拱壩下游沖坑對近壩岸坡穩定性影響分析

謝 杰，范澤中，梁經緯，李金友

（1. 湖南省水利水電科學研究院， 湖南 長沙 410007；2. 湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心，湖南 長沙 410007）

1 概 述

對于高水頭、大流量、狹窄河谷、陡高岸坡等特點的水庫工程消能方案，結合大壩的設計工作和工程具體特點，國內已進行了大量的研究。解決好泄水建筑物和近壩岸坡的安全，減輕對河床及兩岸岸坡沖刷影響等，是該類工程樞紐布置的關鍵[1～3]。

會人溪拱壩工程由攔河壩、引水系統、發電廠房及開關站等組成。攔河壩為細石混凝土砌石雙曲拱壩，壩頂高程162.00 m，壩底高程90.50 m，最大壩高71.5 m，壩底厚度14.50 m，壩頂寬度4.0 m，壩頂上游面弧長275.01 m，厚高比為0.203，弧高比為3.82∶1。溢洪道布置在壩頂中部，堰頂高程152.00 m，溢洪道布置5 扇10 m×8.3 m 平板鋼閘門，泄洪閘凈寬50 m。壩頂設閘門啟閉房及壩頂交通橋。

根據壩基開挖揭示的地質條件，離右岸壩基下游20～35 m（從上到下）發育一條F4 斷層，斷層寬度約0.1 m，影響帶很小，出露高程為140 m 以上，高程140 m 以下尖滅，斷層走向與巖層夾角68°，傾角傾向上游70°～80°；離右岸壩基下游40～75 m（從上到下）發育一條F8 斷層，斷層寬度0.2～0.8 m，影響帶寬1.0～1.5 m，出露高程為90 m 以上，斷層走向與F4 平行，傾角傾向上游55°～70°。左岸壩肩為反向坡，巖層走向平行岸坡。該巖層走向與拱端推力方向近于垂直，傾角51°傾向山里。右岸為順向坡，巖層走向與拱切線方向交角不大，控制著壩肩穩定。

2 消能防沖復核

溢洪道出口采用挑流消能，挑距采用《混凝土拱壩設計規范》式（附A.4.1）計算公式：

沖坑最大水墊厚度按《混凝土拱壩設計規范》式（附A.4.2）進行估算：

式中 tk——自下游水面至坑底的最大水墊深度（m）；

α1——沖坑系數，堅硬完整的基巖，α1=0.7～1.1；堅硬但完整性較差的基巖，α1=1.1～1.4；軟弱破碎、裂隙發育的基巖，α1=1.4～1.8；

q——單寬流量，[m3/（s·m）]，應乘以流量向心集中系數Cq；

H——上下游水位差。

流量向心集中系數Cq按《混凝土拱壩設計規范》式（附A.4.3）進行估算：

式中 Cq——流量向心集中系數，取1.57；

R——鼻坎末端算起的拱壩半徑（m）；

L——由鼻坎末端算起的挑距（m）。

目前實測出在2%洪水頻率下的沖坑深度為7.5 m，根據上式可反演出沖坑系數為0.8 左右，在堅硬完整的基巖沖坑系數范圍之內，因此本計算中取最不利沖坑系數為1.1。溢洪道消能防沖計算結果見表1。

表1 溢洪道消能防沖計算結果表

由表1 可知，水舌挑距在62 m 左右，水舌落點基本在河床部位；穩定沖坑深度在14～17 m 之間，挑距與沖坑深度的比值均大于3.0，目前沖坑深度約7.5 m，沖刷坑不會危及大壩安全。但右岸邊坡為順層坡，隨沖坑加深切腳，可能影響大壩下游右側邊坡的穩定，需根據右岸巖層和構造面傾角等具體地質條件分析。

運用三維激光掃描儀對挑角進行測算（如圖1、圖2 所示），其鼻坎挑角為15°，經計算挑角在15°～20°范圍變化時，其對水舌挑距的影響不大。當上游水位為152.5 m 時，水舌挑距為31.8 m，當上游水位為153 m 時，水舌挑距為34 m，由此可見長時間小流量導致拱壩下游出現了較大沖坑。

圖1 三維激光掃描儀工作圖

圖2 挑角復核

3 右岸邊坡穩定性分析

右岸邊坡為順層坡，隨沖坑加深切腳，可能影響大壩下游右側邊坡的穩定，需根據右岸巖層和構造面傾角等具體地質條件做進一步分析。本次安全評價采用北京理正巖土5.6 版巖質邊坡復雜平面滑動穩定分析模塊對右岸邊坡做穩定分析。

1） 現狀沖坑深度時邊坡穩定性分析

目前沖坑深度約為7.5 m，尚沒有下切右岸邊坡，此時考慮邊坡的最不利斷剖面為沖坑與邊坡切線垂直切割邊坡，且假定沿泥化夾層滑動，計算簡圖如圖3 所示。經計算，現狀邊坡的安全為1.697，大于1 級邊坡所要求的安全系數1.3。

圖3 現狀邊坡穩定計算簡圖

2） 沖坑17 m 時邊坡穩定性分析

設計洪水位對應的沖坑深度17 m，可將其視為可能達到的穩定沖坑深度，此時沖坑下切右岸邊坡，此時考慮邊坡的最不利斷剖面為沖坑與邊坡切線垂直切割邊坡，且假定沿泥化夾層滑動，計算簡圖如圖4 所示。經計算，沖坑深度達到17 m 時邊坡的安全為0.941，小于1 級邊坡所要求的安全系數1.3，邊坡可能沿泥化夾層發生滑坡。

3） 沖坑12 m 時邊坡穩定性分析

當沖坑深度達到12 m，沖坑下切右岸邊坡，此時考慮邊坡的最不利斷剖面為沖坑與邊坡切線垂直切割邊坡，且假定沿泥化夾層滑動，計算簡圖如圖5 所示。經計算，沖坑深度達到12 m 時邊坡的安全為1.337，大于1 級邊坡所要求的安全系數1.3，邊坡可能沿泥化夾層發生滑坡。

圖4 沖坑17 m 時邊坡穩定計算簡圖

圖5 沖坑12 m 時邊坡穩定計算簡圖

4 結 語

消能防沖復核是水庫大壩安全評價工作中的一項重要內容。由于會人溪水庫大壩右岸為順向坡，控制著壩肩穩定，因此本文結合該水庫大壩下游沖坑的發展，研究探討了沖坑發展對近壩岸坡的不利影響。研究結果表明現狀沖坑深度下右岸邊坡的穩定性滿足規范要求，沖坑深度達到12 m 時右岸邊坡的安全系數為1.337，達到臨界安全狀態，水庫管理部門需嚴密監控沖坑的發展趨勢。