宁郎电站1#临河渣场对河道行洪与河势稳定的影响

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(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.成都市君智技术咨询有限责任公司，成都，610041)

为了满足区域社会经济发展的需要，我国西南地区开发建设了大量的不同规模的水电工程[1]。四川省地处长江上游，山地、丘陵面积占全省总面积的90%以上[2]，小水电开发工程选址一般在山高、坡陡、河道比降大的高山峡谷区[3]。由于水电工程建设过程中土石方量大，会产生大量的弃渣[4]，而山区河道沿岸的河漫滩地一般地形平坦，大多为卵砾石地及河沙堆积区，在考虑不影响行洪安全和河势稳定的前提下，并采取水土保持措施的情况下，利用其征地费用低、弃渣方便、存渣量大的特点，多将河谷类弃渣场作为水电建设项目弃渣场址的首选[3]。临河弃渣场弃渣堆放在河岸，受工程所处河段的地形条件限制，会束窄河道的行洪断面，改变河段的水流形态，影响下游河道的行洪能力[5]。因此，本文以水洛河宁朗水电站1#渣场为例，就临河型弃渣场对河道行洪与河势稳定的影响进行分析。

1 工程及弃渣场概况

宁朗水电站位于四川省凉山州木里县境内，为金沙江左岸一级支流水洛河的第九个梯级电站，采用引水式开发。电站主体工程由首部枢纽、引水系统和发电枢纽三部分组成。首部枢纽分挡水建筑物和泄水建筑物，由左右岸挡水坝段及混凝土闸坝组成，最大坝高27.5m，坝顶高程1858.0m。

宁朗水电站水库地处高山峡谷区，区内山高坡陡，山势巍峨，山脉海拔高程多在3500m～4500m，河谷形态多为不对称“Ⅴ”型谷，库尾河谷较开阔，两闸址间库段河谷较狭窄。工程河段比较顺直，河岸边坡较完整，比较稳定，平均自然坡度一般35°～60°，谷坡下缓上陡，并且河谷多为陡崖。岸坡植被良好，树木茂盛。

工程弃渣根据施工布置特点就近布置堆放。1#渣场堆渣13.82万m3、占地1.44hm2，最大堆渣高度10.0m，挡渣堤顶现状高程为1818.15m～1825.34m。弃渣场沿水洛河侧设置C15混凝土重力式挡渣堤，与C15混凝土护坡相结合的方式进行防护，以满足防洪要求。

2 防洪标准

2.1 工程河段防洪标准

根据《防洪标准》的规定，结合城市等级、发展需要及保护对象的重要性确定河段防洪标准。宁朗水电站弃渣场位于木里县宁朗乡红布定村，所在位置为乡村，防护人口≤20万人，防护区耕地面积≤2万hm2，防洪标准20～10年一遇。

根据《四川省河道管理范围内建设项目管理暂行办法》第一章第三条规定，宁朗水电站弃渣场评价河段属于其规定的其余河道管理范围，工程河段防洪标准按10年一遇。

2.2 弃渣场防洪标准

根据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL575-2012)相关规定，弃渣场级别根据堆渣量、堆渣最大高度，以及弃渣场失事后对主体工程或环境造成的危害程度确定，拦渣堤防洪标准应满足河道管理和防洪要求。

本工程1#弃渣场及拦渣工程建筑物级别均为4级，根据弃渣场级别及渣场设计规模，确定宁朗水电站各渣场的设计防洪标准均为30年一遇，校核防洪标准均为50年一遇。

3 弃渣场对河道行洪与河势稳定影响分析的计算

本工程防洪评价工作采取1/1000地形图，根据河势地形1#渣场布设6个计算特征断面，其中CS1位下游起算控制断面。

3.1 渣场起算控制断面流量与水位计算

利用工程河段水文站现有资料进行设计洪水计算，宁朗水电站1#渣场的设计洪水采用呷姑水文站为依据，采用水文比拟的方法推算。水位流量关系曲线采用水力学公式计算。根据水文分析计算成果，设计洪水(流量)及对应水位关系见表1。

表1 下游CS1起算控制断面水位流量关系

3.2 壅水与行洪分析计算

弃渣场压缩水流，使弃渣场上游及堆存范围内水面壅高，形成壅水。为分析工程河段1#弃渣场建成前后河道行洪能力的变化情况以及对河势稳定的影响，根据工程布置方案，采用HEC-RAS河流分析系统软件模型对P=2%、P=3.33%和P=10%的设计洪水进行水力要素分析计算。弃渣场建成前后不同频率设计洪水各断面水位、过流面积、流速等计算成果变化情况见表2。

表2渣场建设前后设计洪水水力要素计算成果比较

断面号里程(m)河底高程(m)P=2%,Q=1510m3/sP=3.3%,Q=1400m3/sP=10%,Q=1150m3/s水位差值(m)过流面积变幅(%)流速变幅(%)水位差值(m)过流面积变幅(%)流速变幅(%)水位差值(m)过流面积变幅(%)流速变幅(%)CS1542901824.300.000.000.000.000.000.000.000.000.00CS1439901817.460.09-1.681.710.07-1.761.790.06-1.831.86CS1338501810.300.07-2.132.180.06-2.212.260.05-2.282.33CS1237101809.000.06-1.411.430.05-1.481.500.04-1.531.55CS1135301805.010.000.000.000.000.000.000.000.000.00CS101752.200.000.000.000.000.000.000.000.000.00

从上述计算结果可以看出，在50年一遇洪水条件下1#弃渣场河段最大壅水高度0.09m，过流面积最大缩窄率为2.13%，流速增幅为1.71%～2.18%；30年一遇洪水条件下1#弃渣场河段最大壅水高度0.07m，过流面积最大缩窄率为2.21%，流速增幅为1.50%～2.26%；10年一遇洪水条件下1#弃渣场河段最大壅水高度0.06m，过流面积最大缩窄率为2.28%，场流速增幅为1.55%～2.33%。弃渣场建设对河道行洪影响较小。

3.3 冲刷与淤积分析计算

弃渣场建设后占了河道的行洪河宽和面积，工程河段上下一定范围的河段内，过流面积减小，流速增加，造成两侧岸冲刷加剧。

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，平顺护岸冲刷深度可按下列公式计算：

式中：hs——局部冲刷深度(m)；

H0——冲刷处的水深(m)；

Ucp——近岸垂直平均流速(m/s)；

Uc——泥沙起动流速(m/s)。

根据公式计算可得，在50年一遇设计洪水时，1#弃渣场岸坡冲刷深度为0.83m～0.97m；在30年一遇设计洪水时，1#弃渣场岸坡冲刷深度为0.78m～0.91m。1#挡渣堤的基础埋深为1.70m，大于设计标准下的挡渣堤所在位置处的岸坡冲刷深度，1#挡渣堤的基础埋深度满足规范要求。

3.4 河势影响分析计算

3.4.1 稳定河宽计算

稳定河宽是指河床在某级流量和河床比降下应有的宽度，维持稳定河宽避免河床产生再造床现象[3]。稳定河宽计算采用阿尔图宁公式：

式中：B——稳定河宽(m)；

A——稳定河宽系数，取1.0～1.7；

Q——造床流量(m3/s)；

J——河道比降，以‰计。

本工程采用2年一遇洪水作为造床流量。工程河段2年一遇(P=50%)洪水流量731m3/s，河道比降16.81‰，且河道处于较稳定河段，稳定河宽系数取1.05，计算得到工程河段稳定河宽为44.00m。

1#弃渣场挡渣堤工程河段控制断面河宽在45.11m～46.92m之间，1#弃渣场的造床流量下的河宽大于稳定河宽，河道稳定性相对较好。

3.4.2 河床稳定性计算

(1)纵向稳定性计算

河床的纵向稳定程度取决于水流对河床泥沙的作用力和河床泥沙抵抗力之间的对比关系。稳定性指标值越大，河床相对来说越稳定，河床冲淤变幅也越小。反之则说明河床冲淤变化较大，河床稳定性差[3]。纵向稳定系数K1采用公式：

式中：d——床沙平均粒径(mm)，本次评价d取74mm；

h——造床流量下的平均水深(m)；

j——造床流量下水面比降，本次评价取0.0167。

(2)横向稳定性计算

横向稳定系数K2与河岸稳定密切相关，值愈大，河岸愈稳定。本工程用河岸变化结果来描述河岸的稳定性，采用阿尔图宁公式计算的稳定河宽与实际河宽B相比较，用以表征河床横向稳定性程度，公式为：

式中：Q——造床流量(采用平滩水位法)(m3/s)；

K2——横向稳定系数；

j——造床流量下水面比降；

B——造床流量下的水面宽(m)。

(3)综合稳定性计算

河流平面河势的稳定性，既取决于河床纵向稳定，也取决于河床横向稳定，这两种综合影响用综合稳定系数K表示，即：

由以上计算得出，1#弃渣场纵向稳定性系数K1=1.80～4.01，说明当水沙条件改变时，河道纵比降和纵向流路的改变不大；横向稳定性系数K2=1.59～1.85，说明该河道河岸目前岸坡整体稳定性较差；综合稳定性指标K=5.69～12.43，说明该河段河床处于纵向和平面稳定时期。

3.5 挡渣堤的稳定性计算

根据挡渣堤稳定性计算，不考虑粘聚力，考虑弃渣场地质条件、地基承载力容许值取0.35MPa～0.40MPa。采用理正岩土系列软件进行验算，1#渣场挡渣堤抗滑稳定安全系数等于1.35(>1.30)，抗倾稳定安全系数等于2.52(>1.50)，地基承载力验算安全系数等于1.32(>1.20)。

1#渣场级别为4级，根据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL575-2012)等相关规范及标准规定，计算结果表明，1#渣场满堆情况下，C15混凝土拦渣堤的抗滑、抗倾覆稳定安全系数及地基允许应力满足要求，拦渣堤整体稳定性好。不会有崩塌现象，松散弃渣物不会进入河道，不影响河道的行洪和河势变化。

4 结论与建议

(1)工程建设以后，弃渣场所在河段的地貌发生了较大的改变，但弃渣场上下游河段的地质条件，河床组成均未发生较大的改变。弃渣场建设过程中严格按照水土保持的要求，弃渣自下而上堆砌，并保持≥90%的压实度及挖宽错台等边坡防滑措施，有效地保证弃土的密实和抗滑稳定性。周围的截水沟对弃渣场以上的坡面积水进行拦截和汇集，有效减轻了弃渣场坡面径流的冲刷，有利于保持弃渣场的稳定性；

(2)根据弃渣场所在河段的冲刷深度计算结果可以看出，在设计洪水情况下，工程建设以后弃渣场所在河段附近有局部冲刷现象，其他河段没有明显的冲刷变形，河床的变形是局部的和暂时的，河床横向和纵向都较为稳定。修建弃渣场后，在设计洪水情况下，1#弃渣场岸坡冲刷深度为0.79m～0.91m，基础埋深1.7m，满足冲刷要求，且右岸为基岩，因此，渣场的修建对所在河道的河势稳定的影响较小。新的河道断面在新的冲刷和淤积下会逐步建立新的冲淤平衡，至此河势趋于新的稳定；

(3)弃渣场建成后，过流面积缩窄幅度较小，对行洪影响较小。为避免渣场对河道行洪的影响，要对滑落于河道中的渣体及时进行清理，以尽量减小对河道的阻水、壅水、挑流作用，工程弃渣堆放必须符合防洪要求。

参考文献

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