深入分析铺砂高程的敏感性差异

在泄洪建筑物体型及泄洪工况一致的情况下，河床基岩冲刷坑的深度主要取决于河床的抗冲能力，但模型试验研究发现，河床动床砂铺砂高程的变化与抗冲流速强度对河床基岩模拟冲刷深度的影响同等重要。

（1）某水利枢纽采用岸边泄洪洞及溢洪道泄流，由于河道狭窄，河床覆盖层表层砂卵石层较薄，下覆含泥粉细砂，抗冲流速极低，试验动床模拟不考虑覆盖层和强风化层，仅模拟弱风化层基岩，抗冲流速取6 m/s，模型按275 m、270 m、265 m及260 m高程分别铺设动床砂，P＝0.1%泄洪工况下（Q＝6 180 m3/s，H上＝471.90 m，H下＝306.06 m）河床冲刷成果见表2、图2。

图2　不同铺砂高程河床冲刷成果图

表2　不同铺砂高程河床冲刷特性表

图2　不同铺砂高程河床冲刷成果图

表2　不同铺砂高程河床冲刷特性表

从图表中可以看出，该河床中部1#、2#冲刷坑最深点均位于桩号0＋670 m及0＋760 m附近，冲刷深度及最低点高程均随铺砂高程的降低而降低。1#冲坑在河床铺砂275 m高程时，最低点冲刷高程为266.4 m，铺砂高程降低至265 m时，该位置冲刷高程260.2 m，冲刷深度4.8 m；再次降低铺砂高程至260 m，该位置仍继续冲刷，最深点高程257.1 m，冲深降低为2.9 m。2#冲刷坑冲刷形态与1#基本一致。

图3为该枢纽不同铺砂高程冲刷最深点高程曲线图，从图中可以看出，随着铺砂高程的降低，河床冲刷最深点高程随之减小，该工况下，河床冲刷最深点高程与铺砂高程存在一个极限最小值，1#、2#冲刷坑最深点与铺砂高程均可拟合为二次曲线关系，为设计提供参考。

从图表中可以看出，该河床中部1#、2#冲刷坑最深点均位于桩号0＋670 m及0＋760 m附近，冲刷深度及最低点高程均随铺砂高程的降低而降低。1#冲坑在河床铺砂275 m高程时，最低点冲刷高程为266.4 m，铺砂高程降低至265 m时，该位置冲刷高程260.2 m，冲刷深度4.8 m；再次降低铺砂高程至260 m，该位置仍继续冲刷，最深点高程257.1 m，冲深降低为2.9 m。2#冲刷坑冲刷形态与1#基本一致。

图3为该枢纽不同铺砂高程冲刷最深点高程曲线图，从图中可以看出，随着铺砂高程的降低，河床冲刷最深点高程随之减小，该工况下，河床冲刷最深点高程与铺砂高程存在一个极限最小值，1#、2#冲刷坑最深点与铺砂高程均可拟合为二次曲线关系，为设计提供参考。

图3　不同铺砂高程河床冲刷坑高程图

（2）某枢纽为双曲拱坝，坝身通过表、中孔泄流，河床基岩设计抗冲流速8 m/s，模型按750 m、737 m、732 m及725 m高程分别铺设动床砂，P＝0.1%工况（Q＝24 000 m3/s，H上＝979.38 m，H下＝849.73 m）及P＝5%工况（Q＝18 000 m3/s，H上＝975.00 m，H下＝842.46 m）坝后水垫塘冲刷成果见图4、表3。

图3　不同铺砂高程河床冲刷坑高程图

（2）某枢纽为双曲拱坝，坝身通过表、中孔泄流，河床基岩设计抗冲流速8 m/s，模型按750 m、737 m、732 m及725 m高程分别铺设动床砂，P＝0.1%工况（Q＝24 000 m3/s，H上＝979.38 m，H下＝849.73 m）及P＝5%工况（Q＝18 000 m3/s，H上＝975.00 m，H下＝842.46 m）坝后水垫塘冲刷成果见图4、表3。(www.xing528.com)

图4　P＝5%工况各铺砂高程冲刷成果图

表3　不同铺砂高程水垫塘冲刷特性表

图4　P＝5%工况各铺砂高程冲刷成果图

表3　不同铺砂高程水垫塘冲刷特性表

各工况下水垫塘冲刷坑最深点均位于桩号0＋220 m附近，冲刷深度及最低点高程均随铺砂高程的降低而降低。P＝0.1%工况，水垫塘铺砂750 m高程时，最低点冲刷高程为735.0 m，铺砂高程降低至732 m时，该位置冲刷高程725.9 m，冲刷深度6.1 m，再次降低铺砂高程至725 m，该位置仍存在冲刷，最深点高程723.5 m，冲深降低为1.5 m。P＝5%表孔单泄工况冲刷坑冲刷形态与P＝0.1%工况基本一致。

从图5中可以看出，随着铺砂高程的降低，水垫塘冲刷最深点高程随之减小，P＝5%工况下，河床冲刷最深点高程已存在一最小值732.0 m，P＝0.1%工况冲刷坑最深点与铺砂高程仍可拟合为一曲线关系，计算出冲深极限最小值。

各工况下水垫塘冲刷坑最深点均位于桩号0＋220 m附近，冲刷深度及最低点高程均随铺砂高程的降低而降低。P＝0.1%工况，水垫塘铺砂750 m高程时，最低点冲刷高程为735.0 m，铺砂高程降低至732 m时，该位置冲刷高程725.9 m，冲刷深度6.1 m，再次降低铺砂高程至725 m，该位置仍存在冲刷，最深点高程723.5 m，冲深降低为1.5 m。P＝5%表孔单泄工况冲刷坑冲刷形态与P＝0.1%工况基本一致。

从图5中可以看出，随着铺砂高程的降低，水垫塘冲刷最深点高程随之减小，P＝5%工况下，河床冲刷最深点高程已存在一最小值732.0 m，P＝0.1%工况冲刷坑最深点与铺砂高程仍可拟合为一曲线关系，计算出冲深极限最小值。

图5　不同铺砂高程水垫塘冲刷坑高程图

可见河床冲刷模拟试验中，动床铺砂高程的选择对冲刷坑最深点高程的影响极其重要，模型试验除选择适宜中值粒径的动床砂外，还需充分考虑该枢纽河床动床铺砂高程，为设计及试验成果提供科学依据。

图5　不同铺砂高程水垫塘冲刷坑高程图

可见河床冲刷模拟试验中，动床铺砂高程的选择对冲刷坑最深点高程的影响极其重要，模型试验除选择适宜中值粒径的动床砂外，还需充分考虑该枢纽河床动床铺砂高程，为设计及试验成果提供科学依据。