王曉杰

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心，山西 太原 030002）

天然河道是城市或鄉(xiāng)村景觀中一個相對復(fù)雜、流動的，與當(dāng)?shù)鼐用裆蠲懿豢煞值纳鷳B(tài)系統(tǒng)。雖然它對外部污染具有一定的凈化能力，但是河道沿岸居民數(shù)量眾多，當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活對河道造成了很大影響，河道內(nèi)的垃圾傾倒對水質(zhì)造成了污染，致使河道生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重萎縮，不僅使河道喪失了作為景觀的功能，而且影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳?，同時對城市或鄉(xiāng)村的聲譽影響也非常大。因此，天然河道內(nèi)生態(tài)蓄水設(shè)計是非常必要的[1]。

1 工程水文地質(zhì)情況

陽泉市平定縣石門口鄉(xiāng)大石門村位于平定縣城東南約20 km 處。毗連上莊村，盧家莊村。距307 國道約4 km，石管縣鄉(xiāng)公路從村中穿過，交通便利。該村村民居住在河道左岸；耕地大部分位于河道右岸，農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過跨陽勝河的1 座4 孔鋼筋混凝土機耕橋通行。大石門水庫位于該村東南，建在海河流域子牙河水系桃河支流陽勝河中游干流上，控制流域面積143 km2，總庫容1 319 萬m3，為1 座中型水庫。水庫溢洪道泄洪時，洪水排入穿村而過的陽勝河河道內(nèi)[2]。

大石門村屬溫帶大陸性氣候。春夏秋冬，四季分明，年氣溫最高36℃，最低為-15℃。歷年降雨量最大為844.1 mm，最小為372 mm，平均571.85 mm。年降雨量多集中在7～9 月內(nèi)，年蒸發(fā)量最大為2285.1 mm，最小為1 417.8 mm，平均1 888.1 mm，春冬多為西北風(fēng)，東北風(fēng)，夏季多為東南風(fēng)，秋季多為西風(fēng)，最大瞬時風(fēng)速24 m/s，平均風(fēng)速2.l m/s，最大風(fēng)天數(shù)平均為24 d左右，初霜期在10 月上旬，終霜期為次年4 月中旬，全年霜期165 d，土壤凍結(jié)深度一般為0.51～1 m。

大石門所在區(qū)域為無資料地區(qū)，無法采用實測資料進行分析計算，設(shè)計洪水采用《山西省水文計算手冊》（以下簡稱手冊）進行計算。大石門水庫于2017 年在現(xiàn)狀溢洪道底板處新開放空水庫的泄水槽一道。泄水槽進口底高程1 019.5 m，頂部與溢洪道底板齊平。泄水槽最大泄流量為12.87 m3/s。

洪水調(diào)洪計算是在水量平衡和動力平衡的支配下進行的。在Δt 時段內(nèi)，入庫水量與出庫水量之差，應(yīng)等于該時段內(nèi)水庫蓄水量的變化。水庫水量平衡方程為：

式中：Q1、Q2——時段Δt 始末的入庫流量，m3/s；

q1、q2——時段Δt 始末的出庫流量，m3/s；

V1、V2——時段Δt 始末的水庫蓄水量，m3；

Δt——時段長，其大小視入庫流量的變幅而定，h。

對大石門水庫P=10%入庫洪水進行調(diào)洪計算，按照水庫現(xiàn)狀實際運行情況，泄水槽參與泄洪，本次水庫起調(diào)水位為泄水槽底板高程1 019.5 m，調(diào)洪計算見表1。

表1 大石門水庫P=10%調(diào)洪計算結(jié)果

由上表可得，大石門水庫上游發(fā)生10 年一遇洪水時，下泄洪峰為179.5 m3/s，即大石門河道采用的洪峰流量。

平定縣大石門鄉(xiāng)大石門村出露巖層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂頁巖，出露地層有：①二疊系石千峰組紫紅色砂質(zhì)頁巖、頁巖及砂巖厚166 m；②上石盒子組黃綠色砂頁巖厚300～380 m；③下石盒子組黃綠色砂質(zhì)頁巖、泥巖及石英砂巖厚170 m；④石炭系山西組砂頁巖，厚114 m；⑤太原組灰黑色砂巖、砂質(zhì)頁巖，層厚80～110 m；⑥第四系黃土5～18 m，砂卵石層厚15～20 m。

地質(zhì)構(gòu)造包括：兩條平行的近南北向褶皺帶及陷落柱構(gòu)造，大石門村西南部為一條近南北向，長3 km的背斜，兩翼傾角為9 度，大石門村東南部為一條近南北向長5 km 的向斜，兩翼傾角12 度；陷落柱分布于距大石門村4 km 的北部及東南部。

現(xiàn)狀河道內(nèi)均為粒徑較大的砂卵石層，厚度較大，本次工程設(shè)計基礎(chǔ)砂卵石承載力約200 kpa，開挖邊坡1∶0.5（有效排水情況下），摩擦系數(shù)取0.5。

根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306-2001 圖A1）及《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》（GB18306-2001 圖B1），大石門村河道地震動峰值加速度值為0.1 g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，相應(yīng)地震基本烈度為7 度。

2 生態(tài)蓄水工程布置

平定縣大石門村河道工程治理段的河道布置在縱斷上盡量依原河底布置，河道設(shè)計縱坡為8.24‰。本治理段河道現(xiàn)狀已渠系化，河道兩岸已建堤防，本次對河道進行防滲蓄水處理，采用鋪設(shè)土工膜防滲，并根據(jù)河道縱坡修建3 座跌水堰。

3 生態(tài)蓄水工程設(shè)計

3.1 蓄水段布置

蓄水段范圍為治理段始端K0+150.0—K0+760.65，長610.65 m。蓄水段范圍為樁號K0+200.0—K0+350.0，樁號K0+409.3—K0+652.2，長392.9 m，分別在樁號K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 處修建3 座跌水堰，與上游樁號K0+214.0 處已建溢流堰形成連續(xù)水面，共9 875 萬m2的水面和0.2 萬m3的水體。跌水堰采用1.1 m 高的漿砌石，形成3 處跌水景觀，堰前水深0.20 m。跌水堰統(tǒng)計見表2。

表2 跌水堰統(tǒng)計表

蓄水段河道（樁號K0+150.0—K0+350.0、樁號K409.3—K652.2）由下至上設(shè)計分別為250 mm 厚粘土、復(fù)合土工膜、250 mm 厚粘土和500 mm 厚開挖卵石土；為保證復(fù)合土工膜的防滲效果，要求復(fù)合土工膜敷設(shè)高度高出水面100 mm，河道兩邊采用C15 混凝土低擋墻將復(fù)合土工膜固定；C15 混凝土低擋墻采用L 型結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)尺寸0.6 m×0.3 m（長×寬），高度高出蓄水水面100 mm，用φ16 插筋與已有漿砌石堤防鏈接固定。

跌水堰平面布置見圖1，跌水堰剖面圖見圖2。

3.2 跌水堰設(shè)計

本次工程的河道布置在縱斷面上盡量依原河底布置，河道設(shè)計縱坡為8.24‰。在K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 處，根據(jù)河道縱坡和蓄水面積確定跌水堰高度，根據(jù)河道縱坡確定堰下游跌水高度，基礎(chǔ)埋深和臺階尺寸按照規(guī)范進行設(shè)計。

本次設(shè)計共布設(shè)3 座跌水堰，均為實體跌水堰。高度為1.1 m，與主槽同寬，為21.3～28.9 m。3 座跌水堰主體均采用砌石結(jié)構(gòu)，堰高1.1 m，堰下游跌水高度1.40 m，基礎(chǔ)埋深0.4 m。上游面鉛直，下游面為高0.2 m、寬0.4 m 的臺階，形成自然、美觀的景觀跌水效果。

跌水堰前均設(shè)長3 m、厚0.3 m 格網(wǎng)石籠護底，消力池后均設(shè)置厚0.3 m、長2 m 的格網(wǎng)石籠海漫。

圖1 跌水堰平面布置圖

圖2 跌水堰剖面圖

跌水堰基礎(chǔ)采用三七灰土換填處理，換填深度為0.5 m。

3.3 消能防沖設(shè)計

3.3.1 消能設(shè)計

本設(shè)計消力池水力計算的目的是確定消力池的池長。采用《水力計算手冊》公式計算：

Ls=Ld+0.8Lj

Ld=4.3D0.27P

Lj=1.9（h″c-hc）

h″c=1.66D0.27P

hc=0.54D0.425P

S=h″c-ht

式中：Ls——池長，m；

Ld——跌落水舌長度，m；

Lj——水躍長度，m；

D——跌落指數(shù)；

P——跌水高度，m，取0.2 m；

h″c——躍后水深，m；

hc——收縮水深，m；

s——池深，m，取0.5 m；

h——下游水深，取0.1 m。

經(jīng)計算，消力池池長為3.0 m。

3.3.2 消力池底板厚度按《水工設(shè)計手冊》第六冊公式計算：

式中：t——池底板始端厚度，m；

q——單寬流量，1.8 m3/s；

ΔH——上下游水位差，1.5 m；

K——經(jīng)驗系數(shù)，0.2～0.175；

經(jīng)計算，消力池底板厚為0.3 m。

3.3.3 防沖設(shè)計

本次防沖設(shè)計結(jié)合現(xiàn)場實際地形，設(shè)置了海漫，海漫長度按《水工設(shè)計手冊》第六冊經(jīng)驗公式：

式中：Lp——海漫長度，m；

qs——消力池末端單寬流量，1.8 m3/s；

Ks——海漫長度計算系數(shù)，1.4；

ΔH′——上、下游水位差，1.5 m。

經(jīng)計算，跌水堰消力池池長3.0 m，池深0.5 m，消力池底板厚0.3 m，采用格賓石籠防護。消力池后均設(shè)置厚0.3 m、長2 m 的格網(wǎng)石籠海漫。

4 工程效益分析

該工程效益主要表現(xiàn)在防洪效益、環(huán)境效益和社會效益等方面。工程實施后，不僅可以減少該段河床下切，提高河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保護人民生命財產(chǎn)及跨河機耕橋的安全，而且創(chuàng)造一個適宜于生存、發(fā)展的河道環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境和投資環(huán)境，改善了河道的生態(tài)環(huán)境，有效集蓄了河道水流，可以使河道形成連續(xù)水面，對該段河道進行生態(tài)蓄水，恢復(fù)河道的生態(tài)機能，改善河道水環(huán)境，大大提升了大石門村的美麗鄉(xiāng)村形象。