寧郎電站1#臨河渣場(chǎng)對(duì)河道行洪與河勢(shì)穩(wěn)定的影響

，

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231；2.成都市君智技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，成都，610041)

為了滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國(guó)西南地區(qū)開發(fā)建設(shè)了大量的不同規(guī)模的水電工程[1]。四川省地處長(zhǎng)江上游，山地、丘陵面積占全省總面積的90%以上[2]，小水電開發(fā)工程選址一般在山高、坡陡、河道比降大的高山峽谷區(qū)[3]。由于水電工程建設(shè)過(guò)程中土石方量大，會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣[4]，而山區(qū)河道沿岸的河漫灘地一般地形平坦，大多為卵礫石地及河沙堆積區(qū)，在考慮不影響行洪安全和河勢(shì)穩(wěn)定的前提下，并采取水土保持措施的情況下，利用其征地費(fèi)用低、棄渣方便、存渣量大的特點(diǎn)，多將河谷類棄渣場(chǎng)作為水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)址的首選[3]。臨河棄渣場(chǎng)棄渣堆放在河岸，受工程所處河段的地形條件限制，會(huì)束窄河道的行洪斷面，改變河段的水流形態(tài)，影響下游河道的行洪能力[5]。因此，本文以水洛河寧朗水電站1#渣場(chǎng)為例，就臨河型棄渣場(chǎng)對(duì)河道行洪與河勢(shì)穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析。

1 工程及棄渣場(chǎng)概況

寧朗水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)，為金沙江左岸一級(jí)支流水洛河的第九個(gè)梯級(jí)電站，采用引水式開發(fā)。電站主體工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)和發(fā)電樞紐三部分組成。首部樞紐分擋水建筑物和泄水建筑物，由左右岸擋水壩段及混凝土閘壩組成，最大壩高27.5m，壩頂高程1858.0m。

寧朗水電站水庫(kù)地處高山峽谷區(qū)，區(qū)內(nèi)山高坡陡，山勢(shì)巍峨，山脈海拔高程多在3500m～4500m，河谷形態(tài)多為不對(duì)稱“Ⅴ”型谷，庫(kù)尾河谷較開闊，兩閘址間庫(kù)段河谷較狹窄。工程河段比較順直，河岸邊坡較完整，比較穩(wěn)定，平均自然坡度一般35°～60°，谷坡下緩上陡，并且河谷多為陡崖。岸坡植被良好，樹木茂盛。

工程棄渣根據(jù)施工布置特點(diǎn)就近布置堆放。1#渣場(chǎng)堆渣13.82萬(wàn)m3、占地1.44hm2，最大堆渣高度10.0m，擋渣堤頂現(xiàn)狀高程為1818.15m～1825.34m。棄渣場(chǎng)沿水洛河側(cè)設(shè)置C15混凝土重力式擋渣堤，與C15混凝土護(hù)坡相結(jié)合的方式進(jìn)行防護(hù)，以滿足防洪要求。

2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工程河段防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，結(jié)合城市等級(jí)、發(fā)展需要及保護(hù)對(duì)象的重要性確定河段防洪標(biāo)準(zhǔn)。寧朗水電站棄渣場(chǎng)位于木里縣寧朗鄉(xiāng)紅布定村，所在位置為鄉(xiāng)村，防護(hù)人口≤20萬(wàn)人，防護(hù)區(qū)耕地面積≤2萬(wàn)hm2，防洪標(biāo)準(zhǔn)20～10年一遇。

根據(jù)《四川省河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理暫行辦法》第一章第三條規(guī)定，寧朗水電站棄渣場(chǎng)評(píng)價(jià)河段屬于其規(guī)定的其余河道管理范圍，工程河段防洪標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇。

2.2 棄渣場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL575-2012)相關(guān)規(guī)定，棄渣場(chǎng)級(jí)別根據(jù)堆渣量、堆渣最大高度，以及棄渣場(chǎng)失事后對(duì)主體工程或環(huán)境造成的危害程度確定，攔渣堤防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足河道管理和防洪要求。

本工程1#棄渣場(chǎng)及攔渣工程建筑物級(jí)別均為4級(jí)，根據(jù)棄渣場(chǎng)級(jí)別及渣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模，確定寧朗水電站各渣場(chǎng)的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)均為30年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇。

3 棄渣場(chǎng)對(duì)河道行洪與河勢(shì)穩(wěn)定影響分析的計(jì)算

本工程防洪評(píng)價(jià)工作采取1/1000地形圖，根據(jù)河勢(shì)地形1#渣場(chǎng)布設(shè)6個(gè)計(jì)算特征斷面，其中CS1位下游起算控制斷面。

3.1 渣場(chǎng)起算控制斷面流量與水位計(jì)算

利用工程河段水文站現(xiàn)有資料進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，寧朗水電站1#渣場(chǎng)的設(shè)計(jì)洪水采用呷姑水文站為依據(jù)，采用水文比擬的方法推算。水位流量關(guān)系曲線采用水力學(xué)公式計(jì)算。根據(jù)水文分析計(jì)算成果，設(shè)計(jì)洪水(流量)及對(duì)應(yīng)水位關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 下游CS1起算控制斷面水位流量關(guān)系

3.2 壅水與行洪分析計(jì)算

棄渣場(chǎng)壓縮水流，使棄渣場(chǎng)上游及堆存范圍內(nèi)水面壅高，形成壅水。為分析工程河段1#棄渣場(chǎng)建成前后河道行洪能力的變化情況以及對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的影響，根據(jù)工程布置方案，采用HEC-RAS河流分析系統(tǒng)軟件模型對(duì)P=2%、P=3.33%和P=10%的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行水力要素分析計(jì)算。棄渣場(chǎng)建成前后不同頻率設(shè)計(jì)洪水各斷面水位、過(guò)流面積、流速等計(jì)算成果變化情況見(jiàn)表2。

表2渣場(chǎng)建設(shè)前后設(shè)計(jì)洪水水力要素計(jì)算成果比較

斷面號(hào)里程(m)河底高程(m)P=2%,Q=1510m3/sP=3.3%,Q=1400m3/sP=10%,Q=1150m3/s水位差值(m)過(guò)流面積變幅(%)流速變幅(%)水位差值(m)過(guò)流面積變幅(%)流速變幅(%)水位差值(m)過(guò)流面積變幅(%)流速變幅(%)CS1542901824.300.000.000.000.000.000.000.000.000.00CS1439901817.460.09-1.681.710.07-1.761.790.06-1.831.86CS1338501810.300.07-2.132.180.06-2.212.260.05-2.282.33CS1237101809.000.06-1.411.430.05-1.481.500.04-1.531.55CS1135301805.010.000.000.000.000.000.000.000.000.00CS101752.200.000.000.000.000.000.000.000.000.00

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在50年一遇洪水條件下1#棄渣場(chǎng)河段最大壅水高度0.09m，過(guò)流面積最大縮窄率為2.13%，流速增幅為1.71%～2.18%；30年一遇洪水條件下1#棄渣場(chǎng)河段最大壅水高度0.07m，過(guò)流面積最大縮窄率為2.21%，流速增幅為1.50%～2.26%；10年一遇洪水條件下1#棄渣場(chǎng)河段最大壅水高度0.06m，過(guò)流面積最大縮窄率為2.28%，場(chǎng)流速增幅為1.55%～2.33%。棄渣場(chǎng)建設(shè)對(duì)河道行洪影響較小。

3.3 沖刷與淤積分析計(jì)算

棄渣場(chǎng)建設(shè)后占了河道的行洪河寬和面積，工程河段上下一定范圍的河段內(nèi)，過(guò)流面積減小，流速增加，造成兩側(cè)岸沖刷加劇。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)，平順護(hù)岸沖刷深度可按下列公式計(jì)算：

式中：hs——局部沖刷深度(m)；

H0——沖刷處的水深(m)；

Ucp——近岸垂直平均流速(m/s)；

Uc——泥沙起動(dòng)流速(m/s)。

根據(jù)公式計(jì)算可得，在50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，1#棄渣場(chǎng)岸坡沖刷深度為0.83m～0.97m；在30年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，1#棄渣場(chǎng)岸坡沖刷深度為0.78m～0.91m。1#擋渣堤的基礎(chǔ)埋深為1.70m，大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的擋渣堤所在位置處的岸坡沖刷深度，1#擋渣堤的基礎(chǔ)埋深度滿足規(guī)范要求。

3.4 河勢(shì)影響分析計(jì)算

3.4.1 穩(wěn)定河寬計(jì)算

穩(wěn)定河寬是指河床在某級(jí)流量和河床比降下應(yīng)有的寬度，維持穩(wěn)定河寬避免河床產(chǎn)生再造床現(xiàn)象[3]。穩(wěn)定河寬計(jì)算采用阿爾圖寧公式：

式中：B——穩(wěn)定河寬(m)；

A——穩(wěn)定河寬系數(shù)，取1.0～1.7；

Q——造床流量(m3/s)；

J——河道比降，以‰計(jì)。

本工程采用2年一遇洪水作為造床流量。工程河段2年一遇(P=50%)洪水流量731m3/s，河道比降16.81‰，且河道處于較穩(wěn)定河段，穩(wěn)定河寬系數(shù)取1.05，計(jì)算得到工程河段穩(wěn)定河寬為44.00m。

1#棄渣場(chǎng)擋渣堤工程河段控制斷面河寬在45.11m～46.92m之間，1#棄渣場(chǎng)的造床流量下的河寬大于穩(wěn)定河寬，河道穩(wěn)定性相對(duì)較好。

3.4.2 河床穩(wěn)定性計(jì)算

(1)縱向穩(wěn)定性計(jì)算

河床的縱向穩(wěn)定程度取決于水流對(duì)河床泥沙的作用力和河床泥沙抵抗力之間的對(duì)比關(guān)系。穩(wěn)定性指標(biāo)值越大，河床相對(duì)來(lái)說(shuō)越穩(wěn)定，河床沖淤變幅也越小。反之則說(shuō)明河床沖淤變化較大，河床穩(wěn)定性差[3]?？v向穩(wěn)定系數(shù)K1采用公式：

式中：d——床沙平均粒徑(mm)，本次評(píng)價(jià)d取74mm；

h——造床流量下的平均水深(m)；

j——造床流量下水面比降，本次評(píng)價(jià)取0.0167。

(2)橫向穩(wěn)定性計(jì)算

橫向穩(wěn)定系數(shù)K2與河岸穩(wěn)定密切相關(guān)，值愈大，河岸愈穩(wěn)定。本工程用河岸變化結(jié)果來(lái)描述河岸的穩(wěn)定性，采用阿爾圖寧公式計(jì)算的穩(wěn)定河寬與實(shí)際河寬B相比較，用以表征河床橫向穩(wěn)定性程度，公式為：

式中：Q——造床流量(采用平灘水位法)(m3/s)；

K2——橫向穩(wěn)定系數(shù)；

j——造床流量下水面比降；

B——造床流量下的水面寬(m)。

(3)綜合穩(wěn)定性計(jì)算

河流平面河勢(shì)的穩(wěn)定性，既取決于河床縱向穩(wěn)定，也取決于河床橫向穩(wěn)定，這兩種綜合影響用綜合穩(wěn)定系數(shù)K表示，即：

由以上計(jì)算得出，1#棄渣場(chǎng)縱向穩(wěn)定性系數(shù)K1=1.80～4.01，說(shuō)明當(dāng)水沙條件改變時(shí)，河道縱比降和縱向流路的改變不大；橫向穩(wěn)定性系數(shù)K2=1.59～1.85，說(shuō)明該河道河岸目前岸坡整體穩(wěn)定性較差；綜合穩(wěn)定性指標(biāo)K=5.69～12.43，說(shuō)明該河段河床處于縱向和平面穩(wěn)定時(shí)期。

3.5 擋渣堤的穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)擋渣堤穩(wěn)定性計(jì)算，不考慮粘聚力，考慮棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件、地基承載力容許值取0.35MPa～0.40MPa。采用理正巖土系列軟件進(jìn)行驗(yàn)算，1#渣場(chǎng)擋渣堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等于1.35(>1.30)，抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)等于2.52(>1.50)，地基承載力驗(yàn)算安全系數(shù)等于1.32(>1.20)。

1#渣場(chǎng)級(jí)別為4級(jí)，根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL575-2012)等相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果表明，1#渣場(chǎng)滿堆情況下，C15混凝土攔渣堤的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)及地基允許應(yīng)力滿足要求，攔渣堤整體穩(wěn)定性好。不會(huì)有崩塌現(xiàn)象，松散棄渣物不會(huì)進(jìn)入河道，不影響河道的行洪和河勢(shì)變化。

4 結(jié)論與建議

(1)工程建設(shè)以后，棄渣場(chǎng)所在河段的地貌發(fā)生了較大的改變，但棄渣場(chǎng)上下游河段的地質(zhì)條件，河床組成均未發(fā)生較大的改變。棄渣場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中嚴(yán)格按照水土保持的要求，棄渣自下而上堆砌，并保持≥90%的壓實(shí)度及挖寬錯(cuò)臺(tái)等邊坡防滑措施，有效地保證棄土的密實(shí)和抗滑穩(wěn)定性。周圍的截水溝對(duì)棄渣場(chǎng)以上的坡面積水進(jìn)行攔截和匯集，有效減輕了棄渣場(chǎng)坡面徑流的沖刷，有利于保持棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性；

(2)根據(jù)棄渣場(chǎng)所在河段的沖刷深度計(jì)算結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)洪水情況下，工程建設(shè)以后棄渣場(chǎng)所在河段附近有局部沖刷現(xiàn)象，其他河段沒(méi)有明顯的沖刷變形，河床的變形是局部的和暫時(shí)的，河床橫向和縱向都較為穩(wěn)定。修建棄渣場(chǎng)后，在設(shè)計(jì)洪水情況下，1#棄渣場(chǎng)岸坡沖刷深度為0.79m～0.91m，基礎(chǔ)埋深1.7m，滿足沖刷要求，且右岸為基巖，因此，渣場(chǎng)的修建對(duì)所在河道的河勢(shì)穩(wěn)定的影響較小。新的河道斷面在新的沖刷和淤積下會(huì)逐步建立新的沖淤平衡，至此河勢(shì)趨于新的穩(wěn)定；

(3)棄渣場(chǎng)建成后，過(guò)流面積縮窄幅度較小，對(duì)行洪影響較小。為避免渣場(chǎng)對(duì)河道行洪的影響，要對(duì)滑落于河道中的渣體及時(shí)進(jìn)行清理，以盡量減小對(duì)河道的阻水、壅水、挑流作用，工程棄渣堆放必須符合防洪要求。

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