討賴(lài)河生態(tài)區(qū)渾水河槽防沖加固設(shè)計(jì)

董航凱，田 睿，陳 莉

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710048；2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710048；3.陜西渭河生態(tài)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710048)

1 工程概況

討賴(lài)河橫穿嘉峪關(guān)市境內(nèi)，地理位置重要。為了保證河道的防洪安全，2006年，嘉峪關(guān)市對(duì)討賴(lài)河渠首以下河道進(jìn)行了全面疏浚整治，修建了南北兩側(cè)堤防6.5km，工程區(qū)河道寬度210～260m。其防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)流量為848m3/s。兩側(cè)堤防的建設(shè)約束了新城區(qū)河段游蕩不定的河床，使得河道平面擺動(dòng)得到有效控制[1]。

經(jīng)過(guò)堤防工程建設(shè)，河道的防洪安全問(wèn)題基本得以解決，但受討賴(lài)河季節(jié)性河流特性影響，以及上游渠首灌溉農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，河道來(lái)水大多被引入灌區(qū)，使得市區(qū)河段汛期洪水峰高量大，含沙量高，非汛期干旱少水，河道長(zhǎng)期干涸，灘面裸露，水生態(tài)環(huán)境惡劣，與快速發(fā)展的新城區(qū)城市風(fēng)貌極不協(xié)調(diào)。

為了改善市區(qū)河段水生態(tài)環(huán)境，2010年嘉峪關(guān)市啟動(dòng)了討賴(lài)河城區(qū)段生態(tài)環(huán)境治理工程建設(shè)。根據(jù)河道的基本特性及水沙條件，設(shè)計(jì)采用清洪分治理念，將治理段河道劃分為生態(tài)蓄水區(qū)及行洪區(qū)2部分，用中隔墻將河道一分為二，形成復(fù)式河槽，左側(cè)為生態(tài)蓄水河槽，帶狀生態(tài)蓄水湖區(qū)寬147～205m；右側(cè)為渾水河槽，平均寬度約60m。設(shè)計(jì)采用中隔墻將上游渠首工程下泄的洪水泥沙與左側(cè)生態(tài)蓄水區(qū)分開(kāi)，洪水泥沙自渾水河槽通過(guò)[2]。渾水槽設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量217m3/s，當(dāng)上游來(lái)水低于5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，左側(cè)生態(tài)蓄水區(qū)可正常蓄水運(yùn)行，不受河道泄洪、排沙的影響；當(dāng)上游下泄水量超過(guò)5年一遇洪水時(shí)，左側(cè)生態(tài)蓄水區(qū)方塌壩泄空，與右側(cè)渾水槽一起全河道過(guò)洪，以確保城市防洪安全，洪水過(guò)后，再立壩蓄水。渾水河槽首端設(shè)置一座進(jìn)口副壩，采用可塌泄的橡膠壩，壩高1.2m，左側(cè)生態(tài)區(qū)蓄水時(shí)，進(jìn)口副壩立起擋水；左側(cè)生態(tài)區(qū)蓄滿(mǎn)水后，進(jìn)口副壩及時(shí)塌泄，以確保渾水河槽泄洪暢通。

討賴(lài)河生態(tài)治理工程建成后，在城區(qū)段河道形成生態(tài)水面1147畝，河道蓄水量62萬(wàn)m3，水生態(tài)景觀帶6.5km，其生態(tài)效益、環(huán)境效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著；但是，承擔(dān)5年一遇標(biāo)準(zhǔn)行洪任務(wù)的渾水河槽局部沖刷嚴(yán)重。針對(duì)渾水槽沖刷下切嚴(yán)重情況，于2011—2013年在渾水槽內(nèi)修建了35道防沖墻，防沖墻的修建對(duì)渾水河槽的固床、保護(hù)右岸堤防和中隔墻起到了很大的作用[3]。

工程運(yùn)行幾年來(lái)，每年主汛期險(xiǎn)情依然不斷，造成渾水槽內(nèi)的35道防沖墻及右岸堤防沖刷嚴(yán)重，20#防沖墻被完全沖毀、21#防沖墻出現(xiàn)局部位移，所有防沖墻末端均出現(xiàn)下切深沖坑，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固方能正常運(yùn)行。

2 工程地質(zhì)條件

嘉峪關(guān)市地處祁連山北麓的戈壁平原地帶，三面環(huán)山，總體地勢(shì)西南高，東北低。工程區(qū)屬酒泉西盆地的東部，區(qū)內(nèi)分布大厚度的第四系礫卵石層，地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙性潛水，含水層為沖洪積卵(礫)石層。

河床地貌類(lèi)型為單一的漫灘地形，上下游與左右岸的工程地質(zhì)條件基本相同。地層巖性為第四系全新統(tǒng)(Q4al-pl)沖洪積砂礫卵石層，厚15～20m，結(jié)構(gòu)稍密-中密；下伏第四系中上更新統(tǒng)砂礫卵石層，構(gòu)成討賴(lài)河河床基底，總厚度大于150m。砂礫卵石層滲透系數(shù)7.08×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水性，臨界水力比降0.27，允許滲透比降0.13。承載力建議值300～350kPa。

工程區(qū)地震烈度為Ⅶ度。

3 工程病險(xiǎn)問(wèn)題分析

討賴(lài)河河道微彎，河床寬淺，以側(cè)向侵蝕和沖刷破壞為主。

渾水河槽位于河道右岸，槽寬56～87m，渾水槽左側(cè)為中隔墻，右側(cè)為右岸堤防。由于5年一遇的洪水217m3/s被約束在56～87m寬的渾水河槽內(nèi)，且河道比降達(dá)11‰，渾水河槽內(nèi)洪水量大流急，主流左右游蕩不定；加之河道內(nèi)推移質(zhì)較多，河床砂卵石結(jié)構(gòu)松散，汛期洪水流速大，攜帶大量泥沙，其沖刷破壞能力強(qiáng)，使渾水槽局部淤積、局部沖刷嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 進(jìn)口副壩下游

為了避免渾水河槽持續(xù)沖刷下切危及右岸堤防、中隔墻及左側(cè)生態(tài)蓄水區(qū)安全，從2011年起，先后設(shè)置了格賓籠石柔性防沖結(jié)構(gòu)、防沖墻和防洪墩等防沖消能設(shè)施。但防沖墻后都會(huì)因?yàn)樗骰匦运⑵茐?，河床局部?yán)重下切，危及堤基和墻基安全[4]。

2016年7月上旬和8月中旬，河道發(fā)生4次較大洪水，4次洪水流量均大于217m3/s，最大流量達(dá)到300m3/s，洪水均由渾水河槽通過(guò)，主流左右游蕩不定，造成渾水槽內(nèi)防沖墻及右岸堤防沖刷嚴(yán)重。20#防沖墻被完全沖毀、21#防沖墻出現(xiàn)局部位移，35道防沖墻末端均出現(xiàn)下切深沖坑，沖坑深0.9～3.9m，橫向?qū)?～40m，縱向長(zhǎng)3～9.5m，危及防沖墻的穩(wěn)定和基礎(chǔ)安全。

經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行觀測(cè)，每年汛期，渾水河槽均出現(xiàn)險(xiǎn)情，防沖墻后均不同程度會(huì)出現(xiàn)深沖坑，若不進(jìn)行防沖加固，渾水河槽可能持續(xù)下切，成為影響河道行洪的安全隱患，影響討賴(lài)河水生態(tài)治理工程的整體安全運(yùn)行[5]。總結(jié)工程運(yùn)行以來(lái)的險(xiǎn)情規(guī)律，對(duì)渾水河槽現(xiàn)有的防沖設(shè)施進(jìn)行全面綜合的防沖加固刻不容緩。

4 防沖加固工程設(shè)計(jì)

4.1 加固標(biāo)準(zhǔn)

渾水河槽原設(shè)計(jì)泄洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇217m3/s。根據(jù)渾水槽斷面，按照洪水流量217、250、300、350m3/s，分別進(jìn)行過(guò)流能力分析，根據(jù)洪水位與中隔墻、堤防頂高程對(duì)比，渾水槽最大安全過(guò)流能力為300m3/s。

按照工程運(yùn)行以來(lái)的渾水河槽汛期的泄洪情況，渾水河槽防沖加固標(biāo)準(zhǔn)確定為300m3/s。

4.2 加固措施研究

首先對(duì)6.5km大比降河段布設(shè)35道防沖墻的合理性進(jìn)行復(fù)核，分析認(rèn)為，討賴(lài)河河道比降雖然陡，洪水流速大，但河槽內(nèi)防沖墻布置間距約200m，間距已較小，不適合再增設(shè)防沖墻，35道防沖墻的布置是合理的[6]，重點(diǎn)以對(duì)現(xiàn)狀河槽內(nèi)的工程設(shè)施進(jìn)行防沖加固為主。

針對(duì)渾水河槽進(jìn)口副壩消能海漫水毀情況、35道防沖墻不同程度沖刷破壞情況，以及中隔墻末端沖刷情況，分別研究確定防沖加固方案及措施。對(duì)渾水河槽進(jìn)行疏浚平整，規(guī)整河床；對(duì)進(jìn)口副壩消能海漫水毀段進(jìn)行重建[7]；對(duì)35道防沖墻視情況分別采取增設(shè)消能墩、增設(shè)斜坡式防沖墻及柔性格賓籠石結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，對(duì)已水毀的20#防沖墻進(jìn)行重建；對(duì)渾水河槽左側(cè)中隔墻末端增設(shè)防沖加固措施。通過(guò)綜合性的加固措施，確保渾水河槽汛期防沖安全，確保整個(gè)生態(tài)治理工程安全運(yùn)行。

4.3 渾水河槽疏浚平整

針對(duì)河槽內(nèi)分布雜亂的沖刷坑和淤積體，對(duì)河床推移質(zhì)堆積物進(jìn)行平整清理和疏浚河床，疏浚比降按河道比降11‰控制；同時(shí)，對(duì)河床松散層采用振動(dòng)碾碾壓，夯實(shí)密度不小于0.7，以加大其抗沖能力。

4.4 防沖墻除險(xiǎn)加固

針對(duì)35道防沖墻具體情況，分別采取加固及重建2種措施。

4.4.1加固設(shè)計(jì)

(1)對(duì)33道墻身完好和1處墻身局部發(fā)生位移的防沖墻進(jìn)行防沖加固。在現(xiàn)有34道防沖墻下游增設(shè)1∶2斜坡式C20埋石砼防沖墻[8]，墻厚50cm，保護(hù)已建防沖墻，同時(shí)減少水流回旋沖刷破壞墻基，如圖2所示。

圖2 斜坡式防沖加固(單位：mm)

(2)結(jié)合河道走向及沖刷實(shí)測(cè)資料，對(duì)處于頂沖段及沖刷嚴(yán)重的9道防沖墻進(jìn)行復(fù)式加固。在現(xiàn)有防沖墻上游再增設(shè)20m長(zhǎng)的消力墩防沖結(jié)構(gòu)，削弱洪水沖擊力，進(jìn)一步減少洪水沖刷破壞。

新建消力墩防沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)20m，采用現(xiàn)澆C35鋼筋砼結(jié)構(gòu)，抗凍等級(jí)F200。消力墩底板厚400mm，上游齒墻深入底板以下1.6m，下游齒墻深入底板以下1m[9]；消力墩為梯形斷面，上游面直立，下游面1∶0.5，高1m，頂寬500mm，底寬1m，垂直水流橫向?qū)挾?.5m，縱向間距3m，橫向間距1.5m，縱橫向交錯(cuò)布置。

(3)鑒于末端防沖墻的特殊性，為進(jìn)一步確保末端防沖刷安全，防沖墻末端采用格賓籠石鋪蓋防沖，格賓籠石共布置3層，單層高度為1.0m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度如圖3所示，然后在格賓籠石表層設(shè)邊長(zhǎng)1m的預(yù)制砼塊。

圖3 防沖墻末端鋪蓋(單位：mm)

4.4.2重建設(shè)計(jì)

對(duì)已經(jīng)水毀傾倒的20#防沖墻進(jìn)行恢復(fù)重建，如圖4所示。拆除已經(jīng)倒塌的防沖墻，在原址上游新建20m長(zhǎng)消力墩防沖結(jié)構(gòu)，下游新建1∶2斜坡式防沖墻，在削弱洪水沖擊力的同時(shí)減少?zèng)_坑水流回旋沖刷破壞，提高防沖墻的抗沖刷能力。

圖4 恢復(fù)重建20#防沖墻(單位：mm)

4.5 進(jìn)口副壩加固

進(jìn)口副壩消能海漫水毀，消能設(shè)施需加強(qiáng)。設(shè)計(jì)對(duì)水毀的海漫段采取重建，并在重建的海漫段增設(shè)消力墩防沖結(jié)構(gòu)。

4.6 中隔墻末端防沖加固設(shè)計(jì)

在中隔墻末端10m范圍內(nèi)，采用格賓籠石鋪蓋防沖，格賓籠石共布置2層，單層厚1.0m，如圖5所示。中隔墻渾水槽側(cè)與末端防沖墻防護(hù)相連，蓄水槽側(cè)自中隔墻末端向上游砌護(hù)4m。

圖5 中隔墻末端防沖加(單位：mm)

4.7 結(jié)構(gòu)縫設(shè)計(jì)

新建的消力墩底板每12m設(shè)一道伸縮縫，斜坡式防沖墻每10m設(shè)一道伸縮縫，縫寬20mm，縫內(nèi)填充聚氯乙烯閉孔泡沫板；消力墩底板、防沖墻以及斜坡式的伸縮縫應(yīng)交錯(cuò)布置，避免上下游結(jié)構(gòu)通縫銜接對(duì)基礎(chǔ)抗掏刷不利。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)渾水河槽防沖設(shè)施出現(xiàn)的具體問(wèn)題，通過(guò)綜合性的防沖加固措施，提高了渾水槽的抗沖刷能力，有效地減輕了洪水下切，穩(wěn)定了河槽。渾水河槽加固工程實(shí)施運(yùn)行以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，汛期防沖安全問(wèn)題得到了徹底解決。

(2)副壩消力墩防沖結(jié)構(gòu)運(yùn)行工況良好，在削弱洪水沖擊力進(jìn)行消能的同時(shí)，推移質(zhì)也很少堆積，比較適宜布設(shè)在推移質(zhì)粒徑較小而比降較大的河床。

(3)根據(jù)多次沖刷加固實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)分析認(rèn)為該加固方案是可行的。但是未結(jié)合河道特點(diǎn)進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，加固方案的合理性有待進(jìn)一步探究。

(4)本文對(duì)大比降河槽防沖設(shè)施的綜合性加固完善措施，對(duì)類(lèi)似工程具有借鑒性。