淺談山區(qū)性河道堰壩破壞形式與設計要點

王坤雪，張 麗，程 霆，吳志華

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.開化縣音坑鄉(xiāng)人民政府，浙江 開化 324300；3.開化縣水利局，浙江 開化 324300）

1 問題的提出

山區(qū)性河道山勢陡峻，河床比降大，源短流急，匯水集中迅速，沖刷破壞能力強。山區(qū)地形極易形成暴雨中心，洪水期水位猛漲猛落。為滿足灌溉供水、穩(wěn)定河床、交通便民等需求，在山區(qū)性河道上興建的低水頭堰壩工程較易在洪水中被破壞；堤岸決口損毀部位也多位于堰壩的上下游連接段，成為流域的防洪薄弱環(huán)節(jié)。對山區(qū)性河道堰壩的破壞形式進行分析并總結其設計要點，對保障山區(qū)性河道的基本行洪安全有著重要意義。

2 山區(qū)性河道堰壩主要破壞形式

山區(qū)性河道存在較為豐富、可用于堰體填筑的天然砂礫石資源，因此山區(qū)性河道堰壩型式多為金包銀結構（見圖1），此種型式較為經(jīng)濟，應用也較為廣泛。山區(qū)性河道堰壩的主要破壞形式可分為下游基礎沖刷破壞、與堤岸的連接段破壞、滲漏破壞及附屬設施破壞等。

圖1 山區(qū)性河道堰壩金包銀結構典型斷面圖 單位：cm

2.1 下游基礎沖刷破壞

堰壩下游基礎沖刷破壞是山區(qū)性河道堰壩破壞最常見的形式之一。大多數(shù)山區(qū)性河道堰壩的基礎建造于河道砂卵石層，并無條件建造在基巖上，因此若沖刷深度考慮不足，行洪過程中堰腳易遭遇洪水沖刷掏空致使堰壩整體失穩(wěn)。部分堰壩下游未設置消能防沖設施，或設置的消能防沖設施長度及強度均不足，使堰壩下游河床遭遇洪水長期沖刷致使河床面下切，最終導致堰體失穩(wěn)破壞。河道挖砂等人為因素會加劇此類破壞，因此應予以杜絕。堰壩下游基礎沖刷破壞現(xiàn)場見圖2。

圖2 堰壩下游基礎沖刷破壞現(xiàn)場圖

2.2 與堤岸的連接段破壞

堰壩與堤岸連接段破壞主要發(fā)生在連接位置及其下游位置，原因多是壩肩護岸擋墻未與堰壩主體同步建設，堰體未伸入護岸擋墻內部，導致連接部位形成薄弱環(huán)節(jié)與滲漏通道，影響堰體的整體穩(wěn)定。同時若原壩肩及下游護岸擋墻的基礎埋深不足、防沖能力差，堰壩的建設改變水流形態(tài)，使連接段及其下游位置的護岸擋墻不能滿足堰壩完建工況下的護岸穩(wěn)定與防沖要求，最終導致堤岸的整體坍塌。堰壩壩肩破壞現(xiàn)場見圖3。

圖3 堰壩壩肩破壞現(xiàn)場圖

2.3 滲漏破壞

山區(qū)性河道堰壩工程多為砂卵石地基，滲水性強，較易發(fā)生滲漏破壞。滲漏破壞的形式主要為壩肩繞滲及沿基礎面滲漏破壞。

（1）壩肩繞滲。山區(qū)性河道堰壩兩側普遍存在壩肩繞滲問題，多為壩肩護岸擋墻采用干砌塊石等多孔隙擋墻結構，或漿砌石、灌砌石施工不到位，加之堤身填筑料多以砂礫料為主，黏粒含量少，滲透系數(shù)大，沿壩肩位置或沿堤身內極易形成滲漏通道，最終壩體及堤身內部的細料被水流帶走導致堰壩破壞。

（2）沿基礎面滲漏。原因多為上游堰壩基座未開挖至相對不透水層，未起到良好的截滲作用，導致堰壩沿基礎底面形成滲漏通道影響壩體的滲透穩(wěn)定，導致堰壩破壞。

2.4 附屬設施破壞

山區(qū)性河道堰壩的附屬設施破壞主要指汀步石、下堤踏步、親水平臺、放空管等部位的破壞。多因附屬設施的設計及施工未考慮行洪期間的水流沖刷作用。如汀步石未伸入堰壩主體結構被水流沖走；下堤踏步及親水平臺過多侵占行洪空間被沖毀破壞；施工期埋設放空管時管體破損，堰體內部細料沿管體內部被水流帶走，導致堰壩溢流面塌陷破壞等。

3 山區(qū)性河道堰壩設計要點

3.1 選 址

山區(qū)性河道堰壩選址應因地制宜，盡量選址于地質情況良好、基巖較淺的河段。不宜在坡降較大的河段建造高堰壩擋水以形成長距離的景觀水面；不宜密集建堰形成水面梯級銜接；不宜在河道束窄等水流河勢和地質條件惡劣處建堰；不宜阻隔主要魚類洄游。盡量避免過度筑堰影響防洪安全和河流生態(tài)。盡量避免在支流匯合口附近筑堰，以減輕不同洪水組合工況下多變的水流形態(tài)對堰體結構的不利影響；盡量避免在橋梁、渡槽等阻水建筑物上下游筑堰，以減少堰壩回水或堰壩下游沖刷對相應建筑物的不利影響；盡量在河勢及河床均相對穩(wěn)定的河段筑堰，以避免因河道主槽或河床發(fā)生變化對堰壩的結構安全產(chǎn)生不利影響。

3.2 堰頂高程設計

堰頂高程需根據(jù)堰壩功能需求及水文計算合理確定，已建堰壩的加固和提升不宜抬高原堰頂高程，新建堰頂?shù)母叱桃税灰烁?，以確保河道的防洪要求和兩側河岸的排澇要求。

3.3 堰壩基礎的結構設計

（1）堰壩上游基礎宜優(yōu)先置于相對不透水層；下游基礎宜優(yōu)先深入基巖。若基巖較深，下游基礎埋深可采用GB 50286—2013《堤防設計規(guī)范》中的沖刷深度經(jīng)驗公式進行計算，同時計算結果的安全加深建議取50~100 cm。堰壩上下游基礎均應優(yōu)先采用C25及以上標號的混凝土或混凝土灌砌塊石等可靠材料與工藝。若上下游基礎采用矩形斷面結構，建議高寬比為1:1.5~1:2.0。

（2）溢流堰面。堰壩溢流堰面結構層宜采用C25及以上標號的混凝土或混凝土灌砌石結構，結構層之上可采用卵石、條石、青石、花崗巖等貼面裝飾。若堰壩高差較大，需充分考慮水流揚壓力的浮托作用；若于堰面設置排水孔則需復核堰體是否滿足防滲 要求。

（3）堰壩兩側連接段。堰體宜優(yōu)先伸入兩側堤岸擋墻2 m以上，堰頂或堰腳齒槽處應設置截滲墻以防止兩側繞滲，堰體與堤岸擋墻應緊密連接防止形成薄弱環(huán)節(jié)或滲漏通道。

（4）消能防沖設施。若堰壩落差較大而基巖較深，應在下游設置牢固的消能防沖設施。山區(qū)性堰壩下游防沖設施主要包括護坦和消力池，一般不設海漫，護坦也可做成消力池型式。消力池深度和長度根據(jù)SL 265—2016《水閘設計規(guī)范》 進行計算，其厚度一般為0.5~1.0 m，長度一般為5.0~15.0 m。若堰壩下游河床坡降較大，可考慮設置二道壩以減輕上游堰壩對下游河床的沖刷影響。

3.4 行洪安全設計

堰壩行洪安全設計應重點考慮新建堰壩工況對于上游河道洪水位的雍高程度和影響范圍。應對上游堤岸工程的防洪能力進行復核評估，若不滿足應采取相應加高加固措施；應對河道兩岸低洼地段的排澇能力進行分析，若因堰壩的建設導致堤后低洼地段積水無法排出，則應采取一定的防滲補救措施；應對堰壩下游已建堤岸的防沖能力進行分析，若不滿足防沖要求，應對迎水坡及堤腳采取相應的加固措施。

3.5 注重景觀、文化的結合

設計堰壩型式應與河床自然融合，可融入當?shù)厝宋娘L情元素營造“一堰一景”，但切忌模仿抄襲及生搬硬套。應優(yōu)先采用低矮寬緩堰壩，蓄水后盡量不破壞現(xiàn)有灘林、灘地，充分考慮魚類洄游通道，堰體外觀不宜暴露混凝土面板等白化材料。宜充分利用山區(qū)塊石、卵石資源相對豐富的特點，通過平面、立面多變的造型營造出多樣的景觀形式。應通過考慮挖掘工程區(qū)當?shù)靥厣幕?，提煉出特征元素，融入到堰壩形態(tài)設計中，豐富堰壩工程的文化環(huán)境和藝術美感，將堰壩建設成為當?shù)孛袼罪L情與歷史文化的新載體。同時應特別注重古堰壩的保護和修復。

3.6 合理設置相關附屬設施

在堰壩重要的位置和人群活動密集區(qū)應合理設置相關附屬設施，包括安全設施、親水便民設施、警示牌標識、監(jiān)控設備等。其中堰壩設置汀步石需要考慮上下游安全寬度并適當預留，以防不慎落水；當汀步設置在堰頂且上游水深較大時，堰壩上游應設計臺階，防止有人溺水出現(xiàn)安全事故等；若采取堰頂汀步設計需要設置休息平臺，避免行人走在堰壩上出現(xiàn)眩暈落水事故。

4 結 語

山區(qū)性河道堰壩工程以及上下游連接段多為流域防洪的薄弱環(huán)節(jié)，較易在洪水中被破壞；而山區(qū)性河道堰壩的建設缺少對應的規(guī)范性文件。通過分析山區(qū)性河道堰壩的破壞原因并總結正確的設計要點，為類似工程的實施提供一定指導，對保障山區(qū)性河道的基本行洪安全有著重要意義。