陳照方 閆新 李浩淼 蘭翔
摘要:河口村水庫(kù)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(qiáng)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(hù)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(duì)泄洪建筑物出口河道進(jìn)行整治與生態(tài)修復(fù)。通過(guò)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)得出了泄洪出口挑流沖刷的影響范圍,通過(guò)設(shè)置河心灘進(jìn)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(hù)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(kù)
中圖分類號(hào):TV122+.9;TV653
文獻(xiàn)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(kù)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?yàn)榍吆釉拥?,河道長(zhǎng)約1.4km,河道寬80~500m,河道總面積約35hm2。河口村水庫(kù)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(qiáng)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(shí)沖刷坑周邊坡范圍為100~200m,波及范圍為400~500m,河對(duì)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(yíng)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(hù)泄洪出口區(qū)域安全與壩下游河道生態(tài)環(huán)境,維護(hù)原生態(tài)格局的連續(xù)性,確保下游建筑物安全,應(yīng)對(duì)泄洪出口區(qū)域河道進(jìn)行整治與生態(tài)修復(fù),打造水庫(kù)、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(jì)理念
(1)對(duì)泄洪出口挑流沖刷坑進(jìn)行實(shí)體模型試驗(yàn),結(jié)果表明:泄洪時(shí),泄洪水舌人水后頂沖對(duì)岸形成較高的涌浪,對(duì)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(duì)岸高灘地形設(shè)置河心灘,增加一個(gè)新的過(guò)流通道,將原河床分為兩個(gè)流道,進(jìn)行導(dǎo)流分流,加大行洪斷面,大大降低河道流速及對(duì)下游河道的沖刷。整體模型試驗(yàn)結(jié)果與水力計(jì)算結(jié)果差別不大。
(3)根據(jù)水力計(jì)算與模型試驗(yàn)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(lái)水,形成消力塘消散水流能量,結(jié)合周邊地形,通過(guò)修整河道邊坡形成水域景觀。
(4)在壩后開挖邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)中,首次采用了高次團(tuán)粒噴播技術(shù)。
(5)在水土流失預(yù)測(cè)中運(yùn)用DEM數(shù)據(jù),快速準(zhǔn)確地計(jì)算出溝壑密度、流域面積、地面坡度等參數(shù),精確地計(jì)算出水土流失影響范圍及工程擾動(dòng)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(jì)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(yàn)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(duì)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(shí)才能上水,根據(jù)水力計(jì)算與模型試驗(yàn)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(gè)獨(dú)立的島嶼,形成河心灘。
河心灘平面上設(shè)計(jì)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(méi)堤設(shè)計(jì),河心灘高度13.0m,現(xiàn)有堤頂高程較50a一遇洪水泄流時(shí)下游水位高5.4m,滿足設(shè)計(jì)要求。
泄洪建筑物出口下游河道整治工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇,此時(shí)泄洪洞泄流量為2400m3/S。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)用方式,50a一遇洪水泄流時(shí),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(duì)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(jì)算表明:50a一遇洪水泄流時(shí)2#泄洪洞出口距離最大挑流沖刷坑中心點(diǎn)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(hù)岸為主,水體與綠地相互交融,豐富水際景觀。利用親水平臺(tái)、棧橋、卵石沙灘、景石、植物等元素對(duì)岸線進(jìn)行整體設(shè)計(jì),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(chǎng)即溢洪道出口的對(duì)岸沙灘設(shè)置人工沙灘浴場(chǎng),人工沙灘浴場(chǎng)總面積約2.2萬(wàn)m2,沙灘分為兩級(jí),一級(jí)露天、一級(jí)入水,平面上采用月牙形布置,以提供游客親水的游樂(lè)場(chǎng)所。
4 河心灘、河道岸坡防護(hù)計(jì)算及生態(tài)恢復(fù)工程設(shè)計(jì)
4.1 泄洪洞泄洪時(shí)對(duì)河心灘沖刷穩(wěn)定影響計(jì)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(shí)河心灘的安全坡比。根據(jù)泄洪洞不同頻率泄流量可以計(jì)算泄洪洞出口50a一遇洪水泄流時(shí)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(jì)算
從50a一遇洪水泄洪時(shí)挑流計(jì)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(shí),直接頂沖河心灘端頭部位,泄流時(shí)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(qiáng)烈的局部沖刷,需要計(jì)算出河心灘坡腳此部位的沖刷深度,以確定河心灘的防護(hù)形式及防護(hù)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(jì)算公式很多,采用常用的公路丁壩計(jì)算公式、導(dǎo)流堤計(jì)算公式、堤防工程丁壩計(jì)算公式計(jì)算50a一遇洪水泄洪洞泄洪時(shí)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(jì)算結(jié)果有一定差異。通過(guò)對(duì)比計(jì)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(duì)河心灘端頭進(jìn)行防沖保護(hù)。
4.3 河心灘端頭部位坡腳防護(hù)形式選擇
河心灘端頭部位是受沖刷的重點(diǎn)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(qiáng)的混凝土防沖墻。混凝土防沖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(hù)河心灘坡腳不被掏刷。
4.4 防沖墻結(jié)構(gòu)計(jì)算
泄洪洞出口頂沖范圍長(zhǎng)約204m,防沖墻厚1.5m,設(shè)置在河心灘前緣,這在國(guó)內(nèi)是首例,且深度達(dá)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(dá)到?jīng)_刷線時(shí),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(shí)防沖墻上部形成懸臂,受力相當(dāng)于一個(gè)抗滑樁,墻身除要滿足結(jié)構(gòu)受力外,還需要驗(yàn)算此時(shí)的錨固要求。墻后土壓力采用庫(kù)侖公式計(jì)算,按抗滑樁結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算結(jié)果,100a一遇洪水泄流時(shí),坡腳沖刷河床下切深度為7.00m,此時(shí)沖刷深度以下防沖墻埋深為8.0m;200a一遇洪水泄流時(shí),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(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》專用程序計(jì)算,抗滑樁內(nèi)力計(jì)算采用彈性樁“m”法計(jì)算,根據(jù)專用程序計(jì)算樁身內(nèi)力及不同高程處樁側(cè)壓應(yīng)力,經(jīng)計(jì)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(hù)坡。漿砌石護(hù)坡厚0.5m,護(hù)坡上部接2.0m高混凝土護(hù)墻,護(hù)墻厚1.5m。
4.5 河心灘端頭部位邊坡護(hù)坡厚度計(jì)算
河心灘端頭部位坡腳采用防沖墻防護(hù),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(hù)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(hù)坡。滿足風(fēng)浪作用下的護(hù)坡厚度為0.30m,滿足水流作用下塊石護(hù)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(hù)坡形式為壩式護(hù)坡,厚度為0.5~1.0m,綜合考慮護(hù)坡厚度取0.8m。
4.6 河心灘非頂沖部位邊坡護(hù)坡設(shè)計(jì)
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(jì)。
(1)常水位以下護(hù)坡厚度及粒徑計(jì)算。常水位以下護(hù)坡厚度及粒徑計(jì)算方法同河心灘端頭部位,由于流速相對(duì)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(jì)算滿足水流作用下的塊石護(hù)坡穩(wěn)定粒徑為0.30~0.50m.因此常水位以下護(hù)坡厚度取0.5m。
常水位以下護(hù)坡基礎(chǔ)護(hù)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(hù)腳受沖刷較嚴(yán)重部位,如河心灘尾部另加用大塊石進(jìn)行防護(hù)。
(2)常水位以上171.0~175.0m護(hù)坡。171.0~175.0m采用混凝土預(yù)制塊護(hù)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(jì)水位以上邊坡。河心灘設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)
邊坡防護(hù)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(jìn)行邊坡防護(hù)。對(duì)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(hù)邊坡,又能長(zhǎng)出綠郁蔥蔥的植被來(lái)。漿砌石網(wǎng)格護(hù)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(duì)于部分邊坡坡比陡于1:1的邊坡,由于采用網(wǎng)格護(hù)坡很難固坡,創(chuàng)造性地采用漿砌石護(hù)坡墻形式的網(wǎng)眼護(hù)坡,即在實(shí)體漿砌石護(hù)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(guò)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(guò)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(yùn)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(shì),根據(jù)群落組成和演替度大小設(shè)置坡面及地被植物,長(zhǎng)遠(yuǎn)看進(jìn)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(qiáng)的頂級(jí)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(jìn)行邊坡保護(hù)。由于噴混凝土的護(hù)坡表面無(wú)法綠化,因此采用高次團(tuán)粒噴播技術(shù)對(duì)邊坡實(shí)施植被綠化。這樣對(duì)邊坡表面有淺層防護(hù)作用,能阻止雨水集中進(jìn)入坡體,防止因雨水進(jìn)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(hù)坡面,防止坡面水土流失。高次團(tuán)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(guò)水邊坡的綠化,具有極強(qiáng)的保水和防沖刷性能。
5 跌水坎(滾水壩)設(shè)計(jì)
河口村水庫(kù)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(jí)設(shè)置跌水坎,形成多級(jí)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(jí))布置在金灘大橋附近,由于左二級(jí)跌水坎至金灘大橋約330m,途中經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jí)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(jiǎn)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(hù)金灘大橋基礎(chǔ)安全。
第二道跌水坎(右一級(jí))布置在河心灘右側(cè)流道,和左一級(jí)基本對(duì)稱布置,同樣可保護(hù)金灘大橋基礎(chǔ)安全。
第三道跌水坎(左二級(jí))設(shè)在左一級(jí)跌水坎上游,距離左一級(jí)約270m,距離泄洪洞出口約240m。可在該區(qū)域形成消力塘,通過(guò)水墊作用消散水流能量,減小水流對(duì)河床、河心灘及對(duì)岸河道岸坡的沖刷。
第四道跌水坎(三級(jí))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(jì)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(guò)右岸5#路箱涵進(jìn)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(lái)水也通過(guò)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(jì)流量約70m3/S,均從電站尾水渠末端經(jīng)過(guò),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(hù)電站尾水渠及下游河道安全。