新型透水攔沙坎在格爾木河治理中的應用

蘇東喜 端木靈子 鄭微微 趙宇

摘要：在分析傳統攔沙坎設計特點及自身結構原因引起的坎下沖刷加劇等問題的基礎上，提出新型透水攔沙坎改進方法和工作原理：通過坎體開孔分流，降低坎上水頭和坎后流速，有利于河床穩定。結合格爾木河治理中對該新型攔沙坎的應用情況，闡述其主要設計參數及選取過程。透水攔沙坎的坎體開孔率、開孔方式、分流比是影響坎位水流狀況的關鍵。格爾木河公路橋下攔沙坎設計以主槽滿流為控制條件，根據河道及水流特性，計算對比開孔率0～40%之間的坎前、坎后流速變化，綜合確定開孔率取15%，開孔孔徑150mm，分流比6.69%，經初步運行，上下游沖淤情況良好。

關鍵詞：河道治理;攔沙坎;開孔率;格爾木河

中圖分類號：TV851 文獻標志碼：A

在我國西部山區沖積河道的治理中，對出山口或比降較大的河段，常修建攔沙坎改善局部河床形態，以保持河流穩定和河道建筑物安全。攔沙坎抬高河床，使河道上游一定范圍內河床坡降變緩，改變河道水流流速的縱向分布，減輕河床下切，控制深槽擺動，并攔滯少量泥沙。攔沙坎屬低水頭擋水建筑物，類似溢流堰，頂部壅水過流，對河道全斷面行洪影響不大，運行風險小，應用廣泛。如：新疆天山南側天南維其克河，河床比降0.19%～0.79%，河床為松散細沙礫土，為保護河流兩側耕地及跨河橋梁，在疏附縣境內河道上修建了3級攔沙坎川;喀什市區內的吐曼河也修建了多級攔沙坎;青海格爾木河發源于昆侖山脈，流經峽谷及山前沖積平原，穿過格爾木市，市區河段修建有多處保護穿河管道的攔沙坎[2];托什干河發源于吉爾吉斯坦境內天山南脈主山脊北坡，平均縱比降0.80%，河床為沖積砂卵礫石夾粉細沙，為保護躍進渠一側灌溉引水口，修建固底攔沙坎長（固底低壩）715m[3]。

1 一般攔沙坎的設計形式及存在問題

一般情況下，在非漢流河道上布置攔沙坎，多采取全斷面布置，走向及級數視保護河段及具體建筑物要求確定。攔沙坎結構根據河流洪水、河床巖土構成、河底坡降及當地施工材料等因素綜合選取，確保運行安全。根據實際工程中的應用情況，攔沙坎結構型式大致有窄頂直墻式、寬頂墩體式、實用堰式和植物柔性壩式[4]等幾種，坎體高1～3m，直墻式頂寬與高度之比小于1，寬頂墩體式寬高比大于1，實用堰式頂寬與堰上水頭之比（δ/H）為0.67～2.5[5]，常用結構型式見圖1。攔沙坎采用直墻式較多，結構型式簡單，材料有混凝土、砌石、散拋石籠等。除在黃土高原區用到的植物攔沙坎外，其他型式的攔沙坎墻體均為不透水實體結構，攔擋河流推移質泥沙的同時，坎體上游水位壅高，坎頂形成堰流，上游回水區間水流變緩，坎下游水流流速增大，且產生紊動。

攔沙坎抬高了局部水頭，運行中會引起坎下沖刷加劇，甚至影響河勢變化。坎下沖刷，嚴重的會造成攔沙坎地基破壞變形，危及坎體安全。河床礫質顆粒較大、坎體稍低的，容易形成坎前、后沖淤平衡;細粒及土質河床、坎體高度大于2m且洪水流量大的河段，易出現問題。格爾木河下游防護穿河管道的籠石結構攔沙坎體就曾因此而破壞。傳統攔沙坎及下游沖刷情況見圖2。

2 新型攔沙坎設計原理

為解決傳統攔沙坎存在的問題，黃河勘測規劃設計有限公司研發了一種新型攔沙坎——多功能防沖刷攔沙坎（國家發明專利ZL 2015 10867327.3），并在青海格爾木河治理中投入應用。

該攔沙坎為頂、側均透水的梯形墻體結構，包括主體透水墻、墻前上層土工布、頂層透水擋板、基礎齒板等[6]。主體透水墻分流，降低坎頂水頭;過坎頂單寬流量減小，水流動能減小，坎體孔流與下落水流沖剪消能，減弱對坎下游河床沖刷;透水墻體透水水平格柵孔高度視河床泥沙顆粒粒徑確定;外層土工布減小坎體孔流量，使小粒徑泥沙落淤;頂層透水擋板防止坎前局部落淤搬移;基礎齒板保持坎體穩定。

坎體透水結構利用水流自然挾沙特性，使攔沙落淤成為與河流自然演變較一致的過程，漸次影響河床過流斷面，而非硬性改變。

和已有攔沙坎結構相比，新型攔沙坎有以下優點：一是攔沙墻體分擔坎頂過流量，坎前壅水高度降低，坎下水流動能減弱，沖刷減輕;二是上下分流減小了水體挾沙能力，有利于泥沙落淤;三是過坎格柵孔隙水流水平向前，與坎頂跌水不同向相互混摻，削弱坎頂水流下行速度，保護河底免受淘刷;四是透水擋沙墻體承受水流沖擊力減小，有利于整體穩定;五是透水擋板攔阻坎前泥沙，且減小墻體上游水沙壓力。攔沙坎結構見圖3。

3 新型攔沙坎在格爾木河的應用

3.1 河段概況

格爾木河位于昆侖山北麓，是柴達木盆地的第二大內陸河，河道徑流源于降水及冰雪融水，多年平均徑流量為8.02億m³，其中汛期6-9月占47.1%。河流多年平均含沙量為3.75kg/m³。河道依地形分為山谷河段、出山口河段和沖積平原河段，其中下游引水樞紐至格爾木市區為沖積平原河段，河寬150～350m，主河槽底部與河床面高差1.0～2.0m，比降0.65%～0.89%，水流散亂，河勢不穩定。

察格高速為一級公路，在下游平原段斜穿格爾木河，交角32.5°。公路橋為11孔橋，單孔跨度34.40m，為鋼筋混凝土井柱雙排架結構，兩樁柱間距9m。橋位地層為全新統沖積砂礫石層，地質結構屬粗粒土單一結構，砂礫石以礫類土為主，少量巨粒混合土，大部分級配不良，不均勻系數大，砂礫石夾沙，以中密度為主。

橋上、下游順流向河道長近300m，比降1/100左右，小水時呈漢流狀。河床橫向兩側高，中間深槽不連續，右第5孔至第8孔下切深達2m，左側深槽近岸。受河道上游建水庫及橋下游采砂對輸砂的影響，橋位處河床輸砂處于不平衡狀態，加之水流湍急，仍會繼續沖刷，對大橋安全不利。為此，河道治理設計中，在橋下游規劃修建攔沙坎一座。橋位處河床沖刷情況見圖4。

3.2 攔沙坎布置

3.2.1 布置原則

布置攔沙坎應盡量減小對河勢的影響，保證防洪安全[7];上下游兼顧，淤抬河底與天然河床縱坡漸變銜接;布置坎體要有一定的連續性，考慮河道床沙特點，防止河槽擺動。

3.2.2 平面布置

根據察格高速公路橋與河流的交叉情況，選在橋下游墩外側布置攔沙坎，加固兩側，淤抬深槽。布置一道攔沙坎，考慮三種平面型式：平行橋梁的折線型、平行橋梁的斜線型和垂直水流的直線型。綜合分析三種布置型式，受橋梁與河流斜交的影響，斜線型、直線型不能滿足工程需要，折線型有二者的優點，適合斜橋下攔沙運行，故選用該種平面型式。

折線型：攔沙坎平面呈折線型，軸線與大橋走向平行，由垂直水流方向的攔沙透水墻體和順水流向的格賓籠石連接組成。攔沙透水墻體與橋孔基本等寬，一一對應，每孔寬20.62m，擋水攔砂;格賓籠石連接上下坎體。

3.2.3 縱向布置

坎位上游和下游邊灘高，深槽位于河道兩側，邊灘高程2873.5～2871.5m，中泓灘地高程2 872.7m，深槽底高程2869.5m，橋墩河底高程2871.5～2873.5m。設計深槽攔淤河底高程保持2871.5m，邊灘河底加固防沖。結合橋及坎位河床高程關系，縱向布置攔沙坎分高灘、深槽、邊灘三塊，橋兩側高灘固底，中泓及深槽攔沙。

高灘區在右第1孔至第4孔之間，坎頂高程2873.0m;右第5孔至第6孔之間，坎頂高程2872.0～2871.5m;深槽區在7孔至第9孔之間，坎頂高程2870.5m;左邊灘區在第10孔至第11孔之間，坎頂高程2871.0～2872.0m，高出河床0.5～1.0m。

結合沖刷深度計算，確定攔沙坎底高程，深槽攔沙坎底為現有床面以下1.5m，左右側灘地適當抬高。

3.3 攔沙坎設計分析

3.3.1 攔沙坎結構

針對河床為大顆粒砂的特點，應用透水型攔沙坎。計算完建期混凝土擋墻基底應力為28kPa，遠小于砂礫石河床允許承載力160kPa。對專利成果底板簡化，取消底板長齒、上擋板及土工布，增加坎體階梯狀跌差消能，加強分層透水混摻作用，見圖5～圖7。

攔沙坎墻體為現澆少筋混凝土階梯形結構，迎水面直立，背水面為臺階狀，共3階，每階高0.5m，頂寬1.0m，基底寬2.0m。攔沙坎每階布置透水孔一排，孔口埋設Φ150硬質PVC管，孔凈間距300mm，上下梅花型布置，滿足計算選定的開孔率15%～25%的要求。

折線型攔沙坎順水流向由格賓籠石砌成的墻體連接。籠石墻體迎水面為直面，背水面呈臺階狀。

3.3.2 過流計算及開孔分析

坎體分流量是一個重要參數，通過綜合分析計算選取。一定來流量下，決定分流量的因素主要是坎體開孔位置、開孔率ρ（孔洞面積與坎上游擋水鉛直面積之比）和單孔孔徑Φ。

選平槽流量工況，攔沙坎前、坎體及坎下3個斷面，上、下游為河道自然流態，坎上為堰流，坎體為孔口出流，對多開孔采取近似一孔等效法計算，等效孔開孔位于坎體中部。利用水流連續方程、堰流溢流公式、壓力孔口出流方程等，見式（1）至式（4），聯立求解多種不同開孔狀態下的分流及水力特征值。對應公式系數按《水力學》[5]中經驗曲線選取。對不同開孔率與分流量的關系分析計算結果見表1。式中：Q為流量，m³/s;Q₁為堰頂溢流流量，m³/s;Q₂為堰體孔流流量，m³/s;C為謝才系數，C=（1/n）R^1/6，其中n為糙率;A為過水斷面面積，m²;R為水力半徑，m;i為底坡比降，取1/100;m為堰流流量系數;b為堰頂寬度，m;H₀為堰上水頭，m;μ_C為堰體孔流系數;g為重力加速度，m²/s;z為上下游水位差，m。

計算結果表明：新型攔沙坎開孔率與坎體分流量正相關，但分流量增幅小于開孔率增幅;分流明顯減弱坎頂溢流動能，孔口出流可減緩和阻止下切（調整出水角度）;從坎體安全和分流量分析，開孔率選15%～25%較合適。

3.4 應用效果

該工程已建成運行一年，經歷了一次中常來水過程的檢驗。經觀察發現：坎前公路橋下主槽不再下切，局部出現淤積，坎前出現較大礫石落淤;坎后河床無明顯變化，主槽河勢穩定，工程運行正常。初步判斷，坎體分流起到了一定的積極作用。

4 結語

透水多功能攔沙坎與河道自然演變有一定的協調性，與傳統不透水結構相比，有利于河床平穩變化。該結構的關鍵是開孔率、透水分流比、開孔方式等參數的確定，需根據不同河流的水量和泥沙特點具體分析。格爾木河是砂礫石河床，粒徑較大，對開孔未采取反濾措施，經計算分析開孔率選15%，開孔孔徑150mm，平槽工況下分流比6.69%，初步運行效果良好。

參考文獻：

[1]黃河勘測規劃設計有限公司.喀什地區克孜河“一市兩縣”城市段綜合治理項目總體規劃方案[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2017：89.

[2]黃河勘測規劃設計有限公司.青海省格爾木河河道治理工程可行性研究報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2015：96-98.

[3]黃河勘測規劃設計有限公司.塔里木河流域躍進渠首及干渠延伸工程初步設計報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2009：93.

[4]劉鋒，閆潔，邱秀云，等.植物“柔性壩”攔沙機理的試驗研究[J].泥沙研究，2016，6（12）：55.

[5]吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，2002：367-381.

[6]蘇東喜，劉宗仁，丁帥，等.多功能防沖刷攔沙坎結構說明書[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2015：2.

[7]史淑娟，張琳，曹靜怡.格爾木河城區段生態景觀規劃研究[J].人民黃河， 2012，34（11）：70.