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青溪水电站大坝下游河床冲刷分析与研究张从联黄智敏江洧（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）摘要：青溪水电站溢流坝段采用面流消能工，运行十多年来下游河床冲刷较严重，本文通过对该电站泄洪资料、下游河床实测地形资料的统计分析，并通过判别面流流态初步验算与冲刷坑冲刷深度估算，认为影响下游河床冲刷的主要因素为泄洪闸部分闸孔闸门集中大开度开启，其次，下游河床下切水位下降导致面流流态发生了较大的变化，甚至无法保证面流流态的形成是下游河床形成冲刷的另一个因素。关键词：面流消能河床冲刷闸门运行1前言面流消能是利用设置在泄水建筑物出口末端的竖直鼻坎将下泄高速水流导至下游表面，通过面滚和底部反漩滚消能，是泄水建筑物基本消能方式之一。面流消能具有结构简单、工程量较小、施工期短等优点，尤其适用于流量丰盛、尾水较深的河道，并有便于漂木和排冰。因此国内不少中小型水利工程采用了面流消能的方式，二十世纪五十年代后期至八十年代，我国经历了面流消能工建设的高峰期，并且在面流消能的研究方面也取得了不少成绩。但由于面流流态本身的特点，即流态多变，尤其当多孔闸坝开启方式不当时，常会引起流态恶化而导致河床冲刷和尾水波浪冲淘护岸以及影响航运等问题，因此近年来采用面流消能工的工程数量有所下降。2工程简介青溪水电站是韩江支流——汀江干流的原第二个梯级水电站，位于广东省大埔县青溪镇。该电站是一个以发电为主（兼有防洪等右岸厂房段溢流坝段重力坝段左岸重力坝段功能）的低水头日调节径流式电站，装机0+000导#####54321副厂房容量为4×36MW。大坝为砼重力坝，坝顶高启闭机室0+033程78.0m（珠基），最大坝高51.5m，工程按0+053下0+073游百年一遇洪水标准设计，正常蓄水位73.0m，0+093河床30+113面电站水库总库容7468万m。工程于1988年3月开0+133挖至开工，1994年5月4台机组全部投产。0+15348m0+173高0+175溢流坝段采用面流消能工，布置在青溪水程流电站河床中部（图1）。溢洪坝段设5孔泄洪弧形闸门（图1、图2），单孔净宽14m，溢流明汀堰顶高程55.0m，弧形闸门高为18.3m，设计渠3下泄流量为10200m/s，校核洪水下泄流量为312710m/s。江溢洪道下游河床面原高程约为48.0m，河床基岩由中、细粒花岗岩组成，其埋藏深度不等，分为强风化、弱风化、微风化层。强风化层风化破碎，裂隙密集，岩石完整性较差，河图1青溪水电站枢纽布置简图78n床中分布较少。弱风化层裂隙倾角∠60～40°，0.389.3225.968.22水工建筑物置于此层上。坝轴线78.077.03泄洪资料与下游河床冲刷资料的整76.5075.6075.201:173.0理与初步分析R24.421368.23768.03.1泄洪资料1.524R23.10.9青溪水电站1992年12月第一台机组发电，5.04:21R溢流坝泄洪弧形闸门于1993年1月正式运行参58.0与泄洪。因该电站是一个以发电为主的低水头日55.01.85y=0.044987x调节径流式电站，泄洪闸启闭较为频繁，表1选50.049.8246.50择列举了泄洪闸主要运行和不对称开启运行的泄1:143.50洪资料。由表1和“青溪水库闸门下泄流量登记表”可知，在1993-1995年期间，电站泄洪闸运行基本遵循了同步、均匀、间隔、对称开启的原#则，在上游来流量较大时，采用了5孔泄洪闸同图2溢流坝3闸门纵剖面图步开启，在上游来流量较小时，采用了闸门隔孔###同步局部开启。但在1996～2002年泄洪闸运行期间，1、2闸门单独开启的次数较多，且在1、#32闸门单独开启时，闸门的开度一般均较大（最大时达10.0m，最大单宽流量达105.07m/s·m），##尤其是1闸门单独运行、开度较大的情况最多，据统计，1闸门开度大于7.0m单独运行总历时约有17.28个小时，开度大于9.0m单独运行总历时约有9.75个小时，对下游冲刷坑的形成影#响最大的是1999年5月31日1闸门孔以9.10m的开度单独运行了7.38个小时。表1青溪水电站溢流坝典型泄洪资料统计表开闸时间主要泄洪水力参数历时闸门开度过堰流量单宽流量库水位下游水位年月日#2#3#4#5#33(h)1(m/s)（m/m.s）(m)（m）1993.6.9~6.1169.271.50~7.01.20~7.01.50~7.01.20~7.01.50~7.01435~531020.5~75.86--52.4~54.71996.8.7~8.1081.501.0~9.501.0~9.501.0~9.501.0~9.501.0~9.50748~706010.69~100.869.80~73.2850.4~62.01997.6.27~6.283.922.0~7.50关关关关403~119028.79~85--49.2~52.41998.2.24~2.2531.970.80~9.0关0.80~2.60关0.80~2.0125~19412.98~46.2172.54~73.0647.7~53.91998.3.131.05.0~10.0关关关关1740~186061.93~105.1--53.3~53.71999.5.26~5.2721.181.0~8.01.0~10.01.0~5.01.0~6.01.0~5.01344~388019.2~55.43--52.3~57.51999.5.31~6.49.921.50~9.10关关关关347~136224.79~97.29--49.0~52.41999.7.28~7.2919.78关关1.0~8.0关关249~124617.79~89.0--48.7~52.02000.4.5~4.141.334.60~9.50关关关关808~141157.71~100.869.14~71.2750.8~52.32000.8.24~8.2897.570.90~10.00.90~6.100.90~8.00.90~6.100.90~5.0700~467210~66.7472.13~72.9850.4~58.62001.4.20~5.232.053.0~9.0关关关关300~135021.43~96.43--48.8~52.23.2下游河床冲刷实测资料青溪水电站下游河床由于有尾水存在，河床的变化情况不易观察，在自第一台机组发电至2002年十年的运行时间里，青溪水电站于2002年5月份进行了第一次溢洪道下游河床断面测量，测量断面的河道全长约140m，测量自溢流坝下游0+033断面至0+173断面共分为8个横断面（图###1及图3）；纵断面的测量按闸门1孔、3孔和5孔轴线3个断面进行测量，相邻测点间距约为5m（图4）。79n由图3和图4可知，自泄洪闸运行以来，溢流坝下游河道成普遍下切趋势，工程竣工时下游河床面高程为48.0m，在2002年地形测量中发现河床高程普遍下降了2~6m，距离溢流坝鼻坎愈###近，河床受冲刷愈严重，在下游河床桩号0+033～0+093之间的范围内，1、2、3闸孔下游形成#了明显的冲刷坑（冲刷坑地形参数见表2），尤其是1闸孔下游形成的冲刷坑最深，测到的冲刷坑##最低点高程为35.50m，出现在桩号0+053附近；4、5闸孔下游的冲刷相对较轻，在桩号0+033～0+053之间高程约为40.0～42.0m。随河道延伸，冲刷程度随之减轻，在桩号0+073～0+133范围#####内，1、2、3闸孔下游高程约为40.0～45.0m，4、5闸孔下游高程略高，约为44.0～46.0m。河道继续延伸，受冲刷的程度继续减轻，且5个闸孔下游河床面的高程差别相继减小，在桩号0+153###附近，1～4闸孔下游河道高程约为43.0～45.0m左右、5闸孔下游河道高程约为47.0～48.0m；在桩号0+173附近，5个闸孔下游河道较平缓，高程约为44.0～46.0m。4下游河床冲刷特性水力计算与分析4.1下游河床冲刷水力计算与影响因素分析桩号0+033图3坝下河床测量横断面地形图高程(m)Fig.3Topographicmapofthemeasuringtransversesectionintheriverbed50桩号0+05348桩号0+07346桩号0+09344桩号0+11342桩号0+13340桩号0+15338桩号0+173闸孔中心线冲刷坑A闸孔中心线闸孔中心线36闸孔中心线闸孔中心线1#2#3#4#5#34100距离(m)9080706050403020100图4坝下河床闸门纵断面地形图Fig.4Topoguaphicmapofthegate's面流冲刷与底流或挑流冲刷都有所不同，高程(m)longtithdianalsectionintheriverbed49它随流态变化而变化，随着单宽流量、下游47水深的不同，坝下游可能出现底流、自由面桩号0+03345流、混合面流、淹没混合流、淹没面流和回43复底流等多种流态。流态不同对下游河床的411#闸门中心线冲刷程度也不同。因此，为了估算下游冲刷，393#闸门中心线首先应当根据运用条件对流态变化情况进行37冲刷坑B5#闸门中心线验算，以验证面流消能可能出现的流态。35020406080100120140160距离(m)4.1.1判别面流流态初步验算由于面流流态比较复杂，且流态对单宽表22002年实测冲刷坑地形参数流量和下游水深非常敏感，流态的稳定性也冲刷坑断冲刷坑底冲刷坑断面到冲刷坑上位置较差。至今为止，中外学者对面流区界水深面桩号高程(m)坝基距离(m)游边坡i公式虽已进行了较多的研究，但由于公式的1#闸孔下游0+05335.50201:3.08确定一般是基于特定水工模型试验的基础之1#闸孔下游0+07237.0391:8.5上，众多的研究资料表明，公式的通用性较##2、3闸孔0+05338.0——差，因公式尚未成熟，一般仅作为工程定性#2闸孔下游0+07338.0——的判断。鉴于计算第三区界水深的公式精度#3闸孔下游0+05839.1251:10相对较低，因此，本文仅针对第一区界水深和第二区界水深进行了计算（第一区界水深80n是指发生自由面流流态的最小下游水深；第二区界水深定义为从自由面流或混合面流转变为淹没混合面流的最小下游水深），公式（1）～（2）即为计算第一、二区界水深的方法（此公式在下游有水平护坦的条件下适用）。ht1aa=0.84−1.48+2.24（1）hkhkpht2aa=1.16−1.81+2.38（2）hkhkp根据下游河床状况，计算以下游河床高程分别为48m、47m、46m、45m、44m、43m、42m为条件进行。表3列举了下游河床高程为45m、42m时不同单宽流量下相应区界水深的计算结果。式中a为跌坎高度，p为坝高，hk为临界水深，ht1、ht2为第一、第二区界水深。据表3和表1中的实际下游水位情况可以看出，随着下游河床下切导致下游水位降低，发生面流流态保证区的下限水深也有所降低。在渲泄小流量洪水时，如果闸门为单孔以较大开度开启而导致鼻坎单宽流量较大，达到所需面流流态的区界水深较深，而实际的下游河道水深较浅，无法满足保持面流流态的水深，则无法保证面流流态的形成，从而可能会出现淹没底流或挑流等不[1]良流态，致使河床底部流速过大，其对下游河床的冲刷比面流冲刷要大1～2倍，加剧了对下游河床的冲刷。[2]由实测的冲刷坑的形状（见表2），根据文献中推荐的面流各种流态所形成的冲刷坑形状系数，将会得出下游为挑流冲刷或自由面流冲刷的结论，这也与本文计算和推断比较吻合，但由于实测地形资料较少，又缺乏青溪水电站溢流坝泄洪原型观测资料，因此明确溢流坝泄洪时的流态较困难。表3面流消能区界水深计算成果表（下游河床高程为45m、42m）4542下游河床面高程（m）第一区界第二区界第一区界第二区界单宽流量临界水深水深下游水位水深下游水位水深下游水位水深下游水位3q(m/m·s)hkht1(m)ht2(m)ht1(m)ht2(m)203.448.2653.269.4954.498.6050.6010.3352.33506.3411.7456.7412.6757.6710.2452.2411.3053.30808.6714.5459.5415.2360.2311.5653.5612.0754.0711010.7317.0062.0017.4862.4812.7254.7212.7654.764.1.2冲刷坑冲刷深度估算#根据实测资料，下游冲坑测到的最深点高程约为35.50m，冲刷坑深度约有9.5m，位于1闸门孔下游约20m（冲刷坑A，图3），为了估算下游河床的冲刷深度，必须选择具有足够历时的峰值#流量。1999年5月31日1闸门以9.10m的开度单独运行了7.38个小时的泄洪组次（单宽流量为3#97.29m/s·m）泄洪历时长，认为对1闸门下游冲刷坑的形成与影响最大，可作为估算下游冲刷坑深度的依据，其计算结果也具有一定的代表性。溢流坝下游河床的冲刷深度常采用公式T=ψKq0.5z0..25进行估算，式中：K为冲刷坑系数；Z为[3]上下游水位差；q为鼻坎出口单宽流量。计算得出面流流态影响系数ψ≈0.335，根据文献可知，一般在岩基情况下，保持下游为自由面流～混合面流的ψ≈0.48～0.82，而本文ψ≈0.335，已不符合面流流态计算范围，由此可初步判断下游面流流态很难得到保证，因此将无法采用面流冲刷深度公式来估算本工程冲刷坑深度。81n4.1.3下游河床冲刷坑影响因素具体分析面流冲刷与底流和挑流冲刷有所不同，它是随着面流流态形式的不同，下游水流运动的机制（包括坎下底旋滚的长度，回流流速的大小，水舌对河床的冲击影响作用，射流的入水角度，表面旋滚的变化等）会相应发生变化，对下游河床的冲刷也会发生变化。青溪水电站下游的冲刷包括河床的普遍下切及部分闸孔下游冲刷坑的形成两个方面。通过水力计算以及对下游河床地质情况以及溢流坝泄洪情况的分析，造成溢流坝下游河床冲刷的主要原因有：（1）青溪水电站下游地质情况较差，在溢流坝左侧导墙基础发现花岗岩基岩“深潭”，在溢流坝尾部发现基岩风化“深潭”，溢流坝下游河床表面覆盖层较厚。根据估算，河床覆盖层的抗冲流速约为1.7m/s。由于溢流坝在渲泄大流量洪水时，5孔泄洪闸基本以较大开度开启（5孔同步最大开度为9.50m，历时2.75个小时，如1996年8月7~10日的洪水），经初步估算，此时鼻坎上的流速值大于10m/s，在出坎较高流速作用下，带动覆盖层冲向下游，造成溢流坝下游河床呈普遍下切趋势。###（2）在渲泄较小流量洪水时，由于闸门运行操作不规范，造成1、2、3闸门单独开启的次#数较多，尤其是1闸门单独运行的次数更多，且闸门开度较大（最大时为10m），导致能量集中，###主流偏斜冲刷下游河道，1、2、3闸孔下游河床直接受冲刷的时间和次数均较多，造成此三孔闸##下游河道高程普遍低于4、5闸门下游河道高程的现象；此外，单孔闸长时间大流量开启，促进#了闸孔下游冲刷坑的形成与发展，例如1闸门在开度大于7.0m单独运行时总历时约有17.28个小##时，其中1999年5月31日1闸门孔以9.10m的开度单独运行了7.38个小时，其对1闸孔下游冲##刷坑的形成起到了关键的作用。2、3闸门的单独运行也导致了其下游冲刷坑的形成与发展。另外，闸门不规则集中开启，容易在鼻坎下产生横向回流，淘刷鼻坎基脚（即坝基基脚)，也可能在另一侧形成回流，淘刷河床及堤岸。（3）由上文中面流流态水力计算可初步判断，在下游河床普遍下切的趋势下，在渲泄较小流量时，无论是单孔集中开启还是隔孔小开度开启，下游面流流态均很难得到保证，从而可能会出现淹没底流或挑流等不良流态，致使河床底部流速过大，由于其对下游河床的冲刷比面流冲刷要大1~2倍，因此面流流态的形成与保证与否与下游河床的冲刷关系非常密切。4.2下游河床冲刷对坝基及两岸导墙安全的影响分析青溪水电站溢流坝经10年的运行之后，下游河床冲刷坑已基本形成，但由于溢流坝下游河床地形勘测资料较少，难以分析下游冲刷坑的形成与泄洪组次之间的具体关系、冲刷坑具体的发展情况，给下游河床冲刷对坝基安全的影响分析带来了一定的难度。从2002年实测地形资料来看，坝基下游河床均有一定的冲刷，在桩号0+033附近，平均河床高程约为41.50m，与工程刚建成时相比下降了约6.5m左右，冲刷坑的形成情况见表2。由表2及下游河床冲刷地形测量结果可知：#（1）1闸孔下游冲刷坑最深且距离坝基最近，最深处（高程35.50m、桩号0+053）距离坝基（桩号约为0+033、高程约42.0m）约有20m，冲刷坑上游边坡i≈1:3.08，不满足安全边坡（ic<1:3～1:4）的要求，对坝基的安全造成一定的威胁。又由于坝基处岩石破碎，属Ⅲ级岩体，坝基处岩石历经了10年的冲刷，目前河床高程已下降了近6.5m左右，给溢流坝的安全运行带来了隐患。因此应加强原型观测并对坝基进行必要的加固处理，以确保工程的安全运行。##（2）2、3闸孔下游冲刷坑深度相对要浅，其边坡i一般>8，满足安全边坡的要求，对坝基的安全影响较小。#（3）1闸孔下游冲刷坑A（图3）最低高程约35.50m，距离左岸导墙较近（约16m），冲刷坑左侧坡比i≈1:2.46，不满足安全边坡的要求，有可能危及左岸导墙的安全与稳定，另外，由于溢流坝下游导墙段河床均呈下切趋势，尤其是靠近左岸导墙的河床下切较为严重，在0+033～0+153桩号之间、距离左岸导墙10～15m的范围之内，河床高程普遍降为42.0m左右，对左岸导82n墙的安全造成较大的威胁，因此也应加强原型监测并对左岸导墙进行必要的加固处理。#（4）由于5闸孔开启次数相对较少，其下游河床冲刷相对较轻，除在桩号0+033～0+053之#间河床高程较低（约41.0～43.0m），在桩号0+068以后，5闸孔下游的河床高程一般为47.0～48.0m，因此对右岸导墙应重点监测0+033～0+053桩号墙段。5结语（1）青溪水电站下游地质情况较差、泄洪闸部分闸孔闸门集中大开度开启是下游河床形成明显冲刷的主要因素，因此在今后的工程运行中应加强对泄洪闸的科学管理与合理调度，尽量根据入库流量合理启闭闸门来均化泄洪单宽流量，控制流态，泄洪闸应遵循间隔、均匀、同步、对称的开启原则，在较大流量时应采用5孔闸同步、均匀开启，应严格杜绝单孔闸门大开度开启的现象。（2）下游河床下切导致下游水位下降从而导致面流流态发生了较大的变化，甚至无法保证面流流态的形成，这加剧了对下游河床的冲刷，是下游河床形成冲刷的另一个因素。（3）青溪水电站自运行以来，下游河床冲刷较严重，冲刷坑较深、河床明显下切，直接危及了溢流坝坝基及左岸导墙的安全和稳定，因此应对坝基及左岸导墙进行必要的加固处理，并应加强对坝基、左岸导墙及坝基下游河床的原型观测。（4）由于面流流态的复杂性，现阶段面流的计算方法尚不成熟，加之地形实测资料较少，更给本工程面流流态、下游冲刷的计算带来了相当的难度，文中的计算结果仅作为估算和初步判断的依据。参考文献[1]张志恒,艾克明.泄水建筑物冲刷破坏及其防治.泄水工程与高速水流,1995,(3):16-33.[2]华东水利学院.《水工设计手册》（第6册，泄水与过坝建筑物）.北京:水利电力出版社,1987.[3]长江水利水电科学研究院.等.泄水建筑物下游的消能防冲问题.1980.83