某工程拦河坝下游冲刷破坏修复方案研究

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆，401120)

1 工程概况

某工程拦河坝是在原有挡水建筑物及护岸建筑物的基础之上改建而来，其主要作用是抬高库区水位，保证上游水厂正常取水。

枢纽工程主要包括上下游护岸建筑物以及拦河大坝，拦河坝采用无闸控制，溢流面采用曲线形实用堰，堰顶高程504.6m，坝顶高程509.5m，拦河坝总宽320m。下游消能防冲采用底流消能形式，消力池总长20m，底板高程499.0m，其后采用1:0.5斜坡与1m宽尾坎衔接，尾坎顶高程500.0m。消力池两侧通过扭面衔接两侧河岸。拦河坝典型剖面布置如图1所示。

2018年汛期，拦河坝消力池尾坎后的基础部分掏空，威胁大坝安全，水厂紧急组织人员抢险加固，调配大量体积为1m3的混凝土四面体抛投于消力池尾坎下游，防止基础的进一步掏刷。汛后检查发现，四面体出现大幅向下游冲动的现象。

本次研究的目的是结合理论和试验，提出加固坝后四面体的措施、维持四面体稳定的方案，保证拦河大坝的泄洪安全，从而维护下游人民、财产的安全。

2 现状方案试验

当流量Q=3000m3/s时，消力池及下游河道流态见图2(a)，下游冲刷情况见图2(b)。消力池发生远驱式水跃，池内靠近两岸部分水跃基本发生在池内，这是由于池后河床宽度变宽，两侧出池水流向两岸扩散，单宽流量迅速减小所致；而位于消力池中部的水体出池后水流能量没有得到有效的分散，以急流的形式与下游衔接。消力池及下游河道各处流场分布见图2(c)，可以看到，消力池出池流速达到8m/s～9m/s，这也是四面体被冲动的主要原因。

当流量Q=2000m3/s时，消力池及下游河道流态见图3(a)，下游冲刷情况见图3(b)。水跃基本发生于消力池池内，与大流量情况(Q=3000m3/s)时类似，消力池中部水跃跃首更加靠近下游区域。消力池及下游河道流场分布见图3(c)，可以看到，消力池两侧出池流速明显小于中部，其中部最大流速达到8m/s。

当流量Q=1000m3/s时，消力池及下游河道流态见图4(a)，下游冲刷情况见图4(b)。消力池池内发生淹没水跃，下游河床基本无冲刷，四面体基本无冲动的迹象。消力池及下游河道流场分布见图4(c)，可以看到，消力池出池流速较小，最大流速不超过2m/s。

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图2Q=3000m3/s时现状方案试验

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图3Q=2000m3/s时现状方案试验

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图4Q=1000m3/s时现状方案试验

3 四面体失稳原因分析

由于本工程所在河段上游约3km位置处新建了一大型水电站，该水利枢纽工程建成投运后，本工程水厂河段受清水冲刷影响，河床下切非常严重(如图5所示)，河道水位～流量关系与设计时产生较大差异，现状下游水位远远低于设计水位。实际过流情况及模型试验结果表明，在流量大于2000m3/s后，消力池内为急流流态，下游水位几乎不对消力池水跃产生控制作用，这使得从拦河坝下泄的水体携带的能量无法在池内得到有效消减，导致出池流速较大，进而导致四面体失稳。汛期及模型试验影像资料也表明，消力池尾坎后及下游坡脚位置的四面体首先失稳，这是因为拦河坝大流量泄洪时，消力池内形成远驱式水跃(图2(a)与图3(a))，出池流速大于四面体的抗冲流速，加剧了四面体向下游移动的趋势，同时，现状四面体下游段坡度较陡，水面跌落后冲刷坡脚，导致四面体下游坡脚失稳。

从现场照片(图5)来看，两岸四面体未发生大的移动，被冲动的四面体主要位于消力池池末中心区域，这一方面是因为下游河宽大于消力池宽度，两侧出池水流迅速扩散，单宽流量迅速减小，从而使得两岸四面体几乎未发生被冲动的现象；而另一方面，位于河心的出池水流没能得到有效的横向扩散，其能量大于两岸出池水流，故而位于河心的四面体被大幅度地冲动。

图5 现场冲刷情况

综上，清水冲刷导致的河道下切是冲刷破坏的根本原因，大流量时消力池消能不充分、出池流速大是四面体失稳的动力来源。

4 修复方案及试验

现状方案试验成果表明，即使是在大流量情况下(Q=3000m3/s)，试验之初消力池内是能够形成稳定的淹没水跃的，这是因为池末四面体实际上充当了消力池尾坎的角色，但是随着泄水时间的延长，位于河心的四面体开始向下游区移动，造成“尾坎”由四面体逐渐变成消力池本身自带尾坎，即消力池“尾坎”顶高程逐渐降低，从而使得池内逐渐产生远驱式水跃。

基于上述原因，可以通过人工增高尾坎的方式，使得消力池池内发生持续稳定的淹没式水跃，同时，延长四面体抛填范围、增加沿程水头损失，最后在四面体坡脚位置开挖覆盖层，回填四面体或埋石混凝土固脚，即“消能+固坡”的修复思路。

鉴于目前现状四面体顶高程约为501.5m，试验中拟增加消力池尾坎高程至501.5m(即尾坎高度增加1.5m)，修复方案消力池体型如图6所示。修复方案四面体顶面坡度为i=0.12，四面体平面长度70m，四面体坡脚分别铅直向下、水平向下游开挖2m、10m，并填充四面体或埋石混凝土作为护脚，四面体顺流向典型纵剖面如图7所示。

图6 修复方案消力池体型

图7 四面体水流向典型纵剖面

当流量Q=3000m3/s时，消力池及下游河道流态见图8(a)，下游冲刷情况见图8(b)。可以看到，消力池池内发生稳定持续的淹没式水跃。消力池及下游河道流场分布见图8(c)，可以看到，消力池出池流速最大为5m/s左右，消力池出池流速明显降低。

由于现场采用体积为1m3的四面体(换算成等体积球体直径D=1.24m)对消力池进行加固，根据伊兹巴什公式v=(5～7)D0.5(式中：v表示抗冲流速，D为抗冲料直径)，可求得四面体抗冲流速v=(5.57～7.79)m/s，而池后最大流速不超过6.2m/s，经消力池消能后四面体基本能够满足抗冲要求。

当流量Q=2000m3/s时，消力池及下游河道流态见图9(a)，下游冲刷情况见图9(b)。可以看到，消力池池内发生稳定持续的淹没式水跃。消力池及下游河道流场分布见图9(c)，可以看到，消力池出池流速最大不超过5m/s，消力池出池流速明显降低。

当流量Q=1000m3/s时，消力池及下游河道流态见图10(a)，下游冲刷情况见图10(b)。消力池池内发生淹没水跃，下游河床基本无冲刷，四面体也没有发生冲动的迹象。消力池及下游河道流场分布见图10(c)，可以看到，消力池出池流速非常小，最大流速约为4m/s左右。

综上，流量小于3000m3/s时，消力池池内发生稳定持续的淹没水跃，消力池出池流速不超过5m/s，消力池尾坎后20m范围内的四面体基本稳定。

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图8Q=3000m3/s时修复方案试验

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图9Q=2000m3/s时修复方案试验

(a)流态 (b)冲刷形态 (c)流场分布

图10Q=1000m3/s时修复方案试验

5 结论

(1)在现状防护条件下，当流量为1000m3/s时，现有抛填的四面体可有效防止消力池尾坎淘刷；当流量为2000m3/s时，消力池尾坎后四面体局部失稳、两侧四面体基本稳定；当流量为3000m3/s时，消力池中部未形成水跃，下泄水流以急流形态与下游衔接，最大出池流速为9m/s，尾坎后的四面体大部分被水流带向下游，消力池底板悬空，严重威胁消力池安全，消力池一旦失事，可能引发溃坝风险。

(2)试验结果表明，消力池消能不充分、出池流速大、四面体坡脚抗冲能力不足是四面体整体失稳的主要原因，为此，提出了“消能+固坡”的修复思路。

(3)提出了“尾坎加高+延长四面体抛填范围+坡脚回填”的修复方案。试验结果表明，该方案在流量为3000m3/s时，消力池池内发生稳定持续的淹没水跃，消力池出池流速不超过5m/s，消力池尾坎后20m范围内的四面体基本稳定。

(4)若需抵御1000m3/s来流，现有抛填的四面体可有效防止消力池尾坎淘刷，建议仅对现有四面体末端坡度较大的部位做降坡、修形处理；若需抵御3000m3/s来流，建议消力池尾坎后新建混凝土防淘齿墙，齿墙底部高程深入基岩，齿墙高度宜根据地勘结果确定。

(5)建议四面体之间采用钢丝绳连接，汛期过流期间加强监测。