程锡章，程昌华，赵世强

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074;2.西南水运科学研究所，重 庆 400058)

草街航电枢纽下游河床冲淤变形分析

程锡章1，程昌华1，赵世强2

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074;2.西南水运科学研究所，重 庆 400058)

结合嘉陵江草街航电枢纽模型试验，研究枢纽下游局部冲刷对河床变形带来的影响，初步分析了枢纽建成后下游河床冲淤变化机理，从而有利于预测枢纽建成后下游河床冲淤变形趋势。

航电枢纽;下游河床;冲淤变形

草街航电枢纽工程位于嘉陵江干流合川到河口段，是渠化梯级开发自下而上的第2级。工程在合川区草街镇境内，坝址下游距嘉陵江河口重庆朝天门约68 km，上游距合川区约27 km。草街航电枢纽工程是一座以航运、发电为主，兼具旅游和灌溉等综合效益的枢纽工程，电站装设4台机组总装机容量为500 MW［1］，枢纽建筑物主要由泄洪闸、冲砂闸、船闸、河床式电站厂房等组成。

根据选定坝址的地质条件和地形条件，考虑枢纽建筑物的特点和各种综合因素，设计单位拟定了3个枢纽布置方案即:①左厂房、左船闸方案;②左船闸、右厂房方案;③左厂房、右船闸方案。综合枢纽河段地形、地质、施工难易及投资等多种因素，在工程可行性研究报告审查意见中，推荐采用方案一即左船闸、左厂房为初步设计方案。本阶段水工模型试验亦以该方案作为试验的基础。该方案主要建筑物由船闸，电厂和泄水闸等组成，从左至右依次为船闸、电站主副厂房、冲砂闸、泄洪闸、固定坝段等建筑物。

1 局部动床模型试验

1.1 模型设计

模型设计为了能够合理反映消力池下游河床在水流作用下的冲刷情况，根据对前阶段定床情况下闸下游消能成果的分析，初步确定动床范围包括冲沙闸下游，电厂及泄洪闸下游河段，长5.5 m，横向最大宽6.5 m，有效面积大约36 m2(相当于原型长520 m，宽440 m，面积约23万m2)这个范围能够完全包络枢纽不同运行工况下闸下游可能的冲淤情况。电厂尾水池下游开挖平台高程为175.50 m，由枢纽下游地质情况可知:在泄洪闸右5孔下游及电厂尾水池下游均由山体岩石开挖而成，开挖平台高程为178.00 m。

在枢纽中部，泄水建筑物5孔冲砂闸及10孔泄洪闸下游河床，其顶面有沙卵石覆盖层，层厚一般为1～3 m，局部为4～7 m，其下层为砂质黏土岩夹长石细砂岩、粉砂岩组成。因此，模型冲料设计按上述二层要求设计。

河床沙卵石组成见图1。

图1 草街航电枢纽工程布置方案总图Fig 1 Master plan layout of Cao－Jie Hydropower Junction Project

原型河床沙卵石 D90=140 mm，D50=44 mm，D25=16 mm，其比重为 γSP=2.65 t/m3，干容重为 γOP=1.8 t/m3。沙卵石层模型冲料选用中梁山精煤加工，泥沙粒径比尺:λd=9.55。

由粒径比尺可求出模型河床质组成特征值:

由河床质级配曲线选配模型冲料，鉴于细颗粒泥沙在冲刷中的作用较小，因此，在泥沙级配中重点保证D50相似。

草街枢纽河段沙卵石覆盖层较浅，沙卵石抗冲流速低，在冲刷初始阶段将会很快被冲刷光，下层基岩将暴露处于受冲部位，因此，在冲刷模拟中岩石冲刷必需加以考虑。岩石冲刷机理较为复杂，模拟方法一般以岩石抗冲流速为标准，采用散粒体法进行模拟试验［2］。

基岩的冲刷材料采用当量粒径法［3］，计算出散粒体粒径，用砾石进行模拟，散粒体粒径可用式(1)进行换算:

式中:V抗为基岩的抗冲流速;K为系数(一般为5～7，本处取为6);dp为当量粒径，m。

将V抗、K值代入式(1)求得散粒体当量粒径dp，换算成模型砂料平均粒径dm:

模型砂料采用 γs=2.65 t/m3，γ =1.80 t/m3，中值粒经为0.005 6 m砾石。

1.2 试验方法与条件

在进行试验时，采用专用管道向闸下游河床充水，直至动床模型砂浸泡密实，且尾水基本达到设计尾水位之后，再开启闸门，正式进行冲刷试验。根据以往的经验和实践，每次冲刷模型的时间控制在2.5 ～3.5 h(相当于原型22.4 ～31.3 h)，冲坑深度达到90%以上，至接近稳定冲深。局部冲刷试验条件采用闸下消能试验，选用的流量级和闸门开启方式试验的相同条件进行，试验条件见表1。

表1 局部冲刷试验条件Tab.1 Conditions of local scour in the table

此时停水进行冲深测量，测定冲坑深度、冲坑位置及大小，测量采用等高线法［4］，并用照像记录，示例见图2和图3。

1.3 试验成果与分析

不同频率洪水对河床的冲淤变化不尽相同，河床的冲淤变化对航道的通航有着至关重要的作用。天然情况下，当洪水频率过大时，对河床主要起冲刷作用，从而使河床高程变低，有利于通航。当洪水频率过低，对河床主要起淤积作用［5］，从而使河床高程变高，不利于通航。但是洪水的频率标准也随外界条件改变而改变的。当在河道上建一航电枢纽之后，频率洪水对枢纽上游水库以淤积为主，对枢纽下游以冲刷为主，所以对通航是否有利要具体分析。但是洪水的频率标准也随外界条件改变而改变的。当在河道上建一航电枢纽之后，频率洪水对枢纽上游水库以淤积为主，对枢纽下游以冲刷为主，所以对通航是否有利要具体分析。在动床模型试验，对于不同频率的洪水，采取了9 000，15 000，24 600，36 500 m3/s这4个流量进行冲刷试验［6］，由于模型试验过多，所以选取典型断面进行分析，见图4。

图4 62#断面在不同流量下的冲刷Fig.4 The sixty－two section at different flow rate of erosion

通过图4，可以看出枢纽下游62#断面属于冲刷断面，随着流量的增加，冲刷强度加大，在流量Q=9 000 m3/s下，冲刷深度最小，平均为0.8 m左右。在Q=36 500 m3/s下，冲刷深度最大，平均为2.8 m左右。可以看出，不同频率洪水对河床高程影响不同，呈正向关系。

从图4中还可以分析出虽然流量不同，但对于同一断面的最大冲深都出现在距离断面左岸400 m附近，最深4.1 m。深泓线有向左岸偏移的趋势，由于引航道靠近左岸，所以向左岸偏移有利于通航。同时河床高程降低，水深增加也有利于通航［7］。局部冲刷试验成果主要见表2。

表2 局部冲刷试验成果Fig 2 Test results of local scour

(续表2)

冲刷发生的初始阶段，在相当短的一段时间内，出池水流就将表层的沙卵石层全部冲光，然后冲刷速度将逐渐减慢。根据对流量Q=15 000 m3/s(发电运用情况)的下游冲坑定点的观测表明:在冲刷开始后的10～15 min(相当于原型 1.48 ～2.23 h)，表层沙卵石层几乎全部被冲光，在冲刷开始后50 min(相当于原型7.45 h)后，冲坑底的高程已达到169.80 m，冲深已达到5.2 m，约占总深度的73%，而往后冲刷将逐渐缓慢，直至冲刷直到冲刷3.5 h(相当于原型31.3 h)后坑深达到 7.11 m。

当流量大于15 000 m3/s而全闸敞泄时，由于上下游水位差较小，故下泄水流对河床的冲刷较弱，如流量为36 500 m3/s时，最大冲深为2.97 m，仅为流量为15 000 m3/s时(发电运行情况)，闸下游河床冲深的42%，冲坑深度减小了4.14 m。3 054 m3/s的流量冲坑深度大于6 000 m3/s的流量冲坑深，分析其原因主要是由于流量为3 054 m3/s时，下游水位太低，水流出消力池尾坎后产生波状水跃。根据试验观察，沙卵石层被冲刷后，被水流带走的沙卵石沿河流右岸(凸岸)运动，其运动轨迹与天然河道的泥沙运动方向一致，未见沙卵石进入下游引航道。

2 结语

通过嘉陵江草街航电枢纽模型试验，对航电枢纽下游局部冲刷数据进行分析计算，沙卵石层被冲散后，被水流带走的沙卵石沿河流右岸(凸岸)运动。其运动轨迹与天然河道泥沙运动方向一致。未见沙卵石进入下游引航道。本次局部动床试验各级流量情况下闸下游冲坑深度及冲坑位置与初设阶段试验成果基本一致，其最大偏差值为0.63 m，在允许范围内。

不同频率洪水对下游冲刷模型试验表明:河床深泓线普遍向左岸移动，河床高程降低，水深升高，有利于航道通行。

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Study on the Erosion and Deposition Deformation along Downstream Bed of Cao－Jie Hydropower Junction Project

Cheng Xi-zhang1，Cheng Chang-hua1，Zhao Shi-qiang2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
(2.Southwest Hydraulics＆ Transportation Engineening Research Institute Chongqing 400058，China)

Based on the Cao-Jie hydropower junction project physical model experiment，the paper surveys on the erosion and deposition deformation along downstream bed of this project and it is useful to forecast the tendency of downstream bed changes after the project completion.

hydropower Junction Project;downstream bed;erosion-deposition deformation;

U617

A

1674-0696(2011)03-0542-04

2011-03-18;

2011-04-20

程锡章(1986-)，男，湖南望城人，硕士研究生，主要从事水动力学方面的研究。E-mail:yiwusuoyou36@126.com。