沖淤變化對渭河下游倉西工程安全的影響

包歲利

（陜西省河流工程技術研究中心，陜西 西安710018）

1 概況

1.1 倉西河段概況

渭河倉西控導工程位于大荔縣韋林鄉(xiāng)望仙村東南的渭河渭淤2斷面左岸上下游，倉西灣所在河段是渭河下游的方山河～潼關入黃段，該河段長約58 km，屬典型的彎曲性河段，枯水河床寬約400～600 m，河床局部擺動不定，河曲十分發(fā)育，平均彎曲系數(shù)約為1.43，河勢彎化交為劇烈，侵蝕塌岸經常發(fā)生，河床縱向平均比降為10/000左右，在倉西工程下游6.0 km左右渭河左岸有北洛河匯入渭河。倉西工程位于渭河下游渭淤2斷面附近，因為渭淤2在河道中間，選渭淤1～2或者渭淤2～3斷面都不能代表這個河段，所以選渭淤1～3河段作為本次的研究河段。

1.2 倉西控導工程概況

倉西控導工程在《渭洛河下游河道整治初步設計》(下簡稱《初設》)中，工程布設起點在倉西灣上段，對應于沙苑圍堤管理樁號為9+600，在倉西灣上段沿修正治導線與岸坎布置成直線，直線段布設12座雁翅壩垛抵御渭河洪水頂沖，中下段布設復合彎道，布置23座雁翅壩形成以壩護彎，以彎導流，并保護抽水站取水口和移民圍堤。工程總長度2781 m，沿工程位置線共布置雁翅壩35座；其中水中進占雁翅翅壩11座，旱灘雁翅壩24座，加固1座。

2000～2002年，倉西河段河勢不斷惡化，主流直接頂沖倉西灣，致使倉西灣岸坎不斷坍塌后退，灣頂下挫；2002年3月灣頂距沙苑圍堤不到100 m，洪水直接威脅著沙苑移發(fā)圍堤的安全。2003年1月，陜西省水利廳批復[1]同意安排新建倉西控導護岸工程建設。

倉西控導工程從2003年汛前、2003年汛后、2005、2008、2011 年 5 期建設，形成目前總長 5934 m、雁翅壩 35（0#～34#）座的規(guī)模。在施工過程中，2～4期建設時進行了設計變更，主要是水中壩變更為旱灘壩、抬高原設計沖刷底坑高程[2]兩方面的變更。

1.3 工程歷年出險基本情況

倉西控導工程2010年初次出險以來歷次出險情況統(tǒng)計見表1。在2010年洪水期間，渭河下游大荔倉西工程4～6#壩及襠相繼出現(xiàn)墩蟄、壩襠后潰等險情發(fā)生，工程整體下沉向前飄浮到原主河道后突然整體下沉，擊起10余米水浪的特殊出險類型；2011年9月秋淋洪水期間，倉西工程2～3#壩段壩襠、壩頭相繼出險；2012年8月、9月渭河中下游形成了二次中常流量洪水，6～8#壩段壩襠出現(xiàn)土體坍塌險情長度12 m；2013年7月下旬洪水致使8～9#壩襠中下段及9#壩上跨籠石臺發(fā)生墩蟄較大險情，出險長度52 m；2014年9月洪水，8～10#壩及襠出現(xiàn)根石走失、籠石倒塌入水，出險長度約140 m，水毀較為嚴重。

倉西工程歷年出險情況統(tǒng)計表

可以看出，出險集中在3～10#壩段；出險主要表現(xiàn)為壩垛墩蟄（3-6#、9#壩）、壩襠后潰坍塌或土體坍塌（2-3#、4-8#壩襠）、壩及襠籠石墩蟄或倒塌（8-10#壩襠）3種形式。針對倉西工程3種出險形式，分析研究倉西工程特殊出險類型的原因，提出科學合理的除險加固方案，并組織實施、確保工程與堤防安全，是十分必要與迫切的。

2 倉西河段沖淤情況分析

由于倉西工程出險有河道沖淤、河勢演變、工程設計與修建、地質[3]等方面的眾多影響因素，十分復雜，因此本文僅對河段沖淤在工程出險中的影響進行分析，以期明確河道沖淤對工程設計有關參數(shù)的影響，提出今后工程設計中應怎樣按沖淤成果確定相應參數(shù)。

2.1 河段沖淤情況

渭淤2典型斷面河道形態(tài)變化變化見圖1。可以看出，1960年以來渭淤2斷面灘面、主槽最深點均大致抬升4.0 m左右，主槽變窄、深度變化不大，形成相對窄深的河槽，整個斷面淤積抬升十分明顯，淤積量巨大，形成了明顯的臨背差。從河槽形態(tài)變化分析，2010年以來倉西河段變得寬淺，不出槽的2500 m3/s以下各流量級洪水平均流速減小，沖刷能力減弱，對主槽岸坎與倉西工程穩(wěn)定總體是有利的。

圖1 倉西河段渭淤2典型年斷面變化圖

2.2 河段沖淤變化過程

渭河下游渭淤1～3各河段沖淤情況列于表2。可以看出，倉西河段2002汛后由淤轉沖，2002年汛后至2012年汛后倉西河段（渭淤1-3）總體沖刷，共沖刷0.2506億m3，其中2003、2010年度分別沖刷 0.1709億 m3、0.0358億 m3，幅度較大，占該時期68.20%、14.29%。2004～2008年是補償性連續(xù)微弱回淤，2009～2012年度持續(xù)性微弱沖刷；由于渭河“沖槽淤灘”特點，倉西河段主槽平均沖刷下降1.03 m。2013年倉西河段“由沖轉淤”引起該河段的變化調整，2014年又有較大幅度的沖刷0.0527億m3，2015年該河段微淤0.0011 億 m3。

出險前2002.09～2009.10倉西河段整體沖刷0.0809億m3，呈現(xiàn)“一年沖多年淤”的沖淤過程；2010年汛期出險以來的2009.10～2015.10倉西河段共沖刷0.1979億 m3，其中2009～2012年4年連續(xù)沖刷，2013年以來倉西河段年度沖淤變化已由“連續(xù)沖刷”變?yōu)椤皼_淤相間”。

3 河段沖淤對倉西工程出險的影響分析

3.1 河段最深點變化分析

2002年以來倉西河段各斷面河底最深點變化過程見圖2。可以看出：倉西河段渭淤1、2、3各斷面最深點近期變化趨勢大致相同，但有個明顯特推征是多數(shù)年份形成河底倒比降，出現(xiàn)明顯的攔門沙；如2002～2004年渭淤1相對渭淤2形成倒比降的攔門沙坎，2005年渭淤2相對渭淤3形成倒比降的攔門沙坎，2010年渭淤1、2相對渭淤3形成倒比降的攔門沙坎，渭淤1、2較渭淤3河底最深點分別高1.8 m、2.3 m，倒比降非常明顯。

表2 渭河下游渭淤1～3河段淤積體分布表

近期2003與2010年汛期倉西各斷面河底最深點均大幅度下降，河槽沖刷幅度很大；2003年汛期渭淤1、2、3斷面河槽分別沖刷下降 1.86 m、1.68 m、1.99 m；2010 年汛期渭淤 1、2、3各斷面河槽分別沖刷下降1.79 m、2.18 m、4.14 m，倉西河段呈從上游至下游沖刷幅度“由大減小”的沿程沖刷變化。可見，在2010～2014年較好的洪水條件下，對前期淤在河道的泥沙大量沖刷，倉西河段出現(xiàn)了一定程度的沖刷，引起河勢變化與岸坡坍塌。

圖2 倉西河段各斷面汛后最深點變化過程圖

3.2 河段最深點變化與工程設計沖刷底坑高程對比分析

倉西工程歷年出險施工沖刷底坑高程與出險年份汛后河道最深點高程差值統(tǒng)計見表3，需要說明的是，上述比較是在洪峰過后河道回淤后的成果，在實際洪水過程中出險時河道最深點應較上述汛后最深點更深。

表3 倉西工程歷年出險施工沖刷底坑高程與出險年份汛后河道最深點高程差值統(tǒng)計表

可以看出，2010年汛期洪水沖刷回淤汛后實測渭淤2最深點為324.74 m，較4#、5#、6#壩設計變更沖刷坑底高程分別低0.26 m、1.26 m、1.26 m，較壩襠設計變更沖刷坑底高程328.5 m低3.76 m。2011年汛期渭淤2斷面汛后最深點為325.64，較出險的3#旱灘壩設計沖刷坑底高程328.50 m低2.86 m。2012年汛期渭淤2斷面汛后最深點為325.18，較出險的6～8#壩襠土體坍塌段工程施工 (設計)沖刷坑底高程328.50 m低3.32 m。2013年汛期渭淤2斷面汛后最深點為325.26，較墩蟄的8～9#壩襠中下段及9#壩上跨籠石臺段工程施工(設計)沖刷坑底高程328.50 m低3.24 m。2014年汛期渭淤2斷面汛后最深點為324.85 m，較出現(xiàn)根石走失、籠石倒塌8～10#壩及壩襠工程段施工(設計)沖刷坑底高程328.50 m低3.65 m。上述分析表明：倉西河段河道沖刷下切，河道最深點一般較出險工程施工(設計)沖刷坑底高程低，除4#壩垛低0.26 m差距不大外，5～6#低1.26 m、3#低2.86 m、其它均超過3.0 m。

倉西河段河道沖刷下切，河道最深點一般較出險工程施工(設計)沖刷坑底高程低，這種客觀邊界條件在充足的洪水動力條件下，洪水淘刷容易造成根石走失，工程吊空極易造成工程失穩(wěn)出險。因此，倉西河道較大幅度沖刷，河道最深點下切較工程施工(設計)沖刷坑底高程低是倉西工程連年出險的一個重要原因。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）在2010年洪水期間，渭河下游大荔倉西工程發(fā)生工程整體下沉向前飄浮到原主河道后突然整體下沉，擊起10余米水浪的特殊出險類型，之后，2011～2014年汛期倉西工程4#～10#壩段每年均出現(xiàn)一定的險情。在洪水量級不大的情況下倉西工程2010～2014年連續(xù)5年出險，由于出險類型特殊、出險原因不明，直接危脅倉西工程壩后僅80余米的堤防工程。因此，分析研究倉西工程特殊出險類型的原因，為提出科學合理的除險加固方案、并組織實施，確保工程與堤防安全有著重要的意義，開展該項研究是十分必要的。

（2）倉西控導工程2010年初次出險以來歷次出險出險集中在三期續(xù)建的3～10#壩段；出險主要表現(xiàn)為壩垛墩蟄(3～6#、9# 壩)、壩襠后潰坍塌或土體坍塌(2～3#、4～8# 壩襠)、壩及襠籠石墩蟄或倒塌(8～10#壩襠)3種不同出險類型。

（3）2002年汛后至2012年汛后倉西河段總體沖刷，共沖刷0.2506億m3，其中，2004～2008年是補償性連續(xù)微弱回淤，2009～2012年度持續(xù)性微弱沖刷。2013年倉西河段“由沖轉淤”引起該河段的變化調整，2013年以來倉西河段年度沖淤變化已由“連續(xù)沖刷”變?yōu)椤皼_淤相間”。

（4）倉西河段河道沖刷下切，河道最深點一般較出險工程施工(設計)沖刷坑底高程低，這種客觀邊界條件是工程失穩(wěn)出險必要的外在條件，在充足的洪水動力條件下，工程失穩(wěn)出險必然成為大概率事件，因此，倉西河道河道最深點下切較工程施工(設計)沖刷坑底高程低，是倉西工程連年出險的一個重要原因。

4.2 建議

河道較大幅度沖刷下切、主槽最深點較工程施工(設計)沖刷坑底高程低，是造成2010、2011年倉西工程出險主要原因，但產生這一問題的根源是設計變更中將沖刷坑底高程抬升2.5～6.0 m，因此，在今后河道工程特別是控導工程施工中，重大變更要按照水規(guī)計[2012]93號《水利工程設計變更管理暫行辦法》[4]要求進行。