某水庫大壩下游河床沖刷試驗研究

祝靜

（江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，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 年初建成并蓄水運行，在運行過程中水庫泄量最大值僅達到45 m3/s，遠遠沒有達到87.50 m3/s，的設計及校核洪水流量。但是在運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重，雖然在2009年和2014年先后經過數次除險加固處理，仍未徹底解決河床沖刷趨勢，十分不利于岸坡及壩肩穩定。

2 水工模型試驗分析

2.1 下泄水流流態

該水庫屬于日調節型水庫類型，溢洪次數多且歷時長，根據水庫運行以來相關資料，每年5-6月泄洪發生的頻率較大且較為集中，1 年內的泄洪天數最多可達135 d，1 個月的泄洪天數最多能達到28 d，月泄洪量最大值為45 m3/s。在洪水期間，河道內漂浮物較多，對水庫大壩安全運行存在不利影響，為消除這種影響，水庫運行管理部門在借鑒同地區類似規模水庫運行實踐的基礎上研究決定，在洪水調度期間應當將閘門開度控制在5 m 以上，并重點開啟臨近發電引水口的2#閘門，以取得最理想的泄洪運行效果。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 年初建成運行以來，歷年泄洪量最大值統計結果具體見表1。通過表中統計數據可以看出，該水庫自運行以來，泄洪流量以中小流量為主，最大泄量45 m3/s發生在2008年，遠未達到設計及校核洪水流量。

表1 歷年泄洪量最大值統計結果表

模擬同地區類似水庫大壩水工模型試驗過程，當該水庫大壩泄流量不高出10 m3/s時下泄水流主要表現為挑流形態并順勢與下游河勢銜接；而當水庫大壩泄流量在20 m3/s以下時，下游低水位下泄水流仍以挑流流態為主，但是高水位卻主要為淹沒底流流態；當水庫大壩泄流量在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交替出現；最后，當泄流量達到87.50 m3/s 的設計及校核流量后，下游低水位下泄水流主要呈現出自由面流態，但高水位卻為淹沒面流。根據試驗情況，若流量等級不同，則下游銜接流態必然以淹沒底流、挑流、自由面流等混合流態出現，流態頗為復雜，達不到消能效果。通過分析原因不難發現，原方案中設置在下游河道的施工圍堰是構成壩體的重要部分，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計；此外，原設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，左岸回流范圍和強度明顯比右岸更大更強；兩岸回流范圍和強度基本與下游水位、下泄流量相關；在相同的流量等級下下游低水位的回流強度明顯比高水位更大。回流流速均值在3～4.50 m/s，最大達8.40 m/s，對岸坡淘蝕影響也較強。

2.2 動床沖淤試驗

結合地質勘測資料，該水庫大壩下游河段土質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 的地勢低洼區域，通過展開動床試驗，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律進行分析探討。動床試驗結果顯示，大壩岸坡及鼻坎腳基本處于穩定狀態，而沖刷坑存在潛在發展趨勢。大壩壩址地質條件不良，巖石風化破碎、節理發育且夾帶軟弱巖層，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，深坑尺寸統計結果詳見表2。由表中統計結果可知，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；雖然深坑尺寸與泄流量大小并非完全的正比例關系，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 深坑尺寸統計結果表

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勘測資料，同時結合溢流壩各孔中線縱剖面地形演變，進行與鼻坎相距50、100、150、200 m的橫斷面剖面圖繪制，結果見圖1。同時，進行溢流孔中線與鼻坎相距50 m 的橫斷面剖面圖繪制，結果見圖2。由兩個圖可知，當流量較小時，河床基本穩定，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，當泄洪流量及閘門開啟程度不同時，下游河床隨之發生變化，考慮到該水庫位于修河一級支流竹坪河上，水庫庫區植被覆蓋較好，河床岸坡也呈較為緩和穩定態勢，水庫來沙較小，故下游河床沖刷形態以清水沖刷為主，這也與實際勘測結果基本吻合?？睖y結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臨時調整的結果，至于下游河床是否存在持續性下切趨勢仍有待進一步研究，諸如此類的問題都無法從以上分析中得到答案。為此，必須結合下游地形資料，進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 年進行了下游大壩岸坡加固處理，岸坡位置隨之發生變化，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果見表3。

表3 具體高程下河床及岸坡水體體積表

根據表中結果，在當前流量等級下，水庫下游河床處于不穩定狀態，在水庫下游200 m 范圍內表現出明顯的河床質漂移，甚至持續向下游輸移的運動狀態。在2014 年對該水庫下游大壩岸坡實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，存在持續刷深趨勢。

3.3 河床沖淤趨勢及閘門管理

該水庫護岸加固工程完成后水下錄像檢查發現岸坡整體性較好，防護方案切合合理。結合相關分析，鼻坎腳穩定，然而下游河床卻伴隨著流量的持續增大而下移明顯。根據同地區類似規模水利工程水工模型試驗成果以及對該水庫大壩水下錄像的檢查結果，河床5 m 以下巖石穩定性不良，沖坑仍表現出持續增大的趨勢，從目前來看，河床下切深度只要在3 m高程以上，堆渣便處于較為穩定狀態；隨著下泄流量的持續增大，再加上操作誤差、環境影響等原因，閘門開啟速度及開度與設計要求存在一定差距，從而引發下游水流流態惡化，河床刷深持續增加，沖坑范圍進一步擴大，岸坡坡腳失穩。

結合該水庫運行實際，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 結論

通過分析表明，該水庫運行過程中泄洪量并未達到設計及校核洪水流量，且下游河床和兩岸岸坡沖刷淘蝕較為嚴重，經過數次除險加固處理，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，避免沖淘破壞進一步加劇。文中所提出的幾種可行的閘門開啟操作方式實施后，下泄流量對河床的不利沖刷得到有效緩解。