河道采砂對閘壩安全的影響分析

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，430072，武漢）

河道內有序、合理的采砂活動能保證河勢穩定，維護航道暢通，防止河床淤積；而大規模無序、非法的采砂活動則會導致河床下切、水位下降、建筑物失穩、堤防崩退。據資料顯示，因河道采砂過度河床下切，許多河道堤岸發生多次坍塌、河道內的建筑物經常發生險情，有些還被沖毀。

一、采砂造成河道水位下降

1.無攔河建筑物的河段

在無攔河閘壩的自然河段，水流條件相對穩定，河道床面形成了一定厚度的抗沖保護層，在相當長的時空范圍內，河道的水沙沖淤作用處于平衡狀態。采砂過程往往是由近到遠、先易后難、先沙灘后過水河床。河道內過度采砂后，河床斷面不斷加深、拓寬，采砂河段水位整體下降，床面抗沖保護層遭到破壞，采砂量遠遠超過了上游河沙補給能力，密集的砂坑會造成水流紊亂，同時又加劇了水流沖刷強度，造成采砂坑加深加大。

2.有閘壩等攔河建筑物的河段

攔河閘壩是指修建在河道上用于抬高枯水期的河道水位，以滿足上游灌溉、工業與生活用水、水生態與水景觀等需求，保證在枯水期間水利工程處于正常蓄水位。

對于有攔河閘壩的河段，其采砂引起河段水位下降與無攔河閘壩的河段不盡相同。如圖1所示，以閘a所在河道為例，分析有攔河閘壩的河段采砂坑形成后河道水位變化情況。

①采砂對攔河閘壩上游的影響。閘a上游有采砂坑，若采砂坑在水庫壅水范圍外，因水閘擋水高度不變，采砂坑的形成、河床下切等對閘壩上游水位變化幾乎沒影響，上游水位不變；若采砂坑在水庫壅水范圍內，采砂致使河床下切，但閘上游擋水水位不變，河床下切使上游水深增大、水閘擋水量增多。

②采砂對攔河閘壩下游的影響。若采砂緊鄰攔河閘壩下游，其結果是下游河道整體下切，水位隨河床下切而下降，即下游水位降低，上游仍保持正常蓄水位。

圖1 有采砂坑的攔河閘河段

二、河道水位下降對該河道區域的影響

1.對河段內引水工程的影響

引水工程主要是指建在河兩岸的引水閘和提水泵站。水位下降對引水工程的影響主要分為3個方面。

①引水流量變小或引不到水量。河道水位下降后，自流引水閘閘前水頭小于設計水頭、引水落差減小，流量低于設計流量，工程引水能力減小，灌溉效率降低。更有甚者，河段水位下降到低于引水閘底板，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沒水深小于泵站最低運行要求，更甚之，河道水位太低乃至取水口前根本無水可取，致使工程因非工程原因需維修或直接報廢。

③河段主流遠離引水口。采砂改變了河道主流的位置，水位下降，過水斷面變窄，河水主流線遠離取水口，造成取水困難。

2.對攔河閘壩工程的影響

攔河閘壩攔截河道，利用閘控或者壩頂溢流的方式調節上游水位，其工作特點在于：閘壩擋水后，上下游有一定的水頭差，加上閘壩的過水斷面總是小于所處的河道斷面，泄水時會產生較大的流速，因此在閘壩后設置消能防沖設施（如消力池、消能坎、海漫、防沖槽等）以消除水流的能量，防止閘壩后河床河岸的沖刷，維護閘壩本身的結構穩定；閘壩擋水時，閘壩承受水平水壓力，可能推動閘壩向下游滑動。在上下游水頭差的作用下，水從上游經閘壩地基及兩岸向下游滲透，在滲流作用下，地基可能產生滲透變形或被破壞。

由分析可知，河道采砂后，閘壩上游水位不變、水深增大，下游河道水位下降，上下游水位差會增大。閘壩下游消能工消能壓力也增大，同時亦增加了滲流強度，對閘壩穩定和安全帶來不利影響，河道水位下降對建筑物安全穩定造成極大威脅。

三、水位下降對橡膠壩安全影響的實例分析

1.橡膠壩實例概況

本實例為某工程攔河橡膠壩，橡膠壩設計高度5 m，用于在枯水期抬高河道水位，滿足兩岸引水灌溉、美化城區環境等需求。橡膠壩基礎土層為細砂，深度達20 m，滲透系數為1.2×10-3cm/s；壩基基礎強度fk為180 kPa。設計的橡膠壩各結構尺寸為：鋪蓋長22 m，底部長20 m，壩基底板上游側設板樁，板樁長6 m；壩袋后采用挖深式消力池，池長18 m，池底深1.0 m；池后接縱坡為1∶20的海漫，海漫長45 m，其后防沖槽深2.0 m，如圖2所示。

圖2 橡膠壩工程結構示意圖（單位：m）

2.計算分析

以《水閘設計規范》中推薦的計算方法進行分析計算。上游水位維持正常擋水位25 m，由于采砂引起下游水位下降，進行不同下降情況下的滲流穩定、消能防沖、閘室穩定計算。計算過程中，選取0 m（不下降）、0.5 m、1.0 m、1.5 m及2.0 m 5個水位下降值進行計算分析。

（1）滲流分析計算

滲流計算采用改進阻力系數法，校驗不同水位條件下的滲流情況，計算結果見表1，其中h1為上游水位，h2為下游水位，Δh’下游水位下降值，J0為出口段滲透坡降，Jx為水平段滲透坡降最大值，[J0]為出口段允許滲透坡降值，[Jx]為水平段允許滲透坡降值。

由表1可知，隨著下游水位下降、上下游水位差增大，水閘出口段和底板水平段滲透坡降逐漸增加，上下游水頭差越大其滲透坡降也越大.計算表明，當下游水位下降1.0 m以后，其水平段滲透坡降就超過了[Jx]，基礎可能發生滲透變形，影響工程安全。

（2）消能防沖分析計算

計算消力池、水躍、海漫及下游河床沖深等，同樣假定水位下降對不同消能工的影響，計算結果見表2。其中，d為消力池深，Lsj為消力池長，Lp為海漫長度，dm為海漫末端河床沖刷深度。

隨著下游水位下降，消力池池深、池長，海漫長度，河床沖刷深度逐漸增大。當下游水深下降0.5 m后，海漫長度就不能滿足要求；水深下降1 m后，消力池長度也不能滿足要求。

消力池、海漫、防沖槽之間的關系是“唇亡齒寒”。一旦消力池消能不充分，出消力池的水流剩余動能很大、流速不均、紊動強烈，對池后海漫過度沖刷，因海漫通常為砌石結構，在水流沖刷下，組成海漫的細石被水挾走，隨即造成海漫的松動，影響其結構穩定，致使海漫下部基礎遭受淘刷或沖刷。此外，隨著沖刷深度的增加，防沖槽內有限的堆石不足以覆蓋整個沖坑上游坡面或者護面厚度變薄不足以保護河床時，海漫末端基礎直接遭受水流淘刷，海漫陷落，進而消力池末端基礎受沖、消力池破壞，消能工徹底癱瘓，最終整個工程破壞。

表1 滲流計算結果表

表2 消能防沖計算結果表

表3 穩定計算結果表

（3）穩定計算

采用偏心受壓公式計算校核工況下基底應力、抗滑穩定性，并分析基底應力不均勻性。結果見表3。其中Kc為抗滑穩定安全系數，[Kc]為抗滑穩定安全系數允許值，η為基底應力不均勻系數，[η]為基底應力不均勻系數允許值。

3.計算結果及分析

隨著下游水位的下降，橡膠壩的抗滑穩定安全系數也下降，但對其抗滑穩定性影響甚小。其原因在于下游水位下降后，壩底板所受浮托力減小，盡管滲透壓力增大，但揚壓力的合力變化不大；此外，影響抗滑穩定的其他力隨著下游水位下降其變化值也不大，所以最后的結果對抗滑穩定影響不大。

四、結論與建議

1.結論

①對于有攔河建筑物的河段，水位下降的后果是直接影響建筑物的安全?？傮w來說，河道水位下降，建筑物的防滲、消能防沖及穩定性的變化均趨向不利，而隨著攔河建筑物上下游水位差值的增大，建筑物的安全系數減小，防滲、消能防沖及穩定性這三者趨向不安全的程度越大，對建筑物安全越不利。

②采砂引起河段水位較大幅度下降，往往歷經數年至數十年，中間緩慢的發展過程容易被管理部門忽視。在河道上游持續來水來沙的條件下，對于有序、合理的采砂，河道具有一定自我修復能力；但不合理的采砂活動遺留下的采砂坑逐漸相互連通并造成河床斷面整體下切以及整個河段區域水文條件改變，特別是上下游水位差的增大，致使攔河建筑物的安全性能隨之改變，一旦遇上某次洪水或者在枯水季節下游過低水位運行，將導致工程事故。

③攔河建筑物管理和河道采砂管理常分屬不同職能部門，由于責權不統一，增加了控制濫采的難度；此外，非專業的管理人員對不合理采砂的后果認識不深刻，往往忽視水位緩慢下降帶來的不良影響。

2.建議

①對已有或擬建攔河建筑物河段的采砂進行有序管理。要充分認識到河砂作為一種建筑材料，并非取之不盡用之不竭。要向河流兩岸宣傳相應的采砂管理條例，加強部門監督，杜絕無序開采。

②對水位下降嚴重的河段，要加強建筑物的管理，對攔河建筑物進行安全復核。一旦發現建筑物安全性能降低，應降低其運行級別，控制運行條件；還可考慮在其下游設二級壩、減小建筑物的上下游水位差等措施以保障主要建筑物安全，延長工程壽命。

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