尹楊松，李登松，楊 慶，戴光清，杜震宇

（1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610091；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；4.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072）

透水四面體截流材料的穩(wěn)定性試驗研究

尹楊松1，李登松2,3，楊 慶2,3，戴光清2,3，杜震宇4

（1.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610091；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；4.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072）

實體四面體結(jié)構(gòu)的人工預(yù)制拋投材料在截流工程中廣泛應(yīng)用于代替大質(zhì)量的天然塊石，具有透水性的四面體結(jié)構(gòu)則在江河堤岸的防沖促淤中廣泛使用，且效果甚佳。文中通過物理模型試驗，結(jié)合透水四面體結(jié)構(gòu)的特點和截流工程理論，研究了材料在水中的穩(wěn)定特性，與實體四面體結(jié)構(gòu)進行了對比。探討了透水四面體在截流工程中的應(yīng)用可能性。研究結(jié)果表明：透水四面體的表面開孔率對落水后的穩(wěn)定性有較大的影響；開孔率為32.15%時穩(wěn)定性最優(yōu)，且止動流速與實體四面體基本相當(dāng)；流場特性優(yōu)于實體四面體，有效減輕了漩渦造成的不利影響。適當(dāng)提高人工預(yù)制截流材料的透水性，提升穩(wěn)定性的新途徑是可借鑒的。

透水四面體；穩(wěn)定性；物理模型試驗；截流材料

0 引言

我國西南山區(qū)河道截流工程落差高、流速大，導(dǎo)致截流難度增大，通過增加拋投料重量和拋投強度實現(xiàn)成功截流，但在工程實踐中天然塊石的最大單體重量已超過30 t，如此大重量的天然塊石難以獲取，常常用人工預(yù)制拋投材料或串聯(lián)塊體進行替代，混凝土四面體作為人工預(yù)制材料的應(yīng)用最為廣泛，如向家壩水電站大江截流和錦屏一級水電站大江截流[1-3]。周代鑫等建立了正四面體塊體在水流中作滑動和滾動運動的平衡方程，對它的穩(wěn)定性進行計算并通過拋投試驗驗證結(jié)果[4]。肖煥雄等以理論分析和系統(tǒng)的模型試驗，研究了混凝土四面體的繞流阻力系數(shù)公式和立堵進占截流中拋投混凝土四面體串及大塊石串的穩(wěn)定性，提出用串體代替單體并削減截流最大單體穩(wěn)定重量的方法[5,6]。透水四面體在江河堤岸的防沖促淤中被廣泛使用，高柱等基于FLUENT平臺模擬了單一貼壁四面體透水框架的清水流場，認(rèn)為四面體框架對流場的影響僅限制在其所在空間及其向下游延伸的一定距離之內(nèi)[7]。周根娣采用ADV測量了四面六邊透水框架和四面六邊實體塊尾流場的流速垂線分布和紊動量垂線分布，表明四面體實體誘導(dǎo)的繞流場的流速損失和紊動強度在近區(qū)明顯高于四面體框架的作用效果，容易導(dǎo)致局部沖刷的發(fā)生[8]。

透水四面體結(jié)構(gòu)較于四面體結(jié)構(gòu)有較好的流場分布，但應(yīng)用于截流工程中的穩(wěn)定特性，未進行相關(guān)的研究。因此，下面結(jié)合四面體材料的穩(wěn)定性理論，通過物理模型試驗研究了透水四面體結(jié)構(gòu)在不同開孔率下的穩(wěn)定流速，與四面體結(jié)構(gòu)進行對比。

1 穩(wěn)定性理論

截流材料的穩(wěn)定特性有止動和起動流速兩種不同觀點，結(jié)合剛體運動極限平衡理論，提出了諸多公式。前蘇聯(lián)伊茲巴斯教授采用近似圓形的卵礫石代替塊石，用起動流速觀點推導(dǎo)塊石截流材料的穩(wěn)定公式，肖煥雄運用起動和止動流速兩種觀點研究了混凝土四面體、天然塊石等穩(wěn)定公式，發(fā)現(xiàn)公式形式相同，如公式（1）所示，關(guān)鍵在于拋投材料穩(wěn)定系數(shù)的率定[9]。

式中：V——計算點處的斷面平均速度，m/s；K——拋投料穩(wěn)定系數(shù)；γs，γ——為拋投料和水的容重，t/m3；g——重力加速度；d——拋投料化引球體直徑，m。

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

穩(wěn)定性試驗在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室的水槽中進行，水槽長10.0 m、寬0.39 m、深0.35 m，底坡i=0，底板為混凝土，糙率為0.012，槽壁為有機玻璃，糙率為0.010。水槽進口利用多道消浪柵平穩(wěn)水流，出口處設(shè)有尾門控制水位。試驗選用的透水四面體密度為7.80 g/cm3，開孔率為四面體表面開孔部分與完整表面的比值，如圖1所示。圖1中L為邊長，b為保留邊寬，中間部分為鏤空開孔部分。流量采用三角形薄壁量水堰測量，試驗工況為35L/s和55L/s。采用ADV測量500 cm、520 cm和540 cm斷面處靠近水槽兩側(cè)壁面和中心的臨底、水面和水面以下的27個測點流速。

根據(jù)截流材料的穩(wěn)定理論，以長500 cm段作為拋投試驗段，下游40 cm范圍內(nèi)為穩(wěn)定試驗段，通過調(diào)節(jié)尾門閘門控制水位，使其達(dá)到預(yù)定水深和流速。在此流速下，隨機拋投截流材料40次以上，記錄穩(wěn)定試驗段內(nèi)拋投材料穩(wěn)定次數(shù)。若穩(wěn)定次數(shù)占拋投總次數(shù)的75%～90%間，塊體處于極限平衡狀態(tài)，該流速為拋投塊體的臨界止動流速；若穩(wěn)定次數(shù)不符合要求，則重新微調(diào)水位，重復(fù)上述拋投過程，直至達(dá)到試驗要求。

圖1 透水四面體

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 穩(wěn)定性試驗

3.1.1 邊長對穩(wěn)定性的影響

在相同開孔率的情況下，透水四面體邊長L的改變導(dǎo)致透水四面體的質(zhì)量發(fā)生改變。對迎流和背流兩種拋投方式，不同邊長的透水四面體止動流速進行了測量，如圖2所示。透水四面體拋入水中后，在臨近河床底部前，受到水流作用隨著水流移動一段距離，觸到河床底后，在水流作用下，透水四面體滑動失穩(wěn)，較難以出現(xiàn)滾動失穩(wěn)，最后被水流推移至540 cm處止動。

從圖2中可知，不同邊長的透水四面體在迎流拋投時的臨界止動流速V均值分別為78 cm/s，83 cm/s；背流拋投時，臨界止動流速V均值分別為68 cm/s，77 cm/s。迎流拋投的臨界止動流速和平均流速大于背流拋投，穩(wěn)定性較好，兩者間流速差值約為10%。因此，在截流工程中迎流拋投方式優(yōu)于背流，受到截流時間等因素限制，實際工程中可不重點關(guān)注。

在相同的開孔率下，不同的邊長造成材料的質(zhì)量不等，對應(yīng)的化引直徑隨之改變，依據(jù)公式（1）可知，止動流速將隨著邊長的增大而增大，但無論是迎流拋投，還是背流拋投，臨界止動流速均隨透水四面體的邊長增加先降低后增大，邊長L=6.0 cm時，臨界止動流速最小，邊長L=10.0 cm時，臨界止動流速最大，造成這樣的結(jié)果在于開孔后透水四面體在水中的迎流面面積和水流特性發(fā)生改變。

圖2 不同邊長的臨界止動流速

3.1.2 開孔率對穩(wěn)定性的影響

在相同的邊長下，改變透水四面體的開孔率n也會導(dǎo)致透水四面體的質(zhì)量改變。測量了迎流和背流2種拋投方式，不同開孔率的透水四面體止動流速，試驗成果見圖3所示。

圖3 不同開孔率的臨界止動流速

從圖3中可知，迎流拋投時，不同開孔率下四面體透水四面體的臨界止動流速V均值分別為78 cm/s，83 cm/ s；背流拋投時，臨界止動流速V的均值分別為68 cm/s，77 cm/s。各尺寸透水四面體，臨界止動流速差值約為15%，迎流拋投穩(wěn)定性比背流拋投穩(wěn)定性好；無論是迎流拋投，還是背流拋投，臨界止動流速均隨開孔率的增加先降低后增大再降低。開孔率為0時，臨界止動流速最??；開孔率為32.10%時，臨界止動流速最大。

3.2 透水四面體與實體四面體對比分析

對比分析了透水四面體和實體四面體的穩(wěn)定性，整理實體四面體的化引直徑在2.7～5.1 cm和透水四面體的質(zhì)量在25～170 g之間變化的止動流速，如圖4—5所示。

圖4 L改變，n恒定

從圖4—5分析可知，實體四面體和透水四面體的止動流速相當(dāng)接近，且當(dāng)開孔率n=32.15%時，臨界止動流速基本相當(dāng)，但是，隨著開孔率n的逐漸減小，透水四面體的穩(wěn)定性明顯劣于混凝土四面體。結(jié)合透水四面體和實體四面體的流場特性結(jié)果可知[8]，實體四面體的尾部區(qū)域會出現(xiàn)明顯的較大漩渦，極易形成局部沖刷帶走河床底部的泥沙等物料，導(dǎo)致實體四面體失穩(wěn)，流失量增大。透水四面體則有效地減輕了漩渦區(qū)的大小，甚至讓漩渦得以消失。因此，在n=32.15%時，兩者穩(wěn)定性相當(dāng)，但流場特性優(yōu)于實體四面體。適當(dāng)在實體四面體中開孔，增大透水性提升穩(wěn)定性的路徑是可借鑒的，而且截流過程中，開孔部分可分擔(dān)部分截流流量，降低截流難度。

圖5 L恒定，n改變

4 結(jié) 語

在落差高、流速大的河道截流工程中，常常通過人工預(yù)制拋投材料或串聯(lián)塊體替代天然塊石實現(xiàn)成功截流。四面體實體結(jié)構(gòu)作為人工預(yù)制材料的應(yīng)用最為廣泛，誘導(dǎo)的繞流場的流速損失和紊動強度在近區(qū)明顯高于四面體框架，容易導(dǎo)致局部沖刷的發(fā)生[8]。但是具有良好水流特性的透水四面體在截流工程中未應(yīng)用，經(jīng)過物理模型試驗研究了穩(wěn)定特性：

透水四面體和實體四面體材料在迎流和背流拋投的方式下，穩(wěn)定性影響相差10%左右，受到截流時間等因素限制，不構(gòu)成影響截流材料穩(wěn)定性的主要因素。開孔率和邊長均對透水四面體在水中的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，存在合適的開孔率，邊長不是影響穩(wěn)定性的主要因素。當(dāng)開孔率為32.15%左右時穩(wěn)定性最優(yōu)，與等質(zhì)量混凝土四面體基本相當(dāng)，但是，透水四面體結(jié)構(gòu)有效減輕了混凝土四面體尾部區(qū)域出現(xiàn)的漩渦，水流特性明顯優(yōu)于混凝土四面體。因此，基于水流特性和穩(wěn)定性的研究，透水四面體具有應(yīng)用于截流工程中的可能性。

［1］李文清.雅礱江錦屏一級水電站截流施工技術(shù)［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，6（3）：81—83.

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［3］高鵬.向家壩水電站大江截流設(shè)計與施工［J］.人民珠江，2015，46（2）：67—70.

［4］周代鑫，黃希敏.截流人工塊體穩(wěn)定性分析［J］.人民珠江，1995，2（1）：18—24.

［5］肖煥雄，熊盛立.立堵截流混凝土四面體的繞流阻力研究［J］.水利學(xué)報，1987，10（9）：66—73.

［6］肖煥雄，左兼金，謝興保.立堵進占截流中拋投混凝土四面體串及大塊石串的穩(wěn)定性研究［J］.水利學(xué)報，1985， 7（4）：24—32.

［7］高柱，殷杰，唐洪武，郭紅民.單一貼壁四面體框架繞流場三維數(shù)值模擬［J］.水科學(xué)進展，2010，21（2）：161—166.

［8］周根娣，顧正華.四面六邊透水框架尾流場水力特性［J］.長江科學(xué)院院報，2005，22（3）：9—13.

［9］肖煥雄.施工水力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1992.

表1 冰峪溝站歷年洪峰流量頻率表

點據(jù)配合不理想，則重新修改參數(shù)再次配線，主要調(diào)整Cv以及Cs。

4）選取1條與經(jīng)驗點據(jù)配合最佳的曲線作為采用曲線，見圖1。將該曲線的參數(shù)看作總體參數(shù)的估計值。

推求設(shè)計洪峰流量：根據(jù)經(jīng)驗頻率曲線，由設(shè)計頻率查得設(shè)計值見表2。該站警戒流量350 m3/s，與20%設(shè)計值346 m3/s相符。該站最大洪峰流量1 110 m3/s，反查的設(shè)計頻率為2.51%。由此可見，頻率曲線基本代表了該站特性，選取數(shù)據(jù)可靠，方法可行，可以作為該站大洪水來時流量測驗和水文預(yù)報的依據(jù)。

圖1 冰峪溝站洪峰流量曲線

表2 冰峪溝站不同頻率設(shè)計洪峰流量

4 存在問題

洪水預(yù)警意義重大，責(zé)任艱巨。但現(xiàn)有的水文觀測資料一般較短，在推求千年一遇或萬年一遇的洪峰流量時，必須把頻率曲線外延，外延愈遠(yuǎn)，估計所得的水文設(shè)計值的誤差愈大。因此，水文頻率分析時，要求盡可能地調(diào)查歷史上發(fā)生過的大洪水，參證審查后加入頻率分析。同時，必須對頻率分析成果在時間上和空間上作合理性分析。這樣才能制定更加科學(xué)合理的水文預(yù)警分析。

[收稿日期]2016-08-30

TV551.2；TV135.5

A

2016-09-26