金鸡拦河闸闸下河床冲刷分析及对策研究

贾香香

(泉州市金鸡拦河闸管理处，福建 泉州 362333)

1 工程概况

金鸡拦河闸位于福建省泉州市南安市丰州镇，是晋江下游一座具有防洪、供水、灌溉、挡潮等功能的大(1)型水利枢纽工程，拦河闸全长744.00m，设闸门15孔，旱桥27孔。水闸下游消能防冲段包括闸下消力池、池后海漫和防冲槽，分先启孔(6～10号)和后启孔(1～5号、11～15号)，长度分别为138.00m和114.00m，先后启孔防冲槽段长32.00m，顶面高程-3.80m，底面高程-5.30m，底宽25.90m。该工程于2007年4月下闸蓄水，至今已运行十余年。因闸下河床冲刷变化直接影响工程消能防冲设施，因此对其进行研究十分必要。本文通过对金鸡拦河闸蓄水运行以来的闸下断面实测资料进行研究，分析冲刷变化情况、影响因素及发展趋势，并提出建议以供参考。

2 河床冲刷变化分析

2.1 河道深泓线变化

根据2008—2018年的实测资料，金鸡拦河闸下游河道(断面k0+107.7～k1+150.0)深泓线的变化见图1。

图1 金鸡拦河闸下游河道断面k0+107.7～k1+150.0深泓变化

总体而言，河道深泓线在降低，尤其在断面k0+107.7～k0+620.0之间512.30m长度范围内，河道刷深明显。自2008—2018的10年间，断面k0+156.9处刷深3.30m，断面k0+222.7处刷深4.50m，断面k0+400.0处刷深4.70m。

断面k0+107.7～k0+209.0处，2008—2013年河道中泓线刷深明显，最大刷深2.90m，位于断面k0+156.9处；2013—2018年，冲刷相对稳定，最大刷深0.40m。

断面k0+214.3～k0+300.0处，河道中泓线仍在刷深，2008—2013年，最大刷深2.80m；2013—2018年最大刷深2.65m。

断面k0+300.0～k0+620.0处，2008—2013年最大刷深4.70m，刷深范围为k0+320.0～k0+420.0；2013—2018年淤积回填约1/3，范围为k0+320.0～k0+350.0。

断面k0+620.0～k1+150.0处，河道冲淤变化较小，总体比较稳定。

2.2 河道横断面变化

a.断面k0+107.7处，先启孔为海漫段，后启孔为防冲槽前部，随时间的变化过程见图2。根据断面情况分为左岸段(-0+139.7～-0+070.0)、中间段(-0+70.0～0+60.0)及右岸段(0+060.0～0+138.5)。左岸段：2008—2011年逐年淤积，最大淤积深度1.81m；2011—2015年刷深明显，最大刷深2.36m；2015—2018年冲淤交替，略有淤积，最大淤积1.38m。中间段：2008—2018年整体呈淤积态势，淤积比较平稳，幅度较小，平均淤积深度0.60m。右岸段：2008—2018年整体呈淤积态势，最大淤积深度2.45m，且淤积逐步向断面中心发展。

图2 断面k0+107.7变化

b.断面k0+156.9处，先启孔为防冲槽下游冲刷坑，后启孔为河床，2008—2018年断面变化见图3。由图3可知，冲刷坑冲刷明显，最大冲刷深度3.61m；2008—2011年刷深幅度较大，最大刷深2.60m；2011—2018年刷深幅度较小，7年最大刷深1.39m。冲刷坑左右两侧小范围小幅度淤积，10年最大淤积深度为2.16m。

图3 断面k0+156.9变化

c.断面k0+200.0的变化过程见图4，断面中部冲刷明显，2008—2011年最大冲刷深度为2.20m；2011—2015年最大冲刷深度为2.60m；2015—2018年最大冲刷深度为1.50m；10年间断面最大冲刷深度4.73m，且冲刷最低点由断面中心向河流右岸移动。冲刷坑两侧略有淤积，变幅小，最大淤积深度仅1.00m。

图4 断面k0+200.0变化

图5 断面k0+222.7变化

d.断面k0+222.7的变化过程见图5。由图5可知，断面中部冲刷明显，2015年冲刷深度最大，7年最大刷深5.31m；2008—2011年最大冲刷深度2.40m；2011—2015年最大冲刷深度3.30m；2015—2018年略有淤积，幅度小。冲刷坑两侧冲淤交替，最大淤积深度1.95m，相对趋于稳定。左岸岸边部分2008—2011年变化明显，主要原因是左岸驳岸塌陷，于2011年初进行修复，因此改变了断面形态。

e.断面k0+314.5的变化过程见图6。由图6可知，该断面的冲淤变化主要集中在左岸，断面中线至右岸冲淤变化不明显，略有淤积，断面状态整体稳定。左岸2008年、2011年变化明显，分别形成一个深4.70m和2.90m的坑。2011—2015年呈淤积态势，大的冲刷坑基本淤积至2008年状态，2016年两个冲刷坑基本填平，2018年变化情况与2016年基本一致。左岸岸线部分的变化是砌石护坡发生坍塌造成的，原因在于施工围堰靠左右两岸较近缺口在中低水位形成左右汊主流线，左汊主流线距左岸较近，从而造成近岸河床剧烈冲刷，驳岸分别于2011年初和2013年初进行了修复，因此岸线向岸边方向移动。

图6 断面k0+314.5变化

f.断面k0+431.2的变化过程见图7。2008—2018年间，该断面变化主要集中在中线靠右部分，其余部分冲淤变化不明显。因采砂，2008—2011年该断面形成深度5.77m的砂坑；2011—2018年略有淤积，断面整体稳定。左岸岸线部分由于低水驳岸坍塌，2013年初进行了修复，因此岸线向左移动。

图7 断面k0+431.2变化

2.3 冲淤平面变化

2.3.1 防冲槽下游冲刷坑变化情况

2008—2018年防冲槽下游冲刷坑变化情况见图8、表1，2008年冲刷坑(河床高程低于-5.00m的面积)在断面2中线右侧，范围为515m2，2009年范围已扩大数倍，发展至2618m2，并且随着时间的推移，冲刷范围呈扩大态势，2016年4月达到最大范围5706m2,2016年10月淤积范围为851m2，之后又再度冲刷，2018年达到5570m2。此间，冲刷坑以冲刷为主，淤积3次，分别为2011年4月淤积770m2、2015年3月淤积51m2、2016年10月淤积851m2。

图8 防冲槽下游冲刷坑变化

表1 冲刷坑实测资料对照

2.3.2 施工围堰下游冲刷坑变化情况

在断面k0+209.0处有未拆除的施工围堰，围堰中部有缺口，下游形成冲刷坑，且呈刷深态势。围堰下游冲刷坑最大刷深为2018年的6.40m，比2013年的4.60m刷深了1.80m，河床冲淤与低水围堰缺口密切相关。断面k0+300.0处自2008年以来一直未曾刷深，再向下游，因采砂等因素于2009年形成了长度约150.00m的冲刷坑，之后变化不大，直到2016年台风“莫兰蒂”与天文大潮相遇，淤积向下游发展了50.00m。

2.3.3 围堰下游河道冲刷变化情况

施工围堰以下河道冲淤变化与主流线关系密切，冲刷基本同主流线方向一致，有向右岸(凹岸)方向移动趋势，变化规律符合河道演变特性，见图9。

图9 闸下河道2016年与2018年冲淤强度分布比较

2.3.4 岸线变化情况

岸边冲刷引起岸线的坍塌。自拦河闸运行以来，闸下左右岸低水驳岸均因冲刷而塌陷，已经完成数次驳岸修复，前述断面分析中有所提及。2016—2018年，断面k0+700.0～k0+800.0右岸岸线部分被冲刷，被冲岸线距离在0～6.60m之间。

3 冲刷坑冲刷原因分析

3.1 控制运用方式

拦河闸控制运用规则是先启孔开度达到3.00m时开启后启孔，因此5孔先启孔常开而10孔后启孔少开，且两个55.00m长的导流柱将先启孔水流与后启孔水流隔开，所以先启孔的冲刷强度远大于后启孔，尤以河道中泓为甚。因此先启孔消能防冲设施末端形成了冲刷坑而后启孔却没有，且由于导流柱末端水流断面由先启孔5孔宽度扩至整个断面宽度，水流流速小，冲刷强度小，因此断面k0+107.7处仅后启孔淤积明显，低潮时肉眼明显可见。金鸡拦河闸的特点及控制运用方式决定了防冲槽下游冲刷属于工程运行初期就考虑了的表层冲刷。

3.2 来水来沙情况

河道各水力要素与河道形态之间是一种动态联系的关系[1]。一定的河床形态是挟沙水流与河床相互作用，不断自动调整所形成的结果[2-3]。以石砻水文站作参证站，2008—2018年金鸡拦河闸断面来水来沙情况见表2。

表2 金鸡拦河闸断面2005—2017年的来水来沙情况

河道冲淤变化受来水来沙影响密切。闸下209.00m(施工围堰)范围内，属于泄流区，受上游来水量(流量)影响，拦河闸开闸放水，水流流速大，因此断面整体以冲刷为主。由于拦河闸启闭以先启孔居多，在未开后启孔的情况下，下泄量可达1500m3/s，而历年上游来水最大流量均在1500m3/s以上，因此断面中部尤以中泓部分冲刷明显，防冲槽下游冲刷坑亦如此。此段由于流速大，泥沙随水下泄，因此较少考虑输沙量(输沙量与最大流量成正比，见图10)。

图10 2005—2017年石砻断面年输沙量与年最大流量关系

断面k0+209.0处有未拆除的施工围堰，受早年采砂影响，围堰下游至断面k0+431.0处形成冲刷坑。由于水流流速放缓，水流及泥沙共同影响着河床的变化，尤其受天文大潮影响，因此“莫兰蒂”洪水携带的大量泥沙部分回填冲刷坑。而在断面k0+222.0处的冲刷坑，由于围堰中部存在缺口，因此冲刷坑整体冲刷，呈冲淤交替。

断面k0+431.0以下，由于下泄水流已基本平稳，河床变化较小。

3.3 潮水涨落情况

金鸡拦河闸兼有挡潮功能，上游为淡水，下游咸淡水交融，潮水可追溯至闸前。晋江口为典型的半日潮，24h内两次高潮两次低潮。金鸡拦河闸下游闸底高程为-1.00m(5孔先启孔)和0m(后启孔10孔)，闸下水位常年在-1.00～4.00m之间。汛期开闸放水时，闸上挟沙水流过闸向下，冲刷下游河道。闸门关闭时，闸下河道变化主要受潮水涨落影响，如2011年1—4月非汛期，断面来水来沙量小，闸门较少开启，海洋潮汐动力携带泥沙进入施工围堰至闸址，冲刷坑淤积范围770m2。

2016年9月，超强台风“莫兰蒂”登陆，恰逢天文大潮，遭遇洪潮，为确保防汛安全，根据市防指统一调度，金鸡拦河闸提早预排预泄。尽管15孔闸门全部提离水面，但受潮汐影响，排洪速度明显减缓，水位达8.55m，超出正常蓄水位1.55m。洪水携带的大量泥沙，一部分由于流速缓慢而淤积，因此2016年10月与4月相比，防冲槽下游冲刷坑冲刷面积减小，出现了851m2的淤积。

3.4 采砂情况

采砂会直接造成河床下切，并从流态的改变上引起河床溯源冲刷及全面的调整[4]，20世纪90年代闽江下游北港河床大规模采砂导致解放大桥倒塌、防洪堤出现险情等问题[5]。金鸡拦河闸旧闸经过几十年的运行，在防渗、抗震、消能等方面出现险情，因此最终建新闸拆旧闸。有研究表明，下游河道采砂是造成近年拦河闸工程下游河床严重下切的主要原因[6]。工程运行初期(2008—2010年)，采砂导致防冲槽下游冲刷坑发展迅速，年均冲刷面积2089m2。随着管理的加强，近年来，研究断面范围内已难觅非法采砂之影，而冲刷坑仍在继续扩大发展，因此认为采砂已非研究断面目前河床冲刷的主要原因。

4 河床冲刷趋势

根据研究断面近几年的变化情况，对河床冲刷趋势分析如下：鉴于晋江流域实行联合统一调度，东溪有山美水库进行调节，西溪正在筹建白濑水库，因此干流发生较大洪水的可能性较小。在遭遇较大洪水时，断面k0+107.7～k0+300.0范围内，闸下防冲槽下游冲刷坑和施工围堰下游冲刷坑会继续冲刷；断面k0+314.5～k0+440.0处冲刷会反复，因冲刷区距离水闸较远，基本不影响水闸安全；断面k0+440.0以下，冲淤变化较为稳定。建设之初，防冲槽底部宽为25.90m，经十余年的运行，防冲槽底部宽度不变，仍为25.90m，并未造成破坏，可以满足防冲要求，因此认为目前防冲槽的发展对水闸安全影响不大。

5 结 语

通过实测资料分析，金鸡拦河闸下闸蓄水十余年来，闸下河段主要有3处冲淤变化较大，分别为断面k0+156.9处防冲槽下游冲刷坑、断面k0+222.7～k0+280.0处施工围堰下游冲刷坑、断面k0+300.0～k0+440.0处的冲淤坑。近年来,3处冲刷变化幅度较小，河势总体趋于稳定。引起河床冲淤变化的原因主要有控制运用方式、来水来沙及潮水涨落，在工程运行之初采砂也是造成河床下切的主要原因。

鉴于闸下河床的冲刷直接影响工程的安全稳定，事关泉州下游10个县(市、区)500万人的生产生活用水，同时本研究可为工程安全、供水安全、防洪安全提供依据，因此对其进行研究十分必要。研究结果表明，针对岸线的冲刷工程管理单位及时进行了低水驳岸的修复，底部冲刷呈持续刷深趋势，但近年刷深幅度明显减小，暂未对工程安全造成影响。为此建议：ⓐ常态化开展研究断面的实测工作，遭遇大洪水、大潮时加密对断面的监测，对低水驳岸出现的险情等及时进行修复，确保岸线稳定；ⓑ加强对工程消能防冲设施的观测，注意收集基础资料，适时评估下游防冲槽的损坏程度及对海漫的影响；ⓒ相关单位各司其职，加强河道管理及巡河检查，严格落实工程保护管理相关规定。