河道采砂对闸坝安全的影响分析

2015-03-12

中国水利 2015年18期

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072，武汉）

河道内有序、合理的采砂活动能保证河势稳定，维护航道畅通，防止河床淤积；而大规模无序、非法的采砂活动则会导致河床下切、水位下降、建筑物失稳、堤防崩退。据资料显示，因河道采砂过度河床下切，许多河道堤岸发生多次坍塌、河道内的建筑物经常发生险情，有些还被冲毁。

一、采砂造成河道水位下降

1.无拦河建筑物的河段

在无拦河闸坝的自然河段，水流条件相对稳定，河道床面形成了一定厚度的抗冲保护层，在相当长的时空范围内，河道的水沙冲淤作用处于平衡状态。采砂过程往往是由近到远、先易后难、先沙滩后过水河床。河道内过度采砂后，河床断面不断加深、拓宽，采砂河段水位整体下降，床面抗冲保护层遭到破坏，采砂量远远超过了上游河沙补给能力，密集的砂坑会造成水流紊乱，同时又加剧了水流冲刷强度，造成采砂坑加深加大。

2.有闸坝等拦河建筑物的河段

拦河闸坝是指修建在河道上用于抬高枯水期的河道水位，以满足上游灌溉、工业与生活用水、水生态与水景观等需求，保证在枯水期间水利工程处于正常蓄水位。

对于有拦河闸坝的河段，其采砂引起河段水位下降与无拦河闸坝的河段不尽相同。如图1所示，以闸a所在河道为例，分析有拦河闸坝的河段采砂坑形成后河道水位变化情况。

①采砂对拦河闸坝上游的影响。闸a上游有采砂坑，若采砂坑在水库壅水范围外，因水闸挡水高度不变，采砂坑的形成、河床下切等对闸坝上游水位变化几乎没影响，上游水位不变；若采砂坑在水库壅水范围内，采砂致使河床下切，但闸上游挡水水位不变，河床下切使上游水深增大、水闸挡水量增多。

②采砂对拦河闸坝下游的影响。若采砂紧邻拦河闸坝下游，其结果是下游河道整体下切，水位随河床下切而下降，即下游水位降低，上游仍保持正常蓄水位。

图1 有采砂坑的拦河闸河段

二、河道水位下降对该河道区域的影响

1.对河段内引水工程的影响

引水工程主要是指建在河两岸的引水闸和提水泵站。水位下降对引水工程的影响主要分为3个方面。

①引水流量变小或引不到水量。河道水位下降后，自流引水闸闸前水头小于设计水头、引水落差减小，流量低于设计流量，工程引水能力减小，灌溉效率降低。更有甚者，河段水位下降到低于引水闸底板，工程引水失效。

②泵站不能提水或工作效率低。泵站等提灌工程的取水口前淹没水深小于泵站最低运行要求，更甚之，河道水位太低乃至取水口前根本无水可取，致使工程因非工程原因需维修或直接报废。

③河段主流远离引水口。采砂改变了河道主流的位置，水位下降，过水断面变窄，河水主流线远离取水口，造成取水困难。

2.对拦河闸坝工程的影响

拦河闸坝拦截河道，利用闸控或者坝顶溢流的方式调节上游水位，其工作特点在于：闸坝挡水后，上下游有一定的水头差，加上闸坝的过水断面总是小于所处的河道断面，泄水时会产生较大的流速，因此在闸坝后设置消能防冲设施（如消力池、消能坎、海漫、防冲槽等）以消除水流的能量，防止闸坝后河床河岸的冲刷，维护闸坝本身的结构稳定；闸坝挡水时，闸坝承受水平水压力，可能推动闸坝向下游滑动。在上下游水头差的作用下，水从上游经闸坝地基及两岸向下游渗透，在渗流作用下，地基可能产生渗透变形或被破坏。

由分析可知，河道采砂后，闸坝上游水位不变、水深增大，下游河道水位下降，上下游水位差会增大。闸坝下游消能工消能压力也增大，同时亦增加了渗流强度，对闸坝稳定和安全带来不利影响，河道水位下降对建筑物安全稳定造成极大威胁。

三、水位下降对橡胶坝安全影响的实例分析

1.橡胶坝实例概况

本实例为某工程拦河橡胶坝，橡胶坝设计高度5 m，用于在枯水期抬高河道水位，满足两岸引水灌溉、美化城区环境等需求。橡胶坝基础土层为细砂，深度达20 m，渗透系数为1.2×10-3cm/s；坝基基础强度fk为180 kPa。设计的橡胶坝各结构尺寸为：铺盖长22 m，底部长20 m，坝基底板上游侧设板桩，板桩长6 m；坝袋后采用挖深式消力池，池长18 m，池底深1.0 m；池后接纵坡为1∶20的海漫，海漫长45 m，其后防冲槽深2.0 m，如图2所示。

图2 橡胶坝工程结构示意图（单位：m）

2.计算分析

以《水闸设计规范》中推荐的计算方法进行分析计算。上游水位维持正常挡水位25 m，由于采砂引起下游水位下降，进行不同下降情况下的渗流稳定、消能防冲、闸室稳定计算。计算过程中，选取0 m（不下降）、0.5 m、1.0 m、1.5 m及2.0 m 5个水位下降值进行计算分析。

（1）渗流分析计算

渗流计算采用改进阻力系数法，校验不同水位条件下的渗流情况，计算结果见表1，其中h1为上游水位，h2为下游水位，Δh’下游水位下降值，J0为出口段渗透坡降，Jx为水平段渗透坡降最大值，[J0]为出口段允许渗透坡降值，[Jx]为水平段允许渗透坡降值。

由表1可知，随着下游水位下降、上下游水位差增大，水闸出口段和底板水平段渗透坡降逐渐增加，上下游水头差越大其渗透坡降也越大.计算表明，当下游水位下降1.0 m以后，其水平段渗透坡降就超过了[Jx]，基础可能发生渗透变形，影响工程安全。

（2）消能防冲分析计算

计算消力池、水跃、海漫及下游河床冲深等，同样假定水位下降对不同消能工的影响，计算结果见表2。其中，d为消力池深，Lsj为消力池长，Lp为海漫长度，dm为海漫末端河床冲刷深度。

随着下游水位下降，消力池池深、池长，海漫长度，河床冲刷深度逐渐增大。当下游水深下降0.5 m后，海漫长度就不能满足要求；水深下降1 m后，消力池长度也不能满足要求。

消力池、海漫、防冲槽之间的关系是“唇亡齿寒”。一旦消力池消能不充分，出消力池的水流剩余动能很大、流速不均、紊动强烈，对池后海漫过度冲刷，因海漫通常为砌石结构，在水流冲刷下，组成海漫的细石被水挟走，随即造成海漫的松动，影响其结构稳定，致使海漫下部基础遭受淘刷或冲刷。此外，随着冲刷深度的增加，防冲槽内有限的堆石不足以覆盖整个冲坑上游坡面或者护面厚度变薄不足以保护河床时，海漫末端基础直接遭受水流淘刷，海漫陷落，进而消力池末端基础受冲、消力池破坏，消能工彻底瘫痪，最终整个工程破坏。

表1 渗流计算结果表

表2 消能防冲计算结果表

表3 稳定计算结果表

（3）稳定计算

采用偏心受压公式计算校核工况下基底应力、抗滑稳定性，并分析基底应力不均匀性。结果见表3。其中Kc为抗滑稳定安全系数，[Kc]为抗滑稳定安全系数允许值，η为基底应力不均匀系数，[η]为基底应力不均匀系数允许值。

3.计算结果及分析

随着下游水位的下降，橡胶坝的抗滑稳定安全系数也下降，但对其抗滑稳定性影响甚小。其原因在于下游水位下降后，坝底板所受浮托力减小，尽管渗透压力增大，但扬压力的合力变化不大；此外，影响抗滑稳定的其他力随着下游水位下降其变化值也不大，所以最后的结果对抗滑稳定影响不大。

四、结论与建议

1.结论

①对于有拦河建筑物的河段，水位下降的后果是直接影响建筑物的安全。总体来说，河道水位下降，建筑物的防渗、消能防冲及稳定性的变化均趋向不利，而随着拦河建筑物上下游水位差值的增大，建筑物的安全系数减小，防渗、消能防冲及稳定性这三者趋向不安全的程度越大，对建筑物安全越不利。

②采砂引起河段水位较大幅度下降，往往历经数年至数十年，中间缓慢的发展过程容易被管理部门忽视。在河道上游持续来水来沙的条件下，对于有序、合理的采砂，河道具有一定自我修复能力；但不合理的采砂活动遗留下的采砂坑逐渐相互连通并造成河床断面整体下切以及整个河段区域水文条件改变，特别是上下游水位差的增大，致使拦河建筑物的安全性能随之改变，一旦遇上某次洪水或者在枯水季节下游过低水位运行，将导致工程事故。

③拦河建筑物管理和河道采砂管理常分属不同职能部门，由于责权不统一，增加了控制滥采的难度；此外，非专业的管理人员对不合理采砂的后果认识不深刻，往往忽视水位缓慢下降带来的不良影响。