新建水坝对下游已建水工建筑物的影响分析

第24卷第1期 海 岸 工 程 文章编号：1002—3682(2005)O1 0059—04 新建水坝对下游已建水工建筑物 的影响分析 宋子东 (福建省交通职业技术学院，福建 福州 350007) 摘 要：分析了新建水坝及社会经济发展 因素对坝下游水流及泥沙的影响，用一个简易河床 模型来说明新建大坝后下游河床的演变规律，通过坝下游河床一般演变分析来阐述局部冲 刷对已建水工建筑物基础的影响及对已建水工建筑基础的防护措施。 关键词：新建水坝；河床演变；局部冲刷；水工建筑物基础；防护措施 中图分类号：TV698 文献标识码：A 随着我国国民经济日新月异发展，对能源和环境的可持续性利用和开发越来越重 视，在国家综合经济实力的不断增强的今天，进一步加大了对自然江河资源的水利、水 电、航运和旅游等项目的综合开发利用；国家贯彻实施的退耕还林国策进一步保护了自 然环境，将还一片青山绿水的美丽家园；同时，我国农村大量人口向城镇和大城市转移 使城镇不断扩张。这些无疑是国家进一步现代化的标志。但一切事物均有其二面性，有 得必有失，这些将对原来相对平衡稳定的自然河床产生较大的影响，也必将对水工建筑 物的稳定产生重大的影响，故有必要加以重视。本文就新建大坝对下游河床及已建水工 建筑物的影响做一些分析。 l 新建大坝对下游河床影响因素 自然状态下的河床在经过相当长时间的自然演变已处于相对稳定状态，对已建水 工建筑物的河段河床在经过建成后的一般冲刷及局部冲刷作用也已达到原考虑因 素的相对稳定状态。而新建大坝、退耕还林和城镇扩张等新因素使河床两岸的水土流失 得以控制；新建大坝虽然采用蓄清排洪措施解决了库区泥沙淤积问题，但也部分减少了 坝区上游的来沙量；城镇的不断扩张加大了基础设施建设，在河床中大量采掘建筑用 沙，这些无疑改变了河床的原有相对平衡状态。具体现为：枯水期坝下游来水来沙量 收稿 日期 ：2004 02—24 作者简介：宋子东(1963)，男，讲师，主要从事交通土建教学和设计监理工作。 (杜素兰 编辑) 维普资讯 http://www.cqvip.com 海 岸 工 程 第1期 急剧减少，洪水期来水来沙量过分增大和集中，而总体上是上游来沙量将呈逐年减少状 态；河床中人工大量无序采沙严重破坏了原有河床形态，也改变了原河床的演变规律， 大大危害了通航航道，加大了航道疏浚养护的工程量，更为严重的是，河床的急剧变化 对已建水工建筑物(如沿岸码头、护岸工程、桥梁基础、河床调治设施等)产生严重的影 响，有必要对现代新建坝下游的河床演变对水工建筑物的影响进行重新分析评价。 2 坝下游河床的演变模型 对于一条自然河流流域来说，河流流域的形态分布、河床自然地貌、河床地质、两岸 植被状况、流量与含沙量等各种因素是相当复杂的，同一流域的不同河段也可能差异极 大，且河床自然演变一般是经过长期的过程从量变到质变形成的，新建大坝对下游河床 的影响显然是一个质变，为了更好地获得更有价值的参数，一般应经过水工模型试验来 验证。本文试图用一简易河床模型来说明新建大坝后下游河床的演变规律。 2．1 坝下游河床的一般演变 图1所示为某一河流域在大坝建成后坝下游各相应河段演变的设想过程，可能这 个过程要经过许多年才能完成。现把河段按断面河相系数分为 3个代表性河段：第 1段 为上游变迁性河段( =5～30)，第2段为中游次稳定性河段( =5～20)，第 3段为 下游稳定性河段( =2～5)。 按照河床泥沙运动一般规律，以及因修筑大坝等原因上游泥沙补充量呈逐年减少 状态，断面河相系数[ 为： = 式中，B为通过造床流量时的水面宽度(m)；h为通过造床流量时的断面平均深度(m)。 新建大坝 上游 一 ／ 中游 下游 次稳定性河段 l 稳定性河段 出河口 ， 一 图1 坝下游河床演变过程 假定河床的水面宽度不变(如：全河段采用了护岸工程)，则由于全河段泥沙运动的 失衡造成断面平均深度的逐年加大，相应地各段河相系数值将逐年变小，则有上游为变 迁性河段向次稳定性河段演变，中游为次稳定性向稳定性河段演变。最终趋于新的平衡 维普资讯 http://www.cqvip.com 第24卷 宋子东：新建水坝对下游已建水工建筑物的影响分析 61 及相对稳定状态。 2．2 局部演变对下游水工建筑物的影响 按以上分析的结论，坝下游河床将发 生新的演变过程，特别对已建水工建筑物 来说，河床的这种变化将有直接影响，因为 已建的水工建筑物的原设计并未考虑新的 河床变化，长期的运行过程使水工建筑物 河段的河床已处于相对稳定状态，大坝建 后对下游水工建筑物的安全均应重新进行 分析观测和评估，尤其是水工建筑物基础 的局部冲刷直接危及水工建筑物的安全， 图2为某墩基基础局部冲刷水工模型h 一 试验曲线试验结果比较图。 E 弋 聪 器 量 』 ] ／ 一 一 l4． ， 一 D~o=0,24 nu1 13． 12． 11． 10 ／I B=6 cm(圆! 9． ． ／ l／ ‘ 8 7． 6 5 4 3 ， ，， I 2 1． 0 v 20 30 v(140 5o 60 70 一 流速v／cm s—j 图2 坝下游局部冲刷h。一 试验曲线比较图 从比较图中可知：上游来沙量减少使冲刷坑的深度比正常深度明显加大，尽管水工 基础在设计施工时均已考虑到了安全的冲刷深度，并设置了相应的防护设施，但新的河 床演变有可能超出了原有的安全限度，首先受破坏的往往是防护设施的边缘基础部位， 使防护设施因基础的淘空而先行坍塌破坏，接着直接危及主要基础设施，对于浅基础型 式的重力式基础而言，极有可能由于基础的淘空产生滑移或倾覆，对于桩基础而言，局 部冲刷使桩的自由长度增加，对整个结构的刚度和桩的耐久性不利，对于钻孔桩和沉桩 而言，基础由于桩侧土受冲刷扰动使桩的承载力降低产生不均匀下沉，产生这些危害后 若不能及时加固和修护，那么在正常使用荷载的作用下也会严重危害水工建筑物，甚至 危及建筑物的整体安全。 3 坝下游已建水工建筑物维护措施 由于各种水工建筑物的构造和使用功能的不同，对于主要由河床演变及冲刷引起 的基础破坏可采用以下措施进行监测和维护 ： (1)应定期对坝下游河床进行监测，尤其对水工建筑物河段的河床应重点进行监 测，及时掌握河床演变动态。 (2)如有可能应进行水工模型试验，提供合理的预防和防护措施。 (3)利用水坝合理进行水流和泥沙调节，使河床演变处于受控状态。 (4)严格控制人为无序采沙作业，特别应严禁在水工建筑物影响河段采沙。 (5)加强对水工建筑物基础部位的经常性检查及建筑物不均匀沉降的监测，及时发 现安全稳患。 (6)应及时对受损水工建筑物基础部位进行维修和加固。 维普资讯 http://www.cqvip.com 62 海 岸 工 程 第1期 (7)修筑利用和改造河床调治建筑物，以确保通行航道畅通和已建水工建筑物的 安全。 参考文献： E13 俞高明．桥涵水力水文[M]．北京：人民交通出版社，2002． [23 扬文渊，徐稗．桥梁维修与加固[M]．北京：人民交通出版社，1992 Analysis of Impact of Newly Built Dam on Downstream Established Hydraulic Structure SONG Zi—dong (Fujian College of Communication Technology，Fuzhou 350007，China) Abstract：In this paper，the impact of newly buih dam and socioeconomic develoDment factors on downstream flow and sediment is analyzed，a simple riverbed model is used to describe the regularity of downstream riverbed evolution after the newly built dam has been completed，and the impact of local SCOUr on the established hydraulic structure foundation and the prevention measures for the established hydraulic structure foundation are expounded by analyzing the general evolution of downstream riverbed． Key words：newly buih dam；riverbed evolution；local SCOur；hydraulic structure foundation；prevention measures 维普资讯 http://www.cqvip.com