某水库大坝下游河床冲刷试验研究

祝静

（江西省修江水利电力勘察设计有限责任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概况

某水库坝址位于修河一级支流竹坪河上，枢纽主要由砌石重力坝非溢流坝段、砌石重力坝溢流坝段、坝下涵管等建筑物组成。水库挡水大坝坝顶高程352 m，最大坝高41 m，水库正常高水位349 m，坝顶轴线长146 m。上游325 m高程以下坝坡坡比1:0.20，325 m高程以上按照铅直面设计，下游342.80 m高程以下坝坡坡比1:0.75。主要采用C25W6F100 钢筋混凝土面板进行大坝上游面防渗，高程325 m以下防渗面板厚0.60～1 m，高程325 m以上防渗面板厚0.60 m。

该水库于2002 年初建成并蓄水运行，在运行过程中水库泄量最大值仅达到45 m3/s，远远没有达到87.50 m3/s，的设计及校核洪水流量。但是在运行期间下游河床以及两岸岸坡所遭受的冲刷淘蚀却较为严重，虽然在2009年和2014年先后经过数次除险加固处理，仍未彻底解决河床冲刷趋势，十分不利于岸坡及坝肩稳定。

2 水工模型试验分析

2.1 下泄水流流态

该水库属于日调节型水库类型，溢洪次数多且历时长，根据水库运行以来相关资料，每年5-6月泄洪发生的频率较大且较为集中，1 年内的泄洪天数最多可达135 d，1 个月的泄洪天数最多能达到28 d，月泄洪量最大值为45 m3/s。在洪水期间，河道内漂浮物较多，对水库大坝安全运行存在不利影响，为消除这种影响，水库运行管理部门在借鉴同地区类似规模水库运行实践的基础上研究决定，在洪水调度期间应当将闸门开度控制在5 m 以上，并重点开启临近发电引水口的2#闸门，以取得最理想的泄洪运行效果。在泄洪过程中，闸门很难按照对称、均衡的方式启闭。该水库自2002 年初建成运行以来，历年泄洪量最大值统计结果具体见表1。通过表中统计数据可以看出，该水库自运行以来，泄洪流量以中小流量为主，最大泄量45 m3/s发生在2008年，远未达到设计及校核洪水流量。

表1 历年泄洪量最大值统计结果表

模拟同地区类似水库大坝水工模型试验过程，当该水库大坝泄流量不高出10 m3/s时下泄水流主要表现为挑流形态并顺势与下游河势衔接；而当水库大坝泄流量在20 m3/s以下时，下游低水位下泄水流仍以挑流流态为主，但是高水位却主要为淹没底流流态；当水库大坝泄流量在30 m3/s以上时，下泄水流流动过程中淹没底流以及自由面流两种流态交替出现；最后，当泄流量达到87.50 m3/s 的设计及校核流量后，下游低水位下泄水流主要呈现出自由面流态，但高水位却为淹没面流。根据试验情况，若流量等级不同，则下游衔接流态必然以淹没底流、挑流、自由面流等混合流态出现，流态颇为复杂，达不到消能效果。通过分析原因不难发现，原方案中设置在下游河道的施工围堰是构成坝体的重要部分，围堰恰好位于溢流鼻坎，堰顶高程较高，为此必须加高溢流鼻坎设计；此外，原设计方案并未考虑大坝建成后下游河床下切的不利影响。

水库大坝下游左右岸均面临回流问题，只是由于左岸岸坡明显更为开阔，左岸回流范围和强度明显比右岸更大更强；两岸回流范围和强度基本与下游水位、下泄流量相关；在相同的流量等级下下游低水位的回流强度明显比高水位更大。回流流速均值在3～4.50 m/s，最大达8.40 m/s，对岸坡淘蚀影响也较强。

2.2 动床冲淤试验

结合地质勘测资料，该水库大坝下游河段土质以千枚岩和石英砂岩等为主，岩石等材料遭受水流冲刷大部分堆积在距离鼻坎以下280 m 的地势低洼区域，通过展开动床试验，从而对该水库下游河段各级流量宣泄情况以及所造成的河床冲淤趋势规律进行分析探讨。动床试验结果显示，大坝岸坡及鼻坎脚基本处于稳定状态，而冲刷坑存在潜在发展趋势。大坝坝址地质条件不良，岩石风化破碎、节理发育且夹带软弱岩层，该水库大坝岸坡如不采取有效处理措施，冲淘破坏将愈加严重。

3 大坝下游河床冲淤演变

3.1 深坑变化

基于所取得的水库大坝河床下游地形逐年实测资料，分析下游6 m等高线以下河床深坑变动轨迹及变化趋势，深坑尺寸统计结果详见表2。由表中统计结果可知，下游河床深坑位置及尺寸差异较大，且主要与泄洪流量大小和闸门开启方式有关；虽然深坑尺寸与泄流量大小并非完全的正比例关系，但是两者呈正向变动趋势，即泄流量增大后，深坑范围也随之增大，反之则反是；当泄流量等级相同时，闸门开启方式对深坑尺寸影响明显。

表2 深坑尺寸统计结果表

3.2 横纵剖面地形演变

基于所收集到的该水库大坝河床地形地质勘测资料，同时结合溢流坝各孔中线纵剖面地形演变，进行与鼻坎相距50、100、150、200 m的横断面剖面图绘制，结果见图1。同时，进行溢流孔中线与鼻坎相距50 m 的横断面剖面图绘制，结果见图2。由两个图可知，当流量较小时，河床基本稳定，但因闸门开度控制较好，基本为匀速同步开启，深坑范围反而呈缩小趋势。

通过以上对深坑变化及横纵剖面地形演变情况的分析看出，当泄洪流量及闸门开启程度不同时，下游河床随之发生变化，考虑到该水库位于修河一级支流竹坪河上，水库库区植被覆盖较好，河床岸坡也呈较为缓和稳定态势，水库来沙较小，故下游河床冲刷形态以清水冲刷为主，这也与实际勘测结果基本吻合。勘测结果中所存在的部分淤高以及距离鼻坎200 m 处存在的较大范围冲刷只是大坝下游河床质临时调整的结果，至于下游河床是否存在持续性下切趋势仍有待进一步研究，诸如此类的问题都无法从以上分析中得到答案。为此，必须结合下游地形资料，进行具体高程条件下河床及岸坡水体体积值的测算，并判断河床冲淤情况。

该水库于2014 年进行了下游大坝岸坡加固处理，岸坡位置随之发生变化，2015 年及以后年份鼻坎下游200 m 河床与26 m高程以下岸坡所围水体体积测算结果见表3。

表3 具体高程下河床及岸坡水体体积表

根据表中结果，在当前流量等级下，水库下游河床处于不稳定状态，在水库下游200 m 范围内表现出明显的河床质漂移，甚至持续向下游输移的运动状态。在2014 年对该水库下游大坝岸坡实施加固处理的过程中，因恰逢汛期且并未采取有效控制措施，导致大量砂石料涌入河床，2015年因无较大流量而河床地形较高，存在持续刷深趋势。

3.3 河床冲淤趋势及闸门管理

该水库护岸加固工程完成后水下录像检查发现岸坡整体性较好，防护方案切合合理。结合相关分析，鼻坎脚稳定，然而下游河床却伴随着流量的持续增大而下移明显。根据同地区类似规模水利工程水工模型试验成果以及对该水库大坝水下录像的检查结果，河床5 m 以下岩石稳定性不良，冲坑仍表现出持续增大的趋势，从目前来看，河床下切深度只要在3 m高程以上，堆渣便处于较为稳定状态；随着下泄流量的持续增大，再加上操作误差、环境影响等原因，闸门开启速度及开度与设计要求存在一定差距，从而引发下游水流流态恶化，河床刷深持续增加，冲坑范围进一步扩大，岸坡坡脚失稳。

结合该水库运行实际，其闸门启闭无法遵循对称、均衡、平缓的操作原则，为减小下泄流量对河床的不利冲刷，提出几种可行的闸门开启操作方式，具体见表4。

表4 闸门开启操作方式表

4 结论

通过分析表明，该水库运行过程中泄洪量并未达到设计及校核洪水流量，且下游河床和两岸岸坡冲刷淘蚀较为严重，经过数次除险加固处理，河床冲刷趋势并未改变，十分不利于岸坡及坝肩稳定。通过分析水库大坝岸坡毁坏的主要原因，指出大坝岸坡必须采取有效处理措施，避免冲淘破坏进一步加剧。文中所提出的几种可行的闸门开启操作方式实施后，下泄流量对河床的不利冲刷得到有效缓解。