歐坦工程河段不利河勢治理措施總體方案設(shè)計研究

劉 欣 杜 娟 李利琴

（河南黃河勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州450003）

小浪底水庫運用以來，進入黃河下游的水沙條件較以往有了很大變化。在這種變化的水沙條件下，局部河段出現(xiàn)了不利河勢，尤其是部分河段出現(xiàn)主流直接頂沖工程， 造成工程出險直接威脅灘區(qū)生活、生產(chǎn)安全的不利河勢情況。近年來，歐坦、韋灘等不利河勢均是此類險情的典型代表。為治理此類險情，不得不采取一些臨時性的工程措施，以避免此類不利河勢持續(xù)發(fā)展對防洪安全造成的威脅。 在這種情況下，結(jié)合重復組裝式導流樁壩的試驗與推廣，研究探索該類型壩用于不利河勢臨時工程搶險的可行性，為今后進一步對類似不利河勢治理的方法提供可選的措施是一項十分有意義的工作。

1 歐坦工程河段不利河勢治理的必要性

1.1 河段自然地理及工程概況

歐坦控導工程位于開封縣劉店鄉(xiāng)歐坦村北的黃河灘區(qū)， 始建于1978 年。 以控制府君寺至貫臺間的河道、達到穩(wěn)定貫臺至東壩頭之間的河勢，保證三義寨閘門供水和保護劉店灘區(qū)為目的而修建。 該工程上迎曹崗工程來流，下送流至貫臺工程。 目前，工程長度4664m，現(xiàn)有丁壩26 道、垛14 座、護岸10 段，共計50 道壩（垛、護岸）。受歐坦工程保護的劉店灘區(qū)內(nèi)共有22 個行政村、3.5 萬人口及8 萬畝耕地。

1.2 河段河勢變化及治理的必要性

2009 年以來，歐坦工程河勢連續(xù)上提，變化較快，大河主溜在12壩上首400m 范圍內(nèi)坐灣，灘地坍塌速度加快，尤其是在2013 年1～4月中旬期間，12 壩上首灘地平均坍塌寬度90 余米， 平均每天坍塌0.5～1m。 調(diào)水調(diào)沙期間坍塌速度更快，南北方向的灘岸也相繼發(fā)生了順溜坍塌。 圖1 為2009～2013 年歐坦工程所在河段的河勢變化。

截止2013 年7 月7 日，12 壩上首500m 范圍內(nèi)灘岸基本已坍塌至13 垛及14 護岸，主流直接頂沖12 壩上首歷史修建的防護工程，并坐灣出現(xiàn)險情。 由于該防護工程是1979 年歐坦工程搶險時修筑的臨時防護堤，沒有根石，抗沖能力十分欠缺。

不利河勢持續(xù)發(fā)展，有可能造成防護堤決口，主溜抄歐坦工程后路，導致歐坦工程背河低灘區(qū)被淹，主流奪串向南的不利防洪局面，威脅劉店灘區(qū)內(nèi)的生命財產(chǎn)安全，造成嚴重的經(jīng)濟損失和不好的社會影響。

2 不利河勢應(yīng)急搶險方案結(jié)構(gòu)型式選擇

應(yīng)急搶險工程主要是為避免河勢繼續(xù)向不利局面發(fā)展而建，由于部分工程可能不在規(guī)劃工程范圍以內(nèi)，當河段河勢趨向歸順后，該工程可能將長期處于脫河狀態(tài)，因此這類工程與正常修建的控導工程在作用上會有所不同。

鑒于應(yīng)急工程布置的位置大多切入河道主流， 易遭受主流淘刷，工程自身又不能標準過高以避免影響大洪水的通過，所以壩體對自身穩(wěn)定性要求高于一般丁壩。 選擇適合該特點的結(jié)構(gòu)型式，在滿足自身穩(wěn)定的前提下，能一定程度的控導河勢且經(jīng)濟合理、施工可行顯得尤為重要。

圖1 2009～2013 年歐坦河段主流線套繪圖

黃河下游河道整治工程多采用傳統(tǒng)土石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)型式相對簡單，且有熟練的施工經(jīng)驗。 但由于該結(jié)構(gòu)根石不能一次性施工到最大沖刷深以下，一旦工程遭受主流沖刷，工程易出險，且作為應(yīng)急工程，受目前材料供應(yīng)等條件的限制難以迅速施工。近年來作為新技術(shù)、新材料推廣的土工布長管袋結(jié)構(gòu)， 其水中進占施工工藝較為復雜，且在主流中施工流速較大的情況下鋪設(shè)難度較大。

圖2 方案比選平面布置圖

根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，采用鋼筋混凝土預(yù)制管樁結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)工程的可拆除與不搶險， 并能在水中快速施工， 且施工干擾因素相對較小，其次，該結(jié)構(gòu)壩具有小水導流，對大、中洪水泄洪影響小且自身安全性好等特點，因此本次設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁結(jié)構(gòu)壩。

3 不利河勢治理應(yīng)急搶險工程平面布置設(shè)計

3.1 不利河勢治理應(yīng)急搶險工程設(shè)計需考慮的因素

不利河勢應(yīng)急搶險工程布置需考慮的因素有：一是，首先控制當前不利河勢的進一步發(fā)展， 防止主流抄歐坦工程后路，保證穩(wěn)定灘區(qū)群眾的生產(chǎn)生活安全；二是，盡可能引導河勢逐漸按照規(guī)劃流路行進，增強已建工程的控導作用；三是，盡可能采用施工速度快的搶護方案，做到快速搶險，使工程盡快發(fā)揮作用；四是搶險工程在險情消除后盡可能不對未來的河勢演變以及大洪水行洪產(chǎn)生大的不利影響；五是盡可能避免過多的工程占地，減少搶險過程中的干擾，利于施工。

3.2 不利河勢治理工程布置方案

本次工程作為不利河勢治理工程，具有臨時應(yīng)急搶險的性質(zhì)。 根據(jù)前述工程設(shè)計需考慮的各種因素，通過實地查看，對工程位置和平面布置進行了三個方案比較。 圖2 為三個比選方案的平面布置圖。

方案一：應(yīng)急搶險樁壩布置始點距水邊線約50m，距垂直連壩方向約280m、距12 壩壩根約800m。自搶險樁壩布置始點沿與主流夾角140°方向修建。

方案二：應(yīng)急搶險樁壩布置始點距水邊線約50m，距垂直連壩方向約130m、距12 壩壩根約590m。自樁壩始點沿與主流夾角118°方向修建。

方案三：樁壩布置始點與方案二同。 自樁壩布置始點沿與主流夾角130°方向修建， 該壩軸線方向與已建歐坦工程直線段連壩方向平行。

表1 為三個方案的優(yōu)缺點對比。

通過對工程在臨時搶險、工程見效快、搶險施工期干擾因素少、施工安全等因素的綜合比較，最終確定方案二為搶險布置的總體方案。

4 實施情況及治理效果

4.1 實施情況

歐坦上首不利河勢治理工程于2013 年7 月20 日開始施工，至8月18 日完成施工任務(wù)， 工程應(yīng)用射水沉樁技術(shù)在開封歐坦控導工程上首應(yīng)急搶修挑流護岸，樁長20m。 施工期間夾河灘水文站大河流量1000m3/s～3980m3/s。

工程原設(shè)計方案工程布置長度為300m，由于工程的臨時性，修建方案根據(jù)實際情況做出了相應(yīng)調(diào)整，施工過程中，隨著工程長度的增加及大河流量的變化， 主流經(jīng)樁壩挑流后不利河勢逐漸得到緩解，險情得以有效控制，最終工程實際實施長度為100m。

4.2 治理效果

4.2.1 流速變化

表2 為施工過程中的流速監(jiān)測數(shù)據(jù)。 根據(jù)表中資料的統(tǒng)計，2013年7 月30 日～8 月19 日，樁壩前實測流速為1.6～3.5m/s，樁壩后實測流速為0.2～2.0m/s。 樁壩上下游流速差別較大，經(jīng)樁壩挑流后，大河流速明顯減小，對灘岸的頂沖威脅大幅降低。

表1 工程平面布置方案對比表

表2 實測流速統(tǒng)計表

4.2.2 河勢及灘岸坍塌變化情況

為了觀測灘岸坍塌情況，沿歐坦防護堤12 垛向上游以50m 為一間隔共布設(shè)了5 個觀測斷面。 從斷面坍塌情況統(tǒng)計來看，8 月4 日以前，灘岸坍塌較為嚴重，斷面1 天最大坍塌7m。 8 月4 日，樁壩進占著溜一定長度后，主溜明顯外移，灘岸坍塌速度明顯下降，8 月7 日以后基本不坍塌，河勢趨于穩(wěn)定。

根據(jù)7 月15 日～8 月19 日施工期的河勢觀測成果， 歐坦觀測靠河壩號自工程開工后被控制在12 壩～37 壩。 在施工期間夾河灘水文站出現(xiàn)3980m3/s 流量，灘岸坍塌嚴重的情況下，歐坦工程不利河勢沒有進一步上提。 樁壩有效的控制了河勢的進一步發(fā)展，保護了灘地和工程的安全。

4.2.3 搶險情況

黃河下游河道整治工程普遍采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式較為經(jīng)濟且易施工，但由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)根石不能一次性施工到最大沖刷深以下，一旦工程遭受主流沖刷，易反復出險，給工程管理和搶險帶來極大負擔。

據(jù)統(tǒng)計，歐坦控導工程12 壩及其藏頭工程7 月份以后共出險47次，其中一般險情42 次，較大險情5 次，出險體積達13609m3。 其中7月20 日以前出險37 次，出險體積12150m3，占統(tǒng)計總數(shù)的89%，且較大險情都出現(xiàn)在7 月20 日樁壩開始施工以前，樁壩修建初期12 壩及其藏頭工程出現(xiàn)一些小的險情，待樁壩工程初具規(guī)模、發(fā)揮一定作用后就再也沒有出現(xiàn)新的險情，說明樁壩的實施有效的減少并控制了險情的發(fā)生。

5 結(jié)論和建議

本次歐坦應(yīng)急搶修工程利用鋼筋混凝土預(yù)制空心管樁組成不同長度的鋼筋混凝土透水樁壩，以期實現(xiàn)解決臨時的不利河勢問題。 與傳統(tǒng)河道整治工程相比，重復組裝式導流樁壩能夠?qū)崿F(xiàn)快速插樁修建成壩，也可以快速拔除，拆除的管樁能夠重復利用的特點。本次工程布置總體方案是通過對主流的直接控導，實現(xiàn)了以較小的工程量達到減輕不利河勢發(fā)展的目的。

通過本次工程布置和采用的工程措施看，工程的實施基本達到了快速有效處理臨時河勢變化、防止畸形河勢繼續(xù)發(fā)展的效果，為黃河下游防汛搶險提供了新的技術(shù)支撐。然而，由于工程修建的長度有限，并沒有真正的實現(xiàn)對不利河勢的根治，此外，由于工程的運行時間較短，對河勢長期影響的效果還需進一步進行觀測。

［1］河南黃河勘測設(shè)計研究院.黃河下游移動式不搶險潛壩設(shè)計研究[J].2009，10.

［2］耿明全,張成,張汝印.黃河下游移動式導流壩研究與應(yīng)用[J].中國水利,2009(22):42-45.

［3］移動式空心排樁導流和支擋設(shè)計與施工[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.