海漫柔性加糙的水力学试验分析

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1、内蒙古农业大学硕士学位论文1引言1．1问题的提出水利工程中，水闸的各类破坏以闸下冲刷破坏所占比例最大，将近一半。其中全国每年由于闸下冲刷而引起的水毁工程维修款数额巨大，以内蒙古河套灌区为例，每年为此花费近数百万元的治理费用。这样的问题不能不引起我们的重视，如何能使闸坝工程的日常维修费用降低，采取何种措施来防止闸下冲刷破坏，这是多少年来大家一直在对其进行研究的关键。产生闸下冲刷破坏的原因很多，诸如消能设计标准选择不当，平面布置不合理，渠床土质松散，闸门运行管理不当，以及跃前断面水流弗氏数常低于4．5产生不稳定水跃或波状水跃使消能不充分，水流扩散不良等。使得过闸水流近底

2、流速大于河床不冲流速，进而产生冲刷破坏。其部位绝大多数发生在海漫下游及防冲槽处，造成海漫、防冲槽、两岸护坡等不同程度的破坏，严重威胁水闸主体和闸下渠床的安全与稳定。归纳上述各种原因，其中非常重要的是消能设计条件不合理，因为各种消能工设计都有一定的水力条件，很难有一种消能措施能适应各级水位～流量组合和任一种闸门开启方式。已建的水闸消能结构设计都是以恒定均匀流为设计依据，而实际上，水闸在放水运行过程中是由历时较短的非恒定流和其后的恒定流两部分组成。非恒定流阶段冲刷强度较大，冲刷量占全部冲刷的50％左右。即使消力池设计合理，闸下出流消能充分的情况下，海漫末端仍会产生冲坑。

3、经过研究分析发现，其产生的原因除还有应消未消的动能外，主要是由于从消力池出来的水流断面流速未恢复常态，其底部流速偏大所致。经过大量的调查研究发现，海漫没有充分发挥其进一步消能和调整流速、流态的作用确是其中一个重要的原因。为减小海漫末端的冲刷，我们采取的一种方法是加长海漫的长度，另一种方法是在海漫上采取一定的措施来达到调整流速和消能的目的。由于闸下通过消力池的水流仍具有较大的动能，为了保证池后河床不被冲刷，消力池后要修建海漫。海漫的作用是“消减水流剩余能量，使水流均匀地扩散，调整流速分布，减少底部冲刷。"《水闸》一书在提到海漫设置时指出，海漫应具有一定的柔性、透水性和

4、粗糙的表面。但是具体操作中，往往把海漫表面做成平面，(见水工设计手册6-23)难以发挥进一步消能和调整流速分布的作用。它的相对糙率度(Ks／H)只有超过O．25时，海漫的糙率才会效果显著。以目前实际工程中海漫的相对粗糙度一般不超过O．25，故海漫调整流速和消能的能力很低，致使冲刷普遍且严重。从上可知进行海漫加糙的研究显得优为重要。内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院文恒教授想到利用废旧轮胎给海漫加糙。在工程原型试验中，于1999年在河套灌区冲刷较重的黄济干渠一闸，2000年又在乌拉河干渠四闸、乌拉河一闸进行了现场轮胎加糙试验。结果海漫轮胎加糙防冲效果十分明显，不仅使

5、原有的冲刷现象不再发生；而且冲坑深度自动回2海漫柔性加糙的水力学试验研究淤变浅，冲刷范围减小，淘坡现象也不再发生。水流流态也较加糙前平稳正常。轮胎糙体体现了明显的优越性，如成本低、抗冲击、耐腐蚀、不易老化，具有柔性不易缠挂材草，避免了壅高下游水位而影响下泄流量。且有各种不同大小直径，可满足不同水位需要等。为了将研究成果应用于实际工程，2002年又进行了动床模型试验，2004年进行了定床模型试验，获得了八排糙体等间距梅花状布置于海漫的优选设计方案。原来试验是在加糙体后20cm处近底流速只测一点，本论文是利用较大尺寸的模型轮胎在不同水位下、不同糙体排数下进行更细化的试验

6、，通过加密的数据，进一步分析轮胎加糙减速的机理。1．2应用价值及前景目前，专门为海漫制作加糙体来增糙防冲的实例很少，用具有柔性的废旧轮胎来增糙防冲也仅有我校已开展此项研究。如果试验研究成功，不仅可以防治闸下冲坑的发展，确保水闸、渠道安全运行，而且可以节约大量年修费用，还可以变废为宝，保护环境，防污染。河套灌区现有干渠以上渠道14条，分渠47条，支渠300多条，支渠以上渠道建有水闸1400多座，需要进行闸后冲坑治理的水闸近1000座。如果这项技术在这1000座水闸上推广应用，经济效益将是十分可观的，同时也具有良好的社会、生态效益。它将为水闸的设计和管理工作提拱理论依据

7、。进而把该项技术推广到全国平原区水闸消能防冲上将具有十分深远的经济意义。1．3国内外研究进展国内外学者对消能的研究已有多年的历史，并且作了大量的工作，得到许多宝贵的经验，但是闸下消能防冲问题未从更本上得到解决。闸下产生冲刷的原因很多，但以往大多研究精力放在平面布置、消能防冲标准是否合理、闸门开启操作是否规范等方面，对海漫的研究没有给予足够的重视。清华大学博士生王晋军在明渠中加糙方面有深入的研究，他在研究中得出结论认为：只有相对粗糙度达到O．25时，糙率的增加才明显。目前，除我校外，专门研究海漫加糙技术在国内外学术期刊中未曾涉及到，而这种废旧轮胎柔性加糙，变废为宝