拱坝下游冲坑对近坝岸坡稳定性影响分析

谢 杰，范泽中，梁经纬，李金友

（1. 湖南省水利水电科学研究院， 湖南 长沙 410007；2. 湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心，湖南 长沙 410007）

1 概 述

对于高水头、大流量、狭窄河谷、陡高岸坡等特点的水库工程消能方案，结合大坝的设计工作和工程具体特点，国内已进行了大量的研究。解决好泄水建筑物和近坝岸坡的安全，减轻对河床及两岸岸坡冲刷影响等，是该类工程枢纽布置的关键[1～3]。

会人溪拱坝工程由拦河坝、引水系统、发电厂房及开关站等组成。拦河坝为细石混凝土砌石双曲拱坝，坝顶高程162.00 m，坝底高程90.50 m，最大坝高71.5 m，坝底厚度14.50 m，坝顶宽度4.0 m，坝顶上游面弧长275.01 m，厚高比为0.203，弧高比为3.82∶1。溢洪道布置在坝顶中部，堰顶高程152.00 m，溢洪道布置5 扇10 m×8.3 m 平板钢闸门，泄洪闸净宽50 m。坝顶设闸门启闭房及坝顶交通桥。

根据坝基开挖揭示的地质条件，离右岸坝基下游20～35 m（从上到下）发育一条F4 断层，断层宽度约0.1 m，影响带很小，出露高程为140 m 以上，高程140 m 以下尖灭，断层走向与岩层夹角68°，倾角倾向上游70°～80°；离右岸坝基下游40～75 m（从上到下）发育一条F8 断层，断层宽度0.2～0.8 m，影响带宽1.0～1.5 m，出露高程为90 m 以上，断层走向与F4 平行，倾角倾向上游55°～70°。左岸坝肩为反向坡，岩层走向平行岸坡。该岩层走向与拱端推力方向近于垂直，倾角51°倾向山里。右岸为顺向坡，岩层走向与拱切线方向交角不大，控制着坝肩稳定。

2 消能防冲复核

溢洪道出口采用挑流消能，挑距采用《混凝土拱坝设计规范》式（附A.4.1）计算公式：

冲坑最大水垫厚度按《混凝土拱坝设计规范》式（附A.4.2）进行估算：

式中 tk——自下游水面至坑底的最大水垫深度（m）；

α1——冲坑系数，坚硬完整的基岩，α1=0.7～1.1；坚硬但完整性较差的基岩，α1=1.1～1.4；软弱破碎、裂隙发育的基岩，α1=1.4～1.8；

q——单宽流量，[m3/（s·m）]，应乘以流量向心集中系数Cq；

H——上下游水位差。

流量向心集中系数Cq按《混凝土拱坝设计规范》式（附A.4.3）进行估算：

式中 Cq——流量向心集中系数，取1.57；

R——鼻坎末端算起的拱坝半径（m）；

L——由鼻坎末端算起的挑距（m）。

目前实测出在2%洪水频率下的冲坑深度为7.5 m，根据上式可反演出冲坑系数为0.8 左右，在坚硬完整的基岩冲坑系数范围之内，因此本计算中取最不利冲坑系数为1.1。溢洪道消能防冲计算结果见表1。

表1 溢洪道消能防冲计算结果表

由表1 可知，水舌挑距在62 m 左右，水舌落点基本在河床部位；稳定冲坑深度在14～17 m 之间，挑距与冲坑深度的比值均大于3.0，目前冲坑深度约7.5 m，冲刷坑不会危及大坝安全。但右岸边坡为顺层坡，随冲坑加深切脚，可能影响大坝下游右侧边坡的稳定，需根据右岸岩层和构造面倾角等具体地质条件分析。

运用三维激光扫描仪对挑角进行测算（如图1、图2 所示），其鼻坎挑角为15°，经计算挑角在15°～20°范围变化时，其对水舌挑距的影响不大。当上游水位为152.5 m 时，水舌挑距为31.8 m，当上游水位为153 m 时，水舌挑距为34 m，由此可见长时间小流量导致拱坝下游出现了较大冲坑。

图1 三维激光扫描仪工作图

图2 挑角复核

3 右岸边坡稳定性分析

右岸边坡为顺层坡，随冲坑加深切脚，可能影响大坝下游右侧边坡的稳定，需根据右岸岩层和构造面倾角等具体地质条件做进一步分析。本次安全评价采用北京理正岩土5.6 版岩质边坡复杂平面滑动稳定分析模块对右岸边坡做稳定分析。

1） 现状冲坑深度时边坡稳定性分析

目前冲坑深度约为7.5 m，尚没有下切右岸边坡，此时考虑边坡的最不利断剖面为冲坑与边坡切线垂直切割边坡，且假定沿泥化夹层滑动，计算简图如图3 所示。经计算，现状边坡的安全为1.697，大于1 级边坡所要求的安全系数1.3。

图3 现状边坡稳定计算简图

2） 冲坑17 m 时边坡稳定性分析

设计洪水位对应的冲坑深度17 m，可将其视为可能达到的稳定冲坑深度，此时冲坑下切右岸边坡，此时考虑边坡的最不利断剖面为冲坑与边坡切线垂直切割边坡，且假定沿泥化夹层滑动，计算简图如图4 所示。经计算，冲坑深度达到17 m 时边坡的安全为0.941，小于1 级边坡所要求的安全系数1.3，边坡可能沿泥化夹层发生滑坡。

3） 冲坑12 m 时边坡稳定性分析

当冲坑深度达到12 m，冲坑下切右岸边坡，此时考虑边坡的最不利断剖面为冲坑与边坡切线垂直切割边坡，且假定沿泥化夹层滑动，计算简图如图5 所示。经计算，冲坑深度达到12 m 时边坡的安全为1.337，大于1 级边坡所要求的安全系数1.3，边坡可能沿泥化夹层发生滑坡。

图4 冲坑17 m 时边坡稳定计算简图

图5 冲坑12 m 时边坡稳定计算简图

4 结 语

消能防冲复核是水库大坝安全评价工作中的一项重要内容。由于会人溪水库大坝右岸为顺向坡，控制着坝肩稳定，因此本文结合该水库大坝下游冲坑的发展，研究探讨了冲坑发展对近坝岸坡的不利影响。研究结果表明现状冲坑深度下右岸边坡的稳定性满足规范要求，冲坑深度达到12 m 时右岸边坡的安全系数为1.337，达到临界安全状态，水库管理部门需严密监控冲坑的发展趋势。