陳照方 閆新 李浩淼 蘭翔

摘要：河口村水庫泄水建筑物泄洪洞和溢洪道采用挑流消能，挑射的水流具有強大的沖刷作用，在建筑物下游出口河床產(chǎn)生了較大范圍的沖刷坑，為了保護泄洪出口區(qū)域安全與壩下游河道生態(tài)環(huán)境，確保下游建筑物安全，對泄洪建筑物出口河道進行整治與生態(tài)修復(fù)。通過水力計算及模型試驗得出了泄洪出口挑流沖刷的影響范圍，通過設(shè)置河心灘進行導(dǎo)流分流，降低河道流速，并增設(shè)不同位置的跌水坎形成消力塘和水墊：河心灘、防沖墻、跌水坎緊鄰泄洪出口區(qū)布置，保護了相鄰建筑物的安全；結(jié)合下游河道自然形態(tài)和周邊環(huán)境，創(chuàng)造高灘、沙洲、島嶼等多種類型物理生境。

關(guān)鍵詞：壩下泄洪區(qū)；河道整治；生態(tài)修復(fù)；河心灘；防沖墻；跌水坎；河口村水庫

中圖分類號：TV122+.9；TV653

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.017

1 泄洪區(qū)出口整治緣由

河口村水庫工程由面板壩、溢洪道、泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。大壩下游圍堰至下游金灘大橋為沁河原河道，河道長約1.4km，河道寬80～500m，河道總面積約35hm2。河口村水庫泄洪建筑物泄洪洞和溢洪道采用挑流消能，水流從泄洪建筑物出口挑到壩后沁河河道，其挑射的水流具有強大的沖刷作用，在建筑物下游出口河床產(chǎn)生了較大范圍的沖刷坑。根據(jù)沖刷坑后形成的周邊坡推算，50a一遇洪水泄流時沖刷坑周邊坡范圍為100～200m，波及范圍為400～500m，河對岸的永久建筑物有極大安全隱患，直接威脅右岸公園、建管局營地、魚類增殖站、老河口電站及金灘大橋基礎(chǔ)的安全。為了保護泄洪出口區(qū)域安全與壩下游河道生態(tài)環(huán)境，維護原生態(tài)格局的連續(xù)性，確保下游建筑物安全，應(yīng)對泄洪出口區(qū)域河道進行整治與生態(tài)修復(fù)，打造水庫、大壩下游壓坡景觀、泄水出口下游河道為一體的壩后公園觀光游覽區(qū)，見圖1。

2 泄洪區(qū)出口整治方法與生態(tài)修復(fù)設(shè)計理念

（1）對泄洪出口挑流沖刷坑進行實體模型試驗，結(jié)果表明：泄洪時，泄洪水舌人水后頂沖對岸形成較高的涌浪，對高灘產(chǎn)生重復(fù)劇烈沖刷造成大量坍塌，堵塞下游河道，不利于河道行洪。

（2）利用河對岸高灘地形設(shè)置河心灘，增加一個新的過流通道，將原河床分為兩個流道，進行導(dǎo)流分流，加大行洪斷面，大大降低河道流速及對下游河道的沖刷。整體模型試驗結(jié)果與水力計算結(jié)果差別不大。

（3）根據(jù)水力計算與模型試驗結(jié)果，在泄洪洞出口附近及下游河道關(guān)鍵位置設(shè)置跌水坎，攔蓄河道上游來水，形成消力塘消散水流能量，結(jié)合周邊地形，通過修整河道邊坡形成水域景觀。

（4）在壩后開挖邊坡防護設(shè)計中，首次采用了高次團粒噴播技術(shù)。

（5）在水土流失預(yù)測中運用DEM數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地計算出溝壑密度、流域面積、地面坡度等參數(shù)，精確地計算出水土流失影響范圍及工程擾動范圍。

3 壩下泄洪區(qū)出口整治及生態(tài)恢復(fù)工程布置

3.1 河心灘設(shè)計特色

河心灘是壩下泄洪出口下游河段分流導(dǎo)流的關(guān)鍵，由于高灘位于出口泄流區(qū)，因此其位置選擇非常關(guān)鍵，既要充分利用高灘形成河心灘，又要確保河心灘的安全。根據(jù)泄洪建筑物出口模型試驗結(jié)果，大部分主流從河道左岸主河槽泄流，少部分泄流從出口對岸高灘下行，經(jīng)金灘大橋流向下游河道。

在距泄洪洞出口下游約200m的高灘在500a一遇洪水泄流時才能上水，根據(jù)水力計算與模型試驗結(jié)果，沿高灘有側(cè)挖約55m寬的明槽形成右岸流道，導(dǎo)引水流沿河心灘兩側(cè)泄流，高灘開挖形成一個獨立的島嶼，形成河心灘。

河心灘平面上設(shè)計為島嶼形狀，其頭部采用弧形布置，以便于分流，尾部為直線。河心灘按不淹沒堤設(shè)計，河心灘高度13.0m，現(xiàn)有堤頂高程較50a一遇洪水泄流時下游水位高5.4m，滿足設(shè)計要求。

泄洪建筑物出口下游河道整治工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，此時泄洪洞泄流量為2400m3/S。根據(jù)水庫運用方式，50a一遇洪水泄流時，2#泄洪洞全開，1#泄洪洞局開，洪水主要從2#泄洪洞泄流，不足部分由1#泄洪洞湊泄。從兩洞泄流及挑流位置情況看，對泄洪建筑物出口河道泄洪影響較大的是2#泄洪洞泄流。水力學(xué)計算表明：50a一遇洪水泄流時2#泄洪洞出口距離最大挑流沖刷坑中心點約95m，距離河心灘（坡腳）約200m，河心灘位置設(shè)置滿足要求。

3.2 河道岸坡布置

河道岸線的生態(tài)處理：以自然式護岸為主，水體與綠地相互交融，豐富水際景觀。利用親水平臺、棧橋、卵石沙灘、景石、植物等元素對岸線進行整體設(shè)計，美化岸線景觀，提供親水空間。

3.3 沙灘布置

為充分利用壩下形成的生態(tài)湖濱水面，在靠近湖濱廣場即溢洪道出口的對岸沙灘設(shè)置人工沙灘浴場，人工沙灘浴場總面積約2.2萬m2，沙灘分為兩級，一級露天、一級入水，平面上采用月牙形布置，以提供游客親水的游樂場所。

4 河心灘、河道岸坡防護計算及生態(tài)恢復(fù)工程設(shè)計

4.1 泄洪洞泄洪時對河心灘沖刷穩(wěn)定影響計算

河心灘靠前緣部分處于泄洪洞泄流的頂沖部位，泄流將直接沖刷河心灘邊坡，需要核算泄洪洞出流時河心灘的安全坡比。根據(jù)泄洪洞不同頻率泄流量可以計算泄洪洞出口50a一遇洪水泄流時的挑距與沖刷坑深度，見表1。從表1可以看出，沖刷坑至河心灘坡腳167m高程坡比滿足允許穩(wěn)定坡比ik=1/5.0～1/2.5的要求，河心灘是安全的。

4.2 河心灘端頭頂沖部位局部沖刷深度計算

從50a一遇洪水泄洪時挑流計算成果看，不直接影響河心灘的安全。河心灘相當(dāng)于河道中的丁壩或?qū)Я鞯?，起到了?dǎo)流和挑流的作用。泄洪洞泄洪時，直接頂沖河心灘端頭部位，泄流時下游河道流速仍然較大，河心灘為砂卵石結(jié)構(gòu)，局部細(xì)砂和夾層，抗沖能力差，在河心灘端頭頂沖部位產(chǎn)生強烈的局部沖刷，需要計算出河心灘坡腳此部位的沖刷深度，以確定河心灘的防護形式及防護深度和范圍。

河心灘類似于河道工壩及導(dǎo)流堤，其局部沖刷深度計算公式很多，采用常用的公路丁壩計算公式、導(dǎo)流堤計算公式、堤防工程丁壩計算公式計算50a一遇洪水泄洪洞泄洪時河心灘端頭部位坡腳沖刷深度分別為7.10、6.95、7.28m，可以看出丁壩及導(dǎo)流堤沖刷深度計算結(jié)果有一定差異。通過對比計算，河心灘坡腳50a一遇洪水局部最大沖刷深度約7.0m，需要對河心灘端頭進行防沖保護。

4.3 河心灘端頭部位坡腳防護形式選擇

河心灘端頭部位是受沖刷的重點部位，由于該工程河道流速大、水深，因此河心灘端頭部位采用抗沖能力強的混凝土防沖墻?；炷练罌_墻是在坡腳地面以下做一道地下連續(xù)墻，墻深在沖刷線以下一定深度，以保護河心灘坡腳不被掏刷。

4.4 防沖墻結(jié)構(gòu)計算

泄洪洞出口頂沖范圍長約204m，防沖墻厚1.5m，設(shè)置在河心灘前緣，這在國內(nèi)是首例，且深度達I5m，即在現(xiàn)有河床以下15m。一般在沖刷線以下埋置深度為防沖墻總高度的1/3～1/2。在河槽達到?jīng)_刷線時，防沖墻前面出現(xiàn)部分臨空，墻后要承受河心灘坡面的土壓力，此時防沖墻上部形成懸臂，受力相當(dāng)于一個抗滑樁，墻身除要滿足結(jié)構(gòu)受力外，還需要驗算此時的錨固要求。墻后土壓力采用庫侖公式計算，按抗滑樁結(jié)構(gòu)計算其內(nèi)力、配筋，抗滑樁的錨固深度根據(jù)抗滑樁傳遞到地面以下地層的側(cè)壁壓應(yīng)力不大于地層的側(cè)向容許承載力確定。

根據(jù)沖刷計算結(jié)果，100a一遇洪水泄流時，坡腳沖刷河床下切深度為7.00m，此時沖刷深度以下防沖墻埋深為8.0m；200a一遇洪水泄流時，坡腳沖刷河床下切深度為9.06m，沖刷深度以下還有5.94m，滿足一般埋置深度的要求。

抗滑樁結(jié)構(gòu)計算采用《水利水電工程設(shè)計計算程序集》專用程序計算，抗滑樁內(nèi)力計算采用彈性樁“m”法計算，根據(jù)專用程序計算樁身內(nèi)力及不同高程處樁側(cè)壓應(yīng)力，經(jīng)計算樁身配筋為每延米配5#28鋼筋，樁的基礎(chǔ)錨固深度滿足要求。

防沖墻以上接漿砌石護坡。漿砌石護坡厚0.5m，護坡上部接2.0m高混凝土護墻，護墻厚1.5m。

4.5 河心灘端頭部位邊坡護坡厚度計算

河心灘端頭部位坡腳采用防沖墻防護，但邊坡經(jīng)常遭受水流沖刷，并且處在頂沖范圍，為提高坡面保護材料的耐久性、抗沖刷能力、抗磨損性，且適應(yīng)河床變形，在175.0m高程以下采用漿砌塊石護坡。滿足風(fēng)浪作用下的護坡厚度為0.30m，滿足水流作用下塊石護坡穩(wěn)定最小粒徑為0.81m，由于河心灘位于下游中心，類似于河道中心部位的順（丁）壩，因此端頭部位的護坡形式為壩式護坡，厚度為0.5～1.0m，綜合考慮護坡厚度取0.8m。

4.6 河心灘非頂沖部位邊坡護坡設(shè)計

河心灘其他非頂沖部位坡腳沖刷深度不是很深，結(jié)合生態(tài)景觀，分三段設(shè)計。

（1）常水位以下護坡厚度及粒徑計算。常水位以下護坡厚度及粒徑計算方法同河心灘端頭部位，由于流速相對于受頂沖部位稍小，因此根據(jù)不同部位斷面大小、流速大小，經(jīng)計算滿足水流作用下的塊石護坡穩(wěn)定粒徑為0.30～0.50m.因此常水位以下護坡厚度取0.5m。

常水位以下護坡基礎(chǔ)護腳應(yīng)伸人沖刷線以下，坡腳鋪筑尺寸根據(jù)流速及沖刷深度不同，厚度為1.0～1.5m，深度為1.5～2.5m。護腳受沖刷較嚴(yán)重部位，如河心灘尾部另加用大塊石進行防護。

（2）常水位以上171.0～175.0m護坡。171.0～175.0m采用混凝土預(yù)制塊護坡，預(yù)制塊平面尺寸為43cmx44cm，預(yù)制塊厚度為0.1m，為確保預(yù)制塊穩(wěn)定，采用異形鎖扣式連接。

（3）河心灘設(shè)計水位以上邊坡。河心灘設(shè)計水位以上邊坡坡比為1：3.0，不受泄流沖刷影響，主要受雨水沖刷影響。由于邊坡為砂卵石地層，因此采用植物種植坡面，防止坡面水土流失，并進行生態(tài)修復(fù)，為便于管理以種植灌木為主，輔以草皮植被修復(fù)。

4.7 河道岸坡生態(tài)恢復(fù)設(shè)計

邊坡防護的主要手段為“下?lián)跎吓拧保谄履_設(shè)置擋土墻，上游設(shè)置截水溝與坡面急流槽連接，在坡面采用植生袋和漿砌石網(wǎng)格進行邊坡防護。對于較陡邊坡采用植生袋鋪設(shè)，植生袋內(nèi)裝植物土和種子，植生袋既能保護邊坡，又能長出綠郁蔥蔥的植被來。漿砌石網(wǎng)格護坡能夠使坡面穩(wěn)定，網(wǎng)格尺寸一般為2.0～4.0m，網(wǎng)格內(nèi)覆土，種植花草、灌木。對于部分邊坡坡比陡于1：1的邊坡，由于采用網(wǎng)格護坡很難固坡，創(chuàng)造性地采用漿砌石護坡墻形式的網(wǎng)眼護坡，即在實體漿砌石護坡墻上預(yù)埋植物管，間排距為1.0～2.0m，植物管直徑為200～300mm，植物管穿過漿砌石面與原坡面連接，植物管內(nèi)填植物土，一般種植攀緣植物，通過植物的攀緣覆蓋漿砌石坡面，起到恢復(fù)生態(tài)的作用。

將樣地調(diào)查、多樣性理論、演替理論等綜合運用到河道岸坡生態(tài)恢復(fù)中，從生態(tài)群落的角度分析泄洪建筑物出口區(qū)植被演替趨勢，根據(jù)群落組成和演替度大小設(shè)置坡面及地被植物，長遠看進展演替將使植物群落向更高的演替階段發(fā)展，最終發(fā)展為抗干擾力強的頂級群落，有利于工程區(qū)植被恢復(fù)。

泄洪洞出口上方及周邊均為巖石邊坡，施工期開挖后，為防止邊坡風(fēng)化脫落、水土流失，噴混凝土進行邊坡保護。由于噴混凝土的護坡表面無法綠化，因此采用高次團粒噴播技術(shù)對邊坡實施植被綠化。這樣對邊坡表面有淺層防護作用，能阻止雨水集中進入坡體，防止因雨水進入而造成坡體坍塌：減小風(fēng)化坡面巖石的風(fēng)化速度，繼而保護坡面，防止坡面水土流失。高次團粒復(fù)綠以灌木為主，喬木為輔的木本植物覆蓋率≥70%，適用于干旱地區(qū)巖石邊坡和過水邊坡的綠化，具有極強的保水和防沖刷性能。

5 跌水坎（滾水壩）設(shè)計

河口村水庫跌水坎（滾水壩）從上到下共設(shè)置4道，為使出口泄流區(qū)能夠形成河道消力塘，跌水坎需在泄洪建筑物出口下游河道一帶布置，且不能離泄洪洞出口太近，尤其是不能離沖刷坑太近，否則跌水坎易被沖毀。需要分級設(shè)置跌水坎，形成多級消能。跌水坎的高度根據(jù)消力塘的布置及管理要求分為深水區(qū)和淺水區(qū)，一般水深1.5～2.5m。

根據(jù)泄洪建筑物出口下游河道情況及50a一遇洪水沖刷坑位置，泄洪建筑物出口跌水坎布置¨如下。

第一道跌水坎（左一級）布置在金灘大橋附近，由于左二級跌水坎至金灘大橋約330m，途中經(jīng)過一個彎道，因此該段河道縱坡較陡，水流速度明顯增大。2014年汛期泄洪洞最大泄流量為500m3/S，左二級跌水坎特別是彎道至金灘大橋段沖刷較為嚴(yán)重，金灘大橋上游的一處簡易農(nóng)橋被沖毀，金灘大橋橋下基礎(chǔ)下切沖刷4m多深，因此在距離金灘大橋約70m處設(shè)一道跌水坎，可使金灘大橋上游形成水墊緩沖水流，保護金灘大橋基礎(chǔ)安全。

第二道跌水坎（右一級）布置在河心灘右側(cè)流道，和左一級基本對稱布置，同樣可保護金灘大橋基礎(chǔ)安全。

第三道跌水坎（左二級）設(shè)在左一級跌水坎上游，距離左一級約270m，距離泄洪洞出口約240m?？稍谠搮^(qū)域形成消力塘，通過水墊作用消散水流能量，減小水流對河床、河心灘及對岸河道岸坡的沖刷。

第四道跌水坎（三級）布置在上游電站尾水渠附近，該跌水坎上游至大壩下游圍堰之間河道有側(cè)有已建引沁干渠溢流口，該干渠設(shè)計流量18m3/S，經(jīng)常因電站及渠道出現(xiàn)故障而從超泄口泄流，通過右岸5#路箱涵進人壩下圍堰至電站尾水渠之間的河道。大壩右岸沖溝、大壩右岸山坡兩處約40m3/S的來水也通過5#路箱涵匯人壩下河道。電站超泄口、大壩有岸沖溝及大壩右岸山坡累計流量約70m3/S，均從電站尾水渠末端經(jīng)過，不僅沖刷河道，而且沖刷尾水渠基礎(chǔ)，因此在此處設(shè)一道跌水坎，可保護電站尾水渠及下游河道安全。