泄洪冲刷研究：数值模拟的广泛应用前景

目前,在水工模型试验中研究泄洪对下游河道引起的冲刷多是采用节理块模拟基岩状况或以岩基抗冲流速方法,虽然带有很大的经验性,但仍是目前广泛采用的两种基本方法。由于河床基岩的结构特性非常复杂,岩体裂隙的大小、稀密程度和空间分布具有随机性,在高速水流作用下的抗水流冲刷特性和冲刷破坏过程是极其复杂的,因此采用上述两种方法获得的精度可能与实际情况差异很大,因此不少学者都在致力于研究基岩的抗冲刷特性问题。

陈椿庭根据不同岩性提出了估算挑流下游冲刷坑的计算公式在国内得到了广泛的应用。余常昭等人提出了放大岩块法估算挑流冲刷坑深度,冬俊瑞等人在20世纪80年代中期,对比了国外采用的能量计算法和国内应用过的放大岩块模拟试验方法,并进行了两种方法在三峡工程挑流冲刷消能问题中的应用研究,得到的成果可以相互引证。在探讨和采用冲坑底部脉动压强估算冲坑发展的方法,并进行了大量的模型试验后,认为冲击区内动水时均压强、脉动压强及紊动强度在冲刷初期均呈峰值状态,随着冲坑水深的增加,冲刷坑逐渐稳定。通过压强脉动振幅特征值随冲坑水深增加而均化的特性来分析和估算冲坑稳定取得了良好的效果。刘沛清等人采用瞬变流模型，分析研究了脉动压强在缝隙 中的传播特征，阐述了上举力的特性，提出了计算可能最大上举力的方法，为探讨岩块的起动机理提 供了依据。王艳明等人尝试采用数值模拟方法研究三峡工程冲刷坑的流场特性，并与柴华的模型试验 成果符合得较好，虽然计算中采用的是钢盖假定，但计算成果在定性上相符很好，定量的计算分析结 果也基本上反映了冲坑水流的运动规律。这种采用数值模拟研究冲刷坑发展及稳定的方法具有非常广 泛应用前景的。

近2 0年来，许多学者从研究动水压力对岩块的作用为出发点，进一步研究基岩的冲刷破坏过程。Bo llae rt E .和Sch leiss A .对这方面的研究手段及目前取得的进展进行了全面地总结，包括传统的经 验公式估算法、半经验公式方法和分析方法研究作用在水垫塘底板上的动水压力。目前普遍认为引起 基岩冲刷或混凝土底板抬升的是动水压力进入基岩节理或裂隙中或混凝土衬砌的板块下表面。对水- 气相互作用，并在节理缝隙中频率传播特性的研究，为进一步研究水流的振荡特性以及动水压力对基 岩产生冲刷破坏的机理奠定了重要的基础。作者通过对大量文献研究成果的总结，概化出射流对基岩 的冲刷是水-空气-岩石三种物质相互作用的过程。将这三种物质划分为三维坐标，总结了目前国际上 研究基岩冲刷在不同年代、不同的研究重点、不同研究方法获得的代表性研究成果（见图5-8)。从 研究射流特性的坐标轴出发，首先是扩散、掺混、产生压力差、谐振；沿空气坐标轴，射流掺气、人 水后在水垫塘内继续掺气、掺气水流传入基岩裂隙；沿基岩坐标轴，首先是经验公式、基岩的初始运 动、基岩指数、1D 节理、2 D 节理、河道基岩整体。对基岩产生冲刷的机理是射流与空气在基岩节理 或裂隙之间的非线性动水压力及相互作用的过程。但实际目前主要的研究方法一种是以水与空气的相 互作用，另一种是岩体与水，采用的手段或是模型试验、或是数值模型，而最终目标是要研究水-空 气-基岩的相互作用的冲刷结果，即三维坐标的顶点。

图5 -8 冲刷机理概化模型

Bo llae rt E .和Schleiss A .在总结国际上研究射流冲刷成果的基础上，进行了动水压力在1 D 和 2 D 基岩节理中的传播规律和动力特性的试验研究。为使试验中的流速达到或接近于原型流速的条件， 研制了专门的试验装置，模型试验中的流速变化范围为7～30m/s，雷诺数达到了 106 以上，弗氏数 的变化范围为8～37，韦伯数为230～980。通过对动水压力在基岩节理中的掺气特性、频谱特性、传 播特性与时域特性的分析，取得了相当可观的进展。根据在1 D 的基岩节理的试验条件下取得的试验研究成果,作者认为射流在水垫塘底板产生的动水压力传入基岩裂隙后呈现出明显的瞬变放大的作用,这是造成基岩破碎的主要原因,将这个瞬变压力用于判断基岩破碎的准则,即基岩破碎机理,便可估算基岩的最大冲刷深度。文献[34][35]为近期国际上少有的开展动水压力传播特性研究这类课题的报道,所取得的成果对研究基岩冲刷发展的机理是一个重要的贡献。(www.xing528.com)

在实际工程中,鼻坎挑射出的高速水流在空气中已大量地掺入空气,形成了高浓度的水汽二相流,并且在射流入水处还要卷入大量的空气,而模型试验中的掺气强度高于由于缩尺效应而远较原型为弱。许唯临、邓军等通过对射流掺气与不掺气时基岩冲刷的对比试验,研究了掺气对射流冲刷的影响。试验结果表明,掺气总是使冲坑减小,冲坑深度随掺气浓度的增加而递减的规律可表示为幂函数关系。当入射流速和水舌厚度相同时,随着下游水垫深度的增加,掺气对射流冲刷能力的减弱程度也增加;当水舌厚度和水垫深度相同时,对不同的入射流速,掺气对射流冲刷能力的减弱程度变化不大。掺气对冲坑形态没有直接的影响,冲坑的宽深比随冲坑深度的减小而增大,无论造成冲坑深度减小的原因是掺气、降低流速还是减小入射水舌厚度,其变化规律基本相同。

在Kariba拱坝(坝高128m,1960年建成)运行了10年后发现下游冲刷坑深达85m,约30万m3 的基岩被冲走,而这些岩石在设计研究阶段认为是比较好的,且初始水垫深度有20m(见图5-9)。另一典型工程实例是巴基斯坦的塔贝拉第二溢洪道,在下泄流量为9000m3/s(设计泄量24000m3/s)的条件下,下游冲坑深达70m。尽管这两个工程的下游冲刷坑并未危及到工程的安全,但也引起了研究者的高度重视,即如何更恰当的模拟基岩冲刷。

图5-9　Kariba拱坝下游冲

有学者认为采用散粒体或岩基允许抗冲流速研究冲刷坑的方法难以全面模拟下游河道基岩的自然条件,包括节理、裂隙等,特别是在狭窄河谷条件下,更难以模拟研究两岸边坡的抗冲刷特性,因此探讨研究采用具有一定粘性材料模拟基岩的自然条件,如巴西的伊泰普工程岸边溢洪道的冲刷试验中就采用了这种方法,将用于模拟下游基岩块体的散粒体与具有一定比例的水泥或白灰掺混,Johnson在溢洪道的设计中采用了弱粘性材料做冲刷模型试验。朱荣林等人以允许流速相似为依据,采用贫高铝水泥胶砂模拟基岩岸坡及河床冲刷问题。研究中包括贫高铝水泥胶砂的力学强度及其随时间变化的特性,选定相应允许流速1.0m/s时的胶砂配合比,并先将河岸做成定床,河底做成动床,以相同的允许流速选定的松散砂砾和贫高铝水泥胶砂在同样的水流条件下进行对比冲刷试验,其结果表明两种方法的冲刷深度基本相同。在此基础上又进行了用贫高铝水泥胶砂同时模拟河岸及河床的冲刷试验研究,其结果在两岸边坡产生了陡峭的冲刷坑,在冲刷稳定后测得的冲坑区及河床底流速基本上均小于允许流速。用这种带有粘性材料研究冲刷问题目前只是停留在对比研究、或少数工程中的试验研究中,尚未得到普遍认同,这里最重要的是如何确定模拟岩块尺寸的大小、相互之间的胶结力、冲刷破坏的机理等。

目前由于缺少来自原型工程中实际冲刷坑资料的对比分析,以及在基岩的冲刷破坏机理研究方面的相对滞后,在国内外还是以散粒体为主要手段进行下游冲刷坑的发展、冲刷坑深度和位置的模拟试验研究。