沖淤變化對渭河下游倉西工程安全的影響

包歲利

（陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710018）

1 概況

1.1 倉西河段概況

渭河倉西控導(dǎo)工程位于大荔縣韋林鄉(xiāng)望仙村東南的渭河渭淤2斷面左岸上下游，倉西灣所在河段是渭河下游的方山河～潼關(guān)入黃段，該河段長約58 km，屬典型的彎曲性河段，枯水河床寬約400～600 m，河床局部擺動不定，河曲十分發(fā)育，平均彎曲系數(shù)約為1.43，河勢彎化交為劇烈，侵蝕塌岸經(jīng)常發(fā)生，河床縱向平均比降為10/000左右，在倉西工程下游6.0 km左右渭河左岸有北洛河匯入渭河。倉西工程位于渭河下游渭淤2斷面附近，因?yàn)槲加?在河道中間，選渭淤1～2或者渭淤2～3斷面都不能代表這個河段，所以選渭淤1～3河段作為本次的研究河段。

1.2 倉西控導(dǎo)工程概況

倉西控導(dǎo)工程在《渭洛河下游河道整治初步設(shè)計》(下簡稱《初設(shè)》)中，工程布設(shè)起點(diǎn)在倉西灣上段，對應(yīng)于沙苑圍堤管理樁號為9+600，在倉西灣上段沿修正治導(dǎo)線與岸坎布置成直線，直線段布設(shè)12座雁翅壩垛抵御渭河洪水頂沖，中下段布設(shè)復(fù)合彎道，布置23座雁翅壩形成以壩護(hù)彎，以彎導(dǎo)流，并保護(hù)抽水站取水口和移民圍堤。工程總長度2781 m，沿工程位置線共布置雁翅壩35座；其中水中進(jìn)占雁翅翅壩11座，旱灘雁翅壩24座，加固1座。

2000～2002年，倉西河段河勢不斷惡化，主流直接頂沖倉西灣，致使倉西灣岸坎不斷坍塌后退，灣頂下挫；2002年3月灣頂距沙苑圍堤不到100 m，洪水直接威脅著沙苑移發(fā)圍堤的安全。2003年1月，陜西省水利廳批復(fù)[1]同意安排新建倉西控導(dǎo)護(hù)岸工程建設(shè)。

倉西控導(dǎo)工程從2003年汛前、2003年汛后、2005、2008、2011 年 5 期建設(shè)，形成目前總長 5934 m、雁翅壩 35（0#～34#）座的規(guī)模。在施工過程中，2～4期建設(shè)時進(jìn)行了設(shè)計變更，主要是水中壩變更為旱灘壩、抬高原設(shè)計沖刷底坑高程[2]兩方面的變更。

1.3 工程歷年出險基本情況

倉西控導(dǎo)工程2010年初次出險以來歷次出險情況統(tǒng)計見表1。在2010年洪水期間，渭河下游大荔倉西工程4～6#壩及襠相繼出現(xiàn)墩蟄、壩襠后潰等險情發(fā)生，工程整體下沉向前飄浮到原主河道后突然整體下沉，擊起10余米水浪的特殊出險類型；2011年9月秋淋洪水期間，倉西工程2～3#壩段壩襠、壩頭相繼出險；2012年8月、9月渭河中下游形成了二次中常流量洪水，6～8#壩段壩襠出現(xiàn)土體坍塌險情長度12 m；2013年7月下旬洪水致使8～9#壩襠中下段及9#壩上跨籠石臺發(fā)生墩蟄較大險情，出險長度52 m；2014年9月洪水，8～10#壩及襠出現(xiàn)根石走失、籠石倒塌入水，出險長度約140 m，水毀較為嚴(yán)重。

倉西工程歷年出險情況統(tǒng)計表

可以看出，出險集中在3～10#壩段；出險主要表現(xiàn)為壩垛墩蟄（3-6#、9#壩）、壩襠后潰坍塌或土體坍塌（2-3#、4-8#壩襠）、壩及襠籠石墩蟄或倒塌（8-10#壩襠）3種形式。針對倉西工程3種出險形式，分析研究倉西工程特殊出險類型的原因，提出科學(xué)合理的除險加固方案，并組織實(shí)施、確保工程與堤防安全，是十分必要與迫切的。

2 倉西河段沖淤情況分析

由于倉西工程出險有河道沖淤、河勢演變、工程設(shè)計與修建、地質(zhì)[3]等方面的眾多影響因素，十分復(fù)雜，因此本文僅對河段沖淤在工程出險中的影響進(jìn)行分析，以期明確河道沖淤對工程設(shè)計有關(guān)參數(shù)的影響，提出今后工程設(shè)計中應(yīng)怎樣按沖淤成果確定相應(yīng)參數(shù)。

2.1 河段沖淤情況

渭淤2典型斷面河道形態(tài)變化變化見圖1?？梢钥闯?，1960年以來渭淤2斷面灘面、主槽最深點(diǎn)均大致抬升4.0 m左右，主槽變窄、深度變化不大，形成相對窄深的河槽，整個斷面淤積抬升十分明顯，淤積量巨大，形成了明顯的臨背差。從河槽形態(tài)變化分析，2010年以來倉西河段變得寬淺，不出槽的2500 m3/s以下各流量級洪水平均流速減小，沖刷能力減弱，對主槽岸坎與倉西工程穩(wěn)定總體是有利的。

圖1 倉西河段渭淤2典型年斷面變化圖

2.2 河段沖淤變化過程

渭河下游渭淤1～3各河段沖淤情況列于表2?？梢钥闯觯瑐}西河段2002汛后由淤轉(zhuǎn)沖，2002年汛后至2012年汛后倉西河段（渭淤1-3）總體沖刷，共沖刷0.2506億m3，其中2003、2010年度分別沖刷 0.1709億 m3、0.0358億 m3，幅度較大，占該時期68.20%、14.29%。2004～2008年是補(bǔ)償性連續(xù)微弱回淤，2009～2012年度持續(xù)性微弱沖刷；由于渭河“沖槽淤灘”特點(diǎn)，倉西河段主槽平均沖刷下降1.03 m。2013年倉西河段“由沖轉(zhuǎn)淤”引起該河段的變化調(diào)整，2014年又有較大幅度的沖刷0.0527億m3，2015年該河段微淤0.0011 億 m3。

出險前2002.09～2009.10倉西河段整體沖刷0.0809億m3，呈現(xiàn)“一年沖多年淤”的沖淤過程；2010年汛期出險以來的2009.10～2015.10倉西河段共沖刷0.1979億 m3，其中2009～2012年4年連續(xù)沖刷，2013年以來倉西河段年度沖淤變化已由“連續(xù)沖刷”變?yōu)椤皼_淤相間”。

3 河段沖淤對倉西工程出險的影響分析

3.1 河段最深點(diǎn)變化分析

2002年以來倉西河段各斷面河底最深點(diǎn)變化過程見圖2。可以看出：倉西河段渭淤1、2、3各斷面最深點(diǎn)近期變化趨勢大致相同，但有個明顯特推征是多數(shù)年份形成河底倒比降，出現(xiàn)明顯的攔門沙；如2002～2004年渭淤1相對渭淤2形成倒比降的攔門沙坎，2005年渭淤2相對渭淤3形成倒比降的攔門沙坎，2010年渭淤1、2相對渭淤3形成倒比降的攔門沙坎，渭淤1、2較渭淤3河底最深點(diǎn)分別高1.8 m、2.3 m，倒比降非常明顯。

表2 渭河下游渭淤1～3河段淤積體分布表

近期2003與2010年汛期倉西各斷面河底最深點(diǎn)均大幅度下降，河槽沖刷幅度很大；2003年汛期渭淤1、2、3斷面河槽分別沖刷下降 1.86 m、1.68 m、1.99 m；2010 年汛期渭淤 1、2、3各斷面河槽分別沖刷下降1.79 m、2.18 m、4.14 m，倉西河段呈從上游至下游沖刷幅度“由大減小”的沿程沖刷變化?？梢?，在2010～2014年較好的洪水條件下，對前期淤在河道的泥沙大量沖刷，倉西河段出現(xiàn)了一定程度的沖刷，引起河勢變化與岸坡坍塌。

圖2 倉西河段各斷面汛后最深點(diǎn)變化過程圖

3.2 河段最深點(diǎn)變化與工程設(shè)計沖刷底坑高程對比分析

倉西工程歷年出險施工沖刷底坑高程與出險年份汛后河道最深點(diǎn)高程差值統(tǒng)計見表3，需要說明的是，上述比較是在洪峰過后河道回淤后的成果，在實(shí)際洪水過程中出險時河道最深點(diǎn)應(yīng)較上述汛后最深點(diǎn)更深。

表3 倉西工程歷年出險施工沖刷底坑高程與出險年份汛后河道最深點(diǎn)高程差值統(tǒng)計表

可以看出，2010年汛期洪水沖刷回淤汛后實(shí)測渭淤2最深點(diǎn)為324.74 m，較4#、5#、6#壩設(shè)計變更沖刷坑底高程分別低0.26 m、1.26 m、1.26 m，較壩襠設(shè)計變更沖刷坑底高程328.5 m低3.76 m。2011年汛期渭淤2斷面汛后最深點(diǎn)為325.64，較出險的3#旱灘壩設(shè)計沖刷坑底高程328.50 m低2.86 m。2012年汛期渭淤2斷面汛后最深點(diǎn)為325.18，較出險的6～8#壩襠土體坍塌段工程施工 (設(shè)計)沖刷坑底高程328.50 m低3.32 m。2013年汛期渭淤2斷面汛后最深點(diǎn)為325.26，較墩蟄的8～9#壩襠中下段及9#壩上跨籠石臺段工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程328.50 m低3.24 m。2014年汛期渭淤2斷面汛后最深點(diǎn)為324.85 m，較出現(xiàn)根石走失、籠石倒塌8～10#壩及壩襠工程段施工(設(shè)計)沖刷坑底高程328.50 m低3.65 m。上述分析表明：倉西河段河道沖刷下切，河道最深點(diǎn)一般較出險工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低，除4#壩垛低0.26 m差距不大外，5～6#低1.26 m、3#低2.86 m、其它均超過3.0 m。

倉西河段河道沖刷下切，河道最深點(diǎn)一般較出險工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低，這種客觀邊界條件在充足的洪水動力條件下，洪水淘刷容易造成根石走失，工程吊空極易造成工程失穩(wěn)出險。因此，倉西河道較大幅度沖刷，河道最深點(diǎn)下切較工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低是倉西工程連年出險的一個重要原因。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）在2010年洪水期間，渭河下游大荔倉西工程發(fā)生工程整體下沉向前飄浮到原主河道后突然整體下沉，擊起10余米水浪的特殊出險類型，之后，2011～2014年汛期倉西工程4#～10#壩段每年均出現(xiàn)一定的險情。在洪水量級不大的情況下倉西工程2010～2014年連續(xù)5年出險，由于出險類型特殊、出險原因不明，直接危脅倉西工程壩后僅80余米的堤防工程。因此，分析研究倉西工程特殊出險類型的原因，為提出科學(xué)合理的除險加固方案、并組織實(shí)施，確保工程與堤防安全有著重要的意義，開展該項(xiàng)研究是十分必要的。

（2）倉西控導(dǎo)工程2010年初次出險以來歷次出險出險集中在三期續(xù)建的3～10#壩段；出險主要表現(xiàn)為壩垛墩蟄(3～6#、9# 壩)、壩襠后潰坍塌或土體坍塌(2～3#、4～8# 壩襠)、壩及襠籠石墩蟄或倒塌(8～10#壩襠)3種不同出險類型。

（3）2002年汛后至2012年汛后倉西河段總體沖刷，共沖刷0.2506億m3，其中，2004～2008年是補(bǔ)償性連續(xù)微弱回淤，2009～2012年度持續(xù)性微弱沖刷。2013年倉西河段“由沖轉(zhuǎn)淤”引起該河段的變化調(diào)整，2013年以來倉西河段年度沖淤變化已由“連續(xù)沖刷”變?yōu)椤皼_淤相間”。

（4）倉西河段河道沖刷下切，河道最深點(diǎn)一般較出險工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低，這種客觀邊界條件是工程失穩(wěn)出險必要的外在條件，在充足的洪水動力條件下，工程失穩(wěn)出險必然成為大概率事件，因此，倉西河道河道最深點(diǎn)下切較工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低，是倉西工程連年出險的一個重要原因。

4.2 建議

河道較大幅度沖刷下切、主槽最深點(diǎn)較工程施工(設(shè)計)沖刷坑底高程低，是造成2010、2011年倉西工程出險主要原因，但產(chǎn)生這一問題的根源是設(shè)計變更中將沖刷坑底高程抬升2.5～6.0 m，因此，在今后河道工程特別是控導(dǎo)工程施工中，重大變更要按照水規(guī)計[2012]93號《水利工程設(shè)計變更管理暫行辦法》[4]要求進(jìn)行。