如何消能和防止下游冲刷？

坝下游岩石分布情况见图6.13。有关消能防冲模型试验的河床模拟方法,目前尚无统一认识。三峡工程各试验单位均采用岩块模拟法,以便成果相互具有可比性。这种方法是将河床岩块的当量粒径按模型比尺缩小,作为动床石块平均粒径。长江委设计院根据原型河床岩体被节理裂隙切割后的岩块尺寸分布,考虑到岩块之间具有咬合力,或称之为“抗剪强度”,将岩块尺寸适当放大,以重力增值近似代替“抗剪强度”值,换算成原型石块的当量粒径,记为dp。将三峡坝下的河床分为两区,其各自的当量粒径为dp=1.3～1.5m和dp=0.3～0.5m。河床面高程多为40.0m,仅左导墙附近在30.0m以下。

图6.11　控制流态试验曲线(一)

(注:挑角θ=15°方案,葛洲坝水位为66.0m)

图6.12　控制流态试验曲线(二)

(注:挑角θ=40°方案,葛洲坝水位为66.0m)

单孔模型试验在玻璃水槽内进行,冲刷过程清晰可见。图6.14为清华大学的一组深孔、底孔联合运行试验,冲刷过程有如下特点:深孔出流为挑流,底孔出流为混合面流,底孔出流水股冲击深孔挑射水流的落水处,共同造成水面的强烈波动。挑射水流落水区下游水面壅高10余m,底孔、深孔两股出流共同冲刷河床,以挑流水股为主向下游冲刷搬运,形成冲刷坑和下游堆丘;同时深、底孔挑流水舌入水后形成反向旋滚,向上游反向淘刷搬运,形成冲坑上游堆丘,堆抵坝脚,且上游堆丘高于下游堆丘,其顶面高程与底孔出口底面齐平。冲刷坑形态见图6.15。

两种粒径试验的冲刷状况对比,冲刷坑深度差别小于5m,冲刷范围差别小于20m。大粒径试验上游堆丘未及坝脚,小粒径试验上游堆丘已达底孔出口。两种粒径冲刷形态差别不大的原因主要是下游水位较高、水中消耗能量较大的缘故。(www.xing528.com)

河床冲刷试验铺砂高程不同,冲刷坑也有所不同,铺砂高程30.0m比高程40.0m冲坑底高程降低5m左右,坑位向下游移动30余m,冲坑范围加大。

图6.14　深孔、底孔联合运行冲刷试验的流态描述

(注:上游水位135.0m,葛洲坝水位66.5m,河床面高程40.0m,岩块当量粒径dp=0.3～0.5m)

图6.15　深孔、底孔联合运行冲刷坑形态

(a)岩块当量粒径dp=1.3～1.5m;(b)岩块当量粒径dp=0.3～0.5m
(注:河床面高程40.0m,底孔出口挑角θ=10°)

局部模型试验可以研究冲刷的规律和机理,在体型优化过程中,单体试验发挥较好作用。但是,河床实际冲刷是三维过程,还须依靠整体模型试验。