某水庫大壩下游河床沖刷試驗(yàn)研究

祝靜

（江西省修江水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

某水庫壩址位于修河一級支流竹坪河上，樞紐主要由砌石重力壩非溢流壩段、砌石重力壩溢流壩段、壩下涵管等建筑物組成。水庫擋水大壩壩頂高程352 m，最大壩高41 m，水庫正常高水位349 m，壩頂軸線長146 m。上游325 m高程以下壩坡坡比1:0.20，325 m高程以上按照鉛直面設(shè)計，下游342.80 m高程以下壩坡坡比1:0.75。主要采用C25W6F100 鋼筋混凝土面板進(jìn)行大壩上游面防滲，高程325 m以下防滲面板厚0.60～1 m，高程325 m以上防滲面板厚0.60 m。

該水庫于2002 年初建成并蓄水運(yùn)行，在運(yùn)行過程中水庫泄量最大值僅達(dá)到45 m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到87.50 m3/s，的設(shè)計及校核洪水流量。但是在運(yùn)行期間下游河床以及兩岸岸坡所遭受的沖刷淘蝕卻較為嚴(yán)重，雖然在2009年和2014年先后經(jīng)過數(shù)次除險加固處理，仍未徹底解決河床沖刷趨勢，十分不利于岸坡及壩肩穩(wěn)定。

2 水工模型試驗(yàn)分析

2.1 下泄水流流態(tài)

該水庫屬于日調(diào)節(jié)型水庫類型，溢洪次數(shù)多且歷時長，根據(jù)水庫運(yùn)行以來相關(guān)資料，每年5-6月泄洪發(fā)生的頻率較大且較為集中，1 年內(nèi)的泄洪天數(shù)最多可達(dá)135 d，1 個月的泄洪天數(shù)最多能達(dá)到28 d，月泄洪量最大值為45 m3/s。在洪水期間，河道內(nèi)漂浮物較多，對水庫大壩安全運(yùn)行存在不利影響，為消除這種影響，水庫運(yùn)行管理部門在借鑒同地區(qū)類似規(guī)模水庫運(yùn)行實(shí)踐的基礎(chǔ)上研究決定，在洪水調(diào)度期間應(yīng)當(dāng)將閘門開度控制在5 m 以上，并重點(diǎn)開啟臨近發(fā)電引水口的2#閘門，以取得最理想的泄洪運(yùn)行效果。在泄洪過程中，閘門很難按照對稱、均衡的方式啟閉。該水庫自2002 年初建成運(yùn)行以來，歷年泄洪量最大值統(tǒng)計結(jié)果具體見表1。通過表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，該水庫自運(yùn)行以來，泄洪流量以中小流量為主，最大泄量45 m3/s發(fā)生在2008年，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計及校核洪水流量。

表1 歷年泄洪量最大值統(tǒng)計結(jié)果表

模擬同地區(qū)類似水庫大壩水工模型試驗(yàn)過程，當(dāng)該水庫大壩泄流量不高出10 m3/s時下泄水流主要表現(xiàn)為挑流形態(tài)并順勢與下游河勢銜接；而當(dāng)水庫大壩泄流量在20 m3/s以下時，下游低水位下泄水流仍以挑流流態(tài)為主，但是高水位卻主要為淹沒底流流態(tài)；當(dāng)水庫大壩泄流量在30 m3/s以上時，下泄水流流動過程中淹沒底流以及自由面流兩種流態(tài)交替出現(xiàn)；最后，當(dāng)泄流量達(dá)到87.50 m3/s 的設(shè)計及校核流量后，下游低水位下泄水流主要呈現(xiàn)出自由面流態(tài)，但高水位卻為淹沒面流。根據(jù)試驗(yàn)情況，若流量等級不同，則下游銜接流態(tài)必然以淹沒底流、挑流、自由面流等混合流態(tài)出現(xiàn)，流態(tài)頗為復(fù)雜，達(dá)不到消能效果。通過分析原因不難發(fā)現(xiàn)，原方案中設(shè)置在下游河道的施工圍堰是構(gòu)成壩體的重要部分，圍堰恰好位于溢流鼻坎，堰頂高程較高，為此必須加高溢流鼻坎設(shè)計；此外，原設(shè)計方案并未考慮大壩建成后下游河床下切的不利影響。

水庫大壩下游左右岸均面臨回流問題，只是由于左岸岸坡明顯更為開闊，左岸回流范圍和強(qiáng)度明顯比右岸更大更強(qiáng)；兩岸回流范圍和強(qiáng)度基本與下游水位、下泄流量相關(guān)；在相同的流量等級下下游低水位的回流強(qiáng)度明顯比高水位更大?；亓髁魉倬翟?～4.50 m/s，最大達(dá)8.40 m/s，對岸坡淘蝕影響也較強(qiáng)。

2.2 動床沖淤試驗(yàn)

結(jié)合地質(zhì)勘測資料，該水庫大壩下游河段土質(zhì)以千枚巖和石英砂巖等為主，巖石等材料遭受水流沖刷大部分堆積在距離鼻坎以下280 m 的地勢低洼區(qū)域，通過展開動床試驗(yàn)，從而對該水庫下游河段各級流量宣泄情況以及所造成的河床沖淤趨勢規(guī)律進(jìn)行分析探討。動床試驗(yàn)結(jié)果顯示，大壩岸坡及鼻坎腳基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而沖刷坑存在潛在發(fā)展趨勢。大壩壩址地質(zhì)條件不良，巖石風(fēng)化破碎、節(jié)理發(fā)育且夾帶軟弱巖層，該水庫大壩岸坡如不采取有效處理措施，沖淘破壞將愈加嚴(yán)重。

3 大壩下游河床沖淤演變

3.1 深坑變化

基于所取得的水庫大壩河床下游地形逐年實(shí)測資料，分析下游6 m等高線以下河床深坑變動軌跡及變化趨勢，深坑尺寸統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。由表中統(tǒng)計結(jié)果可知，下游河床深坑位置及尺寸差異較大，且主要與泄洪流量大小和閘門開啟方式有關(guān)；雖然深坑尺寸與泄流量大小并非完全的正比例關(guān)系，但是兩者呈正向變動趨勢，即泄流量增大后，深坑范圍也隨之增大，反之則反是；當(dāng)泄流量等級相同時，閘門開啟方式對深坑尺寸影響明顯。

表2 深坑尺寸統(tǒng)計結(jié)果表

3.2 橫縱剖面地形演變

基于所收集到的該水庫大壩河床地形地質(zhì)勘測資料，同時結(jié)合溢流壩各孔中線縱剖面地形演變，進(jìn)行與鼻坎相距50、100、150、200 m的橫斷面剖面圖繪制，結(jié)果見圖1。同時，進(jìn)行溢流孔中線與鼻坎相距50 m 的橫斷面剖面圖繪制，結(jié)果見圖2。由兩個圖可知，當(dāng)流量較小時，河床基本穩(wěn)定，但因閘門開度控制較好，基本為勻速同步開啟，深坑范圍反而呈縮小趨勢。

通過以上對深坑變化及橫縱剖面地形演變情況的分析看出，當(dāng)泄洪流量及閘門開啟程度不同時，下游河床隨之發(fā)生變化，考慮到該水庫位于修河一級支流竹坪河上，水庫庫區(qū)植被覆蓋較好，河床岸坡也呈較為緩和穩(wěn)定態(tài)勢，水庫來沙較小，故下游河床沖刷形態(tài)以清水沖刷為主，這也與實(shí)際勘測結(jié)果基本吻合?？睖y結(jié)果中所存在的部分淤高以及距離鼻坎200 m 處存在的較大范圍沖刷只是大壩下游河床質(zhì)臨時調(diào)整的結(jié)果，至于下游河床是否存在持續(xù)性下切趨勢仍有待進(jìn)一步研究，諸如此類的問題都無法從以上分析中得到答案。為此，必須結(jié)合下游地形資料，進(jìn)行具體高程條件下河床及岸坡水體體積值的測算，并判斷河床沖淤情況。

該水庫于2014 年進(jìn)行了下游大壩岸坡加固處理，岸坡位置隨之發(fā)生變化，2015 年及以后年份鼻坎下游200 m 河床與26 m高程以下岸坡所圍水體體積測算結(jié)果見表3。

表3 具體高程下河床及岸坡水體體積表

根據(jù)表中結(jié)果，在當(dāng)前流量等級下，水庫下游河床處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在水庫下游200 m 范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的河床質(zhì)漂移，甚至持續(xù)向下游輸移的運(yùn)動狀態(tài)。在2014 年對該水庫下游大壩岸坡實(shí)施加固處理的過程中，因恰逢汛期且并未采取有效控制措施，導(dǎo)致大量砂石料涌入河床，2015年因無較大流量而河床地形較高，存在持續(xù)刷深趨勢。

3.3 河床沖淤趨勢及閘門管理

該水庫護(hù)岸加固工程完成后水下錄像檢查發(fā)現(xiàn)岸坡整體性較好，防護(hù)方案切合合理。結(jié)合相關(guān)分析，鼻坎腳穩(wěn)定，然而下游河床卻伴隨著流量的持續(xù)增大而下移明顯。根據(jù)同地區(qū)類似規(guī)模水利工程水工模型試驗(yàn)成果以及對該水庫大壩水下錄像的檢查結(jié)果，河床5 m 以下巖石穩(wěn)定性不良，沖坑仍表現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢，從目前來看，河床下切深度只要在3 m高程以上，堆渣便處于較為穩(wěn)定狀態(tài)；隨著下泄流量的持續(xù)增大，再加上操作誤差、環(huán)境影響等原因，閘門開啟速度及開度與設(shè)計要求存在一定差距，從而引發(fā)下游水流流態(tài)惡化，河床刷深持續(xù)增加，沖坑范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，岸坡坡腳失穩(wěn)。

結(jié)合該水庫運(yùn)行實(shí)際，其閘門啟閉無法遵循對稱、均衡、平緩的操作原則，為減小下泄流量對河床的不利沖刷，提出幾種可行的閘門開啟操作方式，具體見表4。

表4 閘門開啟操作方式表

4 結(jié)論

通過分析表明，該水庫運(yùn)行過程中泄洪量并未達(dá)到設(shè)計及校核洪水流量，且下游河床和兩岸岸坡沖刷淘蝕較為嚴(yán)重，經(jīng)過數(shù)次除險加固處理，河床沖刷趨勢并未改變，十分不利于岸坡及壩肩穩(wěn)定。通過分析水庫大壩岸坡毀壞的主要原因，指出大壩岸坡必須采取有效處理措施，避免沖淘破壞進(jìn)一步加劇。文中所提出的幾種可行的閘門開啟操作方式實(shí)施后，下泄流量對河床的不利沖刷得到有效緩解。