新型透水拦沙坎在格尔木河治理中的应用
2018-09-10苏东喜端木灵子郑微微赵宇
苏东喜 端木灵子 郑微微 赵宇
摘要：在分析传统拦沙坎设计特點及自身结构原因引起的坎下冲刷加剧等问题的基础上，提出新型透水拦沙坎改进方法和工作原理：通过坎体开孔分流，降低坎上水头和坎后流速，有利于河床稳定。结合格尔木河治理中对该新型拦沙坎的应用情况，阐述其主要设计参数及选取过程。透水拦沙坎的坎体开孔率、开孔方式、分流比是影响坎位水流状况的关键。格尔木河公路桥下拦沙坎设计以主槽满流为控制条件，根据河道及水流特性，计算对比开孔率0～40%之间的坎前、坎后流速变化，综合确定开孔率取15%，开孔孔径150mm，分流比6.69%，经初步运行，上下游冲淤情况良好。
关键词：河道治理;拦沙坎;开孔率;格尔木河
中图分类号：TV851 文献标志码：A
在我国西部山区冲积河道的治理中，对出山口或比降较大的河段，常修建拦沙坎改善局部河床形态，以保持河流稳定和河道建筑物安全。拦沙坎抬高河床，使河道上游一定范围内河床坡降变缓，改变河道水流流速的纵向分布，减轻河床下切，控制深槽摆动，并拦滞少量泥沙。拦沙坎属低水头挡水建筑物，类似溢流堰，顶部壅水过流，对河道全断面行洪影响不大，运行风险小，应用广泛。如：新疆天山南侧天南维其克河，河床比降0.19%～0.79%，河床为松散细沙砾土，为保护河流两侧耕地及跨河桥梁，在疏附县境内河道上修建了3级拦沙坎川;喀什市区内的吐曼河也修建了多级拦沙坎;青海格尔木河发源于昆仑山脉，流经峡谷及山前冲积平原，穿过格尔木市，市区河段修建有多处保护穿河管道的拦沙坎[2];托什干河发源于吉尔吉斯坦境内天山南脉主山脊北坡，平均纵比降0.80%，河床为冲积砂卵砾石夹粉细沙，为保护跃进渠一侧灌溉引水口，修建固底拦沙坎长（固底低坝）715m[3]。
1 一般拦沙坎的设计形式及存在问题
一般情况下，在非汉流河道上布置拦沙坎，多采取全断面布置，走向及级数视保护河段及具体建筑物要求确定。拦沙坎结构根据河流洪水、河床岩土构成、河底坡降及当地施工材料等因素综合选取，确保运行安全。根据实际工程中的应用情况，拦沙坎结构型式大致有窄顶直墙式、宽顶墩体式、实用堰式和植物柔性坝式[4]等几种，坎体高1～3m，直墙式顶宽与高度之比小于1，宽顶墩体式宽高比大于1，实用堰式顶宽与堰上水头之比（δ/H）为0.67～2.5[5]，常用结构型式见图1。拦沙坎采用直墙式较多，结构型式简单，材料有混凝土、砌石、散抛石笼等。除在黄土高原区用到的植物拦沙坎外，其他型式的拦沙坎墙体均为不透水实体结构，拦挡河流推移质泥沙的同时，坎体上游水位壅高，坎顶形成堰流，上游回水区间水流变缓，坎下游水流流速增大，且产生紊动。
拦沙坎抬高了局部水头，运行中会引起坎下冲刷加剧，甚至影响河势变化。坎下冲刷，严重的会造成拦沙坎地基破坏变形，危及坎体安全。河床砾质颗粒较大、坎体稍低的，容易形成坎前、后冲淤平衡;细粒及土质河床、坎体高度大于2m且洪水流量大的河段，易出现问题。格尔木河下游防护穿河管道的笼石结构拦沙坎体就曾因此而破坏。传统拦沙坎及下游冲刷情况见图2。
2 新型拦沙坎设计原理
为解决传统拦沙坎存在的问题，黄河勘测规划设计有限公司研发了一种新型拦沙坎——多功能防冲刷拦沙坎（国家发明专利ZL 2015 10867327.3），并在青海格尔木河治理中投入应用。
该拦沙坎为顶、侧均透水的梯形墙体结构，包括主体透水墙、墙前上层土工布、顶层透水挡板、基础齿板等[6]。主体透水墙分流，降低坎顶水头;过坎顶单宽流量减小，水流动能减小，坎体孔流与下落水流冲剪消能，减弱对坎下游河床冲刷;透水墙体透水水平格栅孔高度视河床泥沙颗粒粒径确定;外层土工布减小坎体孔流量，使小粒径泥沙落淤;顶层透水挡板防止坎前局部落淤搬移;基础齿板保持坎体稳定。
坎体透水结构利用水流自然挟沙特性，使拦沙落淤成为与河流自然演变较一致的过程，渐次影响河床过流断面，而非硬性改变。
和已有拦沙坎结构相比，新型拦沙坎有以下优点：一是拦沙墙体分担坎顶过流量，坎前壅水高度降低，坎下水流动能减弱，冲刷减轻;二是上下分流减小了水体挟沙能力，有利于泥沙落淤;三是过坎格栅孔隙水流水平向前，与坎顶跌水不同向相互混掺，削弱坎顶水流下行速度，保护河底免受淘刷;四是透水挡沙墙体承受水流冲击力减小，有利于整体稳定;五是透水挡板拦阻坎前泥沙，且减小墙体上游水沙压力。拦沙坎结构见图3。
3 新型拦沙坎在格尔木河的应用
3.1 河段概况
格尔木河位于昆仑山北麓，是柴达木盆地的第二大内陆河，河道径流源于降水及冰雪融水，多年平均径流量为8.02亿m3，其中汛期6-9月占47.1%。河流多年平均含沙量为3.75kg/m3。河道依地形分为山谷河段、出山口河段和冲积平原河段，其中下游引水枢纽至格尔木市区为冲积平原河段，河宽150～350m，主河槽底部与河床面高差1.0～2.0m，比降0.65%～0.89%，水流散乱，河势不稳定。
察格高速为一级公路，在下游平原段斜穿格尔木河，交角32.5°。公路桥为11孔桥，单孔跨度34.40m，为钢筋混凝土井柱双排架结构，两桩柱间距9m。桥位地层为全新统冲积砂砾石层，地质结构属粗粒土单一结构，砂砾石以砾类土为主，少量巨粒混合土，大部分级配不良，不均匀系数大，砂砾石夹沙，以中密度为主。
桥上、下游顺流向河道长近300m，比降1/100左右，小水时呈汉流状。河床横向两侧高，中间深槽不连续，右第5孔至第8孔下切深达2m，左侧深槽近岸。受河道上游建水库及桥下游采砂对输砂的影响，桥位处河床输砂处于不平衡状态，加之水流湍急，仍会继续冲刷，对大桥安全不利。为此，河道治理设计中，在桥下游规划修建拦沙坎一座。桥位处河床冲刷情况见图4。
3.2 拦沙坎布置
3.2.1 布置原则
布置拦沙坎应尽量减小对河势的影響，保证防洪安全[7];上下游兼顾，淤抬河底与天然河床纵坡渐变衔接;布置坎体要有一定的连续性，考虑河道床沙特点，防止河槽摆动。
3.2.2 平面布置
根据察格高速公路桥与河流的交叉情况，选在桥下游墩外侧布置拦沙坎，加固两侧，淤抬深槽。布置一道拦沙坎，考虑三种平面型式：平行桥梁的折线型、平行桥梁的斜线型和垂直水流的直线型。综合分析三种布置型式，受桥梁与河流斜交的影响，斜线型、直线型不能满足工程需要，折线型有二者的优点，适合斜桥下拦沙运行，故选用该种平面型式。
折线型：拦沙坎平面呈折线型，轴线与大桥走向平行，由垂直水流方向的拦沙透水墙体和顺水流向的格宾笼石连接组成。拦沙透水墙体与桥孔基本等宽，一一对应，每孔宽20.62m，挡水拦砂;格宾笼石连接上下坎体。
3.2.3 纵向布置
坎位上游和下游边滩高，深槽位于河道两侧，边滩高程2873.5～2871.5m，中泓滩地高程2 872.7m，深槽底高程2869.5m，桥墩河底高程2871.5～2873.5m。设计深槽拦淤河底高程保持2871.5m，边滩河底加固防冲。结合桥及坎位河床高程关系，纵向布置拦沙坎分高滩、深槽、边滩三块，桥两侧高滩固底，中泓及深槽拦沙。
高滩区在右第1孔至第4孔之间，坎顶高程2873.0m;右第5孔至第6孔之间，坎顶高程2872.0～2871.5m;深槽区在7孔至第9孔之间，坎顶高程2870.5m;左边滩区在第10孔至第11孔之间，坎顶高程2871.0～2872.0m，高出河床0.5～1.0m。
结合冲刷深度计算，确定拦沙坎底高程，深槽拦沙坎底为现有床面以下1.5m，左右侧滩地适当抬高。
3.3 拦沙坎设计分析
3.3.1 拦沙坎结构
针对河床为大颗粒砂的特点，应用透水型拦沙坎。计算完建期混凝土挡墙基底应力为28kPa，远小于砂砾石河床允许承载力160kPa。对专利成果底板简化，取消底板长齿、上挡板及土工布，增加坎体阶梯状跌差消能，加强分层透水混掺作用，见图5～图7。
拦沙坎墙体为现浇少筋混凝土阶梯形结构，迎水面直立，背水面为台阶状，共3阶，每阶高0.5m，顶宽1.0m，基底宽2.0m。拦沙坎每阶布置透水孔一排，孔口埋设Φ150硬质PVC管，孔净间距300mm，上下梅花型布置，满足计算选定的开孔率15%～25%的要求。
折线型拦沙坎顺水流向由格宾笼石砌成的墙体连接。笼石墙体迎水面为直面，背水面呈台阶状。
3.3.2 过流计算及开孔分析
坎体分流量是一个重要参数，通过综合分析计算选取。一定来流量下，决定分流量的因素主要是坎体开孔位置、开孔率ρ（孔洞面积与坎上游挡水铅直面积之比）和单孔孔径Φ。
选平槽流量工况，拦沙坎前、坎体及坎下3个断面，上、下游为河道自然流态，坎上为堰流，坎体为孔口出流，对多开孔采取近似一孔等效法计算，等效孔开孔位于坎体中部。利用水流连续方程、堰流溢流公式、压力孔口出流方程等，见式（1）至式（4），联立求解多种不同开孔状态下的分流及水力特征值。对应公式系数按《水力学》[5]中经验曲线选取。对不同开孔率与分流量的关系分析计算结果见表1。式中：Q为流量，m3/s;Q1为堰顶溢流流量，m3/s;Q2为堰体孔流流量，m3/s;C为谢才系数，C=（1/n）R1/6，其中n为糙率;A为过水断面面积，m2;R为水力半径，m;i为底坡比降，取1/100;m为堰流流量系数;b为堰顶宽度，m;H0为堰上水头，m;μC为堰体孔流系数;g为重力加速度，m2/s;z为上下游水位差，m。
计算结果表明：新型拦沙坎开孔率与坎体分流量正相关，但分流量增幅小于开孔率增幅;分流明显减弱坎顶溢流动能，孔口出流可减缓和阻止下切（调整出水角度）;从坎体安全和分流量分析，开孔率选15%～25%较合适。
3.4 应用效果
该工程已建成运行一年，经历了一次中常来水过程的检验。经观察发现：坎前公路桥下主槽不再下切，局部出现淤积，坎前出现较大砾石落淤;坎后河床无明显变化，主槽河势稳定，工程运行正常。初步判断，坎体分流起到了一定的积极作用。
4 结语
透水多功能拦沙坎与河道自然演变有一定的协调性，与传统不透水结构相比，有利于河床平稳变化。该结构的关键是开孔率、透水分流比、开孔方式等参数的确定，需根据不同河流的水量和泥沙特点具体分析。格尔木河是砂砾石河床，粒径较大，对开孔未采取反滤措施，经计算分析开孔率选15%，开孔孔径150mm，平槽工况下分流比6.69%，初步运行效果良好。
参考文献：
[1]黄河勘测规划设计有限公司.喀什地区克孜河“一市两县”城市段综合治理项目总体规划方案[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2017：89.
[2]黄河勘测规划设计有限公司.青海省格尔木河河道治理工程可行性研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2015：96-98.
[3]黄河勘测规划设计有限公司.塔里木河流域跃进渠首及干渠延伸工程初步设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2009：93.
[4]刘锋，闫洁，邱秀云，等.植物“柔性坝”拦沙机理的试验研究[J].泥沙研究，2016，6（12）：55.
[5]吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，2002：367-381.
[6]苏东喜，刘宗仁，丁帅，等.多功能防冲刷拦沙坎结构说明书[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2015：2.
[7]史淑娟，张琳，曹静怡.格尔木河城区段生态景观规划研究[J].人民黄河， 2012，34（11）：70.
