阳泉市天然河道生态蓄水工程设计

王晓杰

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心，山西 太原 030002）

天然河道是城市或乡村景观中一个相对复杂、流动的，与当地居民生活密不可分的生态系统。虽然它对外部污染具有一定的净化能力，但是河道沿岸居民数量众多，当地居民的生产生活对河道造成了很大影响，河道内的垃圾倾倒对水质造成了污染，致使河道生态环境严重萎缩，不仅使河道丧失了作为景观的功能，而且影响了当地居民的生活，同时对城市或乡村的声誉影响也非常大。因此，天然河道内生态蓄水设计是非常必要的[1]。

1 工程水文地质情况

阳泉市平定县石门口乡大石门村位于平定县城东南约20 km 处。毗连上庄村，卢家庄村。距307 国道约4 km，石管县乡公路从村中穿过，交通便利。该村村民居住在河道左岸；耕地大部分位于河道右岸，农民农业生产主要通过跨阳胜河的1 座4 孔钢筋混凝土机耕桥通行。大石门水库位于该村东南，建在海河流域子牙河水系桃河支流阳胜河中游干流上，控制流域面积143 km2，总库容1 319 万m3，为1 座中型水库。水库溢洪道泄洪时，洪水排入穿村而过的阳胜河河道内[2]。

大石门村属温带大陆性气候。春夏秋冬，四季分明，年气温最高36℃，最低为-15℃。历年降雨量最大为844.1 mm，最小为372 mm，平均571.85 mm。年降雨量多集中在7～9 月内，年蒸发量最大为2285.1 mm，最小为1 417.8 mm，平均1 888.1 mm，春冬多为西北风，东北风，夏季多为东南风，秋季多为西风，最大瞬时风速24 m/s，平均风速2.l m/s，最大风天数平均为24 d左右，初霜期在10 月上旬，终霜期为次年4 月中旬，全年霜期165 d，土壤冻结深度一般为0.51～1 m。

大石门所在区域为无资料地区，无法采用实测资料进行分析计算，设计洪水采用《山西省水文计算手册》（以下简称手册）进行计算。大石门水库于2017 年在现状溢洪道底板处新开放空水库的泄水槽一道。泄水槽进口底高程1 019.5 m，顶部与溢洪道底板齐平。泄水槽最大泄流量为12.87 m3/s。

洪水调洪计算是在水量平衡和动力平衡的支配下进行的。在Δt 时段内，入库水量与出库水量之差，应等于该时段内水库蓄水量的变化。水库水量平衡方程为：

式中：Q1、Q2——时段Δt 始末的入库流量，m3/s；

q1、q2——时段Δt 始末的出库流量，m3/s；

V1、V2——时段Δt 始末的水库蓄水量，m3；

Δt——时段长，其大小视入库流量的变幅而定，h。

对大石门水库P=10%入库洪水进行调洪计算，按照水库现状实际运行情况，泄水槽参与泄洪，本次水库起调水位为泄水槽底板高程1 019.5 m，调洪计算见表1。

表1 大石门水库P=10%调洪计算结果

由上表可得，大石门水库上游发生10 年一遇洪水时，下泄洪峰为179.5 m3/s，即大石门河道采用的洪峰流量。

平定县大石门乡大石门村出露岩层为二叠系上统上石盒子组砂页岩，出露地层有：①二叠系石千峰组紫红色砂质页岩、页岩及砂岩厚166 m；②上石盒子组黄绿色砂页岩厚300～380 m；③下石盒子组黄绿色砂质页岩、泥岩及石英砂岩厚170 m；④石炭系山西组砂页岩，厚114 m；⑤太原组灰黑色砂岩、砂质页岩，层厚80～110 m；⑥第四系黄土5～18 m，砂卵石层厚15～20 m。

地质构造包括：两条平行的近南北向褶皱带及陷落柱构造，大石门村西南部为一条近南北向，长3 km的背斜，两翼倾角为9 度，大石门村东南部为一条近南北向长5 km 的向斜，两翼倾角12 度；陷落柱分布于距大石门村4 km 的北部及东南部。

现状河道内均为粒径较大的砂卵石层，厚度较大，本次工程设计基础砂卵石承载力约200 kpa，开挖边坡1∶0.5（有效排水情况下），摩擦系数取0.5。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001 图A1）及《中国地震动反应谱特征周期区划图》（GB18306-2001 图B1），大石门村河道地震动峰值加速度值为0.1 g，反应谱特征周期为0.40 s，相应地震基本烈度为7 度。

2 生态蓄水工程布置

平定县大石门村河道工程治理段的河道布置在纵断上尽量依原河底布置，河道设计纵坡为8.24‰。本治理段河道现状已渠系化，河道两岸已建堤防，本次对河道进行防渗蓄水处理，采用铺设土工膜防渗，并根据河道纵坡修建3 座跌水堰。

3 生态蓄水工程设计

3.1 蓄水段布置

蓄水段范围为治理段始端K0+150.0—K0+760.65，长610.65 m。蓄水段范围为桩号K0+200.0—K0+350.0，桩号K0+409.3—K0+652.2，长392.9 m，分别在桩号K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 处修建3 座跌水堰，与上游桩号K0+214.0 处已建溢流堰形成连续水面，共9 875 万m2的水面和0.2 万m3的水体。跌水堰采用1.1 m 高的浆砌石，形成3 处跌水景观，堰前水深0.20 m。跌水堰统计见表2。

表2 跌水堰统计表

蓄水段河道（桩号K0+150.0—K0+350.0、桩号K409.3—K652.2）由下至上设计分别为250 mm 厚粘土、复合土工膜、250 mm 厚粘土和500 mm 厚开挖卵石土；为保证复合土工膜的防渗效果，要求复合土工膜敷设高度高出水面100 mm，河道两边采用C15 混凝土低挡墙将复合土工膜固定；C15 混凝土低挡墙采用L 型结构形式，基础尺寸0.6 m×0.3 m（长×宽），高度高出蓄水水面100 mm，用φ16 插筋与已有浆砌石堤防链接固定。

跌水堰平面布置见图1，跌水堰剖面图见图2。

3.2 跌水堰设计

本次工程的河道布置在纵断面上尽量依原河底布置，河道设计纵坡为8.24‰。在K0+350.0、K0+543.75 和K0+652.2 处，根据河道纵坡和蓄水面积确定跌水堰高度，根据河道纵坡确定堰下游跌水高度，基础埋深和台阶尺寸按照规范进行设计。

本次设计共布设3 座跌水堰，均为实体跌水堰。高度为1.1 m，与主槽同宽，为21.3～28.9 m。3 座跌水堰主体均采用砌石结构，堰高1.1 m，堰下游跌水高度1.40 m，基础埋深0.4 m。上游面铅直，下游面为高0.2 m、宽0.4 m 的台阶，形成自然、美观的景观跌水效果。

跌水堰前均设长3 m、厚0.3 m 格网石笼护底，消力池后均设置厚0.3 m、长2 m 的格网石笼海漫。

图1 跌水堰平面布置图

图2 跌水堰剖面图

跌水堰基础采用三七灰土换填处理，换填深度为0.5 m。

3.3 消能防冲设计

3.3.1 消能设计

本设计消力池水力计算的目的是确定消力池的池长。采用《水力计算手册》公式计算：

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——池长，m；

Ld——跌落水舌长度，m；

Lj——水跃长度，m；

D——跌落指数；

P——跌水高度，m，取0.2 m；

h″c——跃后水深，m；

hc——收缩水深，m；

s——池深，m，取0.5 m；

h——下游水深，取0.1 m。

经计算，消力池池长为3.0 m。

3.3.2 消力池底板厚度按《水工设计手册》第六册公式计算：

式中：t——池底板始端厚度，m；

q——单宽流量，1.8 m3/s；

ΔH——上下游水位差，1.5 m；

K——经验系数，0.2～0.175；

经计算，消力池底板厚为0.3 m。

3.3.3 防冲设计

本次防冲设计结合现场实际地形，设置了海漫，海漫长度按《水工设计手册》第六册经验公式：

式中：Lp——海漫长度，m；

qs——消力池末端单宽流量，1.8 m3/s；

Ks——海漫长度计算系数，1.4；

ΔH′——上、下游水位差，1.5 m。

经计算，跌水堰消力池池长3.0 m，池深0.5 m，消力池底板厚0.3 m，采用格宾石笼防护。消力池后均设置厚0.3 m、长2 m 的格网石笼海漫。

4 工程效益分析

该工程效益主要表现在防洪效益、环境效益和社会效益等方面。工程实施后，不仅可以减少该段河床下切，提高河道的防洪标准，保护人民生命财产及跨河机耕桥的安全，而且创造一个适宜于生存、发展的河道环境、水环境、生态环境、人居环境和投资环境，改善了河道的生态环境，有效集蓄了河道水流，可以使河道形成连续水面，对该段河道进行生态蓄水，恢复河道的生态机能，改善河道水环境，大大提升了大石门村的美丽乡村形象。