高坝块体护底水垫塘水动力特性

第３０卷第１２期２　０　１　２年１　２月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）１２－０１０１－０４高坝块体护底水垫塘水动力特性研究王　伟１，陈和春１，高　甜１，严　涛２（１．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌４４３００２；２．贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳５５００００）摘要：为寻求水垫塘防护理念上新的突破，结合目前研究现状，针对高坝挑流消能防冲护底问题，采用模型试验与数值模拟相结合的手段，分析和模拟了挑流消能的关键问题———塘消能与冲刷过程，比较了传统平底水垫塘和块体护底水垫塘的水流形态、塘内水面线、流速分布及底板压力，得出冲击区的抗冲块体能明显降低水流对结构的破坏能力，块体护底水垫塘可缩减传统水垫塘尺寸。

关键词：水垫塘；模型试验；数值模拟；块体防冲结构中图分类号：ＴＶ１３５．２；ＴＶ１３９．１６文献标志码：Ｂ收稿日期：２０１２－０６－１７，修回日期：２０１２－０７－３０作者简介：王伟（１９８８－），男，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｅｉ．０８０５＠１６３．ｃｏｍ 高坝泄洪消能防冲是我国水电开发的关键技术问题，大多采用挑流消能方式。

在挑流消能中，挑射水流作用于下游河床，无论是自然形成的冲刷坑或人工修建的水垫塘，都是利用下游一定厚度、一定体积的水垫消耗跌落水流的能量，同时依靠冲刷坑或水垫塘底部抗冲层护底，达到消能防冲的目的［１］。

然而，在实际工程建设中，由于对水垫塘内复杂流动认识不足，设计不合理导致冲刷破坏事件时有发生，直接危害水工建筑物安全。

如五强溪水电站宽尾墩下的射流冲击底板，动水压强值及压力梯度过大，是造成左右消力池底板破坏的根本原因［２］；漫湾水电站［３］和隔河岩水电站［４］水垫塘均发现底板形成较多的冲坑，部分底板磨损较严重，冲蚀破坏主要发生在水舌的冲击区。

透水底板的出现是防护理念硬性抗冲集中消能方式向柔性抗冲分散消能方式上的一个进步。

本文采用物理模型试验和数值计算相结合方法，通过对挑流消能的关键问题———塘消能与冲刷过程进行分析和模拟，揭示散粒体河床质水垫塘冲坑的形成机理，分析散粒体的形状、大小、重度等特性对冲坑形态的影响，探索利用大粒径人工块体或天然块石自然堆积或通过柔性连接构建防冲护底体系，利用其粗糙表面使水舌破碎，利用其高透水性减缓高速水流的冲击，从而减小入射水流的冲刷破坏作用；并利用其自重及相连块体的约束保持自身稳定，从而建立了一种新型的防冲护底技术。

１　模型试验设计１．１　模型试验平台 万家口子水电站位于云南省宣威市与贵州省六盘水市境内，是北盘江干流的第四个梯级，装机容量１６０ＭＷ，枢纽属Ⅱ等大（２）型工程。

试验平台为万家口子水电站整体水工模型，模型线性比尺λＬ＝８０，截取原型上下游总长２ｋｍ为整体模型，截取河段长度约为坝顶长度的４．２倍，其长度满足进出口水流相似要求。

溢洪道共有３孔，单孔净宽０．１７５ｍ，中间闸墩宽０．０５０ｍ。

水垫塘长２．３００ｍ，底宽０．６００ｍ，深０．３００ｍ，边坡坡比１∶０．３，上游水位与下游水位差为１．６９０ｍ。

水垫塘采用透明有机玻璃制作，以便观察塘内水流现象和冲刷情况。

整体试验装置见图１。

图１　整体试验装置Ｆｉｇ．１　Ｗｈｏｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｐｐａｒａｔｕｓ１．２　抗冲块体制作抗冲块体的抗冲流速与块体大小及密度有关，块体起动速度为：ｖ＝ｋ　２ｇγｍ－γｗγｗ（）ｄ１／２（１）式中，ｋ为稳定系数，取１．２；γｍ为块体密度；γｗ为水的密度；ｄ为块体折算直径。

本次试验所用抗冲块体的材料选择混凝土和铸铁，分别为边长３、４、５ｃｍ的正方体和等体积的正四面体。

正方体边长为ａ，正四面体棱长为ｂ，正方体块体和正四面体块体根据等体积求得换算关系式ａ３槡＝２ｂ３／１２，ａ３＝４π（ｄ／２）３／３。

在水垫塘底板的冲击区，混凝土块体的抗冲流速小于水流的流速，块体不稳定，但此区域较小，只集中于水舌冲击点及冲击点靠近下游的区域，受水舌入水角度的影响，冲击点上游的流速较小。

在此区域外，水垫塘内流速衰减至１．５ｍ／ｓ，预计混凝土块体在此区域外可保持稳定，铸铁块体在整个水垫塘均可保持稳定。

考虑单个块体的抗冲流速并不等同于群体的抗冲流速，在水垫塘内这种复杂的流态下，群体抗冲流速在单体的基础上提高或降低，目前尚不明确。

１．３　试验结果（１）工况１。

水垫塘底部全部铺设混凝土材料的块体，包括ａ＝５ｃｍ的正方体和ｂ＝１０．２ｃｍ的正四面体，水垫塘宣泄设计洪水冲刷结果见图２（ａ）。

水舌入水点上游水面较平静，而下游则波动剧烈。

水舌入水角度约为６０°，入水后在冲刷区主流顺着底板转向下游，并逐渐上升至水面形成突起，突起处与水舌入水间形成一个较大的回流，此处流速梯度大，水流紊乱。

水流的动能在此强剪切区的消耗大，冲刷平衡后水垫塘冲击区上游侧的护底未受到冲刷影响，冲击区约０．４ｍ范围内的块体均被冲到下游形成堆丘，部分被冲出水垫塘。

根据Ｐａｇｌｉａｒａ［５］的研究，冲刷破坏是从冲击中心区开始的，一旦出现冲刷破坏便迅速扩展，直到水舌扩散区边缘的冲击能力与结构的抗冲能力平衡。

因此，在冲击区设置抗冲能力强的块体避免破坏的产生，水垫塘底板其他部位就可少防护，减小工程量和投资。

图２　三种工况护底冲刷情况Ｆｉｇ．２　Ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｂｏｔｔｏｍｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｏｕｒ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ（２）工况２。

在射流冲击区放置一层抗冲能力较强的铸铁材料（边长ａ＝５ｃｍ正方体），然后再平铺与工况１相同的混凝土块体，冲刷结果见图２（ｂ）。

冲击区上游块体护底结构均为原样未受到冲刷破坏，冲刷区范围减小至０．３ｍ，混凝土块体受水流推移作用减小，只有少数被冲出水垫塘，可见冲击区块体结构对水流的影响较大。

对比工况１、２冲刷坑大小，工况２大大减小，冲击区的抗冲块体能起到控制水垫塘体型、规模的作用。

（３）工况３。

在射流冲击区放置两层抗冲能力较强的铸铁块体（边长ａ＝５ｃｍ正方体），然后再平铺与工况１相同的混凝土块体，冲刷结果见图２（ｃ）。

与工况１、２相比，冲击区混凝土块体被冲走较少，冲刷范围约为０．２ｍ，混凝土块体推移距离小，尚未到达二道坝，且无块体被冲走。

冲刷水垫塘的体型较工况２减幅大。

在构筑这种水垫塘时，冲击区的透水块体结构对水垫塘的整体有控制性的关键作用。

２　数值模拟验证２．１　三维模型的建立及边界条件设置数值三维模型按工况２在冲击区设置一层抗冲块体。

考虑到实际块体排列的无序性，建模时作了简化处理，将边长ａ＝５ｃｍ的正方体块体平铺在水垫塘底部，间隔１ｃｍ，采用结构化网格划分计算域，生成单元体的最小尺寸为１ｃｍ，采用ＲＮＧ　ｋ－ε紊流模型，选择ＰＩＳＯ算法求解压力项和速度项的耦合，压力项的处理选用Ｂｏｄｙ　ＦｏｒｃｅＷｅｉｇｈｔｅｄ方法。

进口边界条件采用压力进口，ＶＯＦ法追踪自由表面，计算初始时刻计算域内的压强取为沿ｚ方向的静水压强，初始速度为０。

为使计算过程保持稳定，时间步长取０．０００　２ｓ。

当出口流量不再随时间明显变化时，认为迭代收敛。

在调试计算过程中，采用局部加密的方法对水垫塘内区域进一步加密网格，以获得更为精细的水力要素流场信息。

网格划分、边界条件见图３，初始条件见图４。

图３　计算区域网格划分及边界条件Ｆｉｇ．３　Ｇｒｉｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ图４　计算区域初始状态Ｆｉｇ．４　Ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ２．２　水流形态在水垫塘底部放与不放防冲块体两种情况下比较下游水垫塘中的不同现象，见图５。

由图可看出，水垫塘中的流态均符合典型的流态特征，水舌入水处上游水面较平静，入水处混掺剧烈，靠近下游处水面稍有隆起；加防冲块体后，下游处的水·２０１·水　电　能　源　科　学 ２０１２年第３０卷第１２期王　伟等：高坝块体护底水垫塘水动力特性研究图５　两种水流形态对比Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｒｅｇｉｍｅ面隆起位置有所提前。

其原因在于水垫塘底部的防冲块体构成的透水结构能明显增加水流的紊动，加快流速的衰减，使冲击区的影响范围减小。

２．３　水面线图６为ｙ＝０．６３０ｍ中孔纵断面两种水垫塘水面线变化。

由图可看出，块体护底与平底水垫塘水舌入水处上游水面比较平静，入水处水面波动剧烈，但块体护底下游水面有较高的隆起，其原因为塘内加入抗冲块体后水流紊动加剧，水面破碎程度加大，掺气量增大，从而使水面雍高。

图６　两种水垫塘水面线对比Ｆｉｇ．６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌｗａｔｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｌｉｎｅ２．４　流速分布为便于比较两种体形水垫塘，建模时平底水垫塘的底板高程为有块体护底时块体的顶部高程，保证两种情况下水垫塘深度相等。

计算分析了块体护底、平底水垫塘纵向对称剖面ｙ＝０．６３ｍ处的流速分布情况，块体护底、平底水垫塘入水流速分别为６．９０、６．３０ｍ／ｓ。

①加入块体后，虽入水流速比平底时入水流速稍大，但在水垫塘底部，块体护底水垫塘的最大流速为２．６６ｍ／ｓ，比平底的最大流速２．７０ｍ／ｓ略小。

②平底水垫塘中，最大流速在０．３ｍ深的水垫中由６．３０ｍ／ｓ至２．７０ｍ／ｓ，衰减１３３％；加入抗冲块体后，所取断面上最大流速衰减达１５９％。

加入抗冲块体的水垫塘最大流速衰减更多，但达到这个衰减的程度其扩散范围反而有所减小，即块体护底水垫塘用较小的区域就能使流速更大程度地衰减，提高了单位水体的消能效率。

２．５　底板压强图７为不同纵剖面压强对比。

由图可看出：图７　不同纵剖面压强对比Ｆｉｇ．７　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｐｒｅｓｓｅｒｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ①同一水垫塘不同的纵剖面上，压强的峰值相差不大，出现位置因水舌到达冲击区有一定波动而有所不同，但均集中于冲击区及稍靠近下游的地方，分布规律一致。

②两种水垫塘压强的分布规律存在较大差异，平底水垫塘冲击区上游水流基本处于静止状态，压强只是静水压强；而块体护底水垫塘在冲击区上游比平底时的压强大，结合前述流态及流速分布对比来看，块体的存在使这一区域原本静止的水体参与消能而使压强不再是静水压强。

３　结语ａ．根据模型试验分析，冲击区块体结构会对水流产生影响，透水结构让水流有缓冲作用，并可改变平底板上的压强分布。

块体结构的粗糙度较大，散粒体的透水性对消散水能、防止冲坑扩大有非常重要的作用。

ｂ．数值模拟计算了传统平底水垫塘和块体护底水垫塘的工况，结果表明，加防冲块体后，下游处的水面隆起位置有所提前。