歐坦工程河段不利河勢治理措施總體方案設(shè)計(jì)研究

劉 欣 杜 娟 李利琴

（河南黃河勘測設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州450003）

小浪底水庫運(yùn)用以來，進(jìn)入黃河下游的水沙條件較以往有了很大變化。在這種變化的水沙條件下，局部河段出現(xiàn)了不利河勢，尤其是部分河段出現(xiàn)主流直接頂沖工程， 造成工程出險(xiǎn)直接威脅灘區(qū)生活、生產(chǎn)安全的不利河勢情況。近年來，歐坦、韋灘等不利河勢均是此類險(xiǎn)情的典型代表。為治理此類險(xiǎn)情，不得不采取一些臨時(shí)性的工程措施，以避免此類不利河勢持續(xù)發(fā)展對防洪安全造成的威脅。 在這種情況下，結(jié)合重復(fù)組裝式導(dǎo)流樁壩的試驗(yàn)與推廣，研究探索該類型壩用于不利河勢臨時(shí)工程搶險(xiǎn)的可行性，為今后進(jìn)一步對類似不利河勢治理的方法提供可選的措施是一項(xiàng)十分有意義的工作。

1 歐坦工程河段不利河勢治理的必要性

1.1 河段自然地理及工程概況

歐坦控導(dǎo)工程位于開封縣劉店鄉(xiāng)歐坦村北的黃河灘區(qū)， 始建于1978 年。 以控制府君寺至貫臺(tái)間的河道、達(dá)到穩(wěn)定貫臺(tái)至東壩頭之間的河勢，保證三義寨閘門供水和保護(hù)劉店灘區(qū)為目的而修建。 該工程上迎曹崗工程來流，下送流至貫臺(tái)工程。 目前，工程長度4664m，現(xiàn)有丁壩26 道、垛14 座、護(hù)岸10 段，共計(jì)50 道壩（垛、護(hù)岸）。受歐坦工程保護(hù)的劉店灘區(qū)內(nèi)共有22 個(gè)行政村、3.5 萬人口及8 萬畝耕地。

1.2 河段河勢變化及治理的必要性

2009 年以來，歐坦工程河勢連續(xù)上提，變化較快，大河主溜在12壩上首400m 范圍內(nèi)坐灣，灘地坍塌速度加快，尤其是在2013 年1～4月中旬期間，12 壩上首灘地平均坍塌寬度90 余米， 平均每天坍塌0.5～1m。 調(diào)水調(diào)沙期間坍塌速度更快，南北方向的灘岸也相繼發(fā)生了順溜坍塌。 圖1 為2009～2013 年歐坦工程所在河段的河勢變化。

截止2013 年7 月7 日，12 壩上首500m 范圍內(nèi)灘岸基本已坍塌至13 垛及14 護(hù)岸，主流直接頂沖12 壩上首歷史修建的防護(hù)工程，并坐灣出現(xiàn)險(xiǎn)情。 由于該防護(hù)工程是1979 年歐坦工程搶險(xiǎn)時(shí)修筑的臨時(shí)防護(hù)堤，沒有根石，抗沖能力十分欠缺。

不利河勢持續(xù)發(fā)展，有可能造成防護(hù)堤決口，主溜抄歐坦工程后路，導(dǎo)致歐坦工程背河低灘區(qū)被淹，主流奪串向南的不利防洪局面，威脅劉店灘區(qū)內(nèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和不好的社會(huì)影響。

2 不利河勢應(yīng)急搶險(xiǎn)方案結(jié)構(gòu)型式選擇

應(yīng)急搶險(xiǎn)工程主要是為避免河勢繼續(xù)向不利局面發(fā)展而建，由于部分工程可能不在規(guī)劃工程范圍以內(nèi)，當(dāng)河段河勢趨向歸順后，該工程可能將長期處于脫河狀態(tài)，因此這類工程與正常修建的控導(dǎo)工程在作用上會(huì)有所不同。

鑒于應(yīng)急工程布置的位置大多切入河道主流， 易遭受主流淘刷，工程自身又不能標(biāo)準(zhǔn)過高以避免影響大洪水的通過，所以壩體對自身穩(wěn)定性要求高于一般丁壩。 選擇適合該特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)型式，在滿足自身穩(wěn)定的前提下，能一定程度的控導(dǎo)河勢且經(jīng)濟(jì)合理、施工可行顯得尤為重要。

圖1 2009～2013 年歐坦河段主流線套繪圖

黃河下游河道整治工程多采用傳統(tǒng)土石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)型式相對簡單，且有熟練的施工經(jīng)驗(yàn)。 但由于該結(jié)構(gòu)根石不能一次性施工到最大沖刷深以下，一旦工程遭受主流沖刷，工程易出險(xiǎn)，且作為應(yīng)急工程，受目前材料供應(yīng)等條件的限制難以迅速施工。近年來作為新技術(shù)、新材料推廣的土工布長管袋結(jié)構(gòu)， 其水中進(jìn)占施工工藝較為復(fù)雜，且在主流中施工流速較大的情況下鋪設(shè)難度較大。

圖2 方案比選平面布置圖

根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，采用鋼筋混凝土預(yù)制管樁結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)工程的可拆除與不搶險(xiǎn)， 并能在水中快速施工， 且施工干擾因素相對較小，其次，該結(jié)構(gòu)壩具有小水導(dǎo)流，對大、中洪水泄洪影響小且自身安全性好等特點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁結(jié)構(gòu)壩。

3 不利河勢治理應(yīng)急搶險(xiǎn)工程平面布置設(shè)計(jì)

3.1 不利河勢治理應(yīng)急搶險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)需考慮的因素

不利河勢應(yīng)急搶險(xiǎn)工程布置需考慮的因素有：一是，首先控制當(dāng)前不利河勢的進(jìn)一步發(fā)展， 防止主流抄歐坦工程后路，保證穩(wěn)定灘區(qū)群眾的生產(chǎn)生活安全；二是，盡可能引導(dǎo)河勢逐漸按照規(guī)劃流路行進(jìn)，增強(qiáng)已建工程的控導(dǎo)作用；三是，盡可能采用施工速度快的搶護(hù)方案，做到快速搶險(xiǎn)，使工程盡快發(fā)揮作用；四是搶險(xiǎn)工程在險(xiǎn)情消除后盡可能不對未來的河勢演變以及大洪水行洪產(chǎn)生大的不利影響；五是盡可能避免過多的工程占地，減少搶險(xiǎn)過程中的干擾，利于施工。

3.2 不利河勢治理工程布置方案

本次工程作為不利河勢治理工程，具有臨時(shí)應(yīng)急搶險(xiǎn)的性質(zhì)。 根據(jù)前述工程設(shè)計(jì)需考慮的各種因素，通過實(shí)地查看，對工程位置和平面布置進(jìn)行了三個(gè)方案比較。 圖2 為三個(gè)比選方案的平面布置圖。

方案一：應(yīng)急搶險(xiǎn)樁壩布置始點(diǎn)距水邊線約50m，距垂直連壩方向約280m、距12 壩壩根約800m。自搶險(xiǎn)樁壩布置始點(diǎn)沿與主流夾角140°方向修建。

方案二：應(yīng)急搶險(xiǎn)樁壩布置始點(diǎn)距水邊線約50m，距垂直連壩方向約130m、距12 壩壩根約590m。自樁壩始點(diǎn)沿與主流夾角118°方向修建。

方案三：樁壩布置始點(diǎn)與方案二同。 自樁壩布置始點(diǎn)沿與主流夾角130°方向修建， 該壩軸線方向與已建歐坦工程直線段連壩方向平行。

表1 為三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比。

通過對工程在臨時(shí)搶險(xiǎn)、工程見效快、搶險(xiǎn)施工期干擾因素少、施工安全等因素的綜合比較，最終確定方案二為搶險(xiǎn)布置的總體方案。

4 實(shí)施情況及治理效果

4.1 實(shí)施情況

歐坦上首不利河勢治理工程于2013 年7 月20 日開始施工，至8月18 日完成施工任務(wù)， 工程應(yīng)用射水沉樁技術(shù)在開封歐坦控導(dǎo)工程上首應(yīng)急搶修挑流護(hù)岸，樁長20m。 施工期間夾河灘水文站大河流量1000m3/s～3980m3/s。

工程原設(shè)計(jì)方案工程布置長度為300m，由于工程的臨時(shí)性，修建方案根據(jù)實(shí)際情況做出了相應(yīng)調(diào)整，施工過程中，隨著工程長度的增加及大河流量的變化， 主流經(jīng)樁壩挑流后不利河勢逐漸得到緩解，險(xiǎn)情得以有效控制，最終工程實(shí)際實(shí)施長度為100m。

4.2 治理效果

4.2.1 流速變化

表2 為施工過程中的流速監(jiān)測數(shù)據(jù)。 根據(jù)表中資料的統(tǒng)計(jì)，2013年7 月30 日～8 月19 日，樁壩前實(shí)測流速為1.6～3.5m/s，樁壩后實(shí)測流速為0.2～2.0m/s。 樁壩上下游流速差別較大，經(jīng)樁壩挑流后，大河流速明顯減小，對灘岸的頂沖威脅大幅降低。

表1 工程平面布置方案對比表

表2 實(shí)測流速統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 河勢及灘岸坍塌變化情況

為了觀測灘岸坍塌情況，沿歐坦防護(hù)堤12 垛向上游以50m 為一間隔共布設(shè)了5 個(gè)觀測斷面。 從斷面坍塌情況統(tǒng)計(jì)來看，8 月4 日以前，灘岸坍塌較為嚴(yán)重，斷面1 天最大坍塌7m。 8 月4 日，樁壩進(jìn)占著溜一定長度后，主溜明顯外移，灘岸坍塌速度明顯下降，8 月7 日以后基本不坍塌，河勢趨于穩(wěn)定。

根據(jù)7 月15 日～8 月19 日施工期的河勢觀測成果， 歐坦觀測靠河壩號自工程開工后被控制在12 壩～37 壩。 在施工期間夾河灘水文站出現(xiàn)3980m3/s 流量，灘岸坍塌嚴(yán)重的情況下，歐坦工程不利河勢沒有進(jìn)一步上提。 樁壩有效的控制了河勢的進(jìn)一步發(fā)展，保護(hù)了灘地和工程的安全。

4.2.3 搶險(xiǎn)情況

黃河下游河道整治工程普遍采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式較為經(jīng)濟(jì)且易施工，但由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)根石不能一次性施工到最大沖刷深以下，一旦工程遭受主流沖刷，易反復(fù)出險(xiǎn)，給工程管理和搶險(xiǎn)帶來極大負(fù)擔(dān)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐坦控導(dǎo)工程12 壩及其藏頭工程7 月份以后共出險(xiǎn)47次，其中一般險(xiǎn)情42 次，較大險(xiǎn)情5 次，出險(xiǎn)體積達(dá)13609m3。 其中7月20 日以前出險(xiǎn)37 次，出險(xiǎn)體積12150m3，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的89%，且較大險(xiǎn)情都出現(xiàn)在7 月20 日樁壩開始施工以前，樁壩修建初期12 壩及其藏頭工程出現(xiàn)一些小的險(xiǎn)情，待樁壩工程初具規(guī)模、發(fā)揮一定作用后就再也沒有出現(xiàn)新的險(xiǎn)情，說明樁壩的實(shí)施有效的減少并控制了險(xiǎn)情的發(fā)生。

5 結(jié)論和建議

本次歐坦應(yīng)急搶修工程利用鋼筋混凝土預(yù)制空心管樁組成不同長度的鋼筋混凝土透水樁壩，以期實(shí)現(xiàn)解決臨時(shí)的不利河勢問題。 與傳統(tǒng)河道整治工程相比，重復(fù)組裝式導(dǎo)流樁壩能夠?qū)崿F(xiàn)快速插樁修建成壩，也可以快速拔除，拆除的管樁能夠重復(fù)利用的特點(diǎn)。本次工程布置總體方案是通過對主流的直接控導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了以較小的工程量達(dá)到減輕不利河勢發(fā)展的目的。

通過本次工程布置和采用的工程措施看，工程的實(shí)施基本達(dá)到了快速有效處理臨時(shí)河勢變化、防止畸形河勢繼續(xù)發(fā)展的效果，為黃河下游防汛搶險(xiǎn)提供了新的技術(shù)支撐。然而，由于工程修建的長度有限，并沒有真正的實(shí)現(xiàn)對不利河勢的根治，此外，由于工程的運(yùn)行時(shí)間較短，對河勢長期影響的效果還需進(jìn)一步進(jìn)行觀測。

［1］河南黃河勘測設(shè)計(jì)研究院.黃河下游移動(dòng)式不搶險(xiǎn)潛壩設(shè)計(jì)研究[J].2009，10.

［2］耿明全,張成,張汝印.黃河下游移動(dòng)式導(dǎo)流壩研究與應(yīng)用[J].中國水利,2009(22):42-45.

［3］移動(dòng)式空心排樁導(dǎo)流和支擋設(shè)計(jì)與施工[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.