楊讓全，高宏志，范 永，李 松

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 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)造運動的破壞，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。大量實踐表明，當水工建筑物泄洪時，高速水流對天然地基基礎(chǔ)的沖刷破壞，總是從最薄弱(地質(zhì)缺陷)部位開始，并由此逐步擴展，在高速挑流水舌作用下，節(jié)理裂隙加速擴張、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)，當沖刷坑達到一定深度后最終穩(wěn)定，不再擴展(達到平衡)。其中沖刷坑最深點多發(fā)生在沖刷范圍內(nèi)巖體最薄弱點。

據(jù)實際調(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，當沖刷坑部位巖層傾向下游時，沖刷坑沿層面剝蝕，上游坡度受層面控制;當沖刷坑部位巖層傾向上游時，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)國內(nèi)外28個工程的統(tǒng)計資料，沖刷坑上游坡度一般為1∶3.1～1∶5.9(10°～18°)，少數(shù)可達 1∶1 ～1∶2(27°～45°)。

工程實踐過程中，當泄洪消能建筑物采用挑流消能方式時，必須進行巖基的沖刷估算，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，提出一個較為切合實際的抗沖刷流速值，為泄洪消能建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計及巖基沖刷水工模型試驗研究提供依據(jù)?？箾_刷流速值的確定一般采用工程類比法和計算法，尤以前者應(yīng)用較為廣泛，本文結(jié)合豐滿工程實際對計算法進行研究探討。

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—微風化狀態(tài)。節(jié)理裂隙主要見兩組: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，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(見表1)。按《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(DL5108—1999)、《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(DL/T5166—2002)、《水利水電工程地質(zhì)手冊》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，這個模型流速就是散粒體(巖塊)的起動流速，用它選取相應(yīng)的模型沖料粒徑。國內(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統(tǒng)計表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始滑動的極限流速值，系數(shù)0.86是石塊的抗滑動系數(shù);當水流平均流速高于式(2)值時塊石就抵抗不了水流的作用，石料開始“流動”，系數(shù)1.2是石塊的抗?jié)L動系數(shù)。

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

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

工程實踐表明，按此法選擇模型沖刷材料，其模型試驗沖刷深度均比原型巖基要深。也就是說，按公式(3)計算原型巖基沖刷深度是不合適的。中國絕大多數(shù)工程運行過程中都存在著集中開啟少數(shù)閘孔泄洪的弊病，其結(jié)果是實際運行的單寬流量遠遠超過設(shè)計單寬流量，有時可高達2～3倍，由此加大了對下游基礎(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。對粒徑較小的石料(如L＜0.01 m)，其K=7.8 ～9.5;當石料粒徑 ＞0.04 m 時，K值基本為一常數(shù)，約等于12，此范圍適用于天然情況，因為天然巖基節(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 抗沖刷流速計算

據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，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值計算巖體抗沖刷流速，計算結(jié)果見表2。

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

國內(nèi)其它單位根據(jù)不同經(jīng)驗公式計算出的豐滿抗沖刷流速見表3，國內(nèi)部分工程巖體抗沖刷流速見表4。

根據(jù)計算結(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，國內(nèi)較普遍采用如下公式［4］進行估算:

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，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)合豐滿工程實際情況，K值取1.17。②單寬流量q值。設(shè)計下游泄洪單寬流量(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)計算結(jié)果為:

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

校核洪水位時 T=1.17×1281/2×63.981/4=37.4 m。

(2)國內(nèi)部分工程巖基沖刷坑實際沖刷深度見表5。

表5 國內(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確性十分重要，如果地質(zhì)建議值偏低，則水工模型試驗沖刷深度偏大，如烏江渡水電站前期提供試驗用的巖體抗沖刷流速值為7.0 m/s，模型試驗成果沖刷坑最大深度為64.6 m;而工程建成后實際泄洪結(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10 m/s。所以，向設(shè)計人員提供巖體抗沖刷流速時，既不要保守，也不可冒進，可采取工程類比法，有條件的最好工程類比與計算相結(jié)合確定，并以基本符合工程實際情況為宜。

［1］ 高宏志.豐滿水電站全面治理重建工程可行性研究報告［R］.長春:中水東北勘測設(shè)計研究有限公司，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與模型試驗比較分析［J］.長江科學(xué)院院報，1996，13(4):6 －10.

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