(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶，401120)

1 工程概況

某工程攔河壩是在原有擋水建筑物及護岸建筑物的基礎之上改建而來，其主要作用是抬高庫區(qū)水位，保證上游水廠正常取水。

樞紐工程主要包括上下游護岸建筑物以及攔河大壩，攔河壩采用無閘控制，溢流面采用曲線形實用堰，堰頂高程504.6m，壩頂高程509.5m，攔河壩總寬320m。下游消能防沖采用底流消能形式，消力池總長20m，底板高程499.0m，其后采用1:0.5斜坡與1m寬尾坎銜接，尾坎頂高程500.0m。消力池兩側(cè)通過扭面銜接兩側(cè)河岸。攔河壩典型剖面布置如圖1所示。

2018年汛期，攔河壩消力池尾坎后的基礎部分掏空，威脅大壩安全，水廠緊急組織人員搶險加固，調(diào)配大量體積為1m3的混凝土四面體拋投于消力池尾坎下游，防止基礎的進一步掏刷。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，四面體出現(xiàn)大幅向下游沖動的現(xiàn)象。

本次研究的目的是結(jié)合理論和試驗，提出加固壩后四面體的措施、維持四面體穩(wěn)定的方案，保證攔河大壩的泄洪安全，從而維護下游人民、財產(chǎn)的安全。

2 現(xiàn)狀方案試驗

當流量Q=3000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖2(a)，下游沖刷情況見圖2(b)。消力池發(fā)生遠驅(qū)式水躍，池內(nèi)靠近兩岸部分水躍基本發(fā)生在池內(nèi)，這是由于池后河床寬度變寬，兩側(cè)出池水流向兩岸擴散，單寬流量迅速減小所致；而位于消力池中部的水體出池后水流能量沒有得到有效的分散，以急流的形式與下游銜接。消力池及下游河道各處流場分布見圖2(c)，可以看到，消力池出池流速達到8m/s～9m/s，這也是四面體被沖動的主要原因。

當流量Q=2000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖3(a)，下游沖刷情況見圖3(b)。水躍基本發(fā)生于消力池池內(nèi)，與大流量情況(Q=3000m3/s)時類似，消力池中部水躍躍首更加靠近下游區(qū)域。消力池及下游河道流場分布見圖3(c)，可以看到，消力池兩側(cè)出池流速明顯小于中部，其中部最大流速達到8m/s。

當流量Q=1000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖4(a)，下游沖刷情況見圖4(b)。消力池池內(nèi)發(fā)生淹沒水躍，下游河床基本無沖刷，四面體基本無沖動的跡象。消力池及下游河道流場分布見圖4(c)，可以看到，消力池出池流速較小，最大流速不超過2m/s。

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖2Q=3000m3/s時現(xiàn)狀方案試驗

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖3Q=2000m3/s時現(xiàn)狀方案試驗

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖4Q=1000m3/s時現(xiàn)狀方案試驗

3 四面體失穩(wěn)原因分析

由于本工程所在河段上游約3km位置處新建了一大型水電站，該水利樞紐工程建成投運后，本工程水廠河段受清水沖刷影響，河床下切非常嚴重(如圖5所示)，河道水位～流量關(guān)系與設計時產(chǎn)生較大差異，現(xiàn)狀下游水位遠遠低于設計水位。實際過流情況及模型試驗結(jié)果表明，在流量大于2000m3/s后，消力池內(nèi)為急流流態(tài)，下游水位幾乎不對消力池水躍產(chǎn)生控制作用，這使得從攔河壩下泄的水體攜帶的能量無法在池內(nèi)得到有效消減，導致出池流速較大，進而導致四面體失穩(wěn)。汛期及模型試驗影像資料也表明，消力池尾坎后及下游坡腳位置的四面體首先失穩(wěn)，這是因為攔河壩大流量泄洪時，消力池內(nèi)形成遠驅(qū)式水躍(圖2(a)與圖3(a))，出池流速大于四面體的抗沖流速，加劇了四面體向下游移動的趨勢，同時，現(xiàn)狀四面體下游段坡度較陡，水面跌落后沖刷坡腳，導致四面體下游坡腳失穩(wěn)。

從現(xiàn)場照片(圖5)來看，兩岸四面體未發(fā)生大的移動，被沖動的四面體主要位于消力池池末中心區(qū)域，這一方面是因為下游河寬大于消力池寬度，兩側(cè)出池水流迅速擴散，單寬流量迅速減小，從而使得兩岸四面體幾乎未發(fā)生被沖動的現(xiàn)象；而另一方面，位于河心的出池水流沒能得到有效的橫向擴散，其能量大于兩岸出池水流，故而位于河心的四面體被大幅度地沖動。

圖5 現(xiàn)場沖刷情況

綜上，清水沖刷導致的河道下切是沖刷破壞的根本原因，大流量時消力池消能不充分、出池流速大是四面體失穩(wěn)的動力來源。

4 修復方案及試驗

現(xiàn)狀方案試驗成果表明，即使是在大流量情況下(Q=3000m3/s)，試驗之初消力池內(nèi)是能夠形成穩(wěn)定的淹沒水躍的，這是因為池末四面體實際上充當了消力池尾坎的角色，但是隨著泄水時間的延長，位于河心的四面體開始向下游區(qū)移動，造成“尾坎”由四面體逐漸變成消力池本身自帶尾坎，即消力池“尾坎”頂高程逐漸降低，從而使得池內(nèi)逐漸產(chǎn)生遠驅(qū)式水躍。

基于上述原因，可以通過人工增高尾坎的方式，使得消力池池內(nèi)發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的淹沒式水躍，同時，延長四面體拋填范圍、增加沿程水頭損失，最后在四面體坡腳位置開挖覆蓋層，回填四面體或埋石混凝土固腳，即“消能+固坡”的修復思路。

鑒于目前現(xiàn)狀四面體頂高程約為501.5m，試驗中擬增加消力池尾坎高程至501.5m(即尾坎高度增加1.5m)，修復方案消力池體型如圖6所示。修復方案四面體頂面坡度為i=0.12，四面體平面長度70m，四面體坡腳分別鉛直向下、水平向下游開挖2m、10m，并填充四面體或埋石混凝土作為護腳，四面體順流向典型縱剖面如圖7所示。

圖6 修復方案消力池體型

圖7 四面體水流向典型縱剖面

當流量Q=3000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖8(a)，下游沖刷情況見圖8(b)?？梢钥吹?，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒式水躍。消力池及下游河道流場分布見圖8(c)，可以看到，消力池出池流速最大為5m/s左右，消力池出池流速明顯降低。

由于現(xiàn)場采用體積為1m3的四面體(換算成等體積球體直徑D=1.24m)對消力池進行加固，根據(jù)伊茲巴什公式v=(5～7)D0.5(式中：v表示抗沖流速，D為抗沖料直徑)，可求得四面體抗沖流速v=(5.57～7.79)m/s，而池后最大流速不超過6.2m/s，經(jīng)消力池消能后四面體基本能夠滿足抗沖要求。

當流量Q=2000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖9(a)，下游沖刷情況見圖9(b)?？梢钥吹剑Τ爻貎?nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒式水躍。消力池及下游河道流場分布見圖9(c)，可以看到，消力池出池流速最大不超過5m/s，消力池出池流速明顯降低。

當流量Q=1000m3/s時，消力池及下游河道流態(tài)見圖10(a)，下游沖刷情況見圖10(b)。消力池池內(nèi)發(fā)生淹沒水躍，下游河床基本無沖刷，四面體也沒有發(fā)生沖動的跡象。消力池及下游河道流場分布見圖10(c)，可以看到，消力池出池流速非常小，最大流速約為4m/s左右。

綜上，流量小于3000m3/s時，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒水躍，消力池出池流速不超過5m/s，消力池尾坎后20m范圍內(nèi)的四面體基本穩(wěn)定。

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖8Q=3000m3/s時修復方案試驗

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖9Q=2000m3/s時修復方案試驗

(a)流態(tài) (b)沖刷形態(tài) (c)流場分布

圖10Q=1000m3/s時修復方案試驗

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)狀防護條件下，當流量為1000m3/s時，現(xiàn)有拋填的四面體可有效防止消力池尾坎淘刷；當流量為2000m3/s時，消力池尾坎后四面體局部失穩(wěn)、兩側(cè)四面體基本穩(wěn)定；當流量為3000m3/s時，消力池中部未形成水躍，下泄水流以急流形態(tài)與下游銜接，最大出池流速為9m/s，尾坎后的四面體大部分被水流帶向下游，消力池底板懸空，嚴重威脅消力池安全，消力池一旦失事，可能引發(fā)潰壩風險。

(2)試驗結(jié)果表明，消力池消能不充分、出池流速大、四面體坡腳抗沖能力不足是四面體整體失穩(wěn)的主要原因，為此，提出了“消能+固坡”的修復思路。

(3)提出了“尾坎加高+延長四面體拋填范圍+坡腳回填”的修復方案。試驗結(jié)果表明，該方案在流量為3000m3/s時，消力池池內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的淹沒水躍，消力池出池流速不超過5m/s，消力池尾坎后20m范圍內(nèi)的四面體基本穩(wěn)定。

(4)若需抵御1000m3/s來流，現(xiàn)有拋填的四面體可有效防止消力池尾坎淘刷，建議僅對現(xiàn)有四面體末端坡度較大的部位做降坡、修形處理；若需抵御3000m3/s來流，建議消力池尾坎后新建混凝土防淘齒墻，齒墻底部高程深入基巖，齒墻高度宜根據(jù)地勘結(jié)果確定。

(5)建議四面體之間采用鋼絲繩連接，汛期過流期間加強監(jiān)測。