透水四面体截流材料的稳定性试验研究

尹杨松，李登松，杨 庆，戴光清，杜震宇

（1.大唐乡城水电开发有限公司，四川 成都 610091；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072）

透水四面体截流材料的稳定性试验研究

尹杨松1，李登松2,3，杨 庆2,3，戴光清2,3，杜震宇4

（1.大唐乡城水电开发有限公司，四川 成都 610091；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072）

实体四面体结构的人工预制抛投材料在截流工程中广泛应用于代替大质量的天然块石，具有透水性的四面体结构则在江河堤岸的防冲促淤中广泛使用，且效果甚佳。文中通过物理模型试验，结合透水四面体结构的特点和截流工程理论，研究了材料在水中的稳定特性，与实体四面体结构进行了对比。探讨了透水四面体在截流工程中的应用可能性。研究结果表明：透水四面体的表面开孔率对落水后的稳定性有较大的影响；开孔率为32.15%时稳定性最优，且止动流速与实体四面体基本相当；流场特性优于实体四面体，有效减轻了漩涡造成的不利影响。适当提高人工预制截流材料的透水性，提升稳定性的新途径是可借鉴的。

透水四面体；稳定性；物理模型试验；截流材料

0 引言

我国西南山区河道截流工程落差高、流速大，导致截流难度增大，通过增加抛投料重量和抛投强度实现成功截流，但在工程实践中天然块石的最大单体重量已超过30 t，如此大重量的天然块石难以获取，常常用人工预制抛投材料或串联块体进行替代，混凝土四面体作为人工预制材料的应用最为广泛，如向家坝水电站大江截流和锦屏一级水电站大江截流[1-3]。周代鑫等建立了正四面体块体在水流中作滑动和滚动运动的平衡方程，对它的稳定性进行计算并通过抛投试验验证结果[4]。肖焕雄等以理论分析和系统的模型试验，研究了混凝土四面体的绕流阻力系数公式和立堵进占截流中抛投混凝土四面体串及大块石串的稳定性，提出用串体代替单体并削减截流最大单体稳定重量的方法[5,6]。透水四面体在江河堤岸的防冲促淤中被广泛使用，高柱等基于FLUENT平台模拟了单一贴壁四面体透水框架的清水流场，认为四面体框架对流场的影响仅限制在其所在空间及其向下游延伸的一定距离之内[7]。周根娣采用ADV测量了四面六边透水框架和四面六边实体块尾流场的流速垂线分布和紊动量垂线分布，表明四面体实体诱导的绕流场的流速损失和紊动强度在近区明显高于四面体框架的作用效果，容易导致局部冲刷的发生[8]。

透水四面体结构较于四面体结构有较好的流场分布，但应用于截流工程中的稳定特性，未进行相关的研究。因此，下面结合四面体材料的稳定性理论，通过物理模型试验研究了透水四面体结构在不同开孔率下的稳定流速，与四面体结构进行对比。

1 稳定性理论

截流材料的稳定特性有止动和起动流速两种不同观点，结合刚体运动极限平衡理论，提出了诸多公式。前苏联伊兹巴斯教授采用近似圆形的卵砾石代替块石，用起动流速观点推导块石截流材料的稳定公式，肖焕雄运用起动和止动流速两种观点研究了混凝土四面体、天然块石等稳定公式，发现公式形式相同，如公式（1）所示，关键在于抛投材料稳定系数的率定[9]。

式中：V——计算点处的断面平均速度，m/s；K——抛投料稳定系数；γs，γ——为抛投料和水的容重，t/m3；g——重力加速度；d——抛投料化引球体直径，m。

2 试验模型

稳定性试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室的水槽中进行，水槽长10.0 m、宽0.39 m、深0.35 m，底坡i=0，底板为混凝土，糙率为0.012，槽壁为有机玻璃，糙率为0.010。水槽进口利用多道消浪栅平稳水流，出口处设有尾门控制水位。试验选用的透水四面体密度为7.80 g/cm3，开孔率为四面体表面开孔部分与完整表面的比值，如图1所示。图1中L为边长，b为保留边宽，中间部分为镂空开孔部分。流量采用三角形薄壁量水堰测量，试验工况为35L/s和55L/s。采用ADV测量500 cm、520 cm和540 cm断面处靠近水槽两侧壁面和中心的临底、水面和水面以下的27个测点流速。

根据截流材料的稳定理论，以长500 cm段作为抛投试验段，下游40 cm范围内为稳定试验段，通过调节尾门闸门控制水位，使其达到预定水深和流速。在此流速下，随机抛投截流材料40次以上，记录稳定试验段内抛投材料稳定次数。若稳定次数占抛投总次数的75%～90%间，块体处于极限平衡状态，该流速为抛投块体的临界止动流速；若稳定次数不符合要求，则重新微调水位，重复上述抛投过程，直至达到试验要求。

图1 透水四面体

3 试验结果及分析

3.1 稳定性试验

3.1.1 边长对稳定性的影响

在相同开孔率的情况下，透水四面体边长L的改变导致透水四面体的质量发生改变。对迎流和背流两种抛投方式，不同边长的透水四面体止动流速进行了测量，如图2所示。透水四面体抛入水中后，在临近河床底部前，受到水流作用随着水流移动一段距离，触到河床底后，在水流作用下，透水四面体滑动失稳，较难以出现滚动失稳，最后被水流推移至540 cm处止动。

从图2中可知，不同边长的透水四面体在迎流抛投时的临界止动流速V均值分别为78 cm/s，83 cm/s；背流抛投时，临界止动流速V均值分别为68 cm/s，77 cm/s。迎流抛投的临界止动流速和平均流速大于背流抛投，稳定性较好，两者间流速差值约为10%。因此，在截流工程中迎流抛投方式优于背流，受到截流时间等因素限制，实际工程中可不重点关注。

在相同的开孔率下，不同的边长造成材料的质量不等，对应的化引直径随之改变，依据公式（1）可知，止动流速将随着边长的增大而增大，但无论是迎流抛投，还是背流抛投，临界止动流速均随透水四面体的边长增加先降低后增大，边长L=6.0 cm时，临界止动流速最小，边长L=10.0 cm时，临界止动流速最大，造成这样的结果在于开孔后透水四面体在水中的迎流面面积和水流特性发生改变。

图2 不同边长的临界止动流速

3.1.2 开孔率对稳定性的影响

在相同的边长下，改变透水四面体的开孔率n也会导致透水四面体的质量改变。测量了迎流和背流2种抛投方式，不同开孔率的透水四面体止动流速，试验成果见图3所示。

图3 不同开孔率的临界止动流速

从图3中可知，迎流抛投时，不同开孔率下四面体透水四面体的临界止动流速V均值分别为78 cm/s，83 cm/ s；背流抛投时，临界止动流速V的均值分别为68 cm/s，77 cm/s。各尺寸透水四面体，临界止动流速差值约为15%，迎流抛投稳定性比背流抛投稳定性好；无论是迎流抛投，还是背流抛投，临界止动流速均随开孔率的增加先降低后增大再降低。开孔率为0时，临界止动流速最小；开孔率为32.10%时，临界止动流速最大。

3.2 透水四面体与实体四面体对比分析

对比分析了透水四面体和实体四面体的稳定性，整理实体四面体的化引直径在2.7～5.1 cm和透水四面体的质量在25～170 g之间变化的止动流速，如图4—5所示。

图4 L改变，n恒定

从图4—5分析可知，实体四面体和透水四面体的止动流速相当接近，且当开孔率n=32.15%时，临界止动流速基本相当，但是，随着开孔率n的逐渐减小，透水四面体的稳定性明显劣于混凝土四面体。结合透水四面体和实体四面体的流场特性结果可知[8]，实体四面体的尾部区域会出现明显的较大漩涡，极易形成局部冲刷带走河床底部的泥沙等物料，导致实体四面体失稳，流失量增大。透水四面体则有效地减轻了漩涡区的大小，甚至让漩涡得以消失。因此，在n=32.15%时，两者稳定性相当，但流场特性优于实体四面体。适当在实体四面体中开孔，增大透水性提升稳定性的路径是可借鉴的，而且截流过程中，开孔部分可分担部分截流流量，降低截流难度。

图5 L恒定，n改变

4 结 语

在落差高、流速大的河道截流工程中，常常通过人工预制抛投材料或串联块体替代天然块石实现成功截流。四面体实体结构作为人工预制材料的应用最为广泛，诱导的绕流场的流速损失和紊动强度在近区明显高于四面体框架，容易导致局部冲刷的发生[8]。但是具有良好水流特性的透水四面体在截流工程中未应用，经过物理模型试验研究了稳定特性：

透水四面体和实体四面体材料在迎流和背流抛投的方式下，稳定性影响相差10%左右，受到截流时间等因素限制，不构成影响截流材料稳定性的主要因素。开孔率和边长均对透水四面体在水中的稳定性产生影响，存在合适的开孔率，边长不是影响稳定性的主要因素。当开孔率为32.15%左右时稳定性最优，与等质量混凝土四面体基本相当，但是，透水四面体结构有效减轻了混凝土四面体尾部区域出现的漩涡，水流特性明显优于混凝土四面体。因此，基于水流特性和稳定性的研究，透水四面体具有应用于截流工程中的可能性。

［1］李文清.雅砻江锦屏一级水电站截流施工技术［J］.南水北调与水利科技，2008，6（3）：81—83.

［2］宋方刚，马旭东，戴光清，丁治平.猴子岩水电站截流模型试验研究及原型观测对比分析［J］.四川水力发电，2015，34（2）：103—106.

［3］高鹏.向家坝水电站大江截流设计与施工［J］.人民珠江，2015，46（2）：67—70.

［4］周代鑫，黄希敏.截流人工块体稳定性分析［J］.人民珠江，1995，2（1）：18—24.

［5］肖焕雄，熊盛立.立堵截流混凝土四面体的绕流阻力研究［J］.水利学报，1987，10（9）：66—73.

［6］肖焕雄，左兼金，谢兴保.立堵进占截流中抛投混凝土四面体串及大块石串的稳定性研究［J］.水利学报，1985， 7（4）：24—32.

［7］高柱，殷杰，唐洪武，郭红民.单一贴壁四面体框架绕流场三维数值模拟［J］.水科学进展，2010，21（2）：161—166.

［8］周根娣，顾正华.四面六边透水框架尾流场水力特性［J］.长江科学院院报，2005，22（3）：9—13.

［9］肖焕雄.施工水力学［M］.北京：水利电力出版社，1992.

表1 冰峪沟站历年洪峰流量频率表

点据配合不理想，则重新修改参数再次配线，主要调整Cv以及Cs。

4）选取1条与经验点据配合最佳的曲线作为采用曲线，见图1。将该曲线的参数看作总体参数的估计值。

推求设计洪峰流量：根据经验频率曲线，由设计频率查得设计值见表2。该站警戒流量350 m3/s，与20%设计值346 m3/s相符。该站最大洪峰流量1 110 m3/s，反查的设计频率为2.51%。由此可见，频率曲线基本代表了该站特性，选取数据可靠，方法可行，可以作为该站大洪水来时流量测验和水文预报的依据。

图1 冰峪沟站洪峰流量曲线

表2 冰峪沟站不同频率设计洪峰流量

4 存在问题

洪水预警意义重大，责任艰巨。但现有的水文观测资料一般较短，在推求千年一遇或万年一遇的洪峰流量时，必须把频率曲线外延，外延愈远，估计所得的水文设计值的误差愈大。因此，水文频率分析时，要求尽可能地调查历史上发生过的大洪水，参证审查后加入频率分析。同时，必须对频率分析成果在时间上和空间上作合理性分析。这样才能制定更加科学合理的水文预警分析。

[收稿日期]2016-08-30

TV551.2；TV135.5

A

2016-09-26