低水头水利枢纽泄水闸闸前冲刷研究

方森松，刘晓平，吴国君，周千凯，乾东岳

低水头水利枢纽泄水闸闸前冲刷研究

方森松，刘晓平，吴国君，周千凯，乾东岳

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410076）

针对低水头水利枢纽坝前附近的冲刷问题，建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理及数学模型，利用动床物理模型观测了闸前冲坑发展过程，然后采用定床物理模型和三维数学模型研究了闸前冲刷初始时刻、中期时刻及稳定时刻的三维流场。结果表明：冲刷初期水流受挡水闸阻水作用，在闸前近壁区水流下潜形成漩涡，闸前呈现复杂的三元流流态，从而造成闸前床面泥沙大量启动，迅速形成冲坑。在冲刷中后期，下潜水流流速在冲坑内部沿水深方向逐渐减弱，漩涡现象不明显，冲坑发展变缓，最终达到平衡。

低水头；泄水闸；冲坑；下潜水流

1 问题的提出

低水头水利枢纽是集航运、发电于一体的水工建筑物，在实际生活中发挥了巨大的社会及经济效益。由于以往建坝时对上游冲刷问题不够重视，在闸坝运行多年后，坝前局部区域容易发生冲刷和淘刷现象［1，2］，甚至危及到水工建筑物的安全。例如，某低水头水利枢纽建成运行多年后，闸坝上游河床发生局部冲刷，在坝前一定范围内形成冲坑，地形如图1所示，对建筑物的稳定产生不利影响。因此，研究坝前水流结构及冲刷机理对于进一步采取改善措施是非常有必要的。

图1 低水头闸坝坝前冲刷示意图Fig.1 Sketch of scouring pit of low-head sluice

现阶段对冲刷问题研究的手段［3］主要包括原型观测、模型试验、理论分析以及数值模拟4个方面。对于水工建筑物上游河床局部冲刷问题的研究，人们更多地关注高坝中泄洪洞和排沙孔进口的冲刷现象［4，5］，但是，对于低水头闸坝上游的冲刷问题研究较少，由于其坝前水流结构特征与高坝相比有很大差异，产生冲坑的机理不同。因此，本文将利用数学模型（简称数模）与物理模型（简称物模）相结合的方法对坝前冲刷坑形态及坝前三维流场进行研究分析。

2 物理模型试验设计及数学模型建立

2.1 模型设计

试验在长为30 m、宽为1.6 m的玻璃水槽中进行。根据试验场地条件，概化模型共设7孔泄水闸，单孔净宽0.2 m，1号和7号单孔净宽0.18 m，6个闸墩，每个闸墩宽0.04 m，墩头和墩尾均为半圆形，堰面形式为WES实用堰型，材料采用PVC板，如图2所示。

动床试验中，在闸前铺设中值粒径D50为1 mm的模型沙床面，观测了闸前冲刷中期（5 min）时刻以及冲坑稳定时刻的冲坑地形。并根据不同时刻冲坑形状采用素混凝土固定冲刷坑，利用声学多普勒测速仪（NDV）观测闸前局部流场。考虑到模型的对称性，取水槽半侧（沿水流方向）部分进行研究。试验流量为0.045 m3／s，对应水闸上游水位为0.25 m，下游水位为0.10 m，试验观测流场时将中间一孔泄水闸（4号闸孔）全开泄流，其他为挡水闸孔。

图2 物理模型平面布置图及立视图Fig.2 Plan and elevation view of the physical model

模型坐标系选取以顺水流方向（纵向）为x方向，y方向为垂直水槽边壁方向（横向），z方向为垂直向上方向（垂向），坐标原点位于床面水槽中轴线与上游闸墩外边缘线的交点上。试验主要观测了挡水闸（3号闸）、过水闸（4号闸）前的纵断面流场，即图中y＝－0.20 m，y＝－0.06 m处的纵断面流场，以及闸前x＝－0.05 m处的横断面流场。

2.2 数学模型建立

流场计算采用RNG k-ε紊流模型，自由液面采用VOF方法进行捕捉，采用有限体积法对偏微分方程进行离散［6］，控制方程如下：

连续方程

运动方程

k方程

ε方程以上各式中：t为时间；ui，uj为速度分量；xi，xj为坐标分量；ρ和μ分别为体积分数平均密度和分子黏性系数；p为压力；Bi为单位体积的体积力；Gk为平均速度梯度产生的紊动能项；μt＝ρvt为紊流黏性系数，其中vt为紊流运动黏性系数，它由式 vt＝0.085 k2／ε求出；经验系数 C2ε＝1.68，σk＝σε＝0.717 9；系数 C1ε按下式计算：

其中 η0＝4.38，β＝0.012，S为切应力。

3 试验结果与计算结果分析

3.1 物理模型闸前冲坑地形分析

图3 各时刻闸前冲坑地形 （单位：m）Fig.3 Terrain of the scouring pit at different moments

3.2 挡水闸前纵向截面流场

由冲坑形态发展过程可知，冲坑主要集中在与过水闸相邻的挡水闸前，故可推知冲坑的产生与挡水闸前的流场结构密切相关，利用物理模型试验观测及数学模型计算所得的挡水闸前y＝－0.20 m处各时刻顺水流方向立面流场如图4。初始时刻，如图4（a），数学模型计算结果显示在闸前近壁区形成一顺时针环流。物理模型观测得到在闸前近壁区－0.06 mx－0.03 m、z0.04 m范围内，存在与上游来流方向相反的回流，由于物理模型没有观测挡水闸前－0.03 mx0 m范围内流场，故物模没有完整反映该顺时针环流。对比所观测范围内的物模与数模，流态基本一致。因此综合比较分析物模与数模结果可知，挡水闸前水流受到阻水作用，在挡水闸前近壁区纵向流速与来流相反，形成一个顺时针漩涡。在试验过程中通过高锰酸钾示踪剂，同样可观察到闸前水流在近壁区流向与上游来流相反，此区域存在明显的紊动现象。分析原因为：由于挡水闸前上游来流水受到阻挡，纵向流速值减小，水流动能在闸前转变为势能，沿水深方向形成压力差，致使闸前近壁区水流在重力与上层压力的作用下，形成下潜水流，同时下潜水流向下运动遇到床面之后，一方面与床面泥沙颗粒碰撞产生动量交换，另一方面部分水流流向折向上游，与来流相互作用在近壁区纵向立面上形成环流漩涡，使床面产生局部淘刷。

图4 各时刻挡水闸前纵断面流场（y＝－0.20 m立面）Fig.4 Flow field in vertical section in front of closed sluice gate at different moments（y＝－0.20 m）

冲刷中期时刻，如图4（b），物模与数模结果均表明：挡水闸前近壁区水流在z≈0.04 m处开始下潜，流入冲坑内部，近壁区没有形成明显的漩涡。下潜水流随着冲坑深度的增加流速逐渐减小。冲刷稳定时刻，如图4（c），挡水闸前近壁区水流主要集中在z≈0.02 m处开始下潜，流入冲坑内部，在冲坑底层，下潜水流流速减小至最小。

综上所述，闸前近壁区及冲刷坑内的流场具有较强的三维特性，初始时刻近壁区环流漩涡淘刷强度最强，泥沙大量启动，短时间内形成冲坑。冲刷中后期，冲刷坑坑底对应的垂向范围内，水流沿垂向下潜至坑底对其进行淘刷，而在冲坑边坡范围内，水流主要顺着边坡流入冲坑内部，边坡上的泥沙颗粒在水流拖曳力及重力作用下启动，从而使边坡进一步向上游发展。当冲刷稳定后，到达冲坑底部的下潜水流强度已减小至最小，以至不足以形成对床面的冲刷。

3.3 过水闸前纵向断面流场

利用物理模型，观测了过水闸前y＝－0.06 m处各时刻顺水流方向断面流场（如图5）。

图5 各时刻过水闸前纵断面流场（y＝－0.06 m立面）Fig.5 Flow field in vertical section in front of opening sluice gate at different moments（y＝－0.06 m）

初始时刻图5（a），在过水闸前，流速沿水深分布较均匀，沿水流方向流速值逐渐增大，但初始时刻该区域并未观察到明显的泥沙启动现象，说明此时近壁区水平底流速并非闸前泥沙启动的主要原因。冲刷中后期图5（b）、图5（c），在近壁区冲坑处水流从上游沿冲坑边坡流入冲坑，随后顺着冲坑地形流向下游。沿水深方向，冲坑外部流速分布较均匀，但在冲坑内部，流速随水深增加而减小。

3.4 闸前横断面流场分析

物理模型所测闸前x＝－0.05 m横断面处各时刻的流场如图6。

图6 各时刻闸前横断面流场（x＝－0.05 m立面）Fig.6 Flow field in cross section in front of sluice at different moments（x＝－0.05 m）

冲刷各个时刻，近壁区横向流速在挡水闸前y≈－0.1～－0.2 m范围内达到最大。而此区间在初始时刻存在环流漩涡，因此，由漩涡淘刷引起启动的泥沙颗粒在较大的横向流速作用下被迅速携带向下游。从而造成前期冲坑坑深迅速增加，且最深点位于挡水闸前。在冲刷坑中后期，沿冲坑深度下潜水流的强度逐渐减弱，冲坑沿深度方向变化放缓。闸前水流沿着冲坑坡面流入冲坑内部，坡面上的泥沙颗粒在水流拖曳力和重力作用下启动，使冲坑沿水平方向的范围进一步增大。

3.5 闸前近壁面平面流场

图7为物理模型所测闸前距离床面0.03 m平面处不同时刻的流场分布。闸前水流急剧束窄，使挡水闸前水流流向由纵向逐渐过渡为横向，沿纵向方向的动水压力转变为势能，闸前的水流驻点压力增大。

图7 各时期闸前近壁面平面流场分布（z＝0.03 m立面）Fig.7 Flow field in near-wall plane in front of sluice at different moments（z＝0.03 m）

4 闸门开启方式对闸前三元流强度影响分析

由以上分析可知，可通过减小闸前三元流强度，避免挡水闸前近壁区形成环流漩涡的方法减轻闸前床面的淘刷。试验观察到将过水闸相邻的挡水闸开启一定开度后，闸前冲刷程度大大减小。采用数学模型计算了单孔全开并开启相邻闸门0.1开度工况的流场。将此种工况与单孔全开工况中距床面0.03 m的近壁区平面流线取出进行对比，如图8、图9所示。

图8 单孔全开时闸前近壁面流线Fig.8 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully

单孔全开闸门时，挡水闸前水流流向由纵向过渡为横向过程中，在挡水闸前下潜形成环流漩涡，闸前水流呈现较强的三维特性。而将挡水闸开启0.1开度后，部分水流通过该闸孔下泄，水流流向过渡较为平缓，从而没有形成近壁区的漩涡，水流以沿水平面的二维运动为主，减轻了闸前的淘刷。

图9 单孔全开及相邻闸门0.1开度时闸前近壁面流线Fig.9 Streamlines in near-wall plane with one sluice gate opened fully and the adjacent gate opened at 0.1 degree

5 结 论

低水头泄水闸在运行过程中，闸前易发生冲刷淘刷现象。研究观测闸前三元流水流结构，分析其引起冲刷的机理，对低水头水利枢纽的设计和运行管理有着重要的参考意义，通过以上试验分析，主要得出以下几点结论：

（1）模型试验中，闸前冲坑在冲刷前期时间内冲坑发展较快。因此，反映到实际运行中，若某一运行工况下闸前形成强度较大的三元流而发生冲刷，则冲坑将迅速发展形成。

（2）当部分闸门开启泄水时，初始时刻泥沙启动区并未发生在流速较大的过水闸前区域，而是在相邻的挡水闸闸前区域。主要原因为：过水闸泄水时，相邻挡水闸闸前水流受到阻挡，流速由纵向过渡为横向，从而在闸前近壁区水流下潜，形成漩涡，水流呈现复杂的三元流流态，紊动强度增大。从而造成床面泥沙大量启动，迅速形成冲坑。随着冲坑的发展，近壁区下潜水流在冲坑内部逐渐减弱，漩涡消失，最终达到冲坑稳定状态。

（3）考虑到一般低水头水利枢纽泄水闸闸孔数量较多，流量与水位变化范围大，运行条件复杂，若调度不当极有可能在闸前形成较强的三元流现象，短时间内造成冲刷破坏。因此，当运行期出现部分闸门全开导致水流较为集中泄流情况时，也应使与其相邻的闸门具有一定的开度，减小闸前单宽流量，避免闸前形成强度较高的三元流。

［1］ 唐 敏，张高虎.马迹塘水电站大坝上游冲刷坑处理措施［J］.湖南水利水电，2004，（2）：8－9.（TANG Min，ZHANG Gao-hu，Scouring Hole Treatment Measures at Upstream of Majitang Hydropower Dam.Hydraulic and Hydroelectric Engineering of Hunan Province，2004，（2）：8－9.（in Chinese））

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（GUO Zhi-xue，LIU Xing-nian，CAO Shu-you.Experimental Study on Reservoir Scour Funnel of Baoshi Water Power Station.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2004，34（5）：1－5.（in Chinese））

［5］ 芦绮玲，郑帮明，赵明登，等.水库冲刷漏斗的三维数值模拟［J］.水动力研究与进展（A辑），2007，22（2）：

254－259.（LU Qi-ling，ZHENG Bang-min，ZHAO Ming-deng，et al.Three-Dimensional Numerical Simulation on the Scouring Funnel in Front of the Sand-Flash Channel for Reservoir.Journal of Hydrodynamics（Ser.A），2007，22（2）：254－259.（in Chinese））

［6］ 林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学［M］.北京：清华大学出版社，2005.（LIN Jian-zhong，RUAN Xiaodong，CHEN Bang-guo，et al.Fluid Mechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2005.（in Chinese） ）

Scouring Mechanism in Front of the Sluice of Low-Head Hydro-Projects

FANG Sen-song，LIU Xiao-ping，WU Guo-jun，ZHOU Qian-kai，QIAN Dong-yue
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410076，China）

To elaborate on the river bed scouring in front of the sluice of low-head hydro-projects，physical and mathematical models are built to study the three dimensional flow in front of the sluice.Movable bed physical model is used to observe the development process of the scouring pit.Furthermore，fixed bed physical model and three-

dimensional turbulence model are employed to simulate the 3-D flow field at the initial，middle and steady period of the scouring.The main conclusion is obtained as follows：at the beginning of scouring，as the flow is obstructed by the sluice，vortexes are formed by the diving flow and a complicated three dimensional flow is generated，thereby causing a large amount of sediment activating in front of the sluice structures.Accordingly，it results in scouring in front of sluice structures rapidly.During the middle and later period，the diving flow in the scouring pit is gradually weakened along the water depth direction，hence the vortex disappears，and the development of the scouring pit slows down and finally reaches equilibrium.

low-head hydro-project；sluice；scouring pit；diving flow

TV131.61

A

1001－5485（2011）06－0025－05

2010-07-21

湖南省自然科学基金项目（04JJ3036）；湖南省交通厅科技创新项目（200732）

方森松（1985-），男，河南开封人，硕士研究生，主要从事港口航道及近海工程研究，（电话）0731-82309694（电子信箱）fangsensong＠163.com。

（编辑：刘运飞）