河口村水库坝下泄洪区出口整治及生态修复

陈照方 闫新 李浩淼 兰翔

摘要：河口村水库泄水建筑物泄洪洞和溢洪道采用挑流消能，挑射的水流具有强大的冲刷作用，在建筑物下游出口河床产生了较大范围的冲刷坑，为了保护泄洪出口区域安全与坝下游河道生态环境，确保下游建筑物安全，对泄洪建筑物出口河道进行整治与生态修复。通过水力计算及模型试验得出了泄洪出口挑流冲刷的影响范围，通过设置河心滩进行导流分流，降低河道流速，并增设不同位置的跌水坎形成消力塘和水垫：河心滩、防冲墙、跌水坎紧邻泄洪出口区布置，保护了相邻建筑物的安全；结合下游河道自然形态和周边环境，创造高滩、沙洲、岛屿等多种类型物理生境。

关键词：坝下泄洪区；河道整治；生态修复；河心滩；防冲墙；跌水坎；河口村水库

中图分类号：TV122+.9；TV653

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.017

1 泄洪区出口整治缘由

河口村水库工程由面板坝、溢洪道、泄洪洞和引水发电系统组成。大坝下游围堰至下游金滩大桥为沁河原河道，河道长约1.4km，河道宽80～500m，河道总面积约35hm2。河口村水库泄洪建筑物泄洪洞和溢洪道采用挑流消能，水流从泄洪建筑物出口挑到坝后沁河河道，其挑射的水流具有强大的冲刷作用，在建筑物下游出口河床产生了较大范围的冲刷坑。根据冲刷坑后形成的周边坡推算，50a一遇洪水泄流时冲刷坑周边坡范围为100～200m，波及范围为400～500m，河对岸的永久建筑物有极大安全隐患，直接威胁右岸公园、建管局营地、鱼类增殖站、老河口电站及金滩大桥基础的安全。为了保护泄洪出口区域安全与坝下游河道生态环境，维护原生态格局的连续性，确保下游建筑物安全，应对泄洪出口区域河道进行整治与生态修复，打造水库、大坝下游压坡景观、泄水出口下游河道为一体的坝后公园观光游览区，见图1。

2 泄洪区出口整治方法与生态修复设计理念

（1）对泄洪出口挑流冲刷坑进行实体模型试验，结果表明：泄洪时，泄洪水舌人水后顶冲对岸形成较高的涌浪，对高滩产生重复剧烈冲刷造成大量坍塌，堵塞下游河道，不利于河道行洪。

（2）利用河对岸高滩地形设置河心滩，增加一个新的过流通道，将原河床分为两个流道，进行导流分流，加大行洪断面，大大降低河道流速及对下游河道的冲刷。整体模型试验结果与水力计算结果差别不大。

（3）根据水力计算与模型试验结果，在泄洪洞出口附近及下游河道关键位置设置跌水坎，攔蓄河道上游来水，形成消力塘消散水流能量，结合周边地形，通过修整河道边坡形成水域景观。

（4）在坝后开挖边坡防护设计中，首次采用了高次团粒喷播技术。

（5）在水土流失预测中运用DEM数据，快速准确地计算出沟壑密度、流域面积、地面坡度等参数，精确地计算出水土流失影响范围及工程扰动范围。

3 坝下泄洪区出口整治及生态恢复工程布置

3.1 河心滩设计特色

河心滩是坝下泄洪出口下游河段分流导流的关键，由于高滩位于出口泄流区，因此其位置选择非常关键，既要充分利用高滩形成河心滩，又要确保河心滩的安全。根据泄洪建筑物出口模型试验结果，大部分主流从河道左岸主河槽泄流，少部分泄流从出口对岸高滩下行，经金滩大桥流向下游河道。

在距泄洪洞出口下游约200m的高滩在500a一遇洪水泄流时才能上水，根据水力计算与模型试验结果，沿高滩有侧挖约55m宽的明槽形成右岸流道，导引水流沿河心滩两侧泄流，高滩开挖形成一个独立的岛屿，形成河心滩。

河心滩平面上设计为岛屿形状，其头部采用弧形布置，以便于分流，尾部为直线。河心滩按不淹没堤设计，河心滩高度13.0m，现有堤顶高程较50a一遇洪水泄流时下游水位高5.4m，满足设计要求。

泄洪建筑物出口下游河道整治工程的设计标准为50a一遇，此时泄洪洞泄流量为2400m3/S。根据水库运用方式，50a一遇洪水泄流时，2#泄洪洞全开，1#泄洪洞局开，洪水主要从2#泄洪洞泄流，不足部分由1#泄洪洞凑泄。从两洞泄流及挑流位置情况看，对泄洪建筑物出口河道泄洪影响较大的是2#泄洪洞泄流。水力学计算表明：50a一遇洪水泄流时2#泄洪洞出口距离最大挑流冲刷坑中心点约95m，距离河心滩（坡脚）约200m，河心滩位置设置满足要求。

3.2 河道岸坡布置

河道岸线的生态处理：以自然式护岸为主，水体与绿地相互交融，丰富水际景观。利用亲水平台、栈桥、卵石沙滩、景石、植物等元素对岸线进行整体设计，美化岸线景观，提供亲水空间。

3.3 沙滩布置

为充分利用坝下形成的生态湖滨水面，在靠近湖滨广场即溢洪道出口的对岸沙滩设置人工沙滩浴场，人工沙滩浴场总面积约2.2万m2，沙滩分为两级，一级露天、一级入水，平面上采用月牙形布置，以提供游客亲水的游乐场所。

4 河心滩、河道岸坡防护计算及生态恢复工程设计

4.1 泄洪洞泄洪时对河心滩冲刷稳定影响计算

河心滩靠前缘部分处于泄洪洞泄流的顶冲部位，泄流将直接冲刷河心滩边坡，需要核算泄洪洞出流时河心滩的安全坡比。根据泄洪洞不同频率泄流量可以计算泄洪洞出口50a一遇洪水泄流时的挑距与冲刷坑深度，见表1。从表1可以看出，冲刷坑至河心滩坡脚167m高程坡比满足允许稳定坡比ik=1/5.0～1/2.5的要求，河心滩是安全的。

4.2 河心滩端头顶冲部位局部冲刷深度计算

从50a一遇洪水泄洪时挑流计算成果看，不直接影响河心滩的安全。河心滩相当于河道中的丁坝或导流堤，起到了导流和挑流的作用。泄洪洞泄洪时，直接顶冲河心滩端头部位，泄流时下游河道流速仍然较大，河心滩为砂卵石结构，局部细砂和夹层，抗冲能力差，在河心滩端头顶冲部位产生强烈的局部冲刷，需要计算出河心滩坡脚此部位的冲刷深度，以确定河心滩的防护形式及防护深度和范围。

河心滩类似于河道工坝及导流堤，其局部冲刷深度计算公式很多，采用常用的公路丁坝计算公式、导流堤计算公式、堤防工程丁坝计算公式计算50a一遇洪水泄洪洞泄洪时河心滩端头部位坡脚冲刷深度分别为7.10、6.95、7.28m，可以看出丁坝及导流堤冲刷深度计算结果有一定差异。通过对比计算，河心滩坡脚50a一遇洪水局部最大冲刷深度约7.0m，需要对河心滩端头进行防冲保护。

4.3 河心滩端头部位坡脚防护形式选择

河心滩端头部位是受冲刷的重点部位，由于该工程河道流速大、水深，因此河心滩端头部位采用抗冲能力强的混凝土防冲墙。混凝土防冲墙是在坡脚地面以下做一道地下连续墙，墙深在冲刷线以下一定深度，以保护河心滩坡脚不被掏刷。

4.4 防冲墙结构计算

泄洪洞出口顶冲范围长约204m，防冲墙厚1.5m，设置在河心滩前缘，这在国内是首例，且深度达I5m，即在现有河床以下15m。一般在冲刷线以下埋置深度为防冲墙总高度的1/3～1/2。在河槽达到冲刷线时，防冲墙前面出现部分临空，墙后要承受河心滩坡面的土压力，此时防冲墙上部形成悬臂，受力相当于一个抗滑桩，墙身除要满足结构受力外，还需要验算此时的锚固要求。墙后土压力采用库仑公式计算，按抗滑桩结构计算其内力、配筋，抗滑桩的锚固深度根据抗滑桩传递到地面以下地层的侧壁压应力不大于地层的侧向容许承载力确定。

根据冲刷计算结果，100a一遇洪水泄流时，坡脚冲刷河床下切深度为7.00m，此时冲刷深度以下防冲墙埋深为8.0m；200a一遇洪水泄流时，坡脚冲刷河床下切深度为9.06m，冲刷深度以下还有5.94m，满足一般埋置深度的要求。

抗滑桩结构计算采用《水利水电工程设计计算程序集》专用程序计算，抗滑桩内力计算采用弹性桩“m”法计算，根据专用程序计算桩身内力及不同高程处桩侧压应力，经计算桩身配筋为每延米配5#28钢筋，桩的基础锚固深度满足要求。

防冲墙以上接浆砌石护坡。浆砌石护坡厚0.5m，护坡上部接2.0m高混凝土护墙，护墙厚1.5m。

4.5 河心滩端头部位边坡护坡厚度计算

河心滩端头部位坡脚采用防冲墙防护，但边坡经常遭受水流冲刷，并且处在顶冲范围，为提高坡面保护材料的耐久性、抗冲刷能力、抗磨损性，且适应河床变形，在175.0m高程以下采用浆砌块石护坡。满足风浪作用下的护坡厚度为0.30m，满足水流作用下块石护坡稳定最小粒径为0.81m，由于河心滩位于下游中心，类似于河道中心部位的顺（丁）坝，因此端头部位的护坡形式为坝式护坡，厚度为0.5～1.0m，综合考虑护坡厚度取0.8m。

4.6 河心滩非顶冲部位边坡护坡设计

河心滩其他非顶冲部位坡脚冲刷深度不是很深，结合生态景观，分三段设计。

（1）常水位以下护坡厚度及粒径计算。常水位以下护坡厚度及粒径计算方法同河心滩端头部位，由于流速相对于受顶冲部位稍小，因此根据不同部位断面大小、流速大小，经计算满足水流作用下的块石护坡稳定粒径为0.30～0.50m.因此常水位以下护坡厚度取0.5m。

常水位以下护坡基础护脚应伸人冲刷線以下，坡脚铺筑尺寸根据流速及冲刷深度不同，厚度为1.0～1.5m，深度为1.5～2.5m。护脚受冲刷较严重部位，如河心滩尾部另加用大块石进行防护。

（2）常水位以上171.0～175.0m护坡。171.0～175.0m采用混凝土预制块护坡，预制块平面尺寸为43cmx44cm，预制块厚度为0.1m，为确保预制块稳定，采用异形锁扣式连接。

（3）河心滩设计水位以上边坡。河心滩设计水位以上边坡坡比为1：3.0，不受泄流冲刷影响，主要受雨水冲刷影响。由于边坡为砂卵石地层，因此采用植物种植坡面，防止坡面水土流失，并进行生态修复，为便于管理以种植灌木为主，辅以草皮植被修复。

4.7 河道岸坡生态恢复设计

边坡防护的主要手段为“下挡上排”，在坡脚设置挡土墙，上游设置截水沟与坡面急流槽连接，在坡面采用植生袋和浆砌石网格进行边坡防护。对于较陡边坡采用植生袋铺设，植生袋内装植物土和种子，植生袋既能保护边坡，又能长出绿郁葱葱的植被来。浆砌石网格护坡能够使坡面稳定，网格尺寸一般为2.0～4.0m，网格内覆土，种植花草、灌木。对于部分边坡坡比陡于1：1的边坡，由于采用网格护坡很难固坡，创造性地采用浆砌石护坡墙形式的网眼护坡，即在实体浆砌石护坡墙上预埋植物管，间排距为1.0～2.0m，植物管直径为200～300mm，植物管穿过浆砌石面与原坡面连接，植物管内填植物土，一般种植攀缘植物，通过植物的攀缘覆盖浆砌石坡面，起到恢复生态的作用。

将样地调查、多样性理论、演替理论等综合运用到河道岸坡生态恢复中，从生态群落的角度分析泄洪建筑物出口区植被演替趋势，根据群落组成和演替度大小设置坡面及地被植物，长远看进展演替将使植物群落向更高的演替阶段发展，最终发展为抗干扰力强的顶级群落，有利于工程区植被恢复。

泄洪洞出口上方及周边均为岩石边坡，施工期开挖后，为防止边坡风化脱落、水土流失，喷混凝土进行边坡保护。由于喷混凝土的护坡表面无法绿化，因此采用高次团粒喷播技术对边坡实施植被绿化。这样对边坡表面有浅层防护作用，能阻止雨水集中进入坡体，防止因雨水进入而造成坡体坍塌：减小风化坡面岩石的风化速度，继而保护坡面，防止坡面水土流失。高次团粒复绿以灌木为主，乔木为辅的木本植物覆盖率≥70%，适用于干旱地区岩石边坡和过水边坡的绿化，具有极强的保水和防冲刷性能。

5 跌水坎（滚水坝）设计

河口村水库跌水坎（滚水坝）从上到下共设置4道，为使出口泄流区能够形成河道消力塘，跌水坎需在泄洪建筑物出口下游河道一带布置，且不能离泄洪洞出口太近，尤其是不能离冲刷坑太近，否则跌水坎易被冲毁。需要分级设置跌水坎，形成多级消能。跌水坎的高度根据消力塘的布置及管理要求分为深水区和浅水区，一般水深1.5～2.5m。

根据泄洪建筑物出口下游河道情况及50a一遇洪水冲刷坑位置，泄洪建筑物出口跌水坎布置¨如下。

第一道跌水坎（左一级）布置在金滩大桥附近，由于左二级跌水坎至金滩大桥约330m，途中经过一个弯道，因此该段河道纵坡较陡，水流速度明显增大。2014年汛期泄洪洞最大泄流量为500m3/S，左二级跌水坎特别是弯道至金滩大桥段冲刷较为严重，金滩大桥上游的一处简易农桥被冲毁，金滩大桥桥下基础下切冲刷4m多深，因此在距离金滩大桥约70m处设一道跌水坎，可使金滩大桥上游形成水垫缓冲水流，保护金滩大桥基础安全。

第二道跌水坎（右一级）布置在河心滩右侧流道，和左一级基本对称布置，同样可保护金滩大桥基础安全。

第三道跌水坎（左二级）设在左一级跌水坎上游，距离左一级约270m，距离泄洪洞出口约240m。可在该区域形成消力塘，通过水垫作用消散水流能量，减小水流对河床、河心滩及对岸河道岸坡的冲刷。

第四道跌水坎（三级）布置在上游电站尾水渠附近，该跌水坎上游至大坝下游围堰之间河道有侧有已建引沁干渠溢流口，该干渠设计流量18m3/S，经常因电站及渠道出现故障而从超泄口泄流，通过右岸5#路箱涵进人坝下围堰至电站尾水渠之间的河道。大坝右岸冲沟、大坝右岸山坡两处约40m3/S的来水也通过5#路箱涵汇人坝下河道。电站超泄口、大坝有岸冲沟及大坝右岸山坡累计流量约70m3/S，均从电站尾水渠末端经过，不仅冲刷河道，而且冲刷尾水渠基础，因此在此处设一道跌水坎，可保护电站尾水渠及下游河道安全。