豐滿水電站重建工程泄洪消能建筑物地基巖體抗沖刷流速選取與沖刷坑深度估算

楊讓全，高宏志，范 永，李 松

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021)

水電工程泄洪消能建筑物天然地基基礎(chǔ)由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的破壞，往往存在著不同程度的斷層破碎帶、節(jié)理裂隙或軟弱夾層等不利于基礎(chǔ)穩(wěn)定的地質(zhì)缺陷。大量實(shí)踐表明，當(dāng)水工建筑物泄洪時(shí)，高速水流對(duì)天然地基基礎(chǔ)的沖刷破壞，總是從最薄弱(地質(zhì)缺陷)部位開(kāi)始，并由此逐步擴(kuò)展，在高速挑流水舌作用下，節(jié)理裂隙加速擴(kuò)張、串通、交匯，將天然巖基解體為節(jié)理巖塊，繼而水流滲入節(jié)理巖塊縫隙，由于水流在節(jié)理周圍的作用力不平衡，從而使(節(jié)理)巖塊脫離巖體。被水流沖擊力剝離拔出巖體的巖塊在沖刷坑內(nèi)受旋轉(zhuǎn)水流作用，不斷循環(huán)翻滾，相互碰撞，逐漸剝蝕，破碎后的巖塊被送出坑外，如此循環(huán)往復(fù)，當(dāng)沖刷坑達(dá)到一定深度后最終穩(wěn)定，不再擴(kuò)展(達(dá)到平衡)。其中沖刷坑最深點(diǎn)多發(fā)生在沖刷范圍內(nèi)巖體最薄弱點(diǎn)。

據(jù)實(shí)際調(diào)查了解，沖刷坑形狀主要受地質(zhì)構(gòu)造及地基巖石的物理性能控制，當(dāng)沖刷坑部位巖層傾向下游時(shí)，沖刷坑沿層面剝蝕，上游坡度受層面控制;當(dāng)沖刷坑部位巖層傾向上游時(shí)，則上游坡度較陡。此外，上游坡度還與巖石的抗沖能力有關(guān)。巖石的抗沖能力低，上游坡度緩;反之，上游坡度陡。根據(jù)國(guó)內(nèi)外28個(gè)工程的統(tǒng)計(jì)資料，沖刷坑上游坡度一般為1∶3.1～1∶5.9(10°～18°)，少數(shù)可達(dá) 1∶1 ～1∶2(27°～45°)。

工程實(shí)踐過(guò)程中，當(dāng)泄洪消能建筑物采用挑流消能方式時(shí)，必須進(jìn)行巖基的沖刷估算，這就需要根據(jù)泄洪消能建筑物基礎(chǔ)巖體的地質(zhì)特性，提出一個(gè)較為切合實(shí)際的抗沖刷流速值，為泄洪消能建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及巖基沖刷水工模型試驗(yàn)研究提供依據(jù)。抗沖刷流速值的確定一般采用工程類比法和計(jì)算法，尤以前者應(yīng)用較為廣泛，本文結(jié)合豐滿工程實(shí)際對(duì)計(jì)算法進(jìn)行研究探討。

1 沖刷坑基本地質(zhì)條件

豐滿沖刷坑地基巖體為變質(zhì)礫巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，具有明顯的變余層理，產(chǎn)狀走向N25°～35°W，傾向NE(河床偏下游)，傾角 35°～45°，層理間距一般 80～150 cm。巖體呈弱—微風(fēng)化狀態(tài)。節(jié)理裂隙主要見(jiàn)兩組:其產(chǎn)狀分別為走向N20°～30°E，傾向NW，傾角70°～78°和走向 N25°～50°W，傾向 NE/SW，傾角45°～65°。節(jié)理面多較平直，間距一般50～150 cm，多張開(kāi)1～5 mm，受節(jié)理裂隙切割，沖刷坑巖體一般呈50～120 cm的塊體［1］。

據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，巖體RQD平均值為39% ～75%;巖體縱波速為 3.99 ～5.84 km/s，完整性系數(shù)為0.47～1.00，屬較完整—完整巖體(見(jiàn)表1)。按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5108—1999)、《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5166—2002)、《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》有關(guān)規(guī)定，沖刷坑變質(zhì)礫巖為可沖的Ⅱ類巖體。

2 抗沖刷流速地質(zhì)建議值選取

當(dāng)巖基原型允許流速給定后，根據(jù)重力相似定律將V值換算成模型流速，這個(gè)模型流速就是散粒體(巖塊)的起動(dòng)流速，用它選取相應(yīng)的模型沖料粒徑。國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用較早的是依茲巴什公式［2］:

表1 沖刷坑巖體完整性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table1 The statistics for integrity index of the rock mass in the scour pit

式中:γs、γ為塊石和水的容重(g/cm3);D為折合成球體的塊石直徑(m);V為模型流速(m/s);g為重力加速度(m/s2)。

式(1)給出了促使位于平滑墊層上的塊石開(kāi)始滑動(dòng)的極限流速值，系數(shù)0.86是石塊的抗滑動(dòng)系數(shù);當(dāng)水流平均流速高于式(2)值時(shí)塊石就抵抗不了水流的作用，石料開(kāi)始“流動(dòng)”，系數(shù)1.2是石塊的抗?jié)L動(dòng)系數(shù)。

如取 γs=2.70、γ =1.0，則式(1)和式(2)可化簡(jiǎn)為Vmin=5和Vmax=7，二者的統(tǒng)一形式為:

在以往的水工模型試驗(yàn)應(yīng)用中，巖基的模擬多采用式(3)，K 值取 5.5 ～6.0。

工程實(shí)踐表明，按此法選擇模型沖刷材料，其模型試驗(yàn)沖刷深度均比原型巖基要深。也就是說(shuō)，按公式(3)計(jì)算原型巖基沖刷深度是不合適的。中國(guó)絕大多數(shù)工程運(yùn)行過(guò)程中都存在著集中開(kāi)啟少數(shù)閘孔泄洪的弊病，其結(jié)果是實(shí)際運(yùn)行的單寬流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)單寬流量，有時(shí)可高達(dá)2～3倍，由此加大了對(duì)下游基礎(chǔ)巖層的沖刷破壞。

今采用別梁謝夫斯基系統(tǒng)(該系統(tǒng)試驗(yàn)資料石料粒徑范圍D=0.001～0.5 m，按 V= K)繪制成V、D、K關(guān)系曲線圖(見(jiàn)圖1)。

從V、D、K關(guān)系曲線圖中可以看出，流速系數(shù)隨粒徑或抗沖流速的變化關(guān)系。對(duì)粒徑較小的石料(如L＜0.01 m)，其K=7.8 ～9.5;當(dāng)石料粒徑 ＞0.04 m 時(shí)，K值基本為一常數(shù)，約等于12，此范圍適用于天然情況，因?yàn)樘烊粠r基節(jié)理塊的粒徑多在0.04 m以上，因此筆者建議原型巖基抗沖流速可用V=12■D計(jì)算。

圖1 V、D、K關(guān)系曲線圖Fig.1 Thecurve showing the relationship among the V，D and K

3 抗沖刷流速計(jì)算

據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，沖刷坑巖體節(jié)理裂隙平均密度為0.7 ～1.9 條/m，巖體多被節(jié)理裂隙切割成0.5 ～1.2 m的塊體。據(jù)此取不同D值計(jì)算巖體抗沖刷流速，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖體抗沖刷流速Table 2 The antiscour velocity of the rock mass

國(guó)內(nèi)其它單位根據(jù)不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的豐滿抗沖刷流速見(jiàn)表3，國(guó)內(nèi)部分工程巖體抗沖刷流速見(jiàn)表4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及豐滿沖刷坑基礎(chǔ)地質(zhì)條件，筆者給出綜合抗沖刷流速建議值:

表3 豐滿巖體抗沖刷流速Table 3 The antiscour velocity of the Fengman rock mass

表4 國(guó)內(nèi)部分工程巖體抗沖刷流速與沖刷系數(shù)Table 4 The antiscour velocity and erosion coefficient of the rock mass in some domestic projects

4 沖刷坑深度(T)估算

關(guān)于巖基沖刷深度，國(guó)內(nèi)較普遍采用如下公式［4］進(jìn)行估算:

式中:T為從下游水位算起的沖刷深度(m);q為下游鼻坎單寬流量(m3/s·m);Z為上下游水位差(m);K為綜合抗沖刷系數(shù)。

(1)計(jì)算基本數(shù)據(jù)。①綜合抗沖刷系數(shù)K值。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般抗沖刷性能良好的巖基K=0.7～1.1，抗沖刷性能中等的巖基 K=1.1 ～1.4，抗沖刷性能較差的巖基K=1.4～1.8，結(jié)合豐滿工程實(shí)際情況，K值取1.17。②單寬流量q值。設(shè)計(jì)下游泄洪單寬流量(q):128 m3/s·m。③上下游水位差Z值。上游設(shè)計(jì)洪水位268.20 m，相應(yīng)下游尾水位198.58 m，即Z=69.62 m;上游校核洪水位268.50 m，相應(yīng)下游尾水位204.52 m，即 Z=63.98 m。

則下游沖刷坑深度(T)計(jì)算結(jié)果為:

設(shè)計(jì)洪水位時(shí) T=1.17×1281/2×69.621/4=38.2 m;

校核洪水位時(shí) T=1.17×1281/2×63.981/4=37.4 m。

(2)國(guó)內(nèi)部分工程巖基沖刷坑實(shí)際沖刷深度見(jiàn)表5。

表5 國(guó)內(nèi)部分工程巖基沖刷深度一覽表Table 5 The list for scour depth of rock foundations in some domestic projects

5 小結(jié)

泄洪消能建筑物基礎(chǔ)巖體抗沖刷流速值的準(zhǔn)確性十分重要，如果地質(zhì)建議值偏低，則水工模型試驗(yàn)沖刷深度偏大，如烏江渡水電站前期提供試驗(yàn)用的巖體抗沖刷流速值為7.0 m/s，模型試驗(yàn)成果沖刷坑最大深度為64.6 m;而工程建成后實(shí)際泄洪結(jié)果表明，沖刷坑最大深度為53.05 m，其巖體抗沖刷流速可達(dá)10 m/s。所以，向設(shè)計(jì)人員提供巖體抗沖刷流速時(shí)，既不要保守，也不可冒進(jìn)，可采取工程類比法，有條件的最好工程類比與計(jì)算相結(jié)合確定，并以基本符合工程實(shí)際情況為宜。

［1］ 高宏志.豐滿水電站全面治理重建工程可行性研究報(bào)告［R］.長(zhǎng)春:中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，2008.

［2］ 戴梅，何世堂，陳新橋.用原型允許流速模擬巖基沖刷方法的探討［J］.水利水電技術(shù)，2005，36(4):91 －92.

［3］ 夏毓常.巖基挑流沖刷原型觀測(cè)與模型試驗(yàn)比較分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1996，13(4):6 －10.

［4］ 彭土標(biāo).水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2011.