金雞攔河閘閘下河床沖刷分析及對(duì)策研究

賈香香

(泉州市金雞攔河閘管理處，福建 泉州 362333)

1 工程概況

金雞攔河閘位于福建省泉州市南安市豐州鎮(zhèn)，是晉江下游一座具有防洪、供水、灌溉、擋潮等功能的大(1)型水利樞紐工程，攔河閘全長(zhǎng)744.00m，設(shè)閘門(mén)15孔，旱橋27孔。水閘下游消能防沖段包括閘下消力池、池后海漫和防沖槽，分先啟孔(6～10號(hào))和后啟孔(1～5號(hào)、11～15號(hào))，長(zhǎng)度分別為138.00m和114.00m，先后啟孔防沖槽段長(zhǎng)32.00m，頂面高程-3.80m，底面高程-5.30m，底寬25.90m。該工程于2007年4月下閘蓄水，至今已運(yùn)行十余年。因閘下河床沖刷變化直接影響工程消能防沖設(shè)施，因此對(duì)其進(jìn)行研究十分必要。本文通過(guò)對(duì)金雞攔河閘蓄水運(yùn)行以來(lái)的閘下斷面實(shí)測(cè)資料進(jìn)行研究，分析沖刷變化情況、影響因素及發(fā)展趨勢(shì)，并提出建議以供參考。

2 河床沖刷變化分析

2.1 河道深泓線變化

根據(jù)2008—2018年的實(shí)測(cè)資料，金雞攔河閘下游河道(斷面k0+107.7～k1+150.0)深泓線的變化見(jiàn)圖1。

圖1 金雞攔河閘下游河道斷面k0+107.7～k1+150.0深泓變化

總體而言，河道深泓線在降低，尤其在斷面k0+107.7～k0+620.0之間512.30m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，河道刷深明顯。自2008—2018的10年間，斷面k0+156.9處刷深3.30m，斷面k0+222.7處刷深4.50m，斷面k0+400.0處刷深4.70m。

斷面k0+107.7～k0+209.0處，2008—2013年河道中泓線刷深明顯，最大刷深2.90m，位于斷面k0+156.9處；2013—2018年，沖刷相對(duì)穩(wěn)定，最大刷深0.40m。

斷面k0+214.3～k0+300.0處，河道中泓線仍在刷深，2008—2013年，最大刷深2.80m；2013—2018年最大刷深2.65m。

斷面k0+300.0～k0+620.0處，2008—2013年最大刷深4.70m，刷深范圍為k0+320.0～k0+420.0；2013—2018年淤積回填約1/3，范圍為k0+320.0～k0+350.0。

斷面k0+620.0～k1+150.0處，河道沖淤變化較小，總體比較穩(wěn)定。

2.2 河道橫斷面變化

a.斷面k0+107.7處，先啟孔為海漫段，后啟孔為防沖槽前部，隨時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。根據(jù)斷面情況分為左岸段(-0+139.7～-0+070.0)、中間段(-0+70.0～0+60.0)及右岸段(0+060.0～0+138.5)。左岸段：2008—2011年逐年淤積，最大淤積深度1.81m；2011—2015年刷深明顯，最大刷深2.36m；2015—2018年沖淤交替，略有淤積，最大淤積1.38m。中間段：2008—2018年整體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積比較平穩(wěn)，幅度較小，平均淤積深度0.60m。右岸段：2008—2018年整體呈淤積態(tài)勢(shì)，最大淤積深度2.45m，且淤積逐步向斷面中心發(fā)展。

圖2 斷面k0+107.7變化

b.斷面k0+156.9處，先啟孔為防沖槽下游沖刷坑，后啟孔為河床，2008—2018年斷面變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，沖刷坑沖刷明顯，最大沖刷深度3.61m；2008—2011年刷深幅度較大，最大刷深2.60m；2011—2018年刷深幅度較小，7年最大刷深1.39m。沖刷坑左右兩側(cè)小范圍小幅度淤積，10年最大淤積深度為2.16m。

圖3 斷面k0+156.9變化

c.斷面k0+200.0的變化過(guò)程見(jiàn)圖4，斷面中部沖刷明顯，2008—2011年最大沖刷深度為2.20m；2011—2015年最大沖刷深度為2.60m；2015—2018年最大沖刷深度為1.50m；10年間斷面最大沖刷深度4.73m，且沖刷最低點(diǎn)由斷面中心向河流右岸移動(dòng)。沖刷坑兩側(cè)略有淤積，變幅小，最大淤積深度僅1.00m。

圖4 斷面k0+200.0變化

圖5 斷面k0+222.7變化

d.斷面k0+222.7的變化過(guò)程見(jiàn)圖5。由圖5可知，斷面中部沖刷明顯，2015年沖刷深度最大，7年最大刷深5.31m；2008—2011年最大沖刷深度2.40m；2011—2015年最大沖刷深度3.30m；2015—2018年略有淤積，幅度小。沖刷坑兩側(cè)沖淤交替，最大淤積深度1.95m，相對(duì)趨于穩(wěn)定。左岸岸邊部分2008—2011年變化明顯，主要原因是左岸駁岸塌陷，于2011年初進(jìn)行修復(fù)，因此改變了斷面形態(tài)。

e.斷面k0+314.5的變化過(guò)程見(jiàn)圖6。由圖6可知，該斷面的沖淤變化主要集中在左岸，斷面中線至右岸沖淤變化不明顯，略有淤積，斷面狀態(tài)整體穩(wěn)定。左岸2008年、2011年變化明顯，分別形成一個(gè)深4.70m和2.90m的坑。2011—2015年呈淤積態(tài)勢(shì)，大的沖刷坑基本淤積至2008年?duì)顟B(tài)，2016年兩個(gè)沖刷坑基本填平，2018年變化情況與2016年基本一致。左岸岸線部分的變化是砌石護(hù)坡發(fā)生坍塌造成的，原因在于施工圍堰靠左右兩岸較近缺口在中低水位形成左右汊主流線，左汊主流線距左岸較近，從而造成近岸河床劇烈沖刷，駁岸分別于2011年初和2013年初進(jìn)行了修復(fù)，因此岸線向岸邊方向移動(dòng)。

圖6 斷面k0+314.5變化

f.斷面k0+431.2的變化過(guò)程見(jiàn)圖7。2008—2018年間，該斷面變化主要集中在中線靠右部分，其余部分沖淤變化不明顯。因采砂，2008—2011年該斷面形成深度5.77m的砂坑；2011—2018年略有淤積，斷面整體穩(wěn)定。左岸岸線部分由于低水駁岸坍塌，2013年初進(jìn)行了修復(fù)，因此岸線向左移動(dòng)。

圖7 斷面k0+431.2變化

2.3 沖淤平面變化

2.3.1 防沖槽下游沖刷坑變化情況

2008—2018年防沖槽下游沖刷坑變化情況見(jiàn)圖8、表1，2008年沖刷坑(河床高程低于-5.00m的面積)在斷面2中線右側(cè)，范圍為515m2，2009年范圍已擴(kuò)大數(shù)倍，發(fā)展至2618m2，并且隨著時(shí)間的推移，沖刷范圍呈擴(kuò)大態(tài)勢(shì)，2016年4月達(dá)到最大范圍5706m2,2016年10月淤積范圍為851m2，之后又再度沖刷，2018年達(dá)到5570m2。此間，沖刷坑以沖刷為主，淤積3次，分別為2011年4月淤積770m2、2015年3月淤積51m2、2016年10月淤積851m2。

圖8 防沖槽下游沖刷坑變化

表1 沖刷坑實(shí)測(cè)資料對(duì)照

2.3.2 施工圍堰下游沖刷坑變化情況

在斷面k0+209.0處有未拆除的施工圍堰，圍堰中部有缺口，下游形成沖刷坑，且呈刷深態(tài)勢(shì)。圍堰下游沖刷坑最大刷深為2018年的6.40m，比2013年的4.60m刷深了1.80m，河床沖淤與低水圍堰缺口密切相關(guān)。斷面k0+300.0處自2008年以來(lái)一直未曾刷深，再向下游，因采砂等因素于2009年形成了長(zhǎng)度約150.00m的沖刷坑，之后變化不大，直到2016年臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”與天文大潮相遇，淤積向下游發(fā)展了50.00m。

2.3.3 圍堰下游河道沖刷變化情況

施工圍堰以下河道沖淤變化與主流線關(guān)系密切，沖刷基本同主流線方向一致，有向右岸(凹岸)方向移動(dòng)趨勢(shì)，變化規(guī)律符合河道演變特性，見(jiàn)圖9。

圖9 閘下河道2016年與2018年沖淤?gòu)?qiáng)度分布比較

2.3.4 岸線變化情況

岸邊沖刷引起岸線的坍塌。自攔河閘運(yùn)行以來(lái)，閘下左右岸低水駁岸均因沖刷而塌陷，已經(jīng)完成數(shù)次駁岸修復(fù)，前述斷面分析中有所提及。2016—2018年，斷面k0+700.0～k0+800.0右岸岸線部分被沖刷，被沖岸線距離在0～6.60m之間。

3 沖刷坑沖刷原因分析

3.1 控制運(yùn)用方式

攔河閘控制運(yùn)用規(guī)則是先啟孔開(kāi)度達(dá)到3.00m時(shí)開(kāi)啟后啟孔，因此5孔先啟孔常開(kāi)而10孔后啟孔少開(kāi)，且兩個(gè)55.00m長(zhǎng)的導(dǎo)流柱將先啟孔水流與后啟孔水流隔開(kāi)，所以先啟孔的沖刷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于后啟孔，尤以河道中泓為甚。因此先啟孔消能防沖設(shè)施末端形成了沖刷坑而后啟孔卻沒(méi)有，且由于導(dǎo)流柱末端水流斷面由先啟孔5孔寬度擴(kuò)至整個(gè)斷面寬度，水流流速小，沖刷強(qiáng)度小，因此斷面k0+107.7處僅后啟孔淤積明顯，低潮時(shí)肉眼明顯可見(jiàn)。金雞攔河閘的特點(diǎn)及控制運(yùn)用方式?jīng)Q定了防沖槽下游沖刷屬于工程運(yùn)行初期就考慮了的表層沖刷。

3.2 來(lái)水來(lái)沙情況

河道各水力要素與河道形態(tài)之間是一種動(dòng)態(tài)聯(lián)系的關(guān)系[1]。一定的河床形態(tài)是挾沙水流與河床相互作用，不斷自動(dòng)調(diào)整所形成的結(jié)果[2-3]。以石礱水文站作參證站，2008—2018年金雞攔河閘斷面來(lái)水來(lái)沙情況見(jiàn)表2。

表2 金雞攔河閘斷面2005—2017年的來(lái)水來(lái)沙情況

河道沖淤變化受來(lái)水來(lái)沙影響密切。閘下209.00m(施工圍堰)范圍內(nèi)，屬于泄流區(qū)，受上游來(lái)水量(流量)影響，攔河閘開(kāi)閘放水，水流流速大，因此斷面整體以沖刷為主。由于攔河閘啟閉以先啟孔居多，在未開(kāi)后啟孔的情況下，下泄量可達(dá)1500m3/s，而歷年上游來(lái)水最大流量均在1500m3/s以上，因此斷面中部尤以中泓部分沖刷明顯，防沖槽下游沖刷坑亦如此。此段由于流速大，泥沙隨水下泄，因此較少考慮輸沙量(輸沙量與最大流量成正比，見(jiàn)圖10)。

圖10 2005—2017年石礱斷面年輸沙量與年最大流量關(guān)系

斷面k0+209.0處有未拆除的施工圍堰，受早年采砂影響，圍堰下游至斷面k0+431.0處形成沖刷坑。由于水流流速放緩，水流及泥沙共同影響著河床的變化，尤其受天文大潮影響，因此“莫蘭蒂”洪水?dāng)y帶的大量泥沙部分回填沖刷坑。而在斷面k0+222.0處的沖刷坑，由于圍堰中部存在缺口，因此沖刷坑整體沖刷，呈沖淤交替。

斷面k0+431.0以下，由于下泄水流已基本平穩(wěn)，河床變化較小。

3.3 潮水漲落情況

金雞攔河閘兼有擋潮功能，上游為淡水，下游咸淡水交融，潮水可追溯至閘前。晉江口為典型的半日潮，24h內(nèi)兩次高潮兩次低潮。金雞攔河閘下游閘底高程為-1.00m(5孔先啟孔)和0m(后啟孔10孔)，閘下水位常年在-1.00～4.00m之間。汛期開(kāi)閘放水時(shí)，閘上挾沙水流過(guò)閘向下，沖刷下游河道。閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，閘下河道變化主要受潮水漲落影響，如2011年1—4月非汛期，斷面來(lái)水來(lái)沙量小，閘門(mén)較少開(kāi)啟，海洋潮汐動(dòng)力攜帶泥沙進(jìn)入施工圍堰至閘址，沖刷坑淤積范圍770m2。

2016年9月，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸，恰逢天文大潮，遭遇洪潮，為確保防汛安全，根據(jù)市防指統(tǒng)一調(diào)度，金雞攔河閘提早預(yù)排預(yù)泄。盡管15孔閘門(mén)全部提離水面，但受潮汐影響，排洪速度明顯減緩，水位達(dá)8.55m，超出正常蓄水位1.55m。洪水?dāng)y帶的大量泥沙，一部分由于流速緩慢而淤積，因此2016年10月與4月相比，防沖槽下游沖刷坑沖刷面積減小，出現(xiàn)了851m2的淤積。

3.4 采砂情況

采砂會(huì)直接造成河床下切，并從流態(tài)的改變上引起河床溯源沖刷及全面的調(diào)整[4]，20世紀(jì)90年代閩江下游北港河床大規(guī)模采砂導(dǎo)致解放大橋倒塌、防洪堤出現(xiàn)險(xiǎn)情等問(wèn)題[5]。金雞攔河閘舊閘經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，在防滲、抗震、消能等方面出現(xiàn)險(xiǎn)情，因此最終建新閘拆舊閘。有研究表明，下游河道采砂是造成近年攔河閘工程下游河床嚴(yán)重下切的主要原因[6]。工程運(yùn)行初期(2008—2010年)，采砂導(dǎo)致防沖槽下游沖刷坑發(fā)展迅速，年均沖刷面積2089m2。隨著管理的加強(qiáng)，近年來(lái)，研究斷面范圍內(nèi)已難覓非法采砂之影，而沖刷坑仍在繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展，因此認(rèn)為采砂已非研究斷面目前河床沖刷的主要原因。

4 河床沖刷趨勢(shì)

根據(jù)研究斷面近幾年的變化情況，對(duì)河床沖刷趨勢(shì)分析如下：鑒于晉江流域?qū)嵭新?lián)合統(tǒng)一調(diào)度，東溪有山美水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，西溪正在籌建白瀨水庫(kù)，因此干流發(fā)生較大洪水的可能性較小。在遭遇較大洪水時(shí)，斷面k0+107.7～k0+300.0范圍內(nèi)，閘下防沖槽下游沖刷坑和施工圍堰下游沖刷坑會(huì)繼續(xù)沖刷；斷面k0+314.5～k0+440.0處沖刷會(huì)反復(fù)，因沖刷區(qū)距離水閘較遠(yuǎn)，基本不影響水閘安全；斷面k0+440.0以下，沖淤變化較為穩(wěn)定。建設(shè)之初，防沖槽底部寬為25.90m，經(jīng)十余年的運(yùn)行，防沖槽底部寬度不變，仍為25.90m，并未造成破壞，可以滿(mǎn)足防沖要求，因此認(rèn)為目前防沖槽的發(fā)展對(duì)水閘安全影響不大。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析，金雞攔河閘下閘蓄水十余年來(lái)，閘下河段主要有3處沖淤變化較大，分別為斷面k0+156.9處防沖槽下游沖刷坑、斷面k0+222.7～k0+280.0處施工圍堰下游沖刷坑、斷面k0+300.0～k0+440.0處的沖淤坑。近年來(lái),3處沖刷變化幅度較小，河勢(shì)總體趨于穩(wěn)定。引起河床沖淤變化的原因主要有控制運(yùn)用方式、來(lái)水來(lái)沙及潮水漲落，在工程運(yùn)行之初采砂也是造成河床下切的主要原因。

鑒于閘下河床的沖刷直接影響工程的安全穩(wěn)定，事關(guān)泉州下游10個(gè)縣(市、區(qū))500萬(wàn)人的生產(chǎn)生活用水，同時(shí)本研究可為工程安全、供水安全、防洪安全提供依據(jù)，因此對(duì)其進(jìn)行研究十分必要。研究結(jié)果表明，針對(duì)岸線的沖刷工程管理單位及時(shí)進(jìn)行了低水駁岸的修復(fù)，底部沖刷呈持續(xù)刷深趨勢(shì)，但近年刷深幅度明顯減小，暫未對(duì)工程安全造成影響。為此建議：?常態(tài)化開(kāi)展研究斷面的實(shí)測(cè)工作，遭遇大洪水、大潮時(shí)加密對(duì)斷面的監(jiān)測(cè)，對(duì)低水駁岸出現(xiàn)的險(xiǎn)情等及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，確保岸線穩(wěn)定；?加強(qiáng)對(duì)工程消能防沖設(shè)施的觀測(cè)，注意收集基礎(chǔ)資料，適時(shí)評(píng)估下游防沖槽的損壞程度及對(duì)海漫的影響；?相關(guān)單位各司其職，加強(qiáng)河道管理及巡河檢查，嚴(yán)格落實(shí)工程保護(hù)管理相關(guān)規(guī)定。