河道采砂對(duì)閘壩安全的影響分析

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢）

河道內(nèi)有序、合理的采砂活動(dòng)能保證河勢(shì)穩(wěn)定，維護(hù)航道暢通，防止河床淤積；而大規(guī)模無序、非法的采砂活動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致河床下切、水位下降、建筑物失穩(wěn)、堤防崩退。據(jù)資料顯示，因河道采砂過度河床下切，許多河道堤岸發(fā)生多次坍塌、河道內(nèi)的建筑物經(jīng)常發(fā)生險(xiǎn)情，有些還被沖毀。

一、采砂造成河道水位下降

1.無攔河建筑物的河段

在無攔河閘壩的自然河段，水流條件相對(duì)穩(wěn)定，河道床面形成了一定厚度的抗沖保護(hù)層，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)空范圍內(nèi)，河道的水沙沖淤作用處于平衡狀態(tài)。采砂過程往往是由近到遠(yuǎn)、先易后難、先沙灘后過水河床。河道內(nèi)過度采砂后，河床斷面不斷加深、拓寬，采砂河段水位整體下降，床面抗沖保護(hù)層遭到破壞，采砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了上游河沙補(bǔ)給能力，密集的砂坑會(huì)造成水流紊亂，同時(shí)又加劇了水流沖刷強(qiáng)度，造成采砂坑加深加大。

2.有閘壩等攔河建筑物的河段

攔河閘壩是指修建在河道上用于抬高枯水期的河道水位，以滿足上游灌溉、工業(yè)與生活用水、水生態(tài)與水景觀等需求，保證在枯水期間水利工程處于正常蓄水位。

對(duì)于有攔河閘壩的河段，其采砂引起河段水位下降與無攔河閘壩的河段不盡相同。如圖1所示，以閘a所在河道為例，分析有攔河閘壩的河段采砂坑形成后河道水位變化情況。

①采砂對(duì)攔河閘壩上游的影響。閘a上游有采砂坑，若采砂坑在水庫(kù)壅水范圍外，因水閘擋水高度不變，采砂坑的形成、河床下切等對(duì)閘壩上游水位變化幾乎沒影響，上游水位不變；若采砂坑在水庫(kù)壅水范圍內(nèi)，采砂致使河床下切，但閘上游擋水水位不變，河床下切使上游水深增大、水閘擋水量增多。

②采砂對(duì)攔河閘壩下游的影響。若采砂緊鄰攔河閘壩下游，其結(jié)果是下游河道整體下切，水位隨河床下切而下降，即下游水位降低，上游仍保持正常蓄水位。

圖1 有采砂坑的攔河閘河段

二、河道水位下降對(duì)該河道區(qū)域的影響

1.對(duì)河段內(nèi)引水工程的影響

引水工程主要是指建在河兩岸的引水閘和提水泵站。水位下降對(duì)引水工程的影響主要分為3個(gè)方面。

①引水流量變小或引不到水量。河道水位下降后，自流引水閘閘前水頭小于設(shè)計(jì)水頭、引水落差減小，流量低于設(shè)計(jì)流量，工程引水能力減小，灌溉效率降低。更有甚者，河段水位下降到低于引水閘底板，工程引水失效。

②泵站不能提水或工作效率低。泵站等提灌工程的取水口前淹沒水深小于泵站最低運(yùn)行要求，更甚之，河道水位太低乃至取水口前根本無水可取，致使工程因非工程原因需維修或直接報(bào)廢。

③河段主流遠(yuǎn)離引水口。采砂改變了河道主流的位置，水位下降，過水?dāng)嗝孀冋?，河水主流線遠(yuǎn)離取水口，造成取水困難。

2.對(duì)攔河閘壩工程的影響

攔河閘壩攔截河道，利用閘控或者壩頂溢流的方式調(diào)節(jié)上游水位，其工作特點(diǎn)在于：閘壩擋水后，上下游有一定的水頭差，加上閘壩的過水?dāng)嗝婵偸切∮谒幍暮拥罃嗝?，泄水時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的流速，因此在閘壩后設(shè)置消能防沖設(shè)施（如消力池、消能坎、海漫、防沖槽等）以消除水流的能量，防止閘壩后河床河岸的沖刷，維護(hù)閘壩本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；閘壩擋水時(shí)，閘壩承受水平水壓力，可能推動(dòng)閘壩向下游滑動(dòng)。在上下游水頭差的作用下，水從上游經(jīng)閘壩地基及兩岸向下游滲透，在滲流作用下，地基可能產(chǎn)生滲透變形或被破壞。

由分析可知，河道采砂后，閘壩上游水位不變、水深增大，下游河道水位下降，上下游水位差會(huì)增大。閘壩下游消能工消能壓力也增大，同時(shí)亦增加了滲流強(qiáng)度，對(duì)閘壩穩(wěn)定和安全帶來不利影響，河道水位下降對(duì)建筑物安全穩(wěn)定造成極大威脅。

三、水位下降對(duì)橡膠壩安全影響的實(shí)例分析

1.橡膠壩實(shí)例概況

本實(shí)例為某工程攔河橡膠壩，橡膠壩設(shè)計(jì)高度5 m，用于在枯水期抬高河道水位，滿足兩岸引水灌溉、美化城區(qū)環(huán)境等需求。橡膠壩基礎(chǔ)土層為細(xì)砂，深度達(dá)20 m，滲透系數(shù)為1.2×10-3cm/s；壩基基礎(chǔ)強(qiáng)度fk為180 kPa。設(shè)計(jì)的橡膠壩各結(jié)構(gòu)尺寸為：鋪蓋長(zhǎng)22 m，底部長(zhǎng)20 m，壩基底板上游側(cè)設(shè)板樁，板樁長(zhǎng)6 m；壩袋后采用挖深式消力池，池長(zhǎng)18 m，池底深1.0 m；池后接縱坡為1∶20的海漫，海漫長(zhǎng)45 m，其后防沖槽深2.0 m，如圖2所示。

圖2 橡膠壩工程結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

2.計(jì)算分析

以《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算。上游水位維持正常擋水位25 m，由于采砂引起下游水位下降，進(jìn)行不同下降情況下的滲流穩(wěn)定、消能防沖、閘室穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算過程中，選取0 m（不下降）、0.5 m、1.0 m、1.5 m及2.0 m 5個(gè)水位下降值進(jìn)行計(jì)算分析。

（1）滲流分析計(jì)算

滲流計(jì)算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法，校驗(yàn)不同水位條件下的滲流情況，計(jì)算結(jié)果見表1，其中h1為上游水位，h2為下游水位，Δh’下游水位下降值，J0為出口段滲透坡降，Jx為水平段滲透坡降最大值，[J0]為出口段允許滲透坡降值，[Jx]為水平段允許滲透坡降值。

由表1可知，隨著下游水位下降、上下游水位差增大，水閘出口段和底板水平段滲透坡降逐漸增加，上下游水頭差越大其滲透坡降也越大.計(jì)算表明，當(dāng)下游水位下降1.0 m以后，其水平段滲透坡降就超過了[Jx]，基礎(chǔ)可能發(fā)生滲透變形，影響工程安全。

（2）消能防沖分析計(jì)算

計(jì)算消力池、水躍、海漫及下游河床沖深等，同樣假定水位下降對(duì)不同消能工的影響，計(jì)算結(jié)果見表2。其中，d為消力池深，Lsj為消力池長(zhǎng)，Lp為海漫長(zhǎng)度，dm為海漫末端河床沖刷深度。

隨著下游水位下降，消力池池深、池長(zhǎng)，海漫長(zhǎng)度，河床沖刷深度逐漸增大。當(dāng)下游水深下降0.5 m后，海漫長(zhǎng)度就不能滿足要求；水深下降1 m后，消力池長(zhǎng)度也不能滿足要求。

消力池、海漫、防沖槽之間的關(guān)系是“唇亡齒寒”。一旦消力池消能不充分，出消力池的水流剩余動(dòng)能很大、流速不均、紊動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)池后海漫過度沖刷，因海漫通常為砌石結(jié)構(gòu)，在水流沖刷下，組成海漫的細(xì)石被水挾走，隨即造成海漫的松動(dòng)，影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，致使海漫下部基礎(chǔ)遭受淘刷或沖刷。此外，隨著沖刷深度的增加，防沖槽內(nèi)有限的堆石不足以覆蓋整個(gè)沖坑上游坡面或者護(hù)面厚度變薄不足以保護(hù)河床時(shí)，海漫末端基礎(chǔ)直接遭受水流淘刷，海漫陷落，進(jìn)而消力池末端基礎(chǔ)受沖、消力池破壞，消能工徹底癱瘓，最終整個(gè)工程破壞。

表1 滲流計(jì)算結(jié)果表

表2 消能防沖計(jì)算結(jié)果表

表3 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

（3）穩(wěn)定計(jì)算

采用偏心受壓公式計(jì)算校核工況下基底應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定性，并分析基底應(yīng)力不均勻性。結(jié)果見表3。其中Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，[Kc]為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值，η為基底應(yīng)力不均勻系數(shù)，[η]為基底應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值。

3.計(jì)算結(jié)果及分析

隨著下游水位的下降，橡膠壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也下降，但對(duì)其抗滑穩(wěn)定性影響甚小。其原因在于下游水位下降后，壩底板所受浮托力減小，盡管滲透壓力增大，但揚(yáng)壓力的合力變化不大；此外，影響抗滑穩(wěn)定的其他力隨著下游水位下降其變化值也不大，所以最后的結(jié)果對(duì)抗滑穩(wěn)定影響不大。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

①對(duì)于有攔河建筑物的河段，水位下降的后果是直接影響建筑物的安全。總體來說，河道水位下降，建筑物的防滲、消能防沖及穩(wěn)定性的變化均趨向不利，而隨著攔河建筑物上下游水位差值的增大，建筑物的安全系數(shù)減小，防滲、消能防沖及穩(wěn)定性這三者趨向不安全的程度越大，對(duì)建筑物安全越不利。

②采砂引起河段水位較大幅度下降，往往歷經(jīng)數(shù)年至數(shù)十年，中間緩慢的發(fā)展過程容易被管理部門忽視。在河道上游持續(xù)來水來沙的條件下，對(duì)于有序、合理的采砂，河道具有一定自我修復(fù)能力；但不合理的采砂活動(dòng)遺留下的采砂坑逐漸相互連通并造成河床斷面整體下切以及整個(gè)河段區(qū)域水文條件改變，特別是上下游水位差的增大，致使攔河建筑物的安全性能隨之改變，一旦遇上某次洪水或者在枯水季節(jié)下游過低水位運(yùn)行，將導(dǎo)致工程事故。

③攔河建筑物管理和河道采砂管理常分屬不同職能部門，由于責(zé)權(quán)不統(tǒng)一，增加了控制濫采的難度；此外，非專業(yè)的管理人員對(duì)不合理采砂的后果認(rèn)識(shí)不深刻，往往忽視水位緩慢下降帶來的不良影響。

2.建議

①對(duì)已有或擬建攔河建筑物河段的采砂進(jìn)行有序管理。要充分認(rèn)識(shí)到河砂作為一種建筑材料，并非取之不盡用之不竭。要向河流兩岸宣傳相應(yīng)的采砂管理?xiàng)l例，加強(qiáng)部門監(jiān)督，杜絕無序開采。

②對(duì)水位下降嚴(yán)重的河段，要加強(qiáng)建筑物的管理，對(duì)攔河建筑物進(jìn)行安全復(fù)核。一旦發(fā)現(xiàn)建筑物安全性能降低，應(yīng)降低其運(yùn)行級(jí)別，控制運(yùn)行條件；還可考慮在其下游設(shè)二級(jí)壩、減小建筑物的上下游水位差等措施以保障主要建筑物安全，延長(zhǎng)工程壽命。

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