河口村水庫壩下泄洪區(qū)出口整治及生態(tài)修復

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。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，通過設置河心灘進行導流分流，降低河道流速，并增設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。

關鍵詞：壩下泄洪區(qū)；河道整治；生態(tài)修復；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生了較大范圍的沖刷坑。根據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，應對泄洪出口區(qū)域河道進行整治與生態(tài)修復，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)修復設計理念

（1）對泄洪出口挑流沖刷坑進行實體模型試驗，結果表明：泄洪時，泄洪水舌人水后頂沖對岸形成較高的涌浪，對高灘產生重復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。整體模型試驗結果與水力計算結果差別不大。

（3）根據水力計算與模型試驗結果，在泄洪洞出口附近及下游河道關鍵位置設置跌水坎，攔蓄河道上游來水，形成消力塘消散水流能量，結合周邊地形，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計中，首次采用了高次團粒噴播技術。

（5）在水土流失預測中運用DEM數(shù)據，快速準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)恢復工程布置

3.1 河心灘設計特色

河心灘是壩下泄洪出口下游河段分流導流的關鍵，由于高灘位于出口泄流區(qū)，因此其位置選擇非常關鍵，既要充分利用高灘形成河心灘，又要確保河心灘的安全。根據泄洪建筑物出口模型試驗結果，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，根據水力計算與模型試驗結果，沿高灘有側挖約55m寬的明槽形成右岸流道，導引水流沿河心灘兩側泄流，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，滿足設計要求。

泄洪建筑物出口下游河道整治工程的設計標準為50a一遇，此時泄洪洞泄流量為2400m3/S。根據水庫運用方式，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)恢復工程設計

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。河心灘相當于河道中的丁壩或導流堤，起到了導流和挑流的作用。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，河心灘為砂卵石結構，局部細砂和夾層，抗沖能力差，在河心灘端頭頂沖部位產生強烈的局部沖刷，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，可以看出丁壩及導流堤沖刷深度計算結果有一定差異。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 防沖墻結構計算

泄洪洞出口頂沖范圍長約204m，防沖墻厚1.5m，設置在河心灘前緣，這在國內是首例，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。在河槽達到沖刷線時，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，受力相當于一個抗滑樁，墻身除要滿足結構受力外，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，按抗滑樁結構計算其內力、配筋，抗滑樁的錨固深度根據抗滑樁傳遞到地面以下地層的側壁壓應力不大于地層的側向容許承載力確定。

根據沖刷計算結果，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。

抗滑樁結構計算采用《水利水電工程設計計算程序集》專用程序計算，抗滑樁內力計算采用彈性樁“m”法計算，根據專用程序計算樁身內力及不同高程處樁側壓應力，經計算樁身配筋為每延米配5#28鋼筋，樁的基礎錨固深度滿足要求。

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，且適應河床變形，在175.0m高程以下采用漿砌塊石護坡。滿足風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（?。?，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計

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

（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，因此根據不同部位斷面大小、流速大小，經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護腳應伸人沖刷線以下，坡腳鋪筑尺寸根據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采用混凝土預制塊護坡，預制塊平面尺寸為43cmx44cm，預制塊厚度為0.1m，為確保預制塊穩(wěn)定，采用異形鎖扣式連接。

（3）河心灘設計水位以上邊坡。河心灘設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，為便于管理以種植灌木為主，輔以草皮植被修復。

4.7 河道岸坡生態(tài)恢復設計

邊坡防護的主要手段為“下?lián)跎吓拧?，在坡腳設置擋土墻，上游設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格進行邊坡防護。對于較陡邊坡采用植生袋鋪設，植生袋內裝植物土和種子，植生袋既能保護邊坡，又能長出綠郁蔥蔥的植被來。漿砌石網格護坡能夠使坡面穩(wěn)定，網格尺寸一般為2.0～4.0m，網格內覆土，種植花草、灌木。對于部分邊坡坡比陡于1：1的邊坡，由于采用網格護坡很難固坡，創(chuàng)造性地采用漿砌石護坡墻形式的網眼護坡，即在實體漿砌石護坡墻上預埋植物管，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，起到恢復生態(tài)的作用。

將樣地調查、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，根據群落組成和演替度大小設置坡面及地被植物，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。

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：減小風化坡面巖石的風化速度，繼而保護坡面，防止坡面水土流失。高次團粒復綠以灌木為主，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）設計

河口村水庫跌水坎（滾水壩）從上到下共設置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。需要分級設置跌水坎，形成多級消能。跌水坎的高度根據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重，金灘大橋上游的一處簡易農橋被沖毀，金灘大橋橋下基礎下切沖刷4m多深，因此在距離金灘大橋約70m處設一道跌水坎，可使金灘大橋上游形成水墊緩沖水流，保護金灘大橋基礎安全。

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

第三道跌水坎（左二級）設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有已建引沁干渠溢流口，該干渠設計流量18m3/S，經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過，不僅沖刷河道，而且沖刷尾水渠基礎，因此在此處設一道跌水坎，可保護電站尾水渠及下游河道安全。