東河流域成縣城區(qū)段攔沙壩建設與效果

李兆杰，王宏睿，劉如珍

（1.甘肅工程地質研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省地質調查院，甘肅 蘭州 730000）

1 建設攔沙壩的必要性

1.1 東河水文簡介

東河屬于長江流域嘉陵江水系，發(fā)源于西秦嶺南麓馬元鄉(xiāng)周家溝，經西和縣和天水市，全長150.50 km，總流域面積1 784.70 km2，在成縣境內流程88.30 km，占全長的58.70%。東河上游支流眾多，年徑流量超過百萬立方米的支流有35條，最主要是王磨水、南河、海潭溝等7 條支流，這些支流集中在山區(qū)，降水量多、集流迅速，雨季多發(fā)洪水。

東河流域氣候分區(qū)屬于隴南溫帶濕潤區(qū)，該流域也是華南水汽向甘肅省輸送的通道之一，夏季對流性降水多，是甘肅省主要暴雨區(qū)。成縣水文站22年的實測系列資料顯示東河多年平均年最大流量是394.30 m3/s，實測最大洪峰流量約為1 300 m3/s（1964年）。

1.2 東河對成縣縣城的影響

成縣老城區(qū)位于東河下游右岸，此處地勢平坦，河道變寬，約180～200 m，河水流速較緩。成縣縣政府為了促進本地經濟發(fā)展、實現宜居環(huán)境、推動城市化建設，在東河城區(qū)段左岸開發(fā)新城區(qū)，東河就由北向南貫穿成縣縣城。另外為了給人民群眾創(chuàng)造良好的休閑娛樂環(huán)境，修建了兩道攔水壩和城區(qū)段兩岸濱河大道等景觀工程，但是同時也帶來了安全隱患。由于東河城區(qū)段平緩加上修建攔水壩等景觀工程，河道淤積現象愈發(fā)嚴重，所以東河的清淤、防洪、防汛對于成縣新老城區(qū)的安全至關重要。為方便群眾，截止2019年初，東河城區(qū)段共建成四座水泥大橋，從北向南依次是成州大橋、德賢大橋、城陽大橋、同谷大橋。城陽大橋與德賢大橋相距1 100 m，兩橋之間已建成東河生態(tài)景觀工程，包括水工、駁岸、給排水、景觀、親水平臺、園林綠化等工程；德賢大橋以北有小型泥石流溝5 處、中小型滑坡15處，成州大橋以北3 km內河道分布5個采砂場，采砂破壞河道，廢棄砂石較多，上游眾多支流，雨季洪水暴發(fā)攜帶大量泥沙。為保護成縣新老城區(qū)和東河生態(tài)景觀工程，建議完成主河道清淤、修建攔沙壩等工程，使東河城區(qū)段防洪標準整體提升至20 年一遇洪水設防標準，即在東河主河道內修筑漿砌石混凝土基攔沙壩兩座，攔截主河道與泥石流匯入的泥沙，定期集中清淤，確保河道行洪排洪安全。

2 東河城區(qū)段主河道清淤、修建攔沙壩

2.1 主河道清淤工程

河道清淤工程控制斷面以城陽大橋所在斷面高程952.96 m為基底控制高程，向德賢大橋方向清淤河道，以河床中心線為主線，以水平寬度100 m 為主體行洪斷面，橫向上在控制堤防基礎穩(wěn)定的前提下，以1∶3坡降向兩側清淤，形成平水期河流主體流向；縱向上則以3.50‰為坡降清淤，上斷面控制高程為967.39 m，寬度和坡降與下游相同。在兩岸建筑物密集的城陽大橋和德賢大橋之間，清淤時應注意建筑物基礎安全。

2.2 修建攔沙壩

2.2.1 確定壩址與壩基

沿河谷鉆孔取擾動樣8組，對上下游均有控制。鉆孔資料顯示，Ⅰ級階地表層是0.00～0.50 m的粉土或粉質黏土，密實、硬塑～可塑、中低壓縮性、允許承載力為105 kPa；0.50～9.00 m的砂礫卵石，埋深較淺、密實，含水性差、允許承載力是220 kPa，滿足地基基礎設計要求，故選擇該層修建攔沙壩基礎。綜合河道各段淤積情況以及淤積物來源，擬定在德賢大橋以北380 m處平緩河床上修建第一座攔沙壩，攔截兩側泥石流溝谷與主干河道匯入的泥沙，確保下游設施安全運行；德賢大橋以北1 380 m處的主河道上游峽谷地段河床坡降較大，修筑第二座攔沙壩攔截粗顆粒泥沙，緩解第一座攔沙壩攔截壓力。

2.2.2 確定基礎高程

根據基礎埋深、河道平整、清淤設計以及攔水壩與攔沙壩之間形成穩(wěn)定水面等技術要求，結合防洪需要，以攔水壩基礎頂面高程958.05 m 為參考，確定第一座攔沙壩基礎埋深為3.00 m，基礎底面高程控制為954.05 m，基礎頂面高程957.05 m；第二座攔沙壩基礎埋深為3.50 m，基礎底面高程控制為955.38 m，基礎頂面高程為959.88 m。

2.2.3 壩高與壩身設計

設計壩高首先應考慮防洪要求和攔沙效果，其次是安全運行和清淤等因素，因此壩體不宜過高或過低，過高影響河道防洪，過低削弱攔沙效果。由于河道兩側堤防高度是在對河道前期實施徹底清淤基礎上設計的，提出了修筑與加固堤防高度為5.85 m，對于20年一遇洪水（針對東河：流量1 390 m3/s，洪水位3.295 m）完全可滿足安全運行，堤防在此設防洪水標準下，超出安全高度為2.555 m，因為這一指標值為理論計算值，實際中要考慮規(guī)范中安全裕度0.70 m，故攔沙壩壩高實際設計值如下：

式中：△H為堤防設計安全裕度，設計中取0.70 m。

計算得出壩高不能超過1.85 m，綜合河道水文特征、泥沙特點、防洪要求及此次工作現狀，確定攔沙壩高度設計為1.80～2.00 m。該高度是在清淤后河床底面控制高程上設計的，因此第一座攔沙壩壩頂設計高程為958.85～959.05 m；第二座攔沙壩壩頂設計高程為959.88～960.08 m。

根據東河河谷區(qū)地形條件、地層巖性結構、洪水及泥沙特征，兩座攔沙壩壩身設計規(guī)格、形態(tài)結構基本一致，均為實體漿砌塊石混凝土基礎重力型攔沙壩，壩高2 m，有效高度1.80～2.00 m，壩頂寬度2 m，壩底寬度3.50 m，長度分別為204、196 m，為了增加壩體與堤防連接牢固度，設計攔沙壩壩體進入堤防工程內部兩側分別為2、3 m，呈不規(guī)則梯形。

2.2.4 庫容設計

攔沙壩庫容大小直接影響攔沙效果與使用壽命，通常攔沙壩越高，攔沙效果越好，使用壽命越長。但實際受壩體穩(wěn)定性、河道汛期行洪排洪等限制，壩體不宜過高，壩高設計均為1.80～2.00 m。按照此次清淤設計的河床控制坡度設計壩高，初步推算攔沙壩匯水、淤積范圍：第一座攔沙壩為向上游延伸約1 000 m，第二座攔沙壩為向上游延伸約1 060 m。采用控制斷面法計算出兩座攔沙壩有效庫容面積分別為164 561.31、164 300 m2，有效庫容分別為237 600 m3和253 300 m3。兩座攔沙壩均屬小型，定期清淤是壩體長期安全運行的保證。

2.2.5 河道來沙量估算

依據顆粒分析測試結果，東河河道泥沙主要分兩種：顆粒粒徑較小的懸移質與粒徑較大的推移質。第一座攔沙壩有效庫容為237 600 m3，年均入庫泥沙量是28 080 m3，清淤年限是8.46 a，設計清淤年限為8 a；第二座攔沙壩有效庫容為253 300 m3，年均入庫泥沙量是54 200 m3，清淤年限是4.67 a，設計清淤年限為4 a。

2.2.6 壩體穩(wěn)定性實驗

兩座攔沙壩結構形態(tài)、規(guī)格尺寸、砌筑材料以及方法基本一致，因此穩(wěn)定性驗算方法相同，均應完成抗滑穩(wěn)定性驗算、抗傾覆驗算和地基承載力計算，計算結果理論上顯示沙壩在設計10-20年一遇洪水條件下是基本穩(wěn)定的。

3 治理效果評述與建議

以修建攔沙壩為主體的東河城區(qū)段綜合治理工程在2011年3月份完工，在以后十幾年里該工程為抵御成縣暴雨與防洪發(fā)揮了重要作用：2013年6月19日成縣普降暴雨到大暴雨，南康鄉(xiāng)自動站雨量在200 mm 以上；2018 年7 月9 日至11 日成縣突降暴雨，最大雨量在王磨鎮(zhèn)楊莊村，累計達229.70 mm；2019年5 月4 日到7 日成縣出現強降雨，沙壩鎮(zhèn)累計降水高達191.70 mm；2020年8月份成縣共有7次暴雨，1次大暴雨，最大累計降水量為雞峰鎮(zhèn)朝霞村564.40 mm，縣城累積降水量達437.80 mm。盡管在攔沙壩建成后東河流域多次遭遇暴雨乃至大暴雨，但是由于攔沙壩設計合理，施工達到要求，順利完成了防洪與行洪，保護了成縣縣城與生態(tài)景觀工程的安全。

但2019年發(fā)現第一道攔沙壩壩體靠近東河左岸邊緣上部破損，破損長度約2 m，破損高度約20～50 cm，見圖2（a）；第二道攔沙壩上游河道淤積嚴重，建議及時修復壩體并再次清淤。