某工程攔河壩下游沖刷破壞修復(fù)方案研究

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶，401120)

1 工程概況

某工程攔河壩是在原有擋水建筑物及護(hù)岸建筑物的基礎(chǔ)之上改建而來，其主要作用是抬高庫區(qū)水位，保證上游水廠正常取水。

樞紐工程主要包括上下游護(hù)岸建筑物以及攔河大壩，攔河壩采用無閘控制，溢流面采用曲線形實(shí)用堰，堰頂高程504.6m，壩頂高程509.5m，攔河壩總寬320m。下游消能防沖采用底流消能形式，消力池總長20m，底板高程499.0m，其后采用1:0.5斜坡與1m寬尾坎銜接，尾坎頂高程500.0m。消力池兩側(cè)通過扭面銜接兩側(cè)河岸。攔河壩典型剖面布置如圖1所示。

2018年汛期，攔河壩消力池尾坎后的基礎(chǔ)部分掏空，威脅大壩安全，水廠緊急組織人員搶險(xiǎn)加固，調(diào)配大量體積為1m3的混凝土四面體拋投于消力池尾坎下游，防止基礎(chǔ)的進(jìn)一步掏刷。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，四面體出現(xiàn)大幅向下游沖動(dòng)的現(xiàn)象。

本次研究的目的是結(jié)合理論和試驗(yàn)，提出加固壩后四面體的措施、維持四面體穩(wěn)定的方案，保證攔河大壩的泄洪安全，從而維護(hù)下游人民、財(cái)產(chǎn)的安全。

2 現(xiàn)狀方案試驗(yàn)

當(dāng)流量Q=3000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖2(a)，下游沖刷情況見圖2(b)。消力池發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，池內(nèi)靠近兩岸部分水躍基本發(fā)生在池內(nèi)，這是由于池后河床寬度變寬，兩側(cè)出池水流向兩岸擴(kuò)散，單寬流量迅速減小所致；而位于消力池中部的水體出池后水流能量沒有得到有效的分散，以急流的形式與下游銜接。消力池及下游河道各處流場(chǎng)分布見圖2(c)，可以看到，消力池出池流速達(dá)到8m/s～9m/s，這也是四面體被沖動(dòng)的主要原因。

當(dāng)流量Q=2000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖3(a)，下游沖刷情況見圖3(b)。水躍基本發(fā)生于消力池池內(nèi)，與大流量情況(Q=3000m3/s)時(shí)類似，消力池中部水躍躍首更加靠近下游區(qū)域。消力池及下游河道流場(chǎng)分布見圖3(c)，可以看到，消力池兩側(cè)出池流速明顯小于中部，其中部最大流速達(dá)到8m/s。

當(dāng)流量Q=1000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖4(a)，下游沖刷情況見圖4(b)。消力池池內(nèi)發(fā)生淹沒水躍，下游河床基本無沖刷，四面體基本無沖動(dòng)的跡象。消力池及下游河道流場(chǎng)分布見圖4(c)，可以看到，消力池出池流速較小，最大流速不超過2m/s。

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖2Q=3000m3/s時(shí)現(xiàn)狀方案試驗(yàn)

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖3Q=2000m3/s時(shí)現(xiàn)狀方案試驗(yàn)

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖4Q=1000m3/s時(shí)現(xiàn)狀方案試驗(yàn)

3 四面體失穩(wěn)原因分析

由于本工程所在河段上游約3km位置處新建了一大型水電站，該水利樞紐工程建成投運(yùn)后，本工程水廠河段受清水沖刷影響，河床下切非常嚴(yán)重(如圖5所示)，河道水位～流量關(guān)系與設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生較大差異，現(xiàn)狀下游水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水位。實(shí)際過流情況及模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在流量大于2000m3/s后，消力池內(nèi)為急流流態(tài)，下游水位幾乎不對(duì)消力池水躍產(chǎn)生控制作用，這使得從攔河壩下泄的水體攜帶的能量無法在池內(nèi)得到有效消減，導(dǎo)致出池流速較大，進(jìn)而導(dǎo)致四面體失穩(wěn)。汛期及模型試驗(yàn)影像資料也表明，消力池尾坎后及下游坡腳位置的四面體首先失穩(wěn)，這是因?yàn)閿r河壩大流量泄洪時(shí)，消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍(圖2(a)與圖3(a))，出池流速大于四面體的抗沖流速，加劇了四面體向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)，現(xiàn)狀四面體下游段坡度較陡，水面跌落后沖刷坡腳，導(dǎo)致四面體下游坡腳失穩(wěn)。

從現(xiàn)場(chǎng)照片(圖5)來看，兩岸四面體未發(fā)生大的移動(dòng)，被沖動(dòng)的四面體主要位于消力池池末中心區(qū)域，這一方面是因?yàn)橄掠魏訉挻笥谙Τ貙挾?，兩?cè)出池水流迅速擴(kuò)散，單寬流量迅速減小，從而使得兩岸四面體幾乎未發(fā)生被沖動(dòng)的現(xiàn)象；而另一方面，位于河心的出池水流沒能得到有效的橫向擴(kuò)散，其能量大于兩岸出池水流，故而位于河心的四面體被大幅度地沖動(dòng)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)沖刷情況

綜上，清水沖刷導(dǎo)致的河道下切是沖刷破壞的根本原因，大流量時(shí)消力池消能不充分、出池流速大是四面體失穩(wěn)的動(dòng)力來源。

4 修復(fù)方案及試驗(yàn)

現(xiàn)狀方案試驗(yàn)成果表明，即使是在大流量情況下(Q=3000m3/s)，試驗(yàn)之初消力池內(nèi)是能夠形成穩(wěn)定的淹沒水躍的，這是因?yàn)槌啬┧拿骟w實(shí)際上充當(dāng)了消力池尾坎的角色，但是隨著泄水時(shí)間的延長，位于河心的四面體開始向下游區(qū)移動(dòng)，造成“尾坎”由四面體逐漸變成消力池本身自帶尾坎，即消力池“尾坎”頂高程逐漸降低，從而使得池內(nèi)逐漸產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。

基于上述原因，可以通過人工增高尾坎的方式，使得消力池池內(nèi)發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的淹沒式水躍，同時(shí)，延長四面體拋填范圍、增加沿程水頭損失，最后在四面體坡腳位置開挖覆蓋層，回填四面體或埋石混凝土固腳，即“消能+固坡”的修復(fù)思路。

鑒于目前現(xiàn)狀四面體頂高程約為501.5m，試驗(yàn)中擬增加消力池尾坎高程至501.5m(即尾坎高度增加1.5m)，修復(fù)方案消力池體型如圖6所示。修復(fù)方案四面體頂面坡度為i=0.12，四面體平面長度70m，四面體坡腳分別鉛直向下、水平向下游開挖2m、10m，并填充四面體或埋石混凝土作為護(hù)腳，四面體順流向典型縱剖面如圖7所示。

圖6 修復(fù)方案消力池體型

圖7 四面體水流向典型縱剖面

當(dāng)流量Q=3000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖8(a)，下游沖刷情況見圖8(b)?？梢钥吹剑Τ爻貎?nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒式水躍。消力池及下游河道流場(chǎng)分布見圖8(c)，可以看到，消力池出池流速最大為5m/s左右，消力池出池流速明顯降低。

由于現(xiàn)場(chǎng)采用體積為1m3的四面體(換算成等體積球體直徑D=1.24m)對(duì)消力池進(jìn)行加固，根據(jù)伊茲巴什公式v=(5～7)D0.5(式中：v表示抗沖流速，D為抗沖料直徑)，可求得四面體抗沖流速v=(5.57～7.79)m/s，而池后最大流速不超過6.2m/s，經(jīng)消力池消能后四面體基本能夠滿足抗沖要求。

當(dāng)流量Q=2000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖9(a)，下游沖刷情況見圖9(b)?？梢钥吹?，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒式水躍。消力池及下游河道流場(chǎng)分布見圖9(c)，可以看到，消力池出池流速最大不超過5m/s，消力池出池流速明顯降低。

當(dāng)流量Q=1000m3/s時(shí)，消力池及下游河道流態(tài)見圖10(a)，下游沖刷情況見圖10(b)。消力池池內(nèi)發(fā)生淹沒水躍，下游河床基本無沖刷，四面體也沒有發(fā)生沖動(dòng)的跡象。消力池及下游河道流場(chǎng)分布見圖10(c)，可以看到，消力池出池流速非常小，最大流速約為4m/s左右。

綜上，流量小于3000m3/s時(shí)，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒水躍，消力池出池流速不超過5m/s，消力池尾坎后20m范圍內(nèi)的四面體基本穩(wěn)定。

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖8Q=3000m3/s時(shí)修復(fù)方案試驗(yàn)

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖9Q=2000m3/s時(shí)修復(fù)方案試驗(yàn)

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場(chǎng)分布

圖10Q=1000m3/s時(shí)修復(fù)方案試驗(yàn)

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)狀防護(hù)條件下，當(dāng)流量為1000m3/s時(shí)，現(xiàn)有拋填的四面體可有效防止消力池尾坎淘刷；當(dāng)流量為2000m3/s時(shí)，消力池尾坎后四面體局部失穩(wěn)、兩側(cè)四面體基本穩(wěn)定；當(dāng)流量為3000m3/s時(shí)，消力池中部未形成水躍，下泄水流以急流形態(tài)與下游銜接，最大出池流速為9m/s，尾坎后的四面體大部分被水流帶向下游，消力池底板懸空，嚴(yán)重威脅消力池安全，消力池一旦失事，可能引發(fā)潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，消力池消能不充分、出池流速大、四面體坡腳抗沖能力不足是四面體整體失穩(wěn)的主要原因，為此，提出了“消能+固坡”的修復(fù)思路。

(3)提出了“尾坎加高+延長四面體拋填范圍+坡腳回填”的修復(fù)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在流量為3000m3/s時(shí)，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒水躍，消力池出池流速不超過5m/s，消力池尾坎后20m范圍內(nèi)的四面體基本穩(wěn)定。

(4)若需抵御1000m3/s來流，現(xiàn)有拋填的四面體可有效防止消力池尾坎淘刷，建議僅對(duì)現(xiàn)有四面體末端坡度較大的部位做降坡、修形處理；若需抵御3000m3/s來流，建議消力池尾坎后新建混凝土防淘齒墻，齒墻底部高程深入基巖，齒墻高度宜根據(jù)地勘結(jié)果確定。

(5)建議四面體之間采用鋼絲繩連接，汛期過流期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。