未 开 裂 状 态
单 宽 渗 流 量 (m 3 /day) 83.12 229.70 242.84 169.81 11.18
4.3 渗 流 场 变 化 分 析
防 渗 墙 开 裂 各 计 算 工 况 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 , 堰 体 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 见 图 7
— 图 16。 由 图 可 见 , 防 渗 体 开 裂 后 , 裂 缝 内 流 速 值 较 大 , 防 渗 墙 裂 缝 附 近 有 一 近 似 圆 形 的
水 头 扩 散 区 ; 防 渗 墙 在 高 程 380 m 与 374 m 处 开 裂 工 况 的 水 头 扩 散 明 显 要 强 于 防 渗 墙 在 368 m
与 386 m 高 程 开 裂 的 工 况 , 影 响 范 围 也 大 于 后 者 。
450
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
E
E
420
400
400
400
F
Y(m)
350
380
360
340
360
Y(m)
380
360
D2
B2
320
4 2 2
420 416 410 404 398392
38 6
380 374 370 366 364 362
300
-100 -50 0 50 100 150 200
X(m)
图 7 正 常 防 渗 墙 堰 体 渗 流 场 及 水 头 等 值 线
340
320
D3
366
04 398 392
380 374 370
50 0 100
X(m)
364
362
图 8 正 常 防 渗 墙 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线
495

3 7 6
水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
400
420
400
Y (m )
380
360
Y(m)
380
340
360
320 422 420 416 412 406 400 392 386 380 372 368
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
X(m)
3 6 2
340
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120
X(m)
图 9 防 渗 墙 368m 处 开 裂 堰 体 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 图 10 防 渗 墙 368m 处 开 裂 堰 体 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
E
E
420
E
E
400
A2
A1
F
400
F
Y (m )
380
360
C3
C1
C2
B1
B2
B2
Y(m)
380
B2
D2
C4
340
360
320
422 420 416
4 1 0
406
4 0 2
398
D3
392 386 382 376 370 366 364 362
D2
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
X(m)
340
0 50 100
X(m)
图 11 防 渗 墙 374m 处 开 裂 堰 体 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 图 12 防 渗 墙 374m 处 开 裂 堰 体 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
E
E
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
420
E
E
400
400
A2
A1
F
400
F
Y (m )
380
360
380
360
C3
C1
C2
B1
D2
B2
B2
C4
360
D1
Y(m)
380
B2
340
340
320
320
4 2 2
420 416 412
4 0 8
D3
404 400 396 390 384 378
3 7 2
366 362
360
D2
300
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
X(m)
0 20 40 60 80 100 120
X(m)
图 13 防 渗 墙 380m 处 开 裂 堰 体 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 图 14 防 渗 墙 380m 处 开 裂 堰 体 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图
440
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
Head(m): 360 364 368 372 376 380 384 388 392 396 400 404 408 412 416 420 424
420
20
E
E
420
E
E
Y (m )
400
380
360
00
80
60
C3
C1
A2
A1
C2
B1
F
D2
B2
B2
C4
360
D1
Y(m)
400
380
F
B2
340
40
360
320
20
D3
D2
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
X(m)
340
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
X(m)
图 15 防 渗 墙 386m 处 开 裂 堰 体 渗 流 场 及 水 头 等 值 线 图 图 16 防 渗 墙 386m 处 开 裂 堰 体 局 部 渗 流 场 及 水 头 等 值 线
496

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4.4 各 地 层 最 大 渗 透 坡 降 对 比
表 4 为 防 渗 墙 在 不 同 高 程 部 位 开 裂 时 计 算 的 堰 体 各 区 域 最 大 渗 透 坡 降 结 果 , 图 17 与 图
18 为 堰 体 各 区 域 最 大 渗 透 坡 降 随 防 渗 墙 开 裂 位 置 不 同 的 变 化 规 律 。
表 4 沙 湾 电 站 纵 向 围 堰 防 渗 墙 不 同 位 置 开 裂 后 的 堰 体 各 区 域 最 大 渗 透 坡 降 的 计 算 结 果
(m)
裂 缝 位 置
368 374 380 386 正 常
A1 地 层 最 大 渗 透 坡 降 0.051 0.140 0.151 0.142 0.00632
B1 地 层 最 大 渗 透 坡 降 0.398 1.182 1.467 8.686 0.0420
C1 地 层 最 大 渗 透 坡 降 27.259 0.845 0.854 0.862 0.918
基 岩 D2 地 层 最 大 渗 透 坡 降 4.940 2.249 2.570 4.425 8.500
防 渗 墙 内 部 地 层 最 大 渗 透
坡 降
29.624 22.388 21.2120 24.240 47.838
10
A1 地 层
35
各 地 层 最 大 渗 透 坡 降
8
6
4
2
B1 地 层
基 岩 D2
各 地 层 最 大 渗 透 坡 降
30
25
20
15
10
5
C1 地 层
防 渗 墙 内
0
365 370 375 380 385 390
开 裂 位 置 (m)
0
365 370 375 380 385 390
开 裂 位 置 (m)
图 17 不 同 位 置 开 裂 后 的 各 地 层 最 大 渗 透 坡 降 比 较 图 18 不 同 位 置 开 裂 后 的 各 地 层 最 大 渗 透 坡 降 比 较
由 上 表 及 图 可 以 看 出 , 与 前 面 的 出 逸 点 、 浸 润 线 及 渗 流 场 变 化 规 律 相 一 致 , 复 杂 地 层 下
的 渗 透 坡 降 随 开 裂 位 置 的 变 化 也 与 地 层 渗 透 特 性 有 关 。 总 的 而 言 , 各 地 层 渗 透 坡 降 随 防 渗 墙
裂 缝 位 置 升 高 而 增 大 ; 防 渗 墙 在 高 程 374 m 及 380 m 开 裂 时 的 各 地 层 区 最 大 渗 透 坡 降 要 小 于
在 高 程 368 m 及 386 m 开 裂 工 况 , 这 与 防 渗 墙 在 高 程 374 m 及 380 m 开 裂 工 况 下 消 减 水 头 较
小 有 关 , 其 原 因 也 是 : 高 程 为 374 m 与 380 m 的 防 渗 墙 裂 缝 所 处 地 层 的 渗 透 系 数 较 大 , 是
c1 地 层 的 28 倍 , 是 b1 地 层 的 4 倍 。
5 结 论
综 上 所 述 , 对 于 地 层 较 为 复 杂 的 计 算 工 况 结 果 表 明 , 非 均 质 堰 体 中 防 渗 墙 裂 缝 位 置 不 同
其 渗 流 特 性 较 为 复 杂 , 规 律 性 不 强 , 除 与 防 渗 墙 裂 缝 位 置 有 关 外 , 也 与 防 渗 墙 裂 缝 所 处 位 置
地 层 的 渗 透 特 性 有 较 大 关 系 ; 防 渗 墙 裂 缝 所 在 地 层 渗 透 系 数 大 则 防 渗 墙 开 裂 后 防 渗 阻 水 能 力
变 弱 , 沙 湾 电 站 厂 房 深 基 坑 围 堰 工 程 中 防 渗 墙 裂 缝 在 高 程 380 m 处 的 防 渗 阻 水 作 用 最 弱 , 只
消 减 了 40% 的 水 头 , 而 渗 透 量 也 是 最 大 的 , 对 工 程 安 全 最 为 不 利 ; 防 渗 墙 在 高 程 368 m 处 开
裂 对 渗 流 特 性 影 响 相 对 较 小 , 仍 可 消 减 约 60% 的 水 头 , 渗 透 量 也 较 小 。
参 考 文 献
[1] 毛 昶 熙 , 水 工 渗 流 问 题 - 重 要 性 与 破 坏 性 [J]. 水 利 工 程 管 理 技 术 ,1987,(1):8-13.
497

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
[2] 张 嘎 , 张 连 卫 , 张 建 民 , 等 . 溪 洛 度 水 电 站 上 游 围 堰 防 渗 体 裂 缝 对 渗 流 场 的 影 响 [J]. 水 力 发 电 学 报 ,
2002(3).
[3] 李 守 德 , 于 达 . 基 坑 防 渗 体 局 部 失 效 渗 流 场 变 化 特 征 [J]. 探 矿 工 程 ,2005(10).
[4] 赵 君 . 面 板 堆 石 坝 集 中 渗 流 研 究 [J]. 大 连 理 工 大 学 学 报 ,1999(3).
[5] 张 嘎 , 张 建 民 , 洪 镝 . 面 板 堆 石 坝 面 板 在 出 现 裂 缝 工 况 下 的 渗 流 分 析 [J]. 水 利 学 报 ,2005(4).
[6] 盛 金 昌 , 赵 坚 , 速 宝 玉 . 混 凝 土 防 渗 墙 开 裂 对 坝 基 渗 透 稳 定 性 的 影 响 [J]. 水 利 水 电 科 技 进 展 ,2006
年 (7).
[7] 毛 昶 熙 等 . 渗 流 数 值 计 算 与 程 序 应 用 [M]. 南 京 : 河 海 大 学 出 版 社 ,1999.
[8] 毛 昶 熙 . 电 模 拟 试 验 与 渗 流 研 究 [M]. 北 京 : 水 利 出 版 社 ,1981:43-45.
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498

第 二 部 分 工 程 水 力 学
冲 积 河 流 河 型 成 因 的 逻 辑 推 理
史 传 文
1
张 宇 华
1
吴 保 生
2
(1. 黄 河 水 利 职 业 技 术 学 院 河 南 开 封 475001 qh111106@163.com
2. 清 华 大 学 水 沙 科 学 与 水 利 水 电 工 程 国 家 重 点 实 验 室 北 京 100084)
摘 要 本 文 根 据 方 法 论 建 立 了 冲 积 河 流 河 型 研 究 方 法 体 系 , 主 要 采 用 逻 辑 学 方 法 对 河 型 成 因
问 题 进 行 了 推 理 研 究 。 基 于 地 貌 学 和 河 流 动 力 学 基 本 理 论 , 推 理 得 出 的 结 论 为 , 在 地 球 内 力 作 用
一 定 的 条 件 下 , 冲 积 河 流 河 型 均 是 由 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 所 形 成 的 , 冲 积 河 流 河 型 的
不 同 是 由 于 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 的 不 同 。
关 键 词 冲 积 河 流 ; 河 型 成 因 ; 逻 辑 推 理 ; 地 貌 ; 输 沙 平 衡 程 度
1 河 型 成 因 的 研 究 方 法
1.1 问 题 的 提 出
河 流 根 据 其 所 在 地 理 位 置 的 不 同 分 为 山 区 河 流 和 平 原 河 流 , 平 原 河 流 根 据 平 原 形 成 原 因
的 不 同 , 分 为 冲 积 平 原 河 流 和 非 冲 积 平 原 河 流 , 冲 积 平 原 河 流 简 称 冲 积 河 流 。 冲 积 河 流 根 据
河 床 平 面 形 态 分 为 顺 直 、 弯 曲 、 分 汊 和 游 荡 四 种 基 本 河 型 。 冲 积 河 流 河 型 成 因 的 研 究 已 经 有
[1~3]
100 年 左 右 的 历 史 , 尽 管 得 到 的 成 果 很 多 , 但 迄 今 为 止 , 还 没 有 公 认 的 结 论 。
1.2 冲 积 河 流 河 型 研 究 方 法 体 系
河 型 成 因 的 研 究 有 多 种 多 样 的 方 法 , 但 仅 仅 靠 单 一 或 数 种 没 有 形 成 体 系 的 方 法 很 难 有 效
[4]
地 解 决 河 型 成 因 问 题 。 本 文 根 据 方 法 论 建 立 的 冲 积 河 流 河 型 研 究 方 法 体 系 见 图 1, 按 使 用
的 普 遍 性 程 度 , 把 河 型 的 研 究 方 法 分 为 哲 学 方 法 、 一 般 科 学 方 法 和 专 门 科 学 方 法 三 个 层 次 。
本 文 依 托 冲 积 河 流 河 型 研 究 方 法 体 系 , 主 要 采 用 逻 辑 推 理 方 法 进 行 研 究 , 试 图 解 决 河 型 成 因
的 问 题 。
1.3 逻 辑 推 理 方 法
[5]
逻 辑 学 是 研 究 概 念 、 判 断 、 推 理 及 其 规 律 和 方 法 的 科 学 。 逻 辑 推 理 是 由 一 个 或 几 个 已
知 判 断 推 出 一 个 新 判 断 的 思 维 形 式 , 是 认 识 事 物 、 获 得 新 知 识 的 一 种 重 要 方 法 。 推 理 由 前 提 、
结 论 、 推 理 联 项 三 个 部 分 组 成 。 根 据 前 提 与 结 论 联 系 性 质 的 不 同 , 逻 辑 推 理 可 分 为 必 然 性 推
理 ( 即 如 果 前 提 为 真 , 那 么 结 论 一 定 为 真 ) 和 或 然 性 推 理 ( 如 果 前 提 为 真 , 结 论 仅 仅 可 能 为
真 )。 根 据 推 理 方 向 的 不 同 , 把 推 理 分 为 演 绎 推 理 ( 即 从 一 般 到 个 别 的 推 理 )、 归 纳 推 理 ( 即
从 个 别 到 一 般 的 推 理 ) 和 类 比 推 理 ( 即 从 个 别 到 个 别 或 一 般 到 一 般 的 推 理 ) 三 大 类 。 归 纳 法
可 分 为 完 全 归 纳 法 和 不 完 全 归 纳 法 , 完 全 归 纳 法 是 一 种 在 研 究 了 事 物 的 所 有 特 殊 情 况 后 , 得
出 一 般 结 论 的 推 理 方 法 , 不 完 全 归 纳 法 是 从 一 个 或 几 个 特 殊 情 况 做 出 一 般 性 结 论 的 归 纳 推
理 。 根 据 前 提 是 否 包 含 有 模 态 判 断 , 推 理 可 分 为 模 态 推 理 ( 即 关 于 事 物 属 性 存 在 或 不 存 在 的
必 然 性 或 可 能 性 的 推 理 ) 和 非 模 态 推 理 ( 即 关 于 事 物 属 性 存 在 或 不 存 在 的 推 理 )。 根 据 前 提
和 结 论 是 简 单 判 断 ( 即 自 身 不 包 含 其 他 判 断 的 判 断 ) 还 是 复 合 判 断 , 把 推 理 分 为 简 单 判 断 推
理 和 复 合 判 断 推 理 , 所 谓 简 单 判 断 推 理 是 指 以 简 单 判 断 为 前 提 和 结 论 的 推 理 。 根 据 简 单 判 断
所 断 定 的 是 对 象 的 性 质 还 是 对 象 之 间 的 关 系 , 又 将 简 单 判 断 分 为 性 质 判 断 推 理 和 关 系 判 断 推
理 。 根 据 前 提 数 量 的 多 少 , 推 理 可 分 为 直 接 推 理 ( 即 只 有 一 个 前 提 的 推 理 ) 和 间 接 推 理 。 逻
辑 推 理 方 法 的 分 类 如 图 2 所 示 。
499

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
文 献 研 究 方 法
经
验
方
法
实 地 考 察 方 法
实 验 研 究 方 法
一
般
科
学
方
法
理
论
方
法
数 学 方 法
逻 辑 推 理 方 法
系 统 论 方 法
信 息 论 方 法
冲
积
河
流
河
型
研
究
方
法
体
系
哲
学
方
法
系
统
科
学
方
法
控 制 论 方 法
耗 散 结 构 论 方 法
协 同 论 方 法
突 变 论 方 法
结 构 地 貌 学 方 法
专
门
科
学
方
法
地
貌
学
方
法
河
流
动
学
方
法
气 候 地 貌 学 方 法
动 力 地 貌 学 方 法
应 用 地 貌 学 方 法
流 体 力 学 方 法
河 流 动 力 学 方 法
河 床 演 变 学 方 法
图 1 冲 积 河 流 河 型 研 究 方 法 体 系 简 图
一 个 正 确 的 推 理 必 须 同 时 具 备 两 个 条 件 , 一 是 推 理 的 前 提 真 实 ; 二 是 推 理 的 形 式 有 效 。
也 就 是 说 为 确 保 推 理 获 得 真 实 结 论 , 必 须 满 足 前 提 真 实 和 推 理 有 效 这 两 个 条 件 。 推 理 形 式 符
合 普 通 逻 辑 的 基 本 规 律 和 推 理 规 则 , 则 推 理 形 式 有 效 。
三 段 论 推 理 形 式 是 由 两 个 含 有 一 个 共 同 项 的 性 质 判 断 作 前 提 得 出 的 一 个 新 的 性 质 判 断
为 结 论 的 演 绎 推 理 形 式 , 属 于 性 质 判 断 间 接 推 理 。 任 何 一 个 三 段 论 都 是 由 三 个 性 质 判 断 构 成
的 , 其 中 两 个 是 前 提 , 一 个 是 结 论 。 任 何 一 个 三 段 论 都 有 并 且 只 有 三 个 不 同 的 词 项 , 这 三 个
500

第 二 部 分 工 程 水 力 学
词 项 分 别 叫 做 中 项 、 小 项 和 大 项 。 中 项 是 指 在 两 个 前 提 中 都 出 现 而 在 结 论 中 不 出 现 的 词 项 ,
用 A 表 示 。 小 项 是 作 为 结 论 主 项 的 词 项 , 用 E 表 示 。 大 项 是 指 作 为 结 论 谓 项 的 那 个 词 项 ,
用 C 表 示 。 小 项 和 大 项 都 在 前 提 和 结 论 中 各 出 现 一 次 。 三 段 论 的 两 个 前 提 , 一 个 称 大 前 提 ,
一 个 称 小 前 提 。 大 前 提 是 指 含 有 大 项 的 前 提 , 小 前 提 是 指 含 有 小 项 的 前 提 。 如 果 用 D 表 示
“ 是 ”, 则 典 型 的 三 段 论 肯 定 推 理 形 式 可 以 表 示 为
ADC
EDA
EDC (1)
三 段 论 的 规 则 是 三 段 论 公 理 的 具 体 化 , 三 段 论 的 公 理 是 三 段 论 推 理 的 基 本 依 据 。 三 段 论
公 理 认 为 , 对 一 类 事 物 的 全 部 有 所 断 定 ( 肯 定 或 否 定 ), 则 对 该 类 事 物 的 部 分 也 就 有 所 断
定 。 三 段 论 的 规 则 是 逻 辑 检 验 三 段 论 的 推 理 形 式 是 否 有 效 的 标 准 , 遵 守 三 段 论 的 规 则 ,
就 能 保 证 由 真 前 提 必 然 地 推 出 真 结 论 。 三 段 论 的 规 则 有 下 列 7 条 。1 中 项 在 前 提 中 至 少
要 周 延 一 次 ;2 在 前 提 中 不 周 延 的 项 , 在 结 论 中 也 不 得 周 延 ;3 两 个 否 定 前 提 不 能 推 出
结 论 , 至 少 有 一 个 前 提 是 肯 定 判 断 ;4 前 提 有 一 个 是 否 定 判 断 , 结 论 也 必 然 是 否 定 判 断 ;
5 如 果 两 个 前 提 都 是 肯 定 的 , 则 结 论 必 是 肯 定 的 ;6 两 个 特 称 判 断 做 前 提 , 不 能 推 出 必
然 结 论 ;7 前 提 中 有 一 个 是 特 称 判 断 , 结 论 也 必 然 是 特 称 判 断 。
必
然
性
推
理
完
全
归
纳
推
理
模
态
推
理
真 值 摸 态 推 理
规 范 摸 态 推 理
关 系 判 断 推 理
性 质 判 断 推 理
性
质
判
断
直
接
推
理
逻
辑
推
理
方
法
演
绎
推
理
非
模
态
推
理
简 单 判 断 推 理
复 合 判 断 推 理
联 言 推 理
性
质
判
断
间
接
推
理
类 比 推 理
简 单 枚 举 归 纳 推 理
选 言 推 理
或
然
性
推
理
不 完 全 归 纳 推 理
科 学 归 纳 推 理
概 率 归 纳 推 理
假 言 推 理
负 判 断 推 理
三
段
论
推
理
图 2 逻 辑 推 理 方 法 分 类 简 图
2 基 于 地 貌 学 理 论 的 河 型 成 因 逻 辑 推 理
2.1 河 流 地 貌 和 河 型 的 基 本 概 念
地 貌 是 地 球 表 面 各 种 形 态 的 总 称 , 也 叫 地 形 。 地 表 形 态 是 多 种 多 样 的 , 成 因 也 不 尽 相 同 ,
501

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
但 都 是 内 、 外 力 作 用 对 地 壳 综 合 作 用 的 结 果 。 内 营 力 规 定 了 地 貌 的 基 本 结 构 , 外 营 力 则 在 这
个 基 础 上 , 不 断 对 它 们 进 行 雕 塑 。 地 貌 类 型 按 其 形 态 分 类 , 可 把 大 陆 地 貌 分 为 山 地 、 高 原 、
盆 地 、 丘 陵 、 平 原 五 种 类 型 , 进 一 步 可 以 归 纳 为 山 区 和 平 原 两 大 类 型 。 按 其 成 因 分 类 , 可 分
为 以 内 力 地 质 作 用 为 主 形 成 的 地 貌 , 称 为 构 造 地 貌 ; 以 外 力 地 质 作 用 为 主 形 成 的 地 貌 , 有 侵
蚀 地 貌 、 堆 积 地 貌 等 , 又 可 以 根 据 动 力 作 用 的 性 质 分 为 河 流 地 貌 、 冰 川 地 貌 、 海 岸 地 貌 、 岩
溶 地 貌 、 黄 土 地 貌 等 。 河 流 地 貌 是 河 流 作 用 于 地 球 表 面 , 经 侵 蚀 、 搬 运 和 堆 积 过 程 所 形 成 的
各 种 侵 蚀 、 堆 积 地 貌 的 总 称 。 河 流 作 用 是 地 球 表 面 最 经 常 、 最 活 跃 的 地 貌 作 用 , 它 贯 穿 于 河
流 地 貌 的 全 过 程 。 无 论 什 么 样 的 河 流 均 有 侵 蚀 、 搬 运 和 堆 积 作 用 , 并 形 成 形 态 各 异 的 地 貌 类
[6,7]
型 。
河 床 又 称 河 槽 , 为 平 水 期 河 道 水 流 的 固 体 边 界 。 由 于 根 据 河 床 地 貌 的 平 面 形 态 , 把 冲 积
[3]
河 流 河 床 分 为 顺 直 型 、 弯 曲 型 、 分 汊 型 和 游 荡 型 四 种 基 本 类 型 , 因 此 , 可 以 说 , 河 型 即 为
河 床 的 类 型 。 由 于 根 据 河 床 的 四 种 基 本 类 型 可 以 把 河 道 分 为 相 应 的 四 种 基 本 类 型 。 因 此 , 又
可 以 说 , 河 型 即 为 河 道 的 类 型 。 由 于 根 据 河 道 的 四 种 基 本 类 型 可 以 把 冲 积 河 流 分 为 相 应 的 四
种 基 本 类 型 。 因 此 , 也 可 以 说 , 河 型 即 为 冲 积 河 流 的 类 型 。
2.2 河 道 地 貌 成 因 的 完 全 归 纳 推 理
一 般 的 河 流 定 义 认 为 , 河 流 是 地 球 陆 地 表 面 上 经 常 或 间 歇 有 水 流 动 的 线 形 天 然 水 道 , 河
流 是 由 河 道 和 河 道 水 流 两 部 分 构 成 的 , 所 谓 河 道 是 指 陆 地 表 面 上 的 水 流 的 固 体 边 界 。 由 于 “ 河
流 地 貌 是 河 流 作 用 于 地 球 表 面 , 经 侵 蚀 、 搬 运 和 堆 积 过 程 所 形 成 的 各 种 侵 蚀 、 堆 积 地 貌 的 总
[6,7]
称 。” 这 个 命 题 中 所 说 的 “ 河 流 地 貌 ” 是 指 河 道 地 貌 , 所 说 的 “ 河 流 作 用 ” 是 指 河 道 水 流
作 用 。 因 此 , 在 地 球 内 力 作 用 一 定 的 条 件 下 , 河 道 地 貌 是 河 道 水 流 作 用 的 结 果 。 由 于 “ 搬 运 ”
实 质 上 是 指 不 侵 蚀 和 不 堆 积 , 因 此 , 河 道 水 流 对 河 道 的 作 用 有 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积
三 种 形 式 。 因 此 , 河 道 地 貌 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过
程 所 形 成 的 各 种 地 貌 的 总 称 , 河 道 地 貌 的 成 因 为 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不
堆 积 三 种 作 用 过 程 。 根 据 逻 辑 推 理 分 类 概 念 , 该 河 道 地 貌 成 因 的 推 理 为 完 全 归 纳 推 理 , 完 全
归 纳 推 理 是 必 然 性 推 理 , 如 果 条 件 为 真 , 结 论 一 定 为 真 。
2.3 河 床 地 貌 成 因 的 三 段 论 演 绎 推 理
由 于 河 道 地 貌 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成
的 ( 即 三 段 论 的 大 前 提 ), 又 由 于 河 床 地 貌 属 于 河 道 地 貌 ( 即 三 段 论 的 小 前 提 ), 因 此 , 河 床
地 貌 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成 的 ( 即 三 段 论
的 推 理 结 论 )。
根 据 三 段 论 规 则 检 验 该 三 段 论 的 推 理 形 式 是 否 有 效 。 该 三 段 论 推 理 形 式 中 , 中 项 为 “ 河
道 地 貌 ”, 小 项 为 “ 河 床 地 貌 ”, 大 项 为 “ 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积
三 种 作 用 过 程 所 形 成 的 ”。 首 先 检 验 该 三 段 论 的 推 理 是 否 符 合 三 段 论 的 一 般 规 则 1, 如 果 中
项 在 前 提 中 一 次 也 没 有 被 断 定 过 它 的 全 部 外 延 ( 即 周 延 ), 那 就 意 味 着 在 前 提 中 大 项 与 小 项 都
分 别 只 与 中 项 的 一 部 分 外 延 发 生 联 系 , 这 样 , 就 不 能 通 过 中 项 的 媒 介 作 用 , 使 大 项 与 小 项 发
生 必 然 的 确 定 的 联 系 , 因 而 也 就 无 法 在 推 理 时 得 出 确 定 的 结 论 。 在 直 言 判 断 中 , 如 果 一 个 词
项 的 全 部 外 延 被 断 定 , 则 称 该 词 项 是 周 延 的 , 否 则 就 是 不 周 延 的 。 关 于 词 项 周 延 性 , 有 如 下
形 式 结 论 , 全 称 判 断 主 项 都 周 延 , 特 称 判 断 主 项 都 不 周 延 ; 肯 定 判 断 谓 项 都 不 周 延 , 否 定 判
断 谓 项 都 周 延 。 确 定 一 词 项 的 周 延 性 , 可 以 依 据 上 面 的 形 式 结 论 断 定 。 由 于 该 三 段 论 推 理 的
大 前 提 中 , 河 道 地 貌 是 指 全 体 河 道 地 貌 , 河 道 地 貌 是 词 项 , 又 由 于 该 大 前 提 判 断 是 直 言 判 断
( 即 为 性 质 判 断 ), 因 此 , 中 项 在 大 前 提 中 周 延 。 因 此 , 该 推 理 形 式 符 合 三 段 论 的 规 则 1。
其 次 , 很 明 显 , 该 三 段 论 的 推 理 符 合 三 段 论 的 规 则 2~7。 因 此 可 以 证 明 , 该 三 段 论 的 推 理
502

第 二 部 分 工 程 水 力 学
形 式 是 有 效 的 。
由 于 该 三 段 论 的 推 理 形 式 是 有 效 的 , 因 此 , 如 果 “ 河 道 地 貌 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、
堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成 的 ” 为 真 , 则 推 理 结 论 “ 河 床 地 貌 是 由 河 道 水 流
对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成 的 ” 一 定 为 真 。
2.4 河 型 成 因 的 三 段 论 演 绎 推 理
由 于 河 床 地 貌 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成
的 ( 即 三 段 论 推 理 的 大 前 提 ), 又 由 于 河 床 的 四 种 基 本 类 型 属 于 河 床 地 貌 ( 即 三 段 论 推 理 的
小 前 提 ), 因 此 , 河 床 的 四 种 基 本 类 型 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积
三 种 作 用 过 程 所 形 成 的 ( 即 三 段 论 推 理 的 结 论 )。 根 据 三 段 论 的 规 则 , 可 以 很 容 易 地 证 明 该
三 段 论 的 推 理 形 式 是 有 效 的 。 由 于 冲 积 河 流 河 床 的 四 种 基 本 类 型 的 集 合 称 为 冲 积 河 流 河 型 ,
因 此 , 冲 积 河 流 河 型 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形
成 的 。
3 基 于 河 流 动 力 学 的 冲 积 河 流 河 型 成 因 推 理
3.1 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 输 沙 平 衡 程 度 状 态 的 表 达 式
[8]
根 据 系 统 理 论 , 可 以 把 冲 积 河 流 看 成 一 个 系 统 来 研 究 , 称 为 冲 积 河 流 系 统 。 冲 积 河 流
系 统 可 以 分 为 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 和 冲 积 河 流 河 道 系 统 。 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统
与 任 何 其 它 系 统 一 样 具 有 平 衡 趋 向 性 。 理 想 化 是 一 种 有 效 的 科 学 研 究 途 径 , 研 究 冲 积 河 流 河
道 挟 沙 水 流 系 统 输 沙 平 衡 程 度 状 态 的 表 达 式 时 , 可 以 借 助 于 冲 积 河 流 河 道 恒 定 均 匀 流 输 沙 平
衡 状 态 的 表 达 式 进 行 表 达 。 取 冲 积 河 流 系 统 中 的 河 道 挟 沙 水 流 系 统 为 脱 离 体 进 行 研 究 , 根 据
[3]
河 流 动 力 学 理 论 , 河 道 挟 沙 水 流 系 统 输 沙 平 衡 要 求 河 道 水 流 为 恒 定 均 匀 流 , 同 时 要 求 含 沙
量 等 于 水 流 挟 沙 力 。
恒 定 均 匀 流 用 下 面 公 式 表 达
水 流 挟 沙 力 用 如 下 的 张 瑞 瑾 公 式 表 达
Q = VBh
(2)
1
n
2 3 1 2
V = h J
(3)
B h = V
(4)
根 据 式 (2)~(4) 式 得
S
*
3
æ V
K
gh ÷ ö
=
ç
è w ø
m
(5)
J
2 2
Q n
= (6)
4 22 3
V h
根 据 式 (2)、(4)、(5) 得
把 式 (7) 代 入 式 (6) 得
1 m 3
æ K Q
h =
ç
1 m
è S* gwV
6
ö
÷
ø
1 10
(7)
503

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
J
=
2
n V
2 5
1 m -1
m
( S gwK
)
*
Q
1 5
11 15
(8)
把 B 、 h 作 为 已 知 量 , 代 入 上 式 (8) 整 理 得
æ J
ç
è n
æ h
ç
øè
B
öé
÷
øêë
2 5
1 5
ö
2
÷ ç ÷
=
1 5
ê
11 15
ú
1 -1
m
( gwS
m K )
*
Q
ù
úû
1
(9)
用 W 表 示 式 (9) 左 端 项 , 并 用 含 沙 量 S 代 替 挟 沙 力 S
*
得
æ J
W = ç
è n
öæ
h
÷
ç
øè
B
2 5
öé
÷ ê
øêë
韩 其 为 建 立 的 实 用 挟 沙 力 公 式 如 下
Q
1 5
ù
( ) ú ú 1 -1
11 15
gwS
m K û
2 1 5
m
0.92
(10)
3
0 æ V
.245 ÷ ö
S
*
=
ç
(11)
è ghw ø
把 该 式 中 的 固 定 系 指 数 K = 0. 245 kg/m 3 、 m = 0. 92 , 代 入 式 (10) 得
W
æ J
ç
è n
öæ
h
÷
ç
øè
B
öæ
ç
÷
ø
è
Q
2 5
1 5
=
2 1 5
15
ö
( )
÷ 1.09 11
4.61S
wg
ø
(12)
把 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 按 时 间 和 流 程 划 分 , 把 较 短 时 段 D 内 的 挟 沙 水 流 简 化 为
恒 定 流 , 再 把 较 短 河 段 D
W
L
j
内 的 恒 定 流 简 化 为 均 匀 流 。 由 此 , 可 以 把 (12) 式 转 化 为 如 下 形 式
æ J
ç
è n
öæ
hij
÷ ç
øè
Bij
öæ
÷ ç
ç
øè
Q
2 / 5
1/ 5
ij
ij
ij
=
2 1/ 5
15
ij
( ) ÷ ÷ 1.09 11
4.61S
ij
wij
g ø
ö
ti
(13)
式 中 , Q ij
、 S ij
、 w ij
、 h ij
、 B ij
、 J ij
、 n ij
分 别 表 示 冲 积 河 流 河 道 ( D L j
河 段 ) 挟 沙 水 流
系 统 在 D ti
时 段 的 流 量 、 悬 移 质 含 沙 量 、 泥 沙 沉 速 、 水 深 、 河 宽 、 水 面 比 降 和 边 界 糙 率 。 为
了 保 证 W
ij
还 是 无 量 纲 量 , 式 中 单 位 只 能 用 “kg 、m 、s”。
如 果 S
ij
= S*
ij
, 则 W
ij
= 1. 0 , 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 的 输 沙 状 态 处 于 输 沙 平 衡 状
态 : 如 果 S
ij
< S*
ij
, 则 W
ij
> 1. 0 , 输 沙 状 态 处 于 输 沙 不 饱 和 状 态 ; 如 果 S
ij
> S*
ij
, 则 W
ij
< 1. 0 ,
输 沙 状 态 处 于 输 沙 超 饱 和 状 态 。 由 于 输 沙 平 衡 、 输 沙 不 饱 和 和 输 沙 超 饱 和 状 态 可 以 归 纳 为 输
沙 平 衡 程 度 状 态 , 因 此 , 本 文 称 (13) 式 为 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 输 沙 平 衡 程 度 状 态 公
式 , 简 称 为 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 公 式 , 相 应 地 称 W 为 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 数 。
3.2 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对 河 道 系 统 的 作 用 形 式 的 完 全 归 纳 推 理
根 据 河 流 动 力 学 和 地 貌 学 理 论 。 如 果 W
ij
= 1. 0 , 则 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对 河 道 系 统 的 作
用 形 式 为 不 冲 不 淤 , 河 道 系 统 保 持 原 有 地 貌 ; 如 果 W
ij
> 1. 0 , 则 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对 河 道
系 统 的 作 用 形 式 为 冲 刷 , 河 道 系 统 形 成 侵 蚀 地 貌 。 如 果 W < 1. 0 , 则 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对
河 道 系 统 的 作 用 形 式 为 淤 积 , 河 道 系 统 形 成 堆 积 地 貌 。 由 此 , 采 用 完 全 归 纳 方 法 推 理 , 可 以
得 出 结 论 , 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 ( W ) 表 达 了 冲 积 河 流 系 统 中 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对
河 道 系 统 的 三 种 作 用 形 式 。
ij
ij
ij
504

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3.3 冲 积 河 流 河 型 成 因 的 推 理
由 于 冲 积 河 流 河 型 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所
形 成 的 , 河 道 水 流 即 为 河 道 挟 沙 水 流 系 统 ; 又 由 于 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 表 达 了 冲 积 河 流 系
统 中 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对 河 道 系 统 的 三 种 作 用 形 式 。 因 此 , 冲 积 河 流 河 型 是 由 冲 积 河 流 输 沙
平 衡 程 度 状 态 过 程 所 形 成 的 。
由 于 冲 积 河 流 河 型 均 是 由 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 所 形 成 的 , 因 此 , 从 成 因 角 度
看 , 四 种 基 本 河 型 的 不 同 一 定 是 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 的 不 同 形 成 的 。 由 此 得 出 结
论 , 冲 积 河 流 河 型 不 同 的 成 因 是 由 于 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 的 不 同 。
需 要 说 明 的 是 , 所 谓 状 态 是 指 , 当 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 的 各 个 要 素 一 定 时 , 就 说
该 系 统 处 于 一 个 状 态 。 当 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 数 一 定 时 , 就 说 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流
系 统 处 于 一 个 输 沙 平 衡 程 度 状 态 。 所 谓 状 态 过 程 是 指 , 当 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 从 一 个
状 态 变 成 另 一 个 状 态 , 就 说 冲 积 河 流 河 道 挟 沙 水 流 系 统 发 生 了 一 个 状 态 转 化 过 程 ; 输 沙 平 衡
程 度 状 态 转 化 过 程 的 集 合 就 形 成 了 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 。 由 于 冲 积 河 流 输 沙 平 衡
程 度 状 态 过 程 的 数 据 量 一 般 很 大 , 又 由 于 河 型 概 念 本 身 是 模 糊 概 念 , 因 此 , 本 文 河 型 成 因 的
[9]
应 用 应 该 采 用 模 糊 数 学 方 法 进 行 定 量 计 算 。
4 结 论
本 文 基 于 河 流 地 貌 是 河 流 作 用 于 地 球 表 面 , 经 侵 蚀 、 搬 运 和 堆 积 过 程 所 形 成 的 各 种 侵 蚀 、
堆 积 地 貌 的 总 称 及 河 型 的 概 念 , 采 用 有 效 的 逻 辑 推 理 形 式 推 出 , 在 地 球 内 力 作 用 一 定 的 条 件
下 , 冲 积 河 流 河 型 是 由 河 道 水 流 对 河 道 的 侵 蚀 、 堆 积 、 不 侵 蚀 和 不 堆 积 三 种 作 用 过 程 所 形 成
的 。 由 于 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 表 达 了 冲 积 河 流 系 统 中 河 道 挟 沙 水 流 系 统 对 河 道 系 统 的
三 种 作 用 形 式 , 因 此 , 冲 积 河 流 河 型 是 由 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 所 形 成 的 。 由 于 冲
积 河 流 河 型 均 是 由 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 所 形 成 的 , 因 此 , 不 同 冲 积 河 流 河 型 的 成
因 为 冲 积 河 流 输 沙 平 衡 程 度 状 态 过 程 的 不 同 。
参 考 文 献
[1] 张 俊 勇 , 陈 立 , 王 家 生 . 河 型 研 究 综 述 [J]. 泥 沙 研 究 ,2005,4:76-81.
[2] John Lewin,Paul A Brewer.Reply to Van den Berg and Bledsoe’s comment on Lewin and Brewer,
2001.Predicting channel pattern ,Geomorphology,2003,53:339-342.
[3] 王 兴 奎 , 邵 学 军 , 王 光 谦 等 . 河 流 动 力 学 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2000.
[4] 王 晖 . 科 学 研 究 方 法 论 [M]. 上 海 : 上 海 财 经 大 学 出 版 社 ,2004.
[5] 扬 武 金 . 逻 辑 学 基 础 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2008.
[6] 张 根 寿 . 现 代 地 貌 学 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2005.
[7] 杨 景 春 , 李 有 利 . 地 貌 学 原 理 [M]. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 ,2005.
[8] 李 喜 先 . 工 程 系 统 论 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2007.
[9] 梁 保 松 , 曹 殿 立 . 模 糊 数 学 及 其 应 用 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2007.
505

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
*
多 沙 水 库 跌 水 溯 源 冲 刷 模 式 初 步 研 究
王 艳 平
1,2
张 俊 华
2,
刘 沛 清
1
(1. 北 京 航 空 航 天 大 学 北 京 学 院 路 37 号 100191 wang_yanping@126.com
2. 黄 河 水 利 科 学 研 究 院 河 南 郑 州 顺 河 路 45 号 450003 zhangjunhua@hky.yrcc.gov.cn)
摘 要 本 文 重 点 研 究 了 水 库 溯 源 冲 刷 跌 水 处 的 冲 刷 模 式 , 对 于 水 库 溯 源 冲 刷 的 跌 水 段 , 水 流 一
般 呈 急 流 状 态 , 弗 汝 德 数 一 般 大 于 1, 该 种 流 态 情 况 下 , 水 流 具 有 强 烈 的 冲 刷 能 力 , 结 合 近 年 来
紊 流 相 干 结 构 理 论 研 究 的 成 果 , 认 为 相 干 结 构 对 泥 沙 启 动 起 到 主 导 作 用 , 即 : 紊 流 相 干 的 猝 发 阶
段 , 宽 度 为 水 深 的 2 倍 左 右 , 长 度 为 猝 发 宽 度 的 3 倍 , 由 此 可 以 确 定 跌 水 处 被 冲 刷 泥 块 的 大 小 。
针 对 以 往 的 溯 源 冲 刷 模 式 大 都 是 事 先 给 定 冲 刷 形 态 问 题 , 充 分 考 虑 对 水 流 流 态 作 用 、 前 期 淤 积 物
组 成 的 物 理 化 学 特 性 等 影 响 , 借 鉴 土 力 学 边 坡 稳 定 及 河 岸 坍 塌 模 式 研 究 成 果 , 建 立 溯 源 冲 刷 模 式 。
对 于 建 立 的 溯 源 冲 刷 跌 水 段 冲 刷 模 式 , 初 步 分 析 了 其 物 理 的 合 理 性 , 并 用 模 型 试 验 资 料 进 行 试 算 ,
同 时 也 指 出 了 该 模 式 需 要 完 善 的 技 术 问 题 及 解 决 思 路 。
关 键 词 多 沙 水 库 ; 溯 源 冲 刷 ; 跌 水 ; 冲 刷 模 式
1 前 言
溯 源 冲 刷 是 水 库 排 沙 的 重 要 形 式 , 它 不 仅 能 排 走 上 游 来 沙 , 而 且 能 冲 走 前 期 淤 积 物 。 溯
源 冲 刷 常 发 生 在 水 库 泄 空 时 的 坝 前 以 上 河 段 或 三 角 洲 前 坡 以 上 河 段 。 对 挟 沙 能 力 方 程 和 河 床
变 形 方 程 适 当 简 化 后 , 可 将 溯 源 冲 刷 的 纵 剖 面 方 程 化 为 二 阶 常 系 数 热 传 导 ( 偏 微 分 ) 方 程 , 在
[1]
[2]
数 学 物 理 方 程 中 对 此 已 有 成 熟 的 解 法 。 彭 润 泽 等 对 推 移 质 进 行 了 这 方 面 的 实 验 研 究 和 求
[3]
解 , 得 到 的 结 果 与 实 际 颇 为 符 合 。 曹 叔 尤 针 对 一 般 的 初 始 条 件 和 边 界 条 件 , 求 出 了 分 析 解 ,
[4]
并 且 用 悬 移 质 的 溯 源 冲 刷 进 行 了 检 验 。 巨 江 改 变 了 在 有 限 的 区 域 求 解 方 程 的 方 法 , 将 其 在
无 限 区 域 内 进 行 , 从 而 获 得 能 够 直 接 积 分 河 床 变 形 的 方 程 , 使 解 颇 为 简 单 , 但 必 须 定 义 其 冲
刷 长 度 。
[5]
在 溯 源 冲 刷 机 理 研 究 方 面 也 取 得 了 一 定 的 成 果 。 张 跟 广 通 过 水 槽 试 验 表 明 溯 源 冲 刷 除
一 般 的 全 程 剥 蚀 外 , 尚 有 局 部 跌 坎 , 冲 刷 基 本 发 生 在 跃 坎 外 , 以 其 不 断 崩 塌 的 形 式 进 行 , 其
条 件 是 颗 粒 细 , 淤 积 物 干 容 重 大 。 当 然 这 种 现 象 在 实 际 水 库 中 是 否 经 常 出 现 或 始 终 贯 彻 到 一
个 水 库 的 冲 刷 过 程 , 尚 未 得 到 证 实 。 经 常 见 到 的 是 含 有 粘 土 淤 积 物 处 , 当 颗 粒 很 密 实 时 会 出
现 跌 坎 , 但 跌 坎 以 上 往 往 仍 有 沿 程 冲 刷 , 而 且 跌 坎 的 存 在 常 常 只 在 一 定 时 间 和 一 个 小 的 河 段 。
研 究 溯 源 冲 刷 的 另 一 种 方 法 是 在 对 冲 刷 纵 剖 面 进 行 假 设 的 基 础 上 导 出 冲 刷 参 数 以 求 出 冲 刷
量 的 变 化 等 。 其 中 有 的 认 为 采 用 恰 当 的 冲 刷 纵 剖 面 也 可 使 其 与 实 际 符 合 得 很 好 , 甚 至 在 一 些
条 件 下 其 精 度 与 二 阶 偏 微 分 方 程 求 解 结 果 不 相 上 下 , 并 得 到 一 套 详 细 的 反 映 溯 源 冲 刷 的 成
果 。 也 有 采 用 一 般 河 床 演 变 数 学 模 型 的 方 法 , 不 必 对 挟 沙 能 力 公 式 ( 实 际 是 含 沙 量 公 式 ) 做 较
[1]
多 简 化 而 研 究 溯 源 冲 刷 的 成 果 。
另 外 , 国 外 学 者 也 对 水 库 淤 积 冲 刷 问 题 的 机 理 及 数 值 模 拟 进 行 了 较 多 的 研 究 , 其 中 以 美
国 陆 军 工 程 兵 团 与 垦 务 局 、 前 苏 联 莫 斯 科 大 学 地 理 系 等 工 作 最 为 显 著 , 研 究 成 果 也 多 是 经 验
性 质 的 。
从 上 述 可 知 : 无 论 国 内 还 是 国 外 对 水 库 冲 刷 机 理 及 数 值 模 拟 的 研 究 都 是 以 原 型 观 测 、 模
型 试 验 为 基 础 结 合 适 当 的 流 体 力 学 方 程 进 行 了 很 大 的 简 化 得 出 了 冲 刷 模 式 和 计 算 方 法 。 这 些
研 究 成 果 对 进 一 步 开 展 水 库 冲 刷 机 理 及 数 值 模 拟 研 究 有 很 大 的 借 鉴 意 义 。
*
水 利 部 黄 河 泥 沙 重 点 实 验 室 开 放 基 金 (2007006、2008003) 项 目 资 助
506

第 二 部 分 工 程 水 力 学
2 跌 水 冲 刷 模 式 构 建
2.1 跌 水 对 冲 刷 的 影 响
水 库 发 生 溯 源 冲 刷 过 程 中 , 跌 水 处 水 流 状 态 多 为 急 流 ( 见 图 1), 水 流 紊 动 强 度 很 大 ,
因 此 , 水 流 对 河 床 具 有 较 强 烈 的 冲 刷 能 力 。 本 研 究 中 重 点 考 虑 跌 水 处 急 流 引 起 的 泥 块 冲 刷 ,
至 于 冲 刷 泥 块 进 入 下 游 后 的 运 动 情 况 则 按 常 态 下 的 泥 沙 运 动 及 河 床 变 形 相 关 理 论 进 行 求 解 。
图 1 实 验 室 溯 源 冲 刷 跌 水 处 水 流 状 况
现 有 对 明 渠 紊 流 相 干 结 构 的 研 究 并 不 是 很 多 ( 空 气 、 水 槽 研 究 的 成 果 相 对 比 较 多 ), 因
为 天 然 情 况 下 的 河 流 紊 流 相 干 结 构 不 容 易 用 仪 器 观 测 , 再 者 是 河 床 边 界 条 件 太 复 杂 。 但 已 经
[6,7,8]
有 学 者 对 明 渠 紊 流 相 干 结 构 进 行 了 研 究 。 从 这 些 文 献 中 可 以 看 出 , 天 然 河 流 紊 流 相 干 结
构 尺 度 比 较 大 , 可 以 充 满 整 个 河 槽 ( 宽 度 、 长 度 、 深 度 ), 其 最 明 显 的 水 流 现 象 是 泡 漩 。 文
献 [8] 中 也 提 出 了 单 次 相 干 结 构 尺 度 的 大 小 ( 和 实 验 室 的 观 测 相 差 比 较 大 , 差 距 主 要 是 相 干
结 构 的 宽 度 问 题 )。 经 推 测 : 紊 流 相 干 的 猝 发 阶 段 , 宽 度 为 水 深 的 2 倍 左 右 , 长 度 为 猝 发 宽
度 的 3 倍 , 至 于 泥 块 的 厚 度 要 有 河 床 物 质 组 成 来 确 定 ( 见 图 2)。 因 此 可 以 从 紊 流 相 干 结 构
的 尺 度 判 断 冲 刷 泥 块 的 大 小 问 题 , 泥 块 的 大 小 小 于 等 于 猝 发 尺 度 , 为 研 究 的 方 便 可 以 取 长 宽
比 为 3:1 的 泥 块 作 为 研 究 对 象 。
图 2 溯 源 冲 刷 跌 水 处 水 深 示 意 图
通 过 对 紊 流 相 干 尺 度 来 界 定 跌 水 处 将 要 启 动 的 泥 块 大 小 , 可 以 避 免 以 往 溯 源 跌 水 冲 刷 模
式 中 只 注 重 时 段 末 的 状 态 而 没 有 具 体 冲 刷 过 程 的 缺 点 。 同 时 , 由 于 跌 水 处 启 动 泥 块 的 大 小 和
该 处 的 水 流 强 度 有 密 切 关 系 , 因 此 在 计 算 某 一 断 面 冲 刷 过 程 时 , 可 以 根 据 跌 水 处 的 水 深 判 断
泥 块 的 大 小 , 沿 河 宽 断 面 的 泥 块 个 数 根 据 水 流 强 度 及 原 始 河 床 宽 度 确 定 , 首 个 启 动 泥 块 的 位
507

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
置 可 以 根 据 河 床 的 最 大 流 速 点 或 者 河 床 最 大 深 水 位 置 来 综 合 确 定 。
在 确 定 了 研 究 对 象 的 大 小 后 , 即 可 以 根 据 跌 水 处 的 河 床 边 界 、 水 流 状 态 及 河 床 泥 沙 淤 积
状 态 等 因 素 求 出 冲 刷 泥 块 的 大 小 。 值 得 注 意 是 , 该 首 先 发 生 的 泥 块 冲 刷 体 应 在 跌 水 处 的 水
深 在 深 点 , 这 样 就 可 以 初 步 确 定 泥 块 冲 刷 的 位 置 , 由 于 泥 块 的 冲 刷 而 引 起 的 河 床 横 向 形 态 的
不 稳 定 性 将 在 下 节 中 讨 论 。
2.2 溯 源 冲 刷 跌 水 段 冲 刷 模 式 的 建 立
由 于 跌 水 处 河 床 泥 沙 被 冲 刷 , 与 该 冲 刷 泥 沙 体 相 连 接 的 河 床 淤 积 物 在 重 力 作 用 、 饱 和 淤
积 物 水 压 力 等 作 用 下 , 将 引 起 该 淤 积 物 的 稳 定 性 发 生 改 变 , 在 一 定 条 件 下 , 河 床 淤 积 物 将 发
生 坍 塌 滑 落 ( 见 图 3)。
图 3 实 验 室 跌 水 冲 刷 及 淤 积 物 滑 塌 过 程
淤 积 物 的 不 稳 定 性 计 算 可 借 用 粘 性 土 河 岸 的 计 算 方 法 , 但 是 需 要 对 该 模 式 下 的 有 关 参 数
进 行 重 新 界 定 或 测 试 。 其 主 要 原 因 是 , 淤 积 物 大 部 分 在 水 下 , 其 含 水 量 将 直 接 影 响 淤 积 物 的
容 重 、 抗 压 、 抗 剪 、 凝 聚 力 等 土 质 参 数 性 质 , 同 时 淤 积 物 的 沉 积 时 间 对 上 述 土 质 系 数 也 有 较
大 的 影 响 , 因 此 选 择 这 些 系 数 要 根 据 具 体 情 况 而 确 定 其 取 值 。 该 模 式 的 具 体 计 算 过 程 如 下 :
(1) 首 先 根 据 跌 水 处 的 水 深 确 定 被 冲 刷 泥 块 的 大 小 。
泥 块 沿 河 宽 的 尺 度 为 :B=2H
泥 块 沿 水 流 方 向 的 尺 度 为 :L=3B
泥 块 厚 度 : h=f(Fr,P,T) ,Fr 为 水 流 弗 汝 德 数 ;P 为 淤 积 物 组 成 及 分 层 等 因 素 ;T 为 淤
积 物 沉 积 状 态 。
(2) 判 别 跌 水 处 泥 块 冲 刷 后 库 岸 的 稳 定 性 。
图 4 为 跌 水 处 泥 块 冲 刷 后 的 库 岸 稳 定 性 分 析 示 意 图 ,a 为 岸 坡 夹 角 , 当 a 小 于 淤 积 物
508

第 二 部 分 工 程 水 力 学
泥 沙 的 水 下 休 止 角 时 , 该 库 岸 稳 定 , 否 则 , 库 岸 将 滑 塌 ; 在 a 大 于 泥 沙 水 下 休 止 角 的 情 况
下 , 滑 塌 平 衡 面 与 河 底 的 夹 角 为 b , 完 成 初 次 滑 塌 计 算 后 , 即 可 依 据 粘 性 土 的 相 关 二 次 滑
[9]
塌 模 式 进 行 计 算 滑 塌 体 的 形 状 或 能 否 继 续 滑 塌 。 与 河 岸 滑 塌 不 同 的 是 库 岸 较 河 岸 更 为 陡
峭 , 不 一 定 进 行 横 向 二 次 滑 塌 , 此 时 可 以 直 接 依 据 滑 塌 平 衡 面 夹 角 与 水 下 休 止 角 的 大 小 判 断
是 否 平 衡 或 滑 塌 体 的 大 小 问 题 。 关 于 跌 水 处 泥 块 冲 刷 后 库 岸 的 稳 定 性 及 二 次 滑 塌 计 算 可 以 参
[10]
考 河 岸 横 向 变 形 的 有 关 计 算 方 法 , 具 体 计 算 步 骤 略 。 其 中 纵 向 、 横 向 及 坍 塌 引 起 的 断 面 形
态 变 化 只 在 时 段 末 进 行 综 合 修 正 。 冲 刷 的 泥 沙 将 作 为 数 学 模 型 中 的 侧 向 入 沙 量 源 项 。
a
b
2.3 跌 水 段 冲 刷 模 式 的 合 理 性 分 析
图 4 跌 水 处 泥 块 冲 刷 后 的 库 岸 稳 定 性 分 析 示 意 图
[3]
根 据 上 述 溯 源 跌 水 处 冲 刷 模 式 , 利 用 曹 叔 尤 开 展 的 细 沙 淤 积 的 溯 源 冲 刷 试 验 研 究 资 料
对 模 式 计 算 的 合 理 性 进 行 了 初 步 分 析 。
试 验 不 同 时 刻 水 面 线 及 河 底 高 程 分 别 见 图 5、 图 6, 不 同 时 刻 跌 水 处 水 深 见 表 1。
30
表 1 不 同 时 刻 跌 水 处 水 深
时 间 (s) 20 160 280 420 720 960 1500 1800
水 深 (cm) 4.2 3.5 4.0 3.0 2.4 2.4 2.0 2.1
25
水 位 (cm)
20
15
10
5
20s 160s 280s 420s
720s 960s 1500s 1800s
0 2 4 6 8 10 12
距 坝 里 程 (m)
图 5 溯 源 跌 水 冲 刷 水 槽 试 验 过 程 中 水 面 线 变 化 过 程
509

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
25
河 床 高 程 (cm)
20
15
10
20s 160s 280s 420s
5
720s 960s 1500s 1800s
0 2 4 6 8 10 12
距 坝 里 程 (m)
图 6 溯 源 跌 水 冲 刷 水 槽 试 验 过 程 中 河 床 高 程 变 化 过 程
计 算 主 要 对 溯 源 冲 刷 跌 水 处 河 床 顶 点 变 化 过 程 进 行 了 模 拟 计 算 , 计 算 结 果 见 图 7。 从 图
中 可 以 看 出 计 算 跌 水 顶 点 变 化 与 实 测 数 据 基 本 一 致 , 相 对 误 差 在 1.1~3.2 m 之 间 。 引 起 这
种 计 算 误 差 的 主 要 原 因 是 : 计 算 过 程 中 未 能 充 分 考 虑 试 验 用 沙 的 物 化 特 性 对 冲 刷 模 式 的 影
响 。
距 坝 里 程 (m)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
计 算 跌 水 顶 点 位 置
实 测 跌 水 顶 点 位 置
0 500 1000 1500 2000
时 间 (s)
图 7 溯 源 跌 水 顶 点 位 置 变 化 计 算 与 实 测 对 比 图
计 算 过 程 中 , 由 于 跌 水 冲 刷 引 起 泥 块 塌 落 的 时 间 不 容 易 确 定 , 因 此 , 计 算 的 跌 水 顶 点 位
移 长 度 按 单 位 时 间 步 长 内 平 均 值 来 确 定 。 模 式 需 要 继 续 完 善 的 技 术 问 题 主 要 有 :(1) 淤 积 物
的 物 化 特 性 对 冲 起 泥 块 的 影 响 ;(2) 泥 块 何 时 启 动 的 时 间 判 断 ( 可 能 的 解 决 方 法 : 可 以 从 高
速 涡 漩 和 低 速 涡 漩 的 速 度 差 来 推 算 其 间 的 压 力 差 , 具 体 量 化 泥 块 的 起 动 各 种 力 的 大 小 , 判 断
泥 块 能 否 冲 起 )。
3 结 论
结 合 湍 流 相 干 的 研 究 成 果 , 引 入 湍 流 猝 发 阶 段 的 相 干 结 构 尺 度 对 跌 水 处 冲 刷 泥 块 的 大 小
的 重 要 影 响 , 借 鉴 土 力 学 边 坡 稳 定 及 河 岸 坍 塌 模 式 研 究 成 果 , 充 分 考 虑 水 流 流 态 、 前 期 淤 积
物 组 成 的 物 理 化 学 特 性 对 溯 源 冲 刷 库 床 泥 沙 的 作 用 。 建 立 了 多 沙 水 库 跌 水 溯 源 冲 刷 模 式 。
对 于 建 立 的 溯 源 冲 刷 跌 水 段 冲 刷 模 式 , 初 步 分 析 了 其 物 理 的 合 理 性 , 并 用 模 型 试 验 资 料
进 行 试 算 , 同 时 也 指 出 了 该 模 式 需 要 继 续 完 善 的 技 术 问 题 主 要 有 :(1) 淤 积 物 的 物 化 特 性 对
冲 起 泥 块 的 影 响 ;(2) 泥 块 何 时 启 动 的 时 间 判 断 ( 可 能 的 解 决 方 法 : 可 以 从 高 速 涡 漩 和 低 速
510

第 二 部 分 工 程 水 力 学
涡 漩 的 速 度 差 来 推 算 其 间 的 压 力 差 , 具 体 量 化 泥 块 的 起 动 各 种 力 的 大 小 , 判 断 泥 块 能 否 冲
起 )。
引 入 的 湍 流 猝 发 的 相 干 结 构 尺 度 、 土 力 学 边 坡 稳 定 及 河 岸 坍 塌 模 式 等 理 论 用 于 溯 源 冲 刷
跌 水 处 冲 刷 模 式 的 研 究 能 为 推 动 水 库 冲 刷 问 题 的 理 论 探 讨 提 供 一 种 思 路 , 在 对 模 式 中 的 有 关
问 题 进 行 完 善 后 可 以 试 用 于 天 然 水 库 溯 源 冲 刷 数 值 模 拟 中 。
参 考 文 献
[1] 韩 其 为 . 水 库 淤 积 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2003,272-304.
[2] 彭 润 泽 , 牛 景 辉 [J]. 推 移 质 溯 源 冲 刷 的 数 值 计 算 . 泥 沙 研 究 ,1987,(03):73-82.
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[J]. 水 科 学 进 展 ,2003,(4):396-400.
511

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
长 江 河 口 演 变 及 其 岸 线 防 护
董 杰
( 南 京 河 海 大 学 南 京 市 西 康 路 1 号 210098 qpdongjie@hhu.edu.cn)
摘 要 长 江 口 是 我 国 的 第 一 大 河 口 , 控 制 着 整 个 长 三 角 地 区 的 经 济 命 脉 。 长 江 河 口 整 体 上 呈 现
三 级 分 汊 、 四 口 入 海 的 格 局 , 随 着 上 游 一 系 列 水 利 工 程 的 建 设 以 及 其 他 人 为 因 素 的 影 响 , 长 江 口
演 变 规 律 逐 渐 呈 现 出 新 的 方 向 , 整 体 上 仍 以 淤 涨 为 主 , 但 其 淤 积 速 度 大 大 减 慢 , 部 分 地 区 发 生 侵
蚀 。 主 要 的 影 响 因 子 , 一 是 上 游 水 利 工 程 造 成 河 流 挟 沙 量 的 大 幅 下 降 ; 二 是 长 期 性 和 突 发 性 的 来
自 海 洋 的 侵 蚀 作 用 。 在 比 较 分 析 生 态 防 护 以 及 各 种 工 程 防 护 措 施 的 优 缺 点 基 础 上 , 提 出 建 立 防 护
工 程 DEM, 开 展 “ 低 耗 高 效 ” 的 防 护 研 究 和 建 立 综 合 管 理 体 制 等 建 议 。
关 键 词 长 江 口 演 变 防 护 工 程 措 施
1 前 言
河 口 区 作 为 河 流 向 海 洋 过 渡 的 地 带 , 受 到 来 自 河 流 和 海 洋 共 同 的 作 用 和 制 约 。 由 于 特 殊
的 地 理 位 置 和 作 用 因 素 , 河 口 区 的 岸 线 通 常 演 变 速 度 快 , 造 成 其 生 态 环 境 变 化 多 样 , 异 常 敏
感 。
[ 1 ]
本 文 研 究 对 象 选 取 通 常 意 义 上 的 长 江 口 , 即 上 起 徐 六 泾 , 下 迄 口 外 50 号 灯 标 的 区 域 ,
其 平 面 形 态 呈 喇 叭 形 , 主 流 在 徐 六 泾 以 下 由 崇 明 岛 分 为 南 支 和 北 支 , 南 支 在 吴 淞 口 以 下 由 长
兴 岛 和 横 沙 岛 分 为 南 港 和 北 港 , 南 港 被 江 亚 南 沙 和 九 段 沙 分 为 南 槽 和 北 槽 , 因 此 长 江 口 呈 三
级 分 叉 、 四 口 ( 北 支 、 北 港 、 北 槽 、 南 槽 ) 入 海 的 格 局 。
长 江 入 海 口 地 处 江 苏 与 上 海 交 界 处 , 两 岸 经 济 发 展 迅 速 , 工 农 业 活 动 频 繁 , 人 民 生 活 与
区 域 环 境 息 息 相 关 。 由 于 受 到 长 江 径 流 、 输 沙 量 以 及 东 海 潮 汐 、 潮 流 的 海 陆 双 相 的 影 响 , 该
地 区 的 水 动 力 环 境 不 够 明 朗 , 岸 线 演 变 也 极 其 复 杂 , 因 此 , 对 该 地 区 的 河 势 演 变 分 析 非 常 必
要 , 继 而 可 以 对 沿 岸 的 地 理 生 态 环 境 进 行 有 效 的 治 理 和 保 护 。
2 长 江 口 的 演 变 历 史
长 江 河 口 是 由 漏 斗 状 河 口 演 变 而 成 。 约 在 公 元 6000-7000 年 前 , 长 江 河 口 为 一 溺 谷 型 河
[ 2 ]
口 湾 , 湾 顶 在 镇 江 、 扬 州 一 带 , 潮 区 界 则 远 至 九 江 。 根 据 陈 吉 余 等 的 观 点 , 两 千 多 年 来
的 长 江 发 育 模 式 可 以 分 为 五 个 方 面 :
1 南 岸 边 滩 推 展 。 由 于 科 氏 力 的 作 用 , 径 流 携 带 的 泥 沙 在 下 泄 的 过 程 中 , 有 向 南 偏 转
的 趋 向 , 因 此 长 江 口 的 南 边 滩 便 成 为 泥 沙 沉 降 的 一 个 重 要 场 所 , 随 着 时 间 的 推 移 , 泥 沙 的 淤
积 , 上 海 地 区 也 就 慢 慢 呈 现 雏 形 。
2 北 岸 沙 岛 并 岸 。 北 支 是 涨 潮 优 势 的 河 道 , 其 泥 沙 搬 运 也 是 净 进 的 。 由 于 淤 积 速 度 比
南 支 快 , 主 泓 越 来 越 偏 向 南 岸 , 导 致 北 岸 一 些 沙 岛 逐 渐 演 变 为 大 陆 , 由 此 出 现 南 通 启 动 一 带 。
这 种 趋 势 至 今 依 旧 明 显 , 可 以 看 到 , 北 支 的 分 汊 口 与 主 泓 之 间 的 夹 角 目 前 已 接 近 直 角 , 河 道
也 随 之 越 来 越 浅 , 可 以 预 见 崇 明 岛 之 并 岸 趋 势 。
3 河 口 束 狭 。 历 史 资 料 表 明 , 两 千 年 前 长 江 口 是 一 个 漏 斗 状 的 海 湾 , 南 角 与 北 角 之 间
约 有 180 km, 然 而 现 今 启 东 嘴 与 南 汇 嘴 之 间 的 距 离 仅 有 90 km。
512

第 二 部 分 工 程 水 力 学
4 河 槽 成 形 。 两 千 年 前 , 长 江 河 口 在 镇 江 、 扬 州 以 上 才 稍 具 正 常 河 流 的 形 态 , 镇 扬 以
下 , 沙 洲 散 漫 , 水 流 多 汊 。 随 着 河 道 的 演 变 , 如 今 的 长 江 口 已 形 成 徐 六 泾 以 下 由 南 支 途 径 南
港 再 由 北 槽 入 海 的 主 泓 趋 势 , 基 本 呈 现 一 个 稳 定 的 河 流 形 态 。
5 河 槽 加 深 。 由 于 江 面 束 狭 , 水 流 归 槽 , 涨 落 潮 流 路 分 歧 现 象 不 明 显 , 基 本 上 呈 现 单
一 河 槽 形 态 , 因 此 , 河 槽 的 平 均 水 深 较 大 。
3 长 江 口 现 状
目 前 长 江 口 依 然 保 持 着 三 级 分 汊 、 四 口 入 海 的 格 局 , 但 是 随 着 一 系 列 自 然 条 件 的 改 变 、
人 为 因 素 的 作 用 , 长 江 口 的 演 变 规 律 在 保 持 总 体 的 方 向 的 前 提 下 , 正 发 生 着 某 些 微 妙 的 改 变 ,
对 于 今 后 的 发 展 趋 向 , 依 然 值 得 研 究 。
3.1 北 支
1984-2005 年 的 近 21 年 间 , 北 支 河 段 岸 线 变 化 的 主 要 特 点 是 , 左 岸 上 、 中 部 除 弯 顶 外 和
右 岸 除 崇 明 岛 头 部 外 均 在 不 断 缩 窄
[ 3 ]
。 具 体 来 讲 , 主 要 体 现 在 以 下 三 个 方 面 :
1 长 江 口 北 支 已 逐 渐 演 变 为 涨 潮 流 占 优 势 的 河 段 , 总 体 演 变 以 淤 积 萎 缩 为 主 。 由 于 目 前
北 支 的 进 潮 量 仍 占 长 江 口 总 进 潮 量 的 25% 左 右 ,-2 m 高 程 以 下 的 容 积 仍 有 8.14 亿 m 3 , 而 且 影
响 北 支 演 变 的 因 素 较 多 , 故 北 支 的 衰 亡 过 程 将 经 历 较 长 时 期 。
2 北 支 主 流 线 反 复 多 变 、 滩 槽 变 化 频 繁 的 现 象 仍 将 继 续 。 随 着 护 岸 和 圈 围 工 程 的 实 施 ,
部 分 水 域 的 主 流 线 在 较 长 时 间 内 仍 将 保 持 稳 定 , 而 几 股 水 流 交 汇 区 主 流 的 稳 定 性 较 差 。
3 围 垦 缩 窄 工 程 对 北 支 的 演 变 影 响 很 大 , 特 别 是 口 门 处 的 几 次 堵 汊 围 垦 , 削 弱 或 封 堵 了
北 支 的 径 流 量 , 改 变 了 北 支 的 入 流 路 线 , 使 北 支 转 为 涨 潮 动 力 为 主 的 河 道 , 整 个 水 道 趋 于 淤
积 。 近 年 来 , 北 支 中 、 下 段 进 行 了 局 部 围 垦 缩 窄 工 程 , 以 减 小 北 支 的 进 潮 量 , 河 道 正 处 于 自 然
调 整 中 。
3.2 南 支
长 江 南 支 承 受 几 乎 全 部 的 长 江 下 泄 径 流 , 潮 汐 作 用 也 很 重 要 , 南 支 河 道 属 于 中 潮 河 口 中
的 中 潮 河 段 。 从 优 势 流 分 析 , 南 支 河 道 大 部 分 是 落 潮 流 优 势 , 所 以 , 涨 落 潮 流 相 比 较 , 落 潮
流 在 南 支 河 道 河 槽 演 变 过 程 中 起 主 导 作 用 。 对 于 南 支 的 演 变 分 析 , 本 文 分 为 南 支 上 段 , 南 支
下 段 、 南 北 港 、 南 北 槽 四 个 部 分 进 行 阐 述 。
3.2.1 南 支 上 段
南 支 的 上 游 段 起 点 为 徐 六 泾 。 徐 六 泾 河 段 是 一 个 窄 河 段 , 仅 东 方 红 农 场 一 处 就 束 窄 至
5.7 km, 起 节 点 作 用 。 河 势 相 对 稳 定 , 断 面 变 化 与 大 通 流 量 变 化 密 切 相 关 , 说 明 其 河 槽 演 变
主 要 受 长 江 径 流 控 制 。 但 是 , 徐 六 泾 节 点 以 下 仍 为 广 阔 的 河 面 和 暗 沙 , 且 河 段 仅 南 岸 护 岸 较
好 , 北 岸 自 东 方 农 场 10 号 丁 坝 以 下 未 加 保 护 。 因 此 , 徐 六 泾 节 点 虽 起 一 定 的 束 流 作 用 , 但
[ 4 ]
上 游 主 流 的 摆 动 仍 可 导 致 白 茆 沙 南 、 北 水 道 的 交 替 变 动 , 只 是 河 势 调 整 的 幅 度 有 所 减 小 。
3.2.2 南 支 下 段
南 支 下 段 上 承 南 支 上 段 , 下 接 南 北 港 汊 道 , 从 七 丫 口 至 吴 淞 口 全 长 34 km。 该 河 段 河 道
宽 阔 , 是 长 江 口 放 宽 率 较 大 的 河 段 。 南 支 下 段 河 势 演 变 的 基 本 特 征 是 由 该 河 段 的 水 沙 特 性 所
决 定 的 。 由 于 南 支 下 段 河 道 宽 浅 , 涨 潮 流 分 离 , 底 沙 细 易 起 动 , 因 此 由 南 支 下 段 通 往 南 、 北
港 的 通 道 极 不 稳 定 , 具 有 此 消 彼 长 的 演 变 规 律 , 通 过 河 床 的 自 动 调 节 , 主 流 具 有 周 期 性 的 变
513

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
化 规 律 , 其 主 流 摆 动 周 期 约 12 年 左 右 。
3.2.3 南 北 港
长 江 口 南 北 港 是 入 海 的 第 二 级 分 汊 河 道 , 河 势 的 变 化 主 要 受 南 北 港 上 口 分 流 通 道 及 分 流
口 河 势 变 化 的 影 响 。 北 港 呈 微 弯 形 的 河 槽 平 面 形 态 , 主 槽 紧 贴 北 岸 , 在 横 向 环 流 的 作 用 下 ,
[ 5 ]
泥 沙 在 南 岸 落 淤 , 在 北 港 南 侧 为 庞 大 松 散 易 冲 的 青 草 沙 体 。 根 据 武 小 勇 的 论 述 , 北 港 河
势 变 化 深 受 上 游 河 势 变 化 的 影 响 , 与 上 游 河 势 有 很 好 的 响 应 关 系 , 北 段 下 段 河 势 演 变 经 历 了
三 个 时 期 , 但 与 上 游 河 势 相 比 存 在 着 一 定 的 滞 后 效 应 :1973-1985 为 北 港 下 段 河 槽 恢 复 、 河
槽 容 积 增 大 的 时 期 ;1985-1995 年 期 间 表 现 为 上 游 北 港 主 槽 的 沙 体 开 始 下 移 , 并 开 始 影 响 北
港 下 段 整 体 的 河 势 ;1995-2004 年 期 间 北 港 下 段 河 势 主 要 受 下 移 的 沙 体 影 响 , 形 成 一 潮 流 脊 ,
并 且 逐 年 向 下 游 移 动 。 断 面 形 态 发 生 剧 烈 变 化 , 呈 “W” 形 , 河 槽 出 现 复 合 形 态 。 由 于 南 支
下 段 滩 槽 的 剧 烈 变 化 , 引 起 大 量 泥 沙 下 移 , 致 使 南 港 河 床 经 历 了 从 单 一 河 道 演 变 为 复 式 河 道
的 过 程 , 形 成 滩 槽 交 错 , 两 边 深 槽 中 间 浅 滩 的 河 床 形 态 。 虽 然 南 港 河 段 河 床 变 化 较 大 , 但
多 年 来 南 港 主 槽 -10 m 等 深 线 离 岸 距 离 相 对 稳 定 , 使 得 南 港 岸 线 是 上 海 港 优 良 的 深 水 岸 线 和
[ 6 ]
高 强 度 开 发 岸 段 。
3.2.4 南 北 槽
1945 年 前 后 , 南 北 槽 基 本 形 成 。 至 1958 年 为 发 展 期 , 南 北 两 槽 的 上 段 都 是 落 潮 槽 , 河
槽 形 态 是 上 游 浅 而 下 游 深 。 在 涨 、 落 潮 槽 交 错 之 处 为 拦 门 沙 浅 滩 段 。 [ 7 ] 随 着 三 峡 等 一 系 列
重 大 水 利 工 程 的 修 建 , 以 及 河 口 防 护 工 程 的 建 设 , 下 游 的 水 文 条 件 愈 趋 于 可 控 的 稳 定 状 态 ,
南 北 槽 的 分 汊 格 局 在 一 段 时 间 内 将 处 于 稳 定 状 态 。 目 前 , 北 槽 与 南 槽 的 分 流 比 稳 定 在 50% 左
右 , 而 北 槽 悬 沙 分 沙 比 为 36.3% ( 实 测 结 果 ) [ 8 ] , 南 槽 的 水 沙 部 分 向 北 槽 倒 灌 , 而 且 呈 现 出 累
积 性 淤 积 。 南 槽 已 演 变 成 为 分 泄 泥 沙 的 储 沙 通 道 。 北 槽 在 平 面 上 呈 微 弯 形 河 道 , 南 侧 为 九 段
沙 , 北 侧 为 横 沙 东 滩 , 河 槽 无 固 定 边 界 。 北 槽 在 长 江 深 水 航 道 整 治 工 程 实 施 以 来 , 已 经 成 为
南 港 的 主 要 泄 流 通 道 , 是 一 条 生 命 力 强 且 相 对 平 衡 的 入 海 通 道 。
4 长 江 河 口 演 变 影 响 因 子 及 其 发 展 趋 势 预 测
长 江 河 口 是 一 个 海 陆 双 相 的 河 口 , 其 演 变 趋 势 受 陆 相 径 流 、 海 相 浪 潮 流 的 双 重 影 响 ,
演 变 频 繁 , 规 律 复 杂 。 具 体 来 说 , 影 响 河 口 演 变 的 因 子 有 : 径 流 , 输 沙 量 , 潮 汐 与 潮 流 ,
波 浪 , 近 岸 的 海 流 , 风 暴 潮 , 盐 淡 水 混 合 , 科 氏 力 , 潮 滩 生 物 以 及 海 平 面 变 化 等 , 其 中 泥
沙 在 河 口 演 变 中 扮 演 着 至 关 重 要 的 角 色 , 本 文 主 要 从 河 流 挟 沙 和 海 水 掀 沙 两 个 方 面 论 述 其
影 响 。
4.1 河 流 挟 沙 量 的 显 著 下 降
近 50 年 来 长 江 入 海 沙 量 呈 波 动 性 下 降 的 趋 势 , 特 别 是 近 几 年 来 下 降 显 著 ,2003 年 三 峡
水 库 蓄 水 后 , 输 沙 量 降 至 有 记 录 以 来 的 最 低 水 平 ,2004 年 仅 1.47x10 8 t, 不 足 20 世 纪 50-60
年 代 平 均 水 平 的 1/3。 长 江 来 沙 减 少 和 上 游 退 耕 还 林 、 采 砂 和 调 水 等 有 一 定 的 关 系 , 但 其 更
[ 9 ]
主 要 的 原 因 是 上 游 修 建 水 库 的 拦 沙 作 用 。 有 资 料 显 示 , 近 10 年 长 江 入 海 泥 沙 量 平 均 值 己
下 降 至 3.2 亿 吨 / 年 ,2001 年 和 2002 年 都 低 于 2.8 亿 吨 / 年 的 水 平 。 初 步 研 究 表 明 : 三 峡 水
库 蓄 水 后 将 有 2/3-3/4 的 上 游 来 沙 被 拦 截 在 库 内 , 长 江 入 海 泥 沙 将 可 能 只 有 水 利 工 程 界 原 来
预 测 值 的 1/2 或 甚 至 更 少 。 长 江 口 前 缘 的 潮 间 带 和 潮 下 带 淤 涨 率 己 分 别 下 降 约 70% 和 80%,
-20 m 以 下 的 水 下 三 角 洲 已 开 始 出 现 侵 蚀 迹 象 。 三 角 洲 前 缘 的 总 体 侵 蚀 将 不 可 避 免 , 长 江 河
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第 二 部 分 工 程 水 力 学
口 的 演 变 有 可 能 经 历 强 淤 积 —— 弱 淤 积 —— 弱 侵 蚀 —— 强 侵 蚀 这 样 的 过 程 。
4.2 海 水 掀 沙 作 用 不 容 忽 视
海 洋 中 的 沿 岸 流 , 涨 落 潮 , 以 及 台 风 浪 和 风 暴 潮 都 会 影 响 到 长 江 河 口 的 演 变 , 潮 汐 波 浪
的 长 期 作 用 , 台 风 浪 、 风 暴 潮 的 短 期 侵 袭 , 都 会 明 显 的 改 变 着 长 江 口 的 河 势 形 态 。 因 此 , 研
究 长 江 河 口 演 变 必 须 得 就 研 究 海 洋 方 面 的 作 用 。 本 文 以 潮 汐 的 长 期 作 用 为 例 来 说 明 海 洋 对 长
江 河 口 演 变 的 影 响 。
长 江 口 为 中 等 强 度 的 潮 汐 河 口 , 口 外 为 正 规 半 日 潮 , 口 内 为 非 正 规 半 日 浅 海 潮 。 潮 流 从
拦 门 沙 向 里 为 往 复 流 , 从 拦 门 沙 向 外 逐 渐 转 变 为 旋 转 流 , 一 般 情 况 下 是 落 潮 流 大 于 涨 潮 流 ,
涨 潮 流 流 向 偏 北 , 落 潮 流 流 向 偏 南 , 涨 落 潮 流 流 路 分 歧 现 象 明 显 。 长 江 河 口 有 复 杂 的 余 流 系
统 , 余 流 对 于 泥 沙 的 搬 运 起 着 非 常 重 要 的 作 用 , 而 泥 沙 正 是 河 口 岸 滩 保 持 稳 定 的 物 质 保 证 。
潮 汐 、 潮 流 和 余 流 共 同 作 用 引 起 岸 滩 侵 蚀 , 其 对 河 口 岸 滩 侵 蚀 的 作 用 过 程 是 涨 潮 流 会 携 带 大
量 的 泥 沙 从 外 海 进 入 , 科 氏 力 影 响 使 涨 潮 流 向 沙 岛 南 岸 逼 近 , 并 且 进 入 口 门 以 后 由 于 河 槽 的
束 狭 作 用 , 流 速 加 大 , 动 力 作 用 增 强 , 将 会 使 岸 滩 部 分 细 颗 粒 泥 沙 起 动 , 在 落 潮 流 尤 其 是 余
流 的 影 响 下 , 产 生 净 向 下 游 的 泥 沙 输 移 , 一 部 分 会 流 向 外 海 , 一 部 分 还 会 沉 积 在 河 口 地 区 ,
尤 其 是 南 边 滩 , 这 样 岸 滩 泥 沙 被 搬 运 后 会 引 起 当 地 的 泥 沙 亏 损 , 平 衡 破 坏 , 造 成 侵 蚀 现 象 的
发 生 。 随 着 海 平 面 的 上 升 以 及 全 球 气 象 条 件 的 恶 化 , 这 种 侵 蚀 作 用 会 愈 发 剧 烈 , 值 得 警 惕 。
此 外 , 例 如 台 风 浪 、 风 暴 潮 这 种 短 期 作 用 也 不 容 忽 视 。 例 如 1983 年 台 风 导 致 南 槽 下 段 骤 淤 ,
通 海 航 道 随 即 在 1984 年 转 入 南 港 北 槽 。 这 些 影 响 因 子 往 往 都 具 有 巨 大 的 能 量 , 有 些 大 到 足
以 影 响 长 江 河 口 全 局 的 地 步 , 如 历 年 的 大 洪 水 , 这 些 都 需 要 我 们 进 一 步 观 察 研 究 。
5 长 江 河 口 岸 线 防 护 对 策 及 比
由 以 上 分 析 , 可 以 看 到 长 江 河 口 地 区 有 淤 涨 也 有 冲 刷 , 所 以 在 布 置 沿 岸 防 护 工 程 时 应 因
地 制 宜 , 区 别 对 待 , 以 达 到 更 好 的 预 期 效 果 。 对 于 河 口 岸 线 冲 刷 的 防 护 , 本 文 主 要 介 绍 以 下
两 个 方 面 。
5.1 生 态 防 护
依 靠 在 潮 滩 或 水 下 栽 种 或 培 育 某 种 植 物 , 以 达 到 消 能 并 防 止 侵 蚀 的 作 用 。 上 海 市 水 利 部
门 经 常 在 潮 滩 上 种 植 芦 苇 。 当 其 发 展 成 为 群 落 后 , 能 有 效 地 减 低 到 达 岸 边 的 波 浪 。 自 20 世
纪 60 年 代 以 来 , 南 京 大 学 的 仲 崇 信 教 授 等 在 江 苏 等 淤 泥 质 海 岸 引 种 的 互 花 米 草 有 效 地 减 轻
[ 10 ]
了 滩 面 的 侵 蚀 , 也 收 到 良 好 的 效 果 。
5.2 工 程 防 护
工 程 防 护 的 基 本 措 施 有 建 造 丁 坝 、 离 岸 堤 、 护 岸 、 和 海 堤 等 建 筑 物 , 以 及 采 取 人 工 海 滩
布 沙 措 施 等 。 对 于 这 些 防 护 措 施 , 国 际 航 运 会 议 常 设 协 会 (PIANC) 给 出 了 当 岸 滩 泥 沙 以 纵
向 运 动 ( 即 沿 岸 输 沙 ) 为 主 和 以 横 向 运 动 ( 即 向 岸 - 离 岸 输 沙 ) 为 主 两 种 情 况 下 的 适 用 性 比
[ 11 ]
较 表 。 根 据 以 上 表 格 , 长 江 口 属 于 沿 岸 输 沙 为 主 , 输 沙 量 中 等 且 为 双 相 。 根 据 长 江 河 口
地 区 实 际 情 况 综 合 判 定 , 长 江 河 口 岸 线 防 护 工 程 中 , 主 要 采 用 了 丁 坝 、 潜 堤 、 离 岸 堤 、 海 堤 、
导 堤 及 相 关 的 护 岸 工 程 措 施 。 护 岸 工 程 从 与 枯 水 位 的 相 对 关 系 来 讲 有 护 坡 工 程 和 护 脚 工 程 ,
主 要 采 用 抛 石 、 预 制 混 凝 土 制 品 等 施 工 工 艺 , 本 文 则 主 要 从 工 程 的 平 面 形 态 来 介 绍 主 要 的 几
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水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
种 护 岸 工 程 。
海 岸 防 护 方 法
表 1 海 岸 防 护 方 法 的 选 择
丁 坝 离 岸 堤 护 岸 海 滩 补 沙
5.2.1 丁 坝
泥
沙
运
动
方
式
沿 岸
输 沙
为 主
沿 岸 输 沙 强
沿 岸 输 沙 弱
单 向 为 主 A D E D
双 向 D C E D
单 向 为 主 A D D B
双 向 D B D C
横 向 泥 沙 运 动 为 主 D B C A
注 :A- 最 适 宜 ;B- 适 宜 ;C- 次 要 ;D- 较 差 ;E- 不 当
丁 坝 不 仅 能 拦 流 截 沙 、 挑 离 主 流 线 , 而 且 能 消 耗 正 面 入 射 波 的 能 量 。 被 丁 坝 群 拦 截 的 沿
岸 输 沙 将 沉 积 在 丁 坝 群 的 上 游 侧 以 及 各 座 丁 坝 间 的 滩 面 上 , 从 而 使 该 段 海 岸 不 再 被 侵 蚀 。 例
如 长 江 口 的 南 支 南 边 , 崇 明 、 长 兴 、 横 沙 三 岛 分 布 的 数 百 条 丁 坝 , 主 要 起 到 护 滩 保 堤 的 作 用 。
5.2.2 潜 堤
潜 堤 一 般 指 的 是 淹 没 在 水 中 的 防 护 堤 , 广 义 来 讲 , 在 低 潮 以 下 或 高 、 低 潮 之 间 的 半 潮
堤 也 通 称 为 潜 堤 。 它 的 主 要 作 用 是 防 浪 、 防 沙 以 及 导 流 等 , 即 可 阻 挡 一 部 分 波 浪 冲 击 海 岸 ,
也 可 让 一 部 分 泥 沙 越 顶 进 入 堤 后 水 域 淤 积 , 起 到 保 滩 促 淤 的 作 用 。 例 如 白 茆 小 沙 上 沙 体 潜 堤
工 程 、 扁 担 沙 上 段 潜 堤 工 程 、 南 支 下 段 及 南 北 港 河 段 的 扁 担 沙 下 段 潜 堤 工 程 、 瑞 丰 沙 潜 堤
工 程 、 新 浏 河 沙 潜 堤 工 程 等 。
5.2.3 离 岸 堤
离 岸 堤 ( 也 称 顺 坝 ) 是 一 种 距 水 边 线 有 一 定 距 离 而 又 平 行 于 岸 线 的 露 出 水 面 的 防 护 建 筑
物 , 通 常 成 组 出 现 。 它 可 以 引 导 水 流 , 使 沿 坝 身 一 侧 水 流 流 速 增 大 藉 以 冲 刷 河 槽 , 也 可 以 使
波 浪 受 堤 阻 拦 而 发 生 绕 射 , 消 耗 入 射 波 能 , 在 堤 后 形 成 波 影 区 , 促 使 泥 沙 在 堤 后 及 受 到 保 护
的 岸 段 淤 积 , 避 免 侵 蚀 , 例 如 吕 泗 港 等 地 海 岸 防 护 采 用 的 就 是 这 种 形 式 。
5.2.4 海 堤
海 堤 ( 在 浙 江 苏 南 一 带 又 称 “ 海 塘 ”, 苏 北 称 “ 海 堰 ”), 是 在 河 口 海 岸 地 区 为 了 防 止 潮 、
浪 侵 袭 在 沿 岸 地 面 上 修 建 的 一 种 垄 状 挡 水 建 筑 物 , 通 常 筑 于 平 原 岸 段 的 高 潮 线 附 近 。 在 一 些
海 岸 修 筑 海 堤 既 有 防 洪 又 有 防 止 海 岸 侵 蚀 后 退 的 目 的 。 例 如 修 建 于 20 世 纪 60 年 代 左 右 的 长
江 口 崇 明 岛 南 岸 海 堤 , 尤 其 是 近 几 年 上 海 市 己 完 成 的 沿 江 50 年 一 遇 的 防 洪 抗 浪 达 标 海 堤 更
[12 ]
显 实 效 。
5.2.5 导 堤
导 堤 作 为 一 种 有 效 的 河 口 工 程 措 施 越 来 越 来 受 到 重 视 , 尤 其 是 长 江 口 的 深 水 航 道 整 治 工
程 中 南 北 导 堤 , 更 是 一 项 前 所 未 有 的 宏 大 工 程 。 导 堤 有 很 好 的 工 程 功 效 , 一 是 归 集 水 流 , 二
是 阻 挡 泥 沙 , 因 此 这 一 工 程 手 段 被 广 泛 运 用 在 长 江 河 口 的 治 理 当 中 。 例 如 前 面 所 述 的 深 水 航
道 南 北 导 堤 、 白 茆 沙 护 滩 导 堤 工 程 、 东 风 沙 导 堤 工 程 等 。
5.3 比 较
— 生 态 防 护 , 目 前 主 要 是 作 为 一 种 辅 助 手 段 , 并 没 有 系 统 的 、 有 针 对 性 的 、 高 效 的 运
用 , 还 有 待 进 一 步 的 试 验 研 究 , 这 种 绿 色 经 济 的 防 护 手 段 一 定 会 越 来 越 显 示 其 优 越 性 , 呈 现
更 广 阔 的 应 用 前 景 。
516

第 二 部 分 工 程 水 力 学
— 工 程 防 护 , 上 述 几 种 工 程 措 施 各 有 利 弊 , 现 列 表 2 进 行 比 较 。
表 2 几 种 防 护 工 程 利 弊 比 较
丁
坝
潜
堤
离
岸
堤
海
堤
导
堤
优 点
1 在 单 向 输 沙 的 情 况 下 , 拦 截 泥 沙 能 力 极
强 ;2 适 用 于 淤 泥 质 海 岸 。
1 防 浪 , 消 弱 波 浪 能 量 , 保 护 岸 线 ;2 防
沙 , 河 流 挟 沙 很 大 一 部 分 在 接 近 河 床 处 ,
因 此 潜 堤 可 以 起 到 很 好 的 防 沙 效 果 ;3 导
流 。
1 消 波 作 用 明 显 ;2 一 定 条 件 下 ( 水 流 的
横 向 运 动 ) 也 可 起 到 促 淤 的 作 用 , 继 而 形
成 陆 连 岛 。
1 防 浪 效 果 好 , 可 以 很 好 地 抵 御 台 风 、 海 啸
等 突 发 性 灾 难 ;2 固 定 海 岸 线 , 抵 御 侵 蚀 。
1 归 集 水 流 , 使 水 流 按 照 预 定 方 向 运 动 ,
易 达 到 预 期 目 标 ;2 阻 挡 泥 沙 , 有 利 于 深
水 航 道 的 维 持 ;3 有 利 于 治 理 河 口 地 区 拦
门 沙 。
缺 点
1 拦 截 上 游 泥 沙 , 下 游 泥 沙 来 量 减 少 , 使 下 游 发 生 严 重
冲 刷 ;2 坝 区 内 淤 满 后 , 水 流 越 过 坝 头 输 沙 , 引 起 很 强
的 沿 堤 流 , 使 部 分 泥 沙 入 海 , 下 游 受 到 永 久 侵 蚀 。3 坝
头 极 易 遭 到 冲 刷 破 坏 。
同 离 岸 堤 12
1 阻 碍 沿 岸 输 沙 , 使 下 游 加 剧 冲 刷 后 退 ;2 往 往 建 于 破 波
带 以 外 , 水 深 难 于 施 工 , 一 次 性 造 价 高 ;3 堤 前 波 浪 反 射
叠 加 使 堤 址 和 堤 前 滩 面 冲 刷 , 海 底 坡 度 变 陡 , 甚 至 造 成
结 构 破 坏 ;4 有 些 堤 开 口 小 , 污 染 易 积 聚 而 不 易 排 出 。
1 海 堤 自 身 和 堤 前 防 护 长 期 受 海 水 的 淘 刷 与 侵 蚀 , 维 护 和 重
建 费 用 庞 大 ;3 不 能 保 滩 , 本 身 极 易 受 冲 刷 , 维 护 成 本 高 。
1 工 程 量 大 , 为 达 到 很 好 的 导 流 阻 沙 的 作 用 , 往 往 需 要
修 建 很 长 的 导 堤 , 且 须 延 伸 到 深 水 区 , 造 价 高 ;2 由 于
人 为 导 流 , 加 之 水 深 大 , 往 往 容 易 破 坏 , 维 护 成 本 大 。
6 结 论 与 建 议
综 上 所 述 , 长 江 河 口 的 演 变 历 来 复 杂 多 变 , 主 要 受 来 自 上 游 来 沙 变 化 、 海 洋 动 力 作 用 的
两 方 面 影 响 , 随 着 上 游 一 系 列 水 利 工 程 的 建 设 以 及 其 他 人 为 因 素 的 影 响 , 长 江 口 演 变 规 律 逐
渐 呈 现 出 新 的 方 向 。
(1) 长 江 河 口 三 级 分 叉 、 四 口 入 海 的 格 局 整 体 上 在 较 长 的 一 段 时 期 内 不 会 改 变 。
(2) 北 支 整 体 上 继 续 淤 积 萎 缩 , 但 是 下 段 有 冲 刷 现 象 , 且 有 上 延 之 势 , 其 发 展 趋 势 还 有
待 观 测 。
(3) 南 支 上 段 的 白 茆 沙 南 北 水 道 , 下 段 的 南 北 港 以 及 南 港 出 口 后 的 南 北 槽 历 史 上 均 发 生
过 频 繁 摆 动 的 情 况 , 以 后 的 发 展 趋 势 仍 受 诸 多 因 素 控 制 , 不 甚 明 朗 。 初 步 估 计 , 由 于 上 游 一
系 列 水 利 工 程 的 修 建 和 河 口 的 疏 浚 整 治 工 程 的 实 施 , 河 口 水 文 的 可 控 性 增 强 , 长 江 河 口 渐 渐
趋 于 稳 定 状 态 , 预 计 南 支 上 段 的 南 北 水 道 仍 将 并 行 发 展 , 北 港 有 淤 积 趋 势 , 涨 潮 流 的 作 用 日
渐 增 强 , 南 港 分 流 作 用 继 续 加 强 , 在 南 北 槽 分 汊 口 以 接 近 对 半 的 比 例 入 海 , 但 是 南 槽 的 分 沙
量 将 远 高 于 北 槽 。
(4) 河 口 的 整 体 淤 积 速 度 显 著 减 慢 , 有 些 地 区 出 现 负 淤 积 ( 冲 刷 )。
针 对 长 江 口 演 变 特 点 , 对 于 长 江 河 口 地 区 的 岸 线 防 护 , 现 提 出 以 下 几 点 建 议 :
(1) 建 立 长 江 口 地 区 的 地 理 信 息 系 统 (GIS)
对 各 区 段 防 护 工 程 的 及 时 监 测 , 准 确 掌 握 , 做 好 工 程 从 施 工 到 使 用 的 全 程 监 测 , 这 就 要
求 一 个 完 善 的 GIS, 一 个 准 确 数 字 高 程 模 型 (DEM), 以 便 及 时 动 态 的 掌 握 最 新 情 况 。
(2) 开 展 “ 低 耗 高 效 ” 的 海 岸 防 护 工 程 的 研 究
努 力 使 防 护 工 程 顺 应 海 岸 的 自 然 过 程 , 增 强 工 程 与 环 境 之 间 的 匹 配 性 。
(3) 健 全 长 江 口 综 合 管 理 机 制
制 定 相 关 的 法 规 并 进 行 有 效 的 管 理 , 以 确 保 长 江 口 岸 线 防 护 有 序 高 效 的 进 行 。
517

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
科 学 的 把 握 长 江 口 的 演 变 趋 势 , 整 治 、 围 垦 、 疏 浚 相 结 合 , 合 理 进 行 河 口 防 护 工 程 的 布
置 和 建 设 , 稳 定 河 势 , 努 力 营 造 出 一 个 健 康 的 长 江 口 , 一 个 人 水 和 谐 的 长 江 口 。
参 考 文 献
[1] 徐 建 益 . 长 江 口 基 本 情 况 [M]. 武 汉 : 长 江 出 版 社 ,2007 年 10 月 .
[2] 陈 吉 余 , 挥 才 兴 , 徐 海 根 , 等 . 两 千 年 来 长 江 河 口 发 育 的 模 式 [M]. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社 ,1988.
[3] 李 伯 昌 .1984 年 以 来 长 江 口 北 支 演 变 分 析 [J]. 水 利 水 运 工 程 学 报 ,2006 年 9 月 .
[4] 陈 吉 余 , 徐 海 根 . 长 江 河 口 南 支 河 段 的 河 槽 演 变 [J]. 华 东 师 范 大 学 学 报 ,1981,93-107.
[5] 武 小 勇 . 长 江 口 北 港 河 势 演 变 分 析 [D]. 华 东 师 范 大 学 2005 届 研 究 生 硕 士 学 位 论 文 ,2005 月 5 月 .
[6] 段 子 冰 , 王 义 刚 . 长 江 口 南 港 河 床 演 变 及 南 、 北 槽 分 流 口 稳 定 性 分 析 [C]. 第 十 二 届 中 国 海 岸 工 程 学
术 讨 论 会 论 文 集 ,122-126.
[7] 乔 彭 年 , 周 志 德 , 张 虎 男 . 中 国 河 口 演 变 概 论 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,1994,145.
[8] 王 谷 谦 , 周 海 , 季 岚 . 长 江 口 河 床 演 变 规 律 及 北 槽 12.5m 深 水 航 道 治 理 工 程 [J]. 水 运 工 程 ,1999,52-56.
[9] 杨 世 伦 . 三 峡 工 程 对 长 江 入 海 泥 沙 和 三 角 洲 冲 淤 影 响 的 初 步 认 识 [C]. 第 八 届 全 国 海 岸 河 口 学 术 研 讨
会 盆 海 岸 河 口 分 会 理 事 会 议 ,2004 年 5 月 .
[10] 左 书 华 , 李 九 发 , 陈 沈 良 等 . 河 口 三 角 洲 海 岸 侵 蚀 及 防 护 措 施 浅 析 —— 以 黄 河 三 角 洲 及 长 江 三 角 洲 为
例 [N]. 中 国 地 质 灾 害 与 防 治 学 报 ,2006 年 12 月 ,97-101.
[11] 严 恺 . 第 五 章 海 岸 防 护 工 程 , 海 岸 工 程 [M]. 北 京 : 海 洋 出 版 社 ,2002,304-325.
[12] 左 书 华 , 李 九 发 , 陈 沈 良 . 海 岸 侵 蚀 及 其 原 因 和 防 护 工 程 浅 析 [J]. 人 民 黄 河 ,2006 年 1 月 ,23-25.
518

第 二 部 分 工 程 水 力 学
波 生 沿 岸 流 的 垂 向 结 构 特 征 分 析
王 世 澎
1
秦 延 龙
1
孙 昭 晨
2
梁 书 秀
2
(1. 中 国 石 油 集 团 工 程 技 术 研 究 院 天 津 塘 沽 300451 wangship@cnpc.com.cn
2. 大 连 理 工 大 学 海 岸 及 近 海 工 程 国 家 重 点 实 验 室 辽 宁 大 连 116023)
摘 要 在 近 岸 水 域 , 波 生 近 岸 流 是 近 岸 环 流 的 重 要 组 成 部 分 , 是 沿 岸 输 沙 和 岸 线 演 变 的 重 要 动
力 因 素 。 本 文 通 过 建 立 准 三 维 沿 岸 流 模 型 , 对 实 验 室 内 规 则 波 产 生 的 沿 岸 流 进 行 研 究 , 分 析 沿 岸
流 场 的 垂 向 结 构 。 从 计 算 的 结 果 来 看 , 波 生 沿 岸 流 的 垂 向 结 构 随 着 水 深 的 变 浅 , 从 对 数 型 分 布 转
换 为 双 曲 型 分 布 , 最 后 在 波 浪 破 碎 区 域 , 流 速 在 垂 向 上 几 乎 达 到 均 匀 分 布 。
关 键 词 沿 岸 流 ; 垂 向 变 化 ; 准 三 维
1 概 述
波 浪 向 近 岸 海 域 传 播 的 过 程 中 , 由 于 受 到 地 形 和 岸 边 界 的 影 响 , 会 发 生 浅 化 、 折 射 、 绕
[1]
射 、 反 射 及 破 碎 等 一 系 列 现 象 , 使 得 近 岸 区 域 成 为 水 动 力 因 素 复 杂 的 区 域 。 在 此 区 域 , 由
于 波 浪 浅 水 变 形 效 应 形 成 的 近 岸 波 流 场 是 水 体 交 换 的 重 要 动 力 因 素 之 一 , 对 海 岸 带 泥 沙 输 运
季 污 染 物 的 输 移 扩 散 有 显 著 的 影 响 。 研 究 近 岸 海 域 , 掌 握 波 浪 场 与 沿 岸 流 场 的 分 布 规 律 , 对
海 岸 带 环 境 保 护 以 及 海 岸 带 地 区 污 染 综 合 治 理 等 方 面 都 具 有 重 要 的 理 论 价 值 和 现 实 意 义 。
在 Longuet-Higgins and Stewart [2][3] 一 系 列 论 文 中 提 出 辐 射 应 力 的 概 念 后 , 利 用 波 浪
[4]
平 均 模 型 研 究 沿 岸 流 成 为 可 能 , 而 后 利 用 波 浪 辐 射 应 力 梯 度 计 算 沿 岸 流 , 而 后 出 现 一 些 模
[5][6]
型 模 拟 沿 岸 流 动 。 目 前 应 用 比 较 广 泛 的 波 生 沿 岸 流 模 型 的 控 制 方 程 为 考 虑 辐 射 应 力 的 沿
水 深 和 时 间 平 均 的 平 面 二 维 连 续 方 程 与 动 量 方 程 组 成 的 方 程 组 。 二 维 的 计 算 模 型 能 够 较 好 的
分 析 波 生 沿 岸 流 水 平 流 速 以 及 分 布 规 律 , 但 是 其 中 存 在 一 些 经 验 关 系 , 不 能 较 好 的 反 映 水 体
的 垂 向 结 构 。
近 年 来 , 随 着 计 算 方 法 的 改 进 以 及 人 们 对 近 岸 波 浪 产 生 的 现 象 理 解 逐 渐 加 深 , 例 如 波 浪
增 减 水 , 破 碎 , 海 底 回 流 , 沿 岸 流 及 其 稳 定 性 以 及 湍 流 掺 混 等 , 发 展 了 一 些 三 维 情 况 下 的 波
生 流 模 型 , 由 于 这 类 模 型 的 关 键 问 题 是 要 知 道 沿 垂 向 分 布 的 辐 射 应 力 , 目 前 还 处 在 研 究 探 索
阶 段 。De Vriend 和 Stive [7] 将 流 速 分 为 垂 向 平 均 流 速 与 垂 向 变 化 量 , 建 立 准 三 维 沿 岸 流 计
算 模 型 。Svendsen 利 用 深 度 平 均 模 型 分 析 了 流 场 垂 向 结 构 , 发 现 波 流 相 互 作 用 中 包 含 非 线
[8][9]
性 混 合 项 , 影 响 程 度 比 波 浪 破 碎 时 湍 流 混 合 时 高 出 许 多 。Svendsen 建 立 了 准 三 维 的 数 值
模 型 (Shorecirc) [10] , 利 用 流 场 垂 向 分 布 的 半 解 析 方 法 与 垂 向 平 均 二 维 模 型 , 分 析 波 生 沿 岸
[11]
流 的 垂 向 结 构 , 并 对 于 沿 岸 流 与 裂 流 进 行 模 拟 。
本 文 基 于 Svendsen 建 立 的 数 值 模 型 , 对 于 在 实 验 室 内 进 行 波 生 沿 岸 流 实 验 进 行 数 值 模
拟 , 分 析 波 生 沿 岸 流 流 场 的 垂 向 结 构 , 探 讨 波 生 流 的 基 本 特 性 。
2 控 制 方 程
在 近 岸 流 系 中 , 准 三 维 情 况 下 , 由 于 波 流 相 互 作 用 , 水 体 流 速 u ( x, y, z,
t)
四 个 部 分 :
a a wa ma da
a
可 以 分 解 为
u = u¢
+ u + V + V
(1)
其 中 ,u¢ a
湍 流 速 度 分 量 , u wa
波 浪 引 起 的 流 速 分 量 , V ma
表 示 垂 向 均 值 , V
ma
Qa
- Q
=
h + z
0
wa
,
519

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
z
V
da
表 示 垂 向 变 化 值 ,
ò V dz da
= 0 。 其 中 水 体 总 的 通 量 为 :
h
波 浪 通 量 为 :
0
Q
a
wa
z
= ò u dz
(2)
-h 0
t
a
z
Q u dz
= ò
(3)
z
其 中 , z 表 示 平 均 水 平 面 , z t
表 示 波 浪 波 谷 。 h 0
表 示 静 水 面 高 度 , 总 的 水 深 可 以 表 示 为 :
wa
h = h0
+ z
(4)
则 流 体 控 制 方 程 为 :
图 1 变 量 定 义 (Svendsen,2004)
z Qa
+ = 0
t x
a
(5)
Qb æ Qa Qb
ö z
z
+ ç ÷ + V
h
daVd b
dz + uwaVd b
+ uwbVdadz
t x h x
- 0
x
z t
a
ò
è ø a
ò
a
S B
z t
b
t
b 1 æ z ö
+ g ( h0
+ z ) - + + ç Sab
- Tab
dz ÷ = 0
x r r r x
-h
è
0
ø
b
a
ò
(6)
S
其 中 t 为 水 体 表 面 切 应 力 , t B 水 体 底 部 切 应 力 ,T ab
为 湍 流 应 力 , S ab
为 辐 射 应 力 , 为 :
z
1 Q
2 wa
Qwb
Sab = ò ( pd puw
uw
) dz gh
h
ab
+
b b
-dab
r - r
(7)
- 0
2
h
水 体 流 速 的 垂 向 结 构 , 可 以 利 用 波 浪 平 均 水 平 动 量 方 程 ( 垂 向 不 进 行 平 均 ) 求 解 :
V 1 T
a
Va Va z æ
ab T ö
a z
+ Vb + W + ( uw auwb ) + ( uw auw
) + g - + = 0
t xb z xa z xa r ç xb
z ÷
è
ø
(8)
其 中 ,W 是 平 均 垂 向 流 速 。 假 设 平 均 流 动 是 准 静 态 流 动 , 利 用 涡 粘 性 公 式 计 算 湍 流 切 应 力 ,
则 上 式 可 以 表 示 为 :
( ) ( )
æ V z
V V
u ö = g + u u + u u + V + W
z
ç
z
÷
è x x z x z
da a a
t wa wb wa w b
ø a a b
(9)
其 中 u
t
为 涡 粘 性 系 数 。
520

第 二 部 分 工 程 水 力 学
3 模 型 验 证
[12]
采 用 邹 志 利 进 行 的 规 则 波 破 碎 的 实 验 结 果 , 来 验 证 波 浪 计 算 以 及 沿 岸 流 模 型 , 其 实 验
在 大 连 理 工 大 学 海 岸 及 近 海 工 程 国 家 重 点 实 验 室 的 多 功 能 水 槽 中 进 行 , 地 形 示 意 图 见 图 2
所 示 。 计 算 的 基 本 参 数 为 : 底 坡 :1:40,h 为 造 波 位 置 的 净 水 深 , h = 0.45m
, H 0
为 入 射 波
高 , H 0
= 9.0cm
,T 为 周 期 , T = 1.0s
,g 为 破 波 参 数 , g = 0.7 。
图 2 规 则 波 破 碎 实 验 地 形
波 浪 破 碎 与 增 减 水 计 算 结 果 见 图 3。 从 其 计 算 的 结 果 来 看 , 与 实 验 得 到 的 结 果 吻 合 较 好 ,
说 明 在 数 值 模 拟 中 , 选 择 的 波 浪 破 碎 参 数 能 够 合 理 的 模 拟 波 浪 的 破 碎 过 程 以 及 破 碎 后 对 于 静
水 面 产 生 的 影 响 。 波 生 沿 岸 流 计 算 结 果 见 图 4, 从 图 中 来 看 , 模 型 能 够 较 好 的 模 拟 实 验 中 产
生 的 沿 岸 流 动 , 表 明 模 型 中 各 参 数 的 设 置 是 合 理 的 , 能 够 进 行 流 场 垂 向 结 构 的 分 析 。
0.1
0.02
h (m)
H(m)
0.01
0.05
0
X(m)
0 5 10 15 20 25 30 35
计 算 值 实 验 值
x(m)
0
0 5 10 15 20 25 30 35
-0.01
计 算 值 实 验 值
图 3 波 浪 破 碎 与 增 减 水 实 验 值 与 计 算 值 比 较
0.4
V(m/s)
0.3
0.2
0.1
0
x(m)
0 5 10 15 20 25 30 35
计 算 值 实 验 值
图 4 波 生 沿 岸 流 的 实 验 值 与 计 算 值 的 比 较
4 沿 岸 流 垂 向 结 构
通 过 前 面 的 模 型 验 证 , 程 序 中 选 择 的 参 数 以 及 模 型 的 设 置 能 够 满 足 实 验 的 要 求 。 因 此 ,
[13]
在 此 基 础 上 , 分 析 邹 志 利 进 行 的 规 则 波 破 碎 实 验 中 沿 岸 流 流 速 的 垂 向 结 构 。 沿 岸 流 的 计 算
521

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
地 形 如 图 2 所 示 , 从 其 中 选 取 距 离 缓 坡 坡 底 四 个 断 面 进 行 对 比 分 析 , 分 别 为 距 离 坡 底 6.8 m,
9.6 m,12.4 m,15.2 m 的 四 个 位 置 , 其 中 最 后 一 点 处 于 波 浪 破 碎 线 位 置 。 图 5 中 , 给 出 计
算 区 域 中 间 位 置 的 流 速 垂 向 结 构 分 布 , 图 6 给 出 每 个 点 的 流 速 垂 向 分 布 情 况 。
0
-0.05
-0.1
-0.15
z(m)
-0.2
-0.25
-0.3
-0.35
-0.4
-0.45
15
10
5
y(m)
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
x(m)
图 5 沿 岸 流 垂 向 结 构 分 布
z/h o
0.5
0
-0.5
-1
-0.04 -0.02 0 0.02 0.04
0.5
0
-0.5
-1
x=6.8(m)
-0.01-0.005 0 0.005 0.01
z/h 0
0.5
0
-0.5
-1
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
0.01
0
-0.01
z/h o
0.5
0
-0.5
0.5
0
-0.5
x=9.6(m)
z/h 0
0.5
0
-0.5
-1
0.05
-1
-0.05 0 0.05
-1
-5 0 5
x 10 -3
0
-0.05
-5
0
5 x 10 -3
z/h o
0.5
0
-0.5
-1
-0.05 0 0.05
0.5
0
-0.5
x=12.4(m)
-1
-0.04 -0.02 0 0.02 0.04
z/h 0
0.5
0
-0.5
-1
0.05
0
-0.05
0
0.02
0.04
-0.04
-0.02
z/h o
0.5
0
-0.5
-1
-0.1 0 0.1
U(m/s)
0.5
0
-0.5
-1
x=15.2(m)
-0.5 0 0.5
V(m/s)
z/h 0
0.5
0
-0.5
-1
0.1
0
-0.1
U(m/s)
0.5
0
V(m/s)
-0.5
图 6 沿 岸 流 断 面 垂 向 结 构 分 布
522

第 二 部 分 工 程 水 力 学
从 图 4 中 可 以 看 出 , 随 着 水 深 的 变 浅 , 流 速 在 逐 渐 增 大 , 这 与 图 4 中 的 实 验 值 和 计
算 值 是 吻 合 的 。 这 说 明 , 随 着 地 形 的 变 浅 , 波 浪 的 浅 水 效 应 增 强 , 变 浅 效 果 增 强 。 根 据
模 型 中 采 用 的 辐 射 应 力 计 算 方 法 看 出 , 随 着 波 浪 的 变 浅 , 导 致 波 浪 辐 射 应 力 梯 度 增 强 ,
驱 动 沿 岸 流 流 速 增 大 。
从 图 6 中 可 以 看 出 , 随 着 水 深 的 变 浅 , 相 应 流 速 的 垂 向 结 构 产 生 变 化 , 表 层 与 底 层
流 速 逐 渐 增 大 , 并 且 产 生 偏 转 , 流 速 垂 向 结 构 剖 面 从 对 数 型 分 布 转 换 为 双 曲 型 分 布 , 在
波 浪 破 碎 区 域 , 从 图 6 中 可 以 看 出 , 波 浪 波 高 出 现 剧 烈 变 化 , 导 致 辐 射 应 力 的 剧 烈 变 化 ,
使 得 辐 射 应 力 梯 度 达 到 峰 值 , 驱 动 沿 岸 流 达 到 流 速 峰 值 , 流 场 流 速 基 本 达 到 垂 向 一 致 ,
并 且 方 向 出 现 偏 转 , 导 致 沿 岸 区 域 回 流 的 出 现 , 从 而 使 得 水 体 在 不 同 流 系 之 间 产 生 转 换 ,
尤 其 是 当 波 浪 共 同 影 响 的 情 况 下 。
5 结 论
本 文 利 用 准 三 维 的 波 生 沿 岸 流 数 值 模 型 , 分 析 实 验 室 内 规 则 波 产 生 的 沿 岸 流 的 特 性 , 对
于 斜 坡 地 形 上 的 波 浪 驱 动 生 成 的 沿 岸 流 的 垂 向 特 征 进 行 分 析 。 从 分 析 的 结 果 来 看 :
1) 波 浪 辐 射 应 力 是 波 生 流 的 主 要 驱 动 力 。 由 于 波 浪 变 浅 效 应 , 波 浪 辐 射 应 力 梯 度 的 变 化 ,
驱 动 产 生 沿 岸 流 动 , 当 波 浪 破 碎 后 , 波 浪 辐 射 应 力 梯 度 明 显 增 大 , 导 致 沿 岸 流 出 现 流 速
增 大 。
2) 波 生 沿 岸 流 的 垂 向 结 构 随 着 水 深 的 变 化 而 变 化 。 由 于 水 深 的 变 化 , 导 致 波 浪 辐 射 应 力 垂
向 分 布 的 变 化 , 从 而 导 致 沿 岸 流 动 垂 向 分 布 从 对 数 型 分 布 转 换 为 双 曲 型 分 布 。 流 速 在 水
体 顶 部 和 底 部 较 大 , 在 中 间 部 分 出 现 极 小 值 。
3) 波 浪 破 碎 过 程 中 , 水 体 剧 烈 的 掺 混 , 波 浪 与 流 之 间 产 生 剧 烈 的 能 量 交 换 , 使 得 沿 岸 流 流
速 出 现 峰 值 , 并 且 受 波 浪 影 响 , 流 向 发 生 偏 转 , 导 致 回 流 的 出 现 。 回 流 的 强 度 还 需 要 通
过 更 加 精 细 的 模 型 计 算 分 析 。
参 考 文 献
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524

第 二 部 分 工 程 水 力 学
红 旗 泡 水 库 不 同 重 现 期 冰 厚 度 的 推 算
贾 青 1,2 , 李 志 军 1 , 梁 景 江 3 4
, 李 士 森
(1. 大 连 理 工 大 学 海 岸 和 近 海 工 程 国 家 重 点 实 验 室 大 连 116024 jiaqing6912@sina.com
2. 黑 龙 江 大 学 水 利 电 力 学 院 哈 尔 滨 150086
3. 哈 尔 滨 市 江 堤 处 哈 尔 滨 150018
4. 黑 龙 江 省 引 嫩 工 程 管 理 处 安 达 151400)
摘 要 为 解 决 寒 区 水 库 内 关 于 不 同 重 现 期 冰 的 最 大 厚 度 问 题 , 本 文 根 据 对 黑 龙 江 省 红 旗 泡 水 库
从 1988 年 到 2008 年 间 的 现 场 记 录 、 调 查 资 料 等 冰 情 观 测 资 料 , 结 合 该 地 区 从 1952 年 至 今 安 达
气 象 站 的 气 象 资 料 , 进 行 了 统 计 分 析 。 利 用 朱 波 夫 模 型 建 立 了 该 地 区 累 积 负 积 温 与 冰 厚 度 之 间 的
统 计 关 系 , 确 定 了 历 年 的 最 大 冰 厚 度 值 , 并 运 用 P—III 型 曲 线 推 算 出 不 同 重 现 期 冰 的 最 大 厚 度
值 。 同 时 还 探 讨 了 水 库 开 库 时 间 与 累 积 正 积 温 的 关 系 等 , 为 寒 区 工 程 中 获 得 冰 的 最 大 厚 度 值 提 供
了 科 学 依 据 。
关 键 词 水 库 ; 冰 ; 厚 度 ; 重 现 期 ; 推 算
1 前 言
冰 冻 是 寒 冷 地 区 普 遍 存 在 的 一 种 自 然 现 象 。 对 于 寒 冷 地 区 来 说 , 河 冰 现 象 是 进 行 水 资 源
开 发 利 用 时 需 要 考 虑 的 一 个 重 要 因 素 。 河 冰 的 形 成 影 响 水 利 工 程 设 施 的 设 计 、 运 行 和 维 护 。
[1-4]
河 冰 的 出 现 , 会 产 生 凌 洪 灾 害 , 影 响 到 水 电 站 运 行 、 内 河 航 运 、 输 ( 调 ) 水 以 及 河 床 演 变 等 。
我 国 的 黄 河 流 域 、 松 花 江 、 嫩 江 、 黑 龙 江 、 雅 鲁 藏 布 江 等 地 , 时 常 因 冰 塞 导 致 凌 洪 。 冰 塞 厚
[5-8]
度 越 大 , 破 坏 作 用 也 越 大 , 而 冰 塞 厚 度 的 增 长 速 度 与 上 下 游 冰 厚 有 关 。
寒 区 水 工 建 筑 物 设 计 中 , 不 同 重 现 期 的 冰 厚 是 计 算 冰 荷 载 的 关 键 参 数 之 一 。 然 而 , 国 内
以 往 关 于 渤 海 冰 厚 度 的 推 算 , 都 是 利 用 冻 冰 融 冰 度 日 与 冰 厚 的 关 系 式 推 求 冰 厚 度 极 值 , 并 没
有 考 虑 重 现 期 的 影 响 。 河 冰 冰 厚 度 的 计 算 也 只 是 根 据 有 限 的 实 测 数 据 , 推 算 不 同 重 现 期 冰 厚
[9]
度 的 趋 向 。 由 于 数 据 序 列 较 短 , 所 以 一 般 选 用 耿 贝 尔 曲 线 , 但 仍 不 能 建 立 温 度 与 冰 厚 度 之
间 的 关 系 , 实 测 的 最 大 冰 厚 值 不 一 定 准 确 。 随 着 东 北 地 区 水 利 工 程 , 特 别 是 寒 区 水 库 建 设 的
迅 速 发 展 , 在 设 计 过 程 中 对 这 一 参 数 的 需 求 更 为 迫 切 。 虽 然 各 水 库 每 年 也 在 进 行 冰 厚 度 测 量 ,
但 总 体 上 冰 厚 度 的 实 测 资 料 仍 显 不 足 , 并 且 大 多 不 连 续 。 更 为 关 键 的 是 实 测 冰 厚 度 很 难 代 表
冬 季 最 大 冰 厚 , 更 不 能 代 表 不 同 年 限 内 可 能 出 现 的 最 大 冰 厚 度 , 从 而 给 不 同 重 现 期 冰 厚 参 数
的 确 定 带 来 困 难 。
影 响 水 库 天 然 淡 水 冰 发 生 发 展 的 主 要 因 子 之 一 是 气 象 因 子 , 其 中 负 积 温 与 冰 厚 变 化 有 着
密 切 的 关 系 。 当 实 测 冰 厚 资 料 的 年 限 不 能 满 足 推 算 不 同 重 现 期 冰 厚 值 的 要 求 , 而 气 温 资 料 的
年 限 又 比 较 长 时 , 就 需 要 通 过 气 温 资 料 推 算 出 冰 厚 。 斯 蒂 芬 (Stefan) 于 1890 年 建 立 的 冰 厚
[10]
计 算 公 式 , 曾 被 广 泛 使 用 。 但 其 最 显 著 的 特 点 是 假 设 冰 面 气 温 与 大 气 气 温 相 同 , 所 以 它 的
[11]
应 用 在 一 定 程 度 上 受 到 了 严 格 的 限 制 。 朱 波 夫 (Zubov) 模 型
虽 然 忽 略 了 冰 底 与 水 的 热 交
[12]
换 , 但 充 分 考 虑 了 冰 面 温 度 与 大 气 温 度 实 际 的 不 同 。 因 此 可 以 用 于 基 于 气 象 数 据 恢 复 冰 厚 度 ,
[13]
建 立 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度 与 气 温 之 间 的 统 计 关 系 。
本 文 根 据 红 旗 泡 水 库 二 十 年 以 来 冰 厚 度 的 历 史 资 料 , 结 合 水 库 附 近 安 达 气 象 站 长 期 的 连
基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50879008)
本 文 工 作 由 国 家 自 然 科 学 基 金 委 提 供 经 费 支 持 (50879008), 所 用 技 术 方 法 和 理 论 基 础 是 国 家 自 然 科 学 基 金 委 支 持 项 目
(40676001,60672028,40811130397) 研 究 成 果 的 集 成 , 在 此 表 示 感 谢 。
525

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
续 气 温 观 测 资 料 , 通 过 统 计 分 析 , 并 参 照 朱 波 夫 模 型 , 建 立 负 积 温 与 水 库 冰 厚 度 之 间 的 统 计
关 系 。 同 时 利 用 P—III 型 概 率 分 布 曲 线 , 推 算 出 红 旗 泡 水 库 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度 值 。
2 积 温 定 义 和 确 定 方 法
在 气 象 上 通 常 把 小 于 0℃ 的 日 平 均 气 温 累 加 值 称 为 负 积 温 , 它 反 映 了 各 地 气 候 对 某 一 自
然 过 程 所 能 提 供 的 温 度 条 件 或 热 量 资 源 总 量 , 由 于 水 库 淡 水 冰 的 冰 点 为 0℃, 冰 厚 度 的 变 化
与 负 积 温 存 在 直 接 关 系 。 冰 的 生 长 时 期 是 从 水 库 封 冻 直 到 最 大 冰 厚 。 在 此 期 间 内 冰 厚 度 的 增
[14]
加 与 累 积 负 积 温 有 关 。 水 库 封 冻 后 , 随 着 气 温 下 降 , 负 积 温 的 增 加 , 冰 层 不 断 加 厚 。 当 负
积 温 停 止 增 加 时 , 冰 的 厚 度 开 始 减 小 。
但 冬 季 气 温 总 是 上 下 波 动 , 只 有 低 于 0℃ 的 气 温 才 可 能 使 水 发 生 冻 结 , 这 不 仅 仅 表 现 为
一 瞬 间 , 更 重 要 的 是 在 这 一 界 限 值 时 间 的 积 累 。 因 此 , 可 通 过 对 红 旗 泡 水 库 现 场 记 录 的 封 库
日 期 、 开 库 日 期 与 附 近 的 安 达 气 象 站 历 史 气 象 资 料 的 统 计 , 选 取 连 续 三 日 日 平 均 气 温 低 于 0 ℃
开 始 计 算 累 积 冻 冰 度 日 (℃·d), 计 算 到 最 大 冰 厚 度 为 止 , 将 本 年 的 日 平 均 气 温 的 累 计 值
( 即 ≤0 ℃ 积 温 ) 作 为 该 年 的 累 积 负 积 温 (FDD)。
随 着 气 温 逐 渐 回 升 , 冰 逐 渐 融 化 消 失 。 结 冰 后 日 平 均 气 温 在 0℃ 以 上 的 累 积 融 冰 度 日
(℃·d), 称 为 累 积 正 积 温 (TDD)。 将 日 平 均 气 温 连 续 三 日 高 于 0℃, 第 一 天 开 始 定 义 为
融 冰 日 。 从 融 冰 日 开 始 到 水 库 开 库 为 止 统 计 冰 的 累 积 正 积 温 。 随 着 累 积 日 平 均 正 气 温 不 断 增
加 , 冰 厚 度 逐 渐 减 少 。 当 累 积 日 平 均 正 气 温 达 到 一 定 值 (50—150℃·d) 时 , 冰 盖 消 失 。
3 历 史 数 据 资 料 的 应 用
气 温 连 续 三 天 开 始 低 于 0℃, 第 四 天 开 始 为 初 冰 日 。 根 据 历 史 数 据 统 计 , 初 冰 日 发 生 时
的 累 积 负 积 温 一 般 为 -5— -10℃·d。 所 以 在 计 算 最 大 冰 厚 度 时 , 把 累 积 负 积 温 都 减 去
-5℃·d, 作 为 统 计 的 最 大 负 积 温 。
根 据 黑 龙 江 省 红 旗 泡 水 库 17 年 的 冰 厚 度 观 测 记 录 , 结 合 水 库 附 近 安 达 气 象 站 的 气 象 资
料 , 绘 制 出 冰 厚 随 负 积 温 的 变 化 关 系 , 见 图 1。
140
120
冰 厚 /cm
100
80
60
40
20
0
0
-500
-1000 -1500
负 积 温 /℃
1987-1988 1991-1992
1993-1994 1994-1995
1995-1996 1997-1998
1998-1999 1999-2000
2000-2001 2001-2002
2002-2003 2003-2004
2004-2005 2005-2006
2006-2007 2007-2008
2008-2009
-2000
-2500
图 1 红 旗 泡 水 库 历 年 冰 厚 随 负 积 温 变 化 关 系 曲 线
4 P—III 曲 线 的 推 算
4.1 建 立 冰 厚 与 负 积 温 的 关 系
根 据 红 旗 泡 水 库 不 同 时 期 实 测 的 179 个 冰 厚 度 值 数 据 , 对 应 该 时 刻 的 累 积 负 积 温 值 , 统
计 出 如 图 2 所 示 的 关 系 曲 线 。
526

第 二 部 分 工 程 水 力 学
140
120
100
冰 厚 /cm
80
60
40
20
0
0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500
负 积 温 /℃.d
图 2 红 旗 泡 水 库 实 测 冰 厚 度 与 负 积 温 关 系 曲 线
参 考 朱 波 夫 模 型 , 通 过 对 图 2 进 行 拟 合 , 建 立 红 旗 泡 水 库 冰 厚 度 与 累 积 负 积 温 的 经 验 公
式 :
2
H 17.49H 8.65FDD
+ = (1)
式 中 :H 为 冰 厚 (cm),FDD 为 累 积 负 积 温 (℃·d)。
4.2 计 算 年 最 大 冰 厚 度
根 据 每 年 的 融 冰 日 对 应 的 负 积 温 , 按 公 式 (1) 计 算 出 历 年 的 最 大 负 积 温 对 应 的 冰 厚 值
列 入 表 2, 同 时 将 有 冰 厚 记 录 年 份 的 最 大 值 也 录 入 表 1。
表 1 1952-2008 年 红 旗 泡 水 库 计 算 最 大 冰 厚 与 实 测 冰 厚 最 大 值 单 位 :cm
年 份
计 算 最 大
计 算 最 大 冰
冰 厚 / 实
计 算 最 大 冰 厚 /
计 算 最 大 冰 厚 /
年 份 厚 / 实 测 最 大 年 份
年 份
测 最 大 冰
实 测 最 大 冰 厚
实 测 最 大 冰 厚
冰 厚
厚
1952-1953 1.24/- 1966-1967 1.12/- 1980-1981 1.13/- 1994-1995 1.02/1.02
1953-1954 1.16/- 1967-1968 1.19/- 1981-1982 1.12/- 1995-1996 1.01/1.05
1954-1955 1.16/- 1968-1969 1.19/- 1982-1983 1.11/- 1996-1997 1.08/-
1955-1956 1.20/- 1969-1970 1.29/- 1983-1984 1.17/- 1997-1998 1.00/1.00
1956-1957 1.29/- 1970-1971 1.12/- 1984-1985 1.19/- 1998-1999 1.14/1.00
1957-1958 1.17/- 1971-1972 1.06/- 1985-1986 1.20/- 1999-2000 1.12/1.15
1958-1959 1.02/- 1972-1973 1.22/- 1986-1987 1.16/- 2000-2001 1.27/1.30
1959-1960 1.15/- 1973-1974 1.21/- 1987-1988 1.17/1.02 2001-2002 1.00/0.96
1960-1961 1.16/- 1974-1975 1.13/- 1988-1989 1.04/- 2002-2003 1.10/1.07
1961-1962 1.08/- 1975-1976 1.08/- 1989-1990 1.08/0.98 2003-2004 1.06/1.05
1962-1963 1.12/- 1976-1977 1.29/- 1990-1991 1.02/- 2004-2005 1.13/1.10
1963-1964 1.13/- 1977-1978 1.18/- 1991-1992 1.06/1.02 2005-2006 1.14/1.08
1964-1965 1.16/- 1978-1979 1.10/- 1992-1993 1.10/- 2006-2007 1.00/0.93
1965-1966 1.22/- 1979-1980 1.22/- 1993-1994 1.15/1.05 2007-2008 1.03/1.03
4.3 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度
在 寒 区 水 利 工 程 中 , 将 多 年 一 遇 (50 年 、100 年 等 ) 的 最 大 冰 厚 作 为 计 算 冰 荷 载 的 关 键
参 数 之 一 , 它 与 工 程 的 安 全 和 经 济 投 资 密 切 相 关 , 一 般 可 从 已 有 的 气 象 资 料 中 推 算 出 不 同 年
限 内 可 能 出 现 的 最 大 冰 厚 。
从 统 计 学 观 点 来 看 ,“ 多 年 一 遇 ” 的 极 值 预 测 问 题 , 原 则 上 可 根 据 资 料 , 应 用 极 值 分 布
527

水 力 学 与 水 利 信 息 学 进 展 2009
理 论 和 适 线 法 求 得 。 但 是 由 于 可 供 使 用 的 观 测 资 料 通 常 是 有 限 的 , 而 人 们 要 求 预 测 的 “ 多 年
一 遇 ” 的 极 值 却 是 一 类 小 概 率 事 件 , 它 们 一 般 并 不 出 现 在 已 观 测 到 的 记 录 中 。 因 此 , 为 了 用
已 有 资 料 推 算 出 来 若 干 年 里 可 能 出 现 的 某 种 要 素 的 极 值 , 就 需 要 了 解 该 要 素 在 之 前 一 段 时 间
内 的 分 布 规 律 。
对 于 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度 , 通 常 应 用 极 值 分 布 理 论 和 适 线 法 , 求 出 冰 厚 在 长 时 期 内 的 分
布 规 律 , 选 出 一 条 适 合 的 理 论 频 率 曲 线 , 或 通 过 坐 标 变 换 把 它 转 换 成 直 线 , 将 其 外 延 以 求
出 多 年 一 遇 的 极 值 。 目 前 国 内 外 最 常 用 的 极 值 估 计 方 法 , 归 纳 起 来 可 分 为 两 类 : 一 类 为 经 验
性 的 , 如 经 验 频 率 和 皮 尔 逊 III 型 (P-III) 曲 线 法 ; 另 一 类 是 以 极 值 分 布 理 论 为 基 础 的 , 如
耿 贝 尔 (Gumber) 曲 线 法 和 威 布 尔 (Weidbull) 曲 线 法 等 。
其 中 ,P-III 型 分 布 是 偏 态 铃 形 分 布 , 能 与 气 象 、 水 文 学 中 的 很 多 要 素 拟 合 良 好 , 并 获
[15]
得 广 泛 的 应 用 。 本 文 根 据 理 论 计 算 的 历 年 冰 厚 度 极 限 数 据 , 采 用 P-III 曲 线 推 算 不 同 重 现
期 的 冰 厚 度 。 将 历 年 最 大 冰 厚 ( 见 表 2) 作 为 独 立 量 , 绘 制 在 P-III 概 率 纸 上 , 得 到 的 拟 合 曲
线 如 图 3 所 示 , 从 中 即 可 得 出 不 同 重 现 期 的 最 大 冰 厚 度 值 。
2 . 0
1 . 6
冰 厚 /m
1 . 2
0 . 8
0 . 4
0 . 0
0 . 0 1 0 . 2 1 2 5 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 9 5 9 9 9 9 . 9 9
频 率 / %
图 3 确 定 不 同 重 现 期 冰 厚 度 的 P—III 型 曲 线
表 2 中 列 出 了 主 要 几 个 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度 值 。
表 2 红 旗 泡 水 库 不 同 重 现 期 冰 厚 度 值
重 现 期 (a) 10 20 50 100 500
冰 厚 (m) 1.22 1.26 1.31 1.35 1.43
5 结 论
本 文 通 过 分 析 研 究 主 要 得 到 以 下 结 论 :
1) 红 旗 泡 水 库 冰 厚 度 与 该 地 区 负 积 温 存 在 显 著 的 关 系 , 数 据 统 计 所 得 经 验 公 式 与 朱 波
夫 模 型 一 致 , 系 数 上 的 差 别 因 冰 面 风 吹 积 雪 引 起 。
2) 红 旗 泡 水 库 不 同 重 现 期 的 冰 厚 度 分 别 是 :50 年 一 遇 的 为 1.31 m,100 年 一 遇 的 为 1.35 m,
500 年 一 遇 的 为 1.43 m。
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