新型透水?dāng)r沙坎在格爾木河治理中的應(yīng)用

蘇東喜 端木靈子 鄭微微 趙宇

摘要：在分析傳統(tǒng)攔沙坎設(shè)計(jì)特點(diǎn)及自身結(jié)構(gòu)原因引起的坎下沖刷加劇等問題的基礎(chǔ)上，提出新型透水?dāng)r沙坎改進(jìn)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(wěn)定。結(jié)合格爾木河治理中對該新型攔沙坎的應(yīng)用情況，闡述其主要設(shè)計(jì)參數(shù)及選取過程。透水?dāng)r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(guān)鍵。格爾木河公路橋下攔沙坎設(shè)計(jì)以主槽滿流為控制條件，根據(jù)河道及水流特性，計(jì)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(jīng)初步運(yùn)行，上下游沖淤情況良好。

關(guān)鍵詞：河道治理;攔沙坎;開孔率;格爾木河

中圖分類號：TV851 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在我國西部山區(qū)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(tài)，以保持河流穩(wěn)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(nèi)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(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)小，應(yīng)用廣泛。如：新疆天山南側(cè)天南維其克河，河床比降0.19%～0.79%，河床為松散細(xì)沙礫土，為保護(hù)河流兩側(cè)耕地及跨河橋梁，在疏附縣境內(nèi)河道上修建了3級攔沙坎川;喀什市區(qū)內(nèi)的吐曼河也修建了多級攔沙坎;青海格爾木河發(fā)源于昆侖山脈，流經(jīng)峽谷及山前沖積平原，穿過格爾木市，市區(qū)河段修建有多處保護(hù)穿河管道的攔沙坎[2];托什干河發(fā)源于吉爾吉斯坦境內(nèi)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(xì)沙，為保護(hù)躍進(jìn)渠一側(cè)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(shè)計(jì)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(shù)視保護(hù)河段及具體建筑物要求確定。攔沙坎結(jié)構(gòu)根據(jù)河流洪水、河床巖土構(gòu)成、河底坡降及當(dāng)?shù)厥┕げ牧系纫蛩鼐C合選取，確保運(yùn)行安全。根據(jù)實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，攔沙坎結(jié)構(gòu)型式大致有窄頂直墻式、寬頂墩體式、實(shí)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(shí)用堰式頂寬與堰上水頭之比（δ/H）為0.67～2.5[5]，常用結(jié)構(gòu)型式見圖1。攔沙坎采用直墻式較多，結(jié)構(gòu)型式簡單，材料有混凝土、砌石、散拋石籠等。除在黃土高原區(qū)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(shí)體結(jié)構(gòu)，攔擋河流推移質(zhì)泥沙的同時(shí)，坎體上游水位壅高，坎頂形成堰流，上游回水區(qū)間水流變緩，坎下游水流流速增大，且產(chǎn)生紊動。

攔沙坎抬高了局部水頭，運(yùn)行中會引起坎下沖刷加劇，甚至影響河勢變化?？蚕聸_刷，嚴(yán)重的會造成攔沙坎地基破壞變形，危及坎體安全。河床礫質(zhì)顆粒較大、坎體稍低的，容易形成坎前、后沖淤平衡;細(xì)粒及土質(zhì)河床、坎體高度大于2m且洪水流量大的河段，易出現(xiàn)問題。格爾木河下游防護(hù)穿河管道的籠石結(jié)構(gòu)攔沙坎體就曾因此而破壞。傳統(tǒng)攔沙坎及下游沖刷情況見圖2。

2 新型攔沙坎設(shè)計(jì)原理

為解決傳統(tǒng)攔沙坎存在的問題，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司研發(fā)了一種新型攔沙坎——多功能防沖刷攔沙坎（國家發(fā)明專利ZL 2015 10867327.3），并在青海格爾木河治理中投入應(yīng)用。

該攔沙坎為頂、側(cè)均透水的梯形墻體結(jié)構(gòu)，包括主體透水墻、墻前上層土工布、頂層透水擋板、基礎(chǔ)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(chǔ)齒板保持坎體穩(wěn)定。

坎體透水結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相比，新型攔沙坎有以下優(yōu)點(diǎn)：一是攔沙墻體分擔(dān)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?shù)煌蛳嗷セ鞊剑魅蹩岔斔飨滦兴俣?，保護(hù)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(wěn)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(jié)構(gòu)見圖3。

3 新型攔沙坎在格爾木河的應(yīng)用

3.1 河段概況

格爾木河位于昆侖山北麓，是柴達(dá)木盆地的第二大內(nèi)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(qū)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(wěn)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?yàn)?1孔橋，單孔跨度34.40m，為鋼筋混凝土井柱雙排架結(jié)構(gòu)，兩樁柱間距9m。橋位地層為全新統(tǒng)沖積砂礫石層，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬粗粒土單一結(jié)構(gòu)，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(shù)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(shí)呈漢流狀。河床橫向兩側(cè)高，中間深槽不連續(xù)，右第5孔至第8孔下切深達(dá)2m，左側(cè)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(tài)，加之水流湍急，仍會繼續(xù)沖刷，對大橋安全不利。為此，河道治理設(shè)計(jì)中，在橋下游規(guī)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(yīng)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(xù)性，考慮河道床沙特點(diǎn)，防止河槽擺動。

3.2.2 平面布置

根據(jù)察格高速公路橋與河流的交叉情況，選在橋下游墩外側(cè)布置攔沙坎，加固兩側(cè)，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(yōu)點(diǎn)，適合斜橋下攔沙運(yùn)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?biāo)飨虻母褓e籠石連接組成。攔沙透水墻體與橋孔基本等寬，一一對應(yīng)，每孔寬20.62m，擋水?dāng)r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(cè)，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(shè)計(jì)深槽攔淤河底高程保持2871.5m，邊灘河底加固防沖。結(jié)合橋及坎位河床高程關(guān)系，縱向布置攔沙坎分高灘、深槽、邊灘三塊，橋兩側(cè)高灘固底，中泓及深槽攔沙。

高灘區(qū)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(qū)在7孔至第9孔之間，坎頂高程2870.5m;左邊灘區(qū)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(jié)合沖刷深度計(jì)算，確定攔沙坎底高程，深槽攔沙坎底為現(xiàn)有床面以下1.5m，左右側(cè)灘地適當(dāng)抬高。

3.3 攔沙坎設(shè)計(jì)分析

3.3.1 攔沙坎結(jié)構(gòu)

針對河床為大顆粒砂的特點(diǎn)，應(yīng)用透水型攔沙坎。計(jì)算完建期混凝土擋墻基底應(yīng)力為28kPa，遠(yuǎn)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(qiáng)分層透水混摻作用，見圖5～圖7。

攔沙坎墻體為現(xiàn)澆少筋混凝土階梯形結(jié)構(gòu)，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(shè)Φ150硬質(zhì)PVC管，孔凈間距300mm，上下梅花型布置，滿足計(jì)算選定的開孔率15%～25%的要求。

折線型攔沙坎順?biāo)飨蛴筛褓e籠石砌成的墻體連接?；\石墻體迎水面為直面，背水面呈臺階狀。

3.3.2 過流計(jì)算及開孔分析

坎體分流量是一個(gè)重要參數(shù)，通過綜合分析計(jì)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(gè)斷面，上、下游為河道自然流態(tài)，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(jì)算，等效孔開孔位于坎體中部。利用水流連續(xù)方程、堰流溢流公式、壓力孔口出流方程等，見式（1）至式（4），聯(lián)立求解多種不同開孔狀態(tài)下的分流及水力特征值。對應(yīng)公式系數(shù)按《水力學(xué)》[5]中經(jīng)驗(yàn)曲線選取。對不同開孔率與分流量的關(guān)系分析計(jì)算結(jié)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(shù)，C=（1/n）R^1/6，其中n為糙率;A為過水?dāng)嗝婷娣e，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(shù);b為堰頂寬度，m;H₀為堰上水頭，m;μ_C為堰體孔流系數(shù);g為重力加速度，m²/s;z為上下游水位差，m。

計(jì)算結(jié)果表明：新型攔沙坎開孔率與坎體分流量正相關(guān)，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(diào)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(yīng)用效果

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

4 結(jié)語

透水多功能攔沙坎與河道自然演變有一定的協(xié)調(diào)性，與傳統(tǒng)不透水結(jié)構(gòu)相比，有利于河床平穩(wěn)變化。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是開孔率、透水分流比、開孔方式等參數(shù)的確定，需根據(jù)不同河流的水量和泥沙特點(diǎn)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(jīng)計(jì)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(yùn)行效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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