王曉杰

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心，山西 太原 030002）

天然河道是城市或鄉(xiāng)村景觀中一個(gè)相對(duì)復(fù)雜、流動(dòng)的，與當(dāng)?shù)鼐用裆蠲懿豢煞值纳鷳B(tài)系統(tǒng)。雖然它對(duì)外部污染具有一定的凈化能力，但是河道沿岸居民數(shù)量眾多，當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活對(duì)河道造成了很大影響，河道內(nèi)的垃圾傾倒對(duì)水質(zhì)造成了污染，致使河道生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重萎縮，不僅使河道喪失了作為景觀的功能，而且影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳?，同時(shí)對(duì)城市或鄉(xiāng)村的聲譽(yù)影響也非常大。因此，天然河道內(nèi)生態(tài)蓄水設(shè)計(jì)是非常必要的[1]。

1 工程水文地質(zhì)情況

陽(yáng)泉市平定縣石門(mén)口鄉(xiāng)大石門(mén)村位于平定縣城東南約20 km 處。毗連上莊村，盧家莊村。距307 國(guó)道約4 km，石管縣鄉(xiāng)公路從村中穿過(guò)，交通便利。該村村民居住在河道左岸；耕地大部分位于河道右岸，農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過(guò)跨陽(yáng)勝河的1 座4 孔鋼筋混凝土機(jī)耕橋通行。大石門(mén)水庫(kù)位于該村東南，建在海河流域子牙河水系桃河支流陽(yáng)勝河中游干流上，控制流域面積143 km2，總庫(kù)容1 319 萬(wàn)m3，為1 座中型水庫(kù)。水庫(kù)溢洪道泄洪時(shí)，洪水排入穿村而過(guò)的陽(yáng)勝河河道內(nèi)[2]。

大石門(mén)村屬溫帶大陸性氣候。春夏秋冬，四季分明，年氣溫最高36℃，最低為-15℃。歷年降雨量最大為844.1 mm，最小為372 mm，平均571.85 mm。年降雨量多集中在7～9 月內(nèi)，年蒸發(fā)量最大為2285.1 mm，最小為1 417.8 mm，平均1 888.1 mm，春冬多為西北風(fēng)，東北風(fēng)，夏季多為東南風(fēng)，秋季多為西風(fēng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速24 m/s，平均風(fēng)速2.l m/s，最大風(fēng)天數(shù)平均為24 d左右，初霜期在10 月上旬，終霜期為次年4 月中旬，全年霜期165 d，土壤凍結(jié)深度一般為0.51～1 m。

大石門(mén)所在區(qū)域?yàn)闊o(wú)資料地區(qū)，無(wú)法采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水采用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）進(jìn)行計(jì)算。大石門(mén)水庫(kù)于2017 年在現(xiàn)狀溢洪道底板處新開(kāi)放空水庫(kù)的泄水槽一道。泄水槽進(jìn)口底高程1 019.5 m，頂部與溢洪道底板齊平。泄水槽最大泄流量為12.87 m3/s。

洪水調(diào)洪計(jì)算是在水量平衡和動(dòng)力平衡的支配下進(jìn)行的。在Δt 時(shí)段內(nèi)，入庫(kù)水量與出庫(kù)水量之差，應(yīng)等于該時(shí)段內(nèi)水庫(kù)蓄水量的變化。水庫(kù)水量平衡方程為：

式中：Q1、Q2——時(shí)段Δt 始末的入庫(kù)流量，m3/s；

q1、q2——時(shí)段Δt 始末的出庫(kù)流量，m3/s；

V1、V2——時(shí)段Δt 始末的水庫(kù)蓄水量，m3；

Δt——時(shí)段長(zhǎng)，其大小視入庫(kù)流量的變幅而定，h。

對(duì)大石門(mén)水庫(kù)P=10%入庫(kù)洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，按照水庫(kù)現(xiàn)狀實(shí)際運(yùn)行情況，泄水槽參與泄洪，本次水庫(kù)起調(diào)水位為泄水槽底板高程1 019.5 m，調(diào)洪計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 大石門(mén)水庫(kù)P=10%調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

由上表可得，大石門(mén)水庫(kù)上游發(fā)生10 年一遇洪水時(shí)，下泄洪峰為179.5 m3/s，即大石門(mén)河道采用的洪峰流量。

平定縣大石門(mén)鄉(xiāng)大石門(mén)村出露巖層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂頁(yè)巖，出露地層有：①二疊系石千峰組紫紅色砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖及砂巖厚166 m；②上石盒子組黃綠色砂頁(yè)巖厚300～380 m；③下石盒子組黃綠色砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖及石英砂巖厚170 m；④石炭系山西組砂頁(yè)巖，厚114 m；⑤太原組灰黑色砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖，層厚80～110 m；⑥第四系黃土5～18 m，砂卵石層厚15～20 m。

地質(zhì)構(gòu)造包括：兩條平行的近南北向褶皺帶及陷落柱構(gòu)造，大石門(mén)村西南部為一條近南北向，長(zhǎng)3 km的背斜，兩翼傾角為9 度，大石門(mén)村東南部為一條近南北向長(zhǎng)5 km 的向斜，兩翼傾角12 度；陷落柱分布于距大石門(mén)村4 km 的北部及東南部。

現(xiàn)狀河道內(nèi)均為粒徑較大的砂卵石層，厚度較大，本次工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)砂卵石承載力約200 kpa，開(kāi)挖邊坡1∶0.5（有效排水情況下），摩擦系數(shù)取0.5。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306-2001 圖A1）及《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》（GB18306-2001 圖B1），大石門(mén)村河道地震動(dòng)峰值加速度值為0.1 g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，相應(yīng)地震基本烈度為7 度。

2 生態(tài)蓄水工程布置

平定縣大石門(mén)村河道工程治理段的河道布置在縱斷上盡量依原河底布置，河道設(shè)計(jì)縱坡為8.24‰。本治理段河道現(xiàn)狀已渠系化，河道兩岸已建堤防，本次對(duì)河道進(jìn)行防滲蓄水處理，采用鋪設(shè)土工膜防滲，并根據(jù)河道縱坡修建3 座跌水堰。

3 生態(tài)蓄水工程設(shè)計(jì)

3.1 蓄水段布置

蓄水段范圍為治理段始端K0+150.0—K0+760.65，長(zhǎng)610.65 m。蓄水段范圍為樁號(hào)K0+200.0—K0+350.0，樁號(hào)K0+409.3—K0+652.2，長(zhǎng)392.9 m，分別在樁號(hào)K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 處修建3 座跌水堰，與上游樁號(hào)K0+214.0 處已建溢流堰形成連續(xù)水面，共9 875 萬(wàn)m2的水面和0.2 萬(wàn)m3的水體。跌水堰采用1.1 m 高的漿砌石，形成3 處跌水景觀，堰前水深0.20 m。跌水堰統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 跌水堰統(tǒng)計(jì)表

蓄水段河道（樁號(hào)K0+150.0—K0+350.0、樁號(hào)K409.3—K652.2）由下至上設(shè)計(jì)分別為250 mm 厚粘土、復(fù)合土工膜、250 mm 厚粘土和500 mm 厚開(kāi)挖卵石土；為保證復(fù)合土工膜的防滲效果，要求復(fù)合土工膜敷設(shè)高度高出水面100 mm，河道兩邊采用C15 混凝土低擋墻將復(fù)合土工膜固定；C15 混凝土低擋墻采用L 型結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)尺寸0.6 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬），高度高出蓄水水面100 mm，用φ16 插筋與已有漿砌石堤防鏈接固定。

跌水堰平面布置見(jiàn)圖1，跌水堰剖面圖見(jiàn)圖2。

3.2 跌水堰設(shè)計(jì)

本次工程的河道布置在縱斷面上盡量依原河底布置，河道設(shè)計(jì)縱坡為8.24‰。在K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 處，根據(jù)河道縱坡和蓄水面積確定跌水堰高度，根據(jù)河道縱坡確定堰下游跌水高度，基礎(chǔ)埋深和臺(tái)階尺寸按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)共布設(shè)3 座跌水堰，均為實(shí)體跌水堰。高度為1.1 m，與主槽同寬，為21.3～28.9 m。3 座跌水堰主體均采用砌石結(jié)構(gòu)，堰高1.1 m，堰下游跌水高度1.40 m，基礎(chǔ)埋深0.4 m。上游面鉛直，下游面為高0.2 m、寬0.4 m 的臺(tái)階，形成自然、美觀的景觀跌水效果。

跌水堰前均設(shè)長(zhǎng)3 m、厚0.3 m 格網(wǎng)石籠護(hù)底，消力池后均設(shè)置厚0.3 m、長(zhǎng)2 m 的格網(wǎng)石籠海漫。

圖1 跌水堰平面布置圖

圖2 跌水堰剖面圖

跌水堰基礎(chǔ)采用三七灰土換填處理，換填深度為0.5 m。

3.3 消能防沖設(shè)計(jì)

3.3.1 消能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)消力池水力計(jì)算的目的是確定消力池的池長(zhǎng)。采用《水力計(jì)算手冊(cè)》公式計(jì)算：

Ls=Ld+0.8Lj

Ld=4.3D0.27P

Lj=1.9（h″c-hc）

h″c=1.66D0.27P

hc=0.54D0.425P

S=h″c-ht

式中：Ls——池長(zhǎng)，m；

Ld——跌落水舌長(zhǎng)度，m；

Lj——水躍長(zhǎng)度，m；

D——跌落指數(shù)；

P——跌水高度，m，取0.2 m；

h″c——躍后水深，m；

hc——收縮水深，m；

s——池深，m，取0.5 m；

h——下游水深，取0.1 m。

經(jīng)計(jì)算，消力池池長(zhǎng)為3.0 m。

3.3.2 消力池底板厚度按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六冊(cè)公式計(jì)算：

式中：t——池底板始端厚度，m；

q——單寬流量，1.8 m3/s；

ΔH——上下游水位差，1.5 m；

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，0.2～0.175；

經(jīng)計(jì)算，消力池底板厚為0.3 m。

3.3.3 防沖設(shè)計(jì)

本次防沖設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，設(shè)置了海漫，海漫長(zhǎng)度按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六冊(cè)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Lp——海漫長(zhǎng)度，m；

qs——消力池末端單寬流量，1.8 m3/s；

Ks——海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，1.4；

ΔH′——上、下游水位差，1.5 m。

經(jīng)計(jì)算，跌水堰消力池池長(zhǎng)3.0 m，池深0.5 m，消力池底板厚0.3 m，采用格賓石籠防護(hù)。消力池后均設(shè)置厚0.3 m、長(zhǎng)2 m 的格網(wǎng)石籠海漫。

4 工程效益分析

該工程效益主要表現(xiàn)在防洪效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益等方面。工程實(shí)施后，不僅可以減少該段河床下切，提高河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)及跨河機(jī)耕橋的安全，而且創(chuàng)造一個(gè)適宜于生存、發(fā)展的河道環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境和投資環(huán)境，改善了河道的生態(tài)環(huán)境，有效集蓄了河道水流，可以使河道形成連續(xù)水面，對(duì)該段河道進(jìn)行生態(tài)蓄水，恢復(fù)河道的生態(tài)機(jī)能，改善河道水環(huán)境，大大提升了大石門(mén)村的美麗鄉(xiāng)村形象。