维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ３卷第６期 水利科技与经济 、 １．１３ Ｎｏ．６ ２ＯＯ７年６月 Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｊｕｎ．，２ＯＯ７ 天然河道上溢流坝坝－Ｖ冲坑成因探讨 刘丽华 ，鲁萍ｂ （木兰县水务局ａ．基层总站ｂ．设计队，黑龙江木兰１５１９００） ［摘要】在阐述木兰县西北河拦河坝现状的基础上，分析了导致溢流坝坝下冲坑的成因，认为 坝下冲坑是威胁拦河坝安全的主要危险，必须引起足够的重视，使拦河坝更好的发挥作用。 ［关键词】溢流坝；冲坑；原因分析 ［中图分类号】ＴＶ６５１．１ ［文献标识码】Ｂ ［文章编号】１００６—７１７５（２０。ｒ７）ｏ６—０３８０—０２ 木兰县地处半山区，境内有左西北河，木兰达河等多 增加，能量在河床中消耗的过程，产生了冲刷。 条支流，右岸一级支流亮珠河，在这些河流上修建并正在 具体以西北河拦河坝为例，对过坝水流在下游河道 运用的拦河坝有多座，其中西北河上有１座、木兰达河上 发生的水跃形式进行计算分析。 有３座等。由于地处西河中游，河床为粗砂夹少量孵石， 西北河拦河坝始建于１９８５年，结构形式为柳石坝。 多被冲刷，因此这些坝的坝后，深浅不同都有冲坑存在， 于１９９１年在原坝的基础上改建为混凝土溢流坝，运用至 它严重威胁着坝的安全，有几座坝下冲坑发展迅速，已使 今，坝长６５ ｍ，底宽３０ ｍ，坡比：迎水为１：３，背水为１：５，最 拦河坝无法正常运行造成严重损失。尤其是现有拦河坝 大坝高３．５ ｍ，集雨面积２１５ ｌ，ｄ，２０年一遇，洪水流量为 下无得力的消能防冲设施，很多又用混凝土护面和穿带， １６１ ｍ３／ｓ。１９６６年夏汛，因坝后冲坑破坏使坝右端冲开 这样坝下冲坑的矛盾更为突出，因此对坝下冲坑形成的 ２５ ｍ宽缺口，此段坝面全部冲毁，坝体块石下移，坝面最深 原因进行分析探讨，以便采取有效措施，确保拦河坝的安 冲坑２ ｍ，从实侧坝后冲坑深度等值线图可见冲坑形状，其 全。 最大坑深为６．９５ ｍ（至下坝面高度），通过实地考察分析， １木兰县拦河坝的结构形式 此次破坏为坝下冲坑所至。 要弄清冲坑形成的原因，首先应进行坝后水跃形式 木兰县拦河坝大部分始建于１３伪时期，最初结构为 的判别，因为坝下局部水流现象，实质上起射流与水跃两 柳石坝，随着逐年维修，柳条成分不断减少，块石不断增 种水流的混合流动，不同水跃对下游的破坏程度不同，其 加，到目前为止基本属堆石溢流坝。其断面，从现状看基 中以远驱式水跃最为严重。 本属于印度式溢流坝。迎水坡比为１：３～１：３．５，背水坡比 溢流坝是建筑在天然河道上，对水流没有调节控制 为１：８～１：２０，以堆石为主。坝长多在６０～１４０ ｍ，底宽在 的水工建筑物。河道的来水量都从坝上通过，过坝流量 ３０～８０ ｍ，体积大，抗滑、抗倾覆稳定系数都很大。多年运 极不稳定，最枯流量＜１ ｍ３／ｓ，而洪峰流量＞２００ ｍ３／ｓ。如 用实践证明，地基承载力满足要求，因此坝的破坏是坝体 要准确判别坝后水跃形式，必须对上游不同来水量在坝 表面块石移动和坝后冲坑。 下产生的水跃形式进行一一计算，从而找出产生远驱式 ２形成坝后冲坑的主要因素 水跃的流量，计算其水跃长度。 西北河拦河坝的计算方法是：设过坝某一流量，在下 ２．１水能的作用 游产生水跃，计算出该水跃的第二共轭水深，与同流量下 拦河坝是一壅水建筑物，受它的影响上游河道水面 的下游河道水深相比较，判别出这一水跃形式，这样设若 发生变化，呈壅水曲线。当水流过坝，由缓流变为急流， 干流量后，即可得到发生远驱式水跃的流量。 坝后流速很大。从能量上分析过坝水流势能减少，动能 具体计算过程及基本资料从略，仅将结果例入表１。 表１ ［收稿日期］２００７—０５—１０ ［作者简介】刘丽华（１９６７一），女，黑龙江双城人，工程师；鲁萍（１９７１一），女，黑龙江木兰人，工程师，工学士 －－－－——３８０－－－－—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘丽华，等：天然河道上溢流坝坝下冲坑成因探讨 以上是堰流情况下计算结果。 第６期 能力。冰凌冲击力的大小与其质量有关，与下降速度有 关，而下降速度直接与坝面的糙率有关，因此不同结构的 为使计算更接近实际，将坝作为一折线型实用堰，过 堰后水流与下游河床以陡坡相连结。也就是把下坝面作 为一陡坡处理，通过对陡坡水面曲线的推求，得出收缩断 面水深及相应的第二共扼水深，与下游河道相应流量下 水深进行比较，判别发生的水跃形式，这样通过一系列不 坝面，糙率不同，下游河床破坏程度不同，坝下冲坑深浅 也不同。 通过对木兰县西北河上正在运用的几座拦河坝的考 察，唯有西北河拦河坝坝面是用混凝土护面，混凝土的糙 同流量的计算，找出下游产生远驱式水跃的流量，同时计 率系数是０．０１４，而实际通过１６ ａ运用，水流作用及附着生 算出水跃长度（因计算繁琐，其过程及成果不一一列出， 其目的是与上种情况相对照比较，使成果更接近实际）。 以上两种计算结果比较接近，表明只有在很小流量 下，下游才产生远驱式水跃，而此时水跃长度又很小，虽 对河床有冲刷，但冲力较小，而实际冲坑很深，这说明上 下游水位关系与假定情况不同，并非是以上游河道的来 水量去推求下游相应流量的水深。而在其它情况下，尤 其是每当洪峰来临的短时间内，上下游水位差增大，能量 增大，下游产生远驱式水跌，对河床冲刷严重。究竟某次 洪峰对下游产生远驱式水跃，对河床冲刷严重。究竟某 次洪峰对下游河床将产生怎样的破坏程度，现无法准确 计算，只能从理论上去分析，无准确计算结果。 根据水力学原理，进行流态分析，对坝下冲坑的深度 及范围而言，以交替流最为严重。所谓交替流，即当某一 水跃发生后，随着下游水位的续升，跃首向上推移则迫使 水舌压缩，呈底射混合流。待水舌被压迫至最大限度后， 因舌内旋滚的离心力及内水压力之和，超过了外旋滚离 心力及外水压力之和，水舌又舒张至原来位置，如此往返 不已，每往返一次在下游水面上造成一次振荡波，多次往 复后因波的叠加形成巨大波浪，延绵至下游很远，这一交 替流态对河底冲刷极为严重。所建的溢流坝、水位流量 经常变化，因此常有交替流态出现，对河底的冲刷必然存 在。 ２．２冰凌的冲击作用 木兰县地处北温带，结冰期很长，在最初结冰期一般 河床水位较高，水面较宽，随着气温下降，河水位的不断 降低，冰厚的不断增加，靠近河两岸的冰层直接接触河 床，将河底的泥砂及孵石冻结在冰上，因此这类冰的比重 比常冰的比重大，每当春季，随着气温的不断回升，冰层 在桃花水的作用下迅速解体，形成冰凌，浮着水面，顺流 而下，冰凌的大小不等，最大冰块面积有６ｏ ｍ２，厚度一般 在０．８～１．０ ｍ，冰的浮水高度一般为０．１～０．２Ｎ的冰厚。 此时的河床水位较低，水深较小，当冰块过坝后，由于动 能的作用，冰块直接冲击河底，对下游河床有一定的破坏 物的影响，表面光滑，糙率系数又大大减小，其它几座拦 河坝表面是用不规则的块石砌筑或堆石，糙率系数在０．０４ 以上，由于坝面糙率的差异，坝下冲坑深度也不同，西北 河拦河坝护面后仅１６ ａ时间，冲坑发展迅速，深６．９５ ｍ，而 其它几座坝下都在２．０～３．０ ｍ，西北河拦河坝的坝下冲 坑矛盾突出，以至达到不能正常运用的程度。因此冰凌 破坏，对冲坑形成是一不可忽视的因素。 ２．３坝面偏流，坝后迥流等因素对下游河床的破坏 坝面过水，在设计上是厚度相同的，而在实际中是不 同的，过坝水流不均匀，形成局部集中流，坝后产生的水 跃与计算结果有变化，它将大于计算的水跃长度而在局 部首先产生冲刷破坏。 迥流对坝下河床也产生破坏作用。过坝水流的不规 则，下游河道不规整，水流扩散不均匀，两岸抗冲强度不 同，都可产生迥流现象，迥流对下游河床具有一定的冲刷 能力，我县几座拦河坝下，程度不同的都有迥流存在。 ２．４坝后无消能措施或措施不当使河底冲刷 坝后无消能设施是木兰县拦河坝的普遍性问题。现 有的几座拦河坝，坝后无很好的护坦和海漫段至使冲坑 形成，为了解决这一个问题，又大多采用了坑内抛石的补 救措施，由于抛石与河床直接接触，无反滤措施，水流作 用，产生接触冲刷，加之冰凌等因素的作用，使抛石不断 下移，冲坑逐年发展，没有从根本上消除水能，保护河底， 解决冲刷问题。 ［参考文献］ ［１］武汉水利电力学院．河流泥沙工程学［Ｍ］．北京：水利 电力出版社，１９８３．１７６． ［２］郭子中．消能防冲原理与水力设计［Ｍ］．北京：科学出 版社，１９８２．９５． ［３］武汉水力电力学院．水力学［Ｍ］．北京：人民教育出版 社，１９７４．１８０． ［４］华东水利学院．水力学［Ｍ］．北京：科学出版社， １９ｒ７９．７５． 一３８１—
