讨赖河生态区浑水河槽防冲加固设计

董航凯，田 睿，陈 莉

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710048；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710048；3.陕西渭河生态集团有限公司，陕西 西安 710048)

1 工程概况

讨赖河横穿嘉峪关市境内，地理位置重要。为了保证河道的防洪安全，2006年，嘉峪关市对讨赖河渠首以下河道进行了全面疏浚整治，修建了南北两侧堤防6.5km，工程区河道宽度210～260m。其防洪标准为50年一遇，相应流量为848m3/s。两侧堤防的建设约束了新城区河段游荡不定的河床，使得河道平面摆动得到有效控制[1]。

经过堤防工程建设，河道的防洪安全问题基本得以解决，但受讨赖河季节性河流特性影响，以及上游渠首灌溉农业的不断发展，河道来水大多被引入灌区，使得市区河段汛期洪水峰高量大，含沙量高，非汛期干旱少水，河道长期干涸，滩面裸露，水生态环境恶劣，与快速发展的新城区城市风貌极不协调。

为了改善市区河段水生态环境，2010年嘉峪关市启动了讨赖河城区段生态环境治理工程建设。根据河道的基本特性及水沙条件，设计采用清洪分治理念，将治理段河道划分为生态蓄水区及行洪区2部分，用中隔墙将河道一分为二，形成复式河槽，左侧为生态蓄水河槽，带状生态蓄水湖区宽147～205m；右侧为浑水河槽，平均宽度约60m。设计采用中隔墙将上游渠首工程下泄的洪水泥沙与左侧生态蓄水区分开，洪水泥沙自浑水河槽通过[2]。浑水槽设防标准为5年一遇，相应设计流量217m3/s，当上游来水低于5年一遇洪水标准时，左侧生态蓄水区可正常蓄水运行，不受河道泄洪、排沙的影响；当上游下泄水量超过5年一遇洪水时，左侧生态蓄水区方塌坝泄空，与右侧浑水槽一起全河道过洪，以确保城市防洪安全，洪水过后，再立坝蓄水。浑水河槽首端设置一座进口副坝，采用可塌泄的橡胶坝，坝高1.2m，左侧生态区蓄水时，进口副坝立起挡水；左侧生态区蓄满水后，进口副坝及时塌泄，以确保浑水河槽泄洪畅通。

讨赖河生态治理工程建成后，在城区段河道形成生态水面1147亩，河道蓄水量62万m3，水生态景观带6.5km，其生态效益、环境效益和社会经济效益显著；但是，承担5年一遇标准行洪任务的浑水河槽局部冲刷严重。针对浑水槽冲刷下切严重情况，于2011—2013年在浑水槽内修建了35道防冲墙，防冲墙的修建对浑水河槽的固床、保护右岸堤防和中隔墙起到了很大的作用[3]。

工程运行几年来，每年主汛期险情依然不断，造成浑水槽内的35道防冲墙及右岸堤防冲刷严重，20#防冲墙被完全冲毁、21#防冲墙出现局部位移，所有防冲墙末端均出现下切深冲坑，急需进行除险加固方能正常运行。

2 工程地质条件

嘉峪关市地处祁连山北麓的戈壁平原地带，三面环山，总体地势西南高，东北低。工程区属酒泉西盆地的东部，区内分布大厚度的第四系砾卵石层，地下水类型主要为第四系孔隙性潜水，含水层为冲洪积卵(砾)石层。

河床地貌类型为单一的漫滩地形，上下游与左右岸的工程地质条件基本相同。地层岩性为第四系全新统(Q4al-pl)冲洪积砂砾卵石层，厚15～20m，结构稍密-中密；下伏第四系中上更新统砂砾卵石层，构成讨赖河河床基底，总厚度大于150m。砂砾卵石层渗透系数7.08×10-2cm/s，属强透水性，临界水力比降0.27，允许渗透比降0.13。承载力建议值300～350kPa。

工程区地震烈度为Ⅶ度。

3 工程病险问题分析

讨赖河河道微弯，河床宽浅，以侧向侵蚀和冲刷破坏为主。

浑水河槽位于河道右岸，槽宽56～87m，浑水槽左侧为中隔墙，右侧为右岸堤防。由于5年一遇的洪水217m3/s被约束在56～87m宽的浑水河槽内，且河道比降达11‰，浑水河槽内洪水量大流急，主流左右游荡不定；加之河道内推移质较多，河床砂卵石结构松散，汛期洪水流速大，携带大量泥沙，其冲刷破坏能力强，使浑水槽局部淤积、局部冲刷严重，如图1所示。

图1 进口副坝下游

为了避免浑水河槽持续冲刷下切危及右岸堤防、中隔墙及左侧生态蓄水区安全，从2011年起，先后设置了格宾笼石柔性防冲结构、防冲墙和防洪墩等防冲消能设施。但防冲墙后都会因为水流回旋淘刷破坏，河床局部严重下切，危及堤基和墙基安全[4]。

2016年7月上旬和8月中旬，河道发生4次较大洪水，4次洪水流量均大于217m3/s，最大流量达到300m3/s，洪水均由浑水河槽通过，主流左右游荡不定，造成浑水槽内防冲墙及右岸堤防冲刷严重。20#防冲墙被完全冲毁、21#防冲墙出现局部位移，35道防冲墙末端均出现下切深冲坑，冲坑深0.9～3.9m，横向宽5～40m，纵向长3～9.5m，危及防冲墙的稳定和基础安全。

经过几年的运行观测，每年汛期，浑水河槽均出现险情，防冲墙后均不同程度会出现深冲坑，若不进行防冲加固，浑水河槽可能持续下切，成为影响河道行洪的安全隐患，影响讨赖河水生态治理工程的整体安全运行[5]。总结工程运行以来的险情规律，对浑水河槽现有的防冲设施进行全面综合的防冲加固刻不容缓。

4 防冲加固工程设计

4.1 加固标准

浑水河槽原设计泄洪标准为5年一遇217m3/s。根据浑水槽断面，按照洪水流量217、250、300、350m3/s，分别进行过流能力分析，根据洪水位与中隔墙、堤防顶高程对比，浑水槽最大安全过流能力为300m3/s。

按照工程运行以来的浑水河槽汛期的泄洪情况，浑水河槽防冲加固标准确定为300m3/s。

4.2 加固措施研究

首先对6.5km大比降河段布设35道防冲墙的合理性进行复核，分析认为，讨赖河河道比降虽然陡，洪水流速大，但河槽内防冲墙布置间距约200m，间距已较小，不适合再增设防冲墙，35道防冲墙的布置是合理的[6]，重点以对现状河槽内的工程设施进行防冲加固为主。

针对浑水河槽进口副坝消能海漫水毁情况、35道防冲墙不同程度冲刷破坏情况，以及中隔墙末端冲刷情况，分别研究确定防冲加固方案及措施。对浑水河槽进行疏浚平整，规整河床；对进口副坝消能海漫水毁段进行重建[7]；对35道防冲墙视情况分别采取增设消能墩、增设斜坡式防冲墙及柔性格宾笼石结构进行加固，对已水毁的20#防冲墙进行重建；对浑水河槽左侧中隔墙末端增设防冲加固措施。通过综合性的加固措施，确保浑水河槽汛期防冲安全，确保整个生态治理工程安全运行。

4.3 浑水河槽疏浚平整

针对河槽内分布杂乱的冲刷坑和淤积体，对河床推移质堆积物进行平整清理和疏浚河床，疏浚比降按河道比降11‰控制；同时，对河床松散层采用振动碾碾压，夯实密度不小于0.7，以加大其抗冲能力。

4.4 防冲墙除险加固

针对35道防冲墙具体情况，分别采取加固及重建2种措施。

4.4.1加固设计

(1)对33道墙身完好和1处墙身局部发生位移的防冲墙进行防冲加固。在现有34道防冲墙下游增设1∶2斜坡式C20埋石砼防冲墙[8]，墙厚50cm，保护已建防冲墙，同时减少水流回旋冲刷破坏墙基，如图2所示。

图2 斜坡式防冲加固(单位：mm)

(2)结合河道走向及冲刷实测资料，对处于顶冲段及冲刷严重的9道防冲墙进行复式加固。在现有防冲墙上游再增设20m长的消力墩防冲结构，削弱洪水冲击力，进一步减少洪水冲刷破坏。

新建消力墩防冲结构长20m，采用现浇C35钢筋砼结构，抗冻等级F200。消力墩底板厚400mm，上游齿墙深入底板以下1.6m，下游齿墙深入底板以下1m[9]；消力墩为梯形断面，上游面直立，下游面1∶0.5，高1m，顶宽500mm，底宽1m，垂直水流横向宽度1.5m，纵向间距3m，横向间距1.5m，纵横向交错布置。

(3)鉴于末端防冲墙的特殊性，为进一步确保末端防冲刷安全，防冲墙末端采用格宾笼石铺盖防冲，格宾笼石共布置3层，单层高度为1.0m，顺水流方向长度如图3所示，然后在格宾笼石表层设边长1m的预制砼块。

图3 防冲墙末端铺盖(单位：mm)

4.4.2重建设计

对已经水毁倾倒的20#防冲墙进行恢复重建，如图4所示。拆除已经倒塌的防冲墙，在原址上游新建20m长消力墩防冲结构，下游新建1∶2斜坡式防冲墙，在削弱洪水冲击力的同时减少冲坑水流回旋冲刷破坏，提高防冲墙的抗冲刷能力。

图4 恢复重建20#防冲墙(单位：mm)

4.5 进口副坝加固

进口副坝消能海漫水毁，消能设施需加强。设计对水毁的海漫段采取重建，并在重建的海漫段增设消力墩防冲结构。

4.6 中隔墙末端防冲加固设计

在中隔墙末端10m范围内，采用格宾笼石铺盖防冲，格宾笼石共布置2层，单层厚1.0m，如图5所示。中隔墙浑水槽侧与末端防冲墙防护相连，蓄水槽侧自中隔墙末端向上游砌护4m。

图5 中隔墙末端防冲加(单位：mm)

4.7 结构缝设计

新建的消力墩底板每12m设一道伸缩缝，斜坡式防冲墙每10m设一道伸缩缝，缝宽20mm，缝内填充聚氯乙烯闭孔泡沫板；消力墩底板、防冲墙以及斜坡式的伸缩缝应交错布置，避免上下游结构通缝衔接对基础抗掏刷不利。

5 结论

(1)针对浑水河槽防冲设施出现的具体问题，通过综合性的防冲加固措施，提高了浑水槽的抗冲刷能力，有效地减轻了洪水下切，稳定了河槽。浑水河槽加固工程实施运行以来运行平稳，汛期防冲安全问题得到了彻底解决。

(2)副坝消力墩防冲结构运行工况良好，在削弱洪水冲击力进行消能的同时，推移质也很少堆积，比较适宜布设在推移质粒径较小而比降较大的河床。

(3)根据多次冲刷加固实践经验，总结分析认为该加固方案是可行的。但是未结合河道特点进行水工模型试验，加固方案的合理性有待进一步探究。

(4)本文对大比降河槽防冲设施的综合性加固完善措施，对类似工程具有借鉴性。