东河流域成县城区段拦沙坝建设与效果

李兆杰，王宏睿，刘如珍

（1.甘肃工程地质研究院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000）

1 建设拦沙坝的必要性

1.1 东河水文简介

东河属于长江流域嘉陵江水系，发源于西秦岭南麓马元乡周家沟，经西和县和天水市，全长150.50 km，总流域面积1 784.70 km2，在成县境内流程88.30 km，占全长的58.70%。东河上游支流众多，年径流量超过百万立方米的支流有35条，最主要是王磨水、南河、海潭沟等7 条支流，这些支流集中在山区，降水量多、集流迅速，雨季多发洪水。

东河流域气候分区属于陇南温带湿润区，该流域也是华南水汽向甘肃省输送的通道之一，夏季对流性降水多，是甘肃省主要暴雨区。成县水文站22年的实测系列资料显示东河多年平均年最大流量是394.30 m3/s，实测最大洪峰流量约为1 300 m3/s（1964年）。

1.2 东河对成县县城的影响

成县老城区位于东河下游右岸，此处地势平坦，河道变宽，约180～200 m，河水流速较缓。成县县政府为了促进本地经济发展、实现宜居环境、推动城市化建设，在东河城区段左岸开发新城区，东河就由北向南贯穿成县县城。另外为了给人民群众创造良好的休闲娱乐环境，修建了两道拦水坝和城区段两岸滨河大道等景观工程，但是同时也带来了安全隐患。由于东河城区段平缓加上修建拦水坝等景观工程，河道淤积现象愈发严重，所以东河的清淤、防洪、防汛对于成县新老城区的安全至关重要。为方便群众，截止2019年初，东河城区段共建成四座水泥大桥，从北向南依次是成州大桥、德贤大桥、城阳大桥、同谷大桥。城阳大桥与德贤大桥相距1 100 m，两桥之间已建成东河生态景观工程，包括水工、驳岸、给排水、景观、亲水平台、园林绿化等工程；德贤大桥以北有小型泥石流沟5 处、中小型滑坡15处，成州大桥以北3 km内河道分布5个采砂场，采砂破坏河道，废弃砂石较多，上游众多支流，雨季洪水暴发携带大量泥沙。为保护成县新老城区和东河生态景观工程，建议完成主河道清淤、修建拦沙坝等工程，使东河城区段防洪标准整体提升至20 年一遇洪水设防标准，即在东河主河道内修筑浆砌石混凝土基拦沙坝两座，拦截主河道与泥石流汇入的泥沙，定期集中清淤，确保河道行洪排洪安全。

2 东河城区段主河道清淤、修建拦沙坝

2.1 主河道清淤工程

河道清淤工程控制断面以城阳大桥所在断面高程952.96 m为基底控制高程，向德贤大桥方向清淤河道，以河床中心线为主线，以水平宽度100 m 为主体行洪断面，横向上在控制堤防基础稳定的前提下，以1∶3坡降向两侧清淤，形成平水期河流主体流向；纵向上则以3.50‰为坡降清淤，上断面控制高程为967.39 m，宽度和坡降与下游相同。在两岸建筑物密集的城阳大桥和德贤大桥之间，清淤时应注意建筑物基础安全。

2.2 修建拦沙坝

2.2.1 确定坝址与坝基

沿河谷钻孔取扰动样8组，对上下游均有控制。钻孔资料显示，Ⅰ级阶地表层是0.00～0.50 m的粉土或粉质黏土，密实、硬塑～可塑、中低压缩性、允许承载力为105 kPa；0.50～9.00 m的砂砾卵石，埋深较浅、密实，含水性差、允许承载力是220 kPa，满足地基基础设计要求，故选择该层修建拦沙坝基础。综合河道各段淤积情况以及淤积物来源，拟定在德贤大桥以北380 m处平缓河床上修建第一座拦沙坝，拦截两侧泥石流沟谷与主干河道汇入的泥沙，确保下游设施安全运行；德贤大桥以北1 380 m处的主河道上游峡谷地段河床坡降较大，修筑第二座拦沙坝拦截粗颗粒泥沙，缓解第一座拦沙坝拦截压力。

2.2.2 确定基础高程

根据基础埋深、河道平整、清淤设计以及拦水坝与拦沙坝之间形成稳定水面等技术要求，结合防洪需要，以拦水坝基础顶面高程958.05 m 为参考，确定第一座拦沙坝基础埋深为3.00 m，基础底面高程控制为954.05 m，基础顶面高程957.05 m；第二座拦沙坝基础埋深为3.50 m，基础底面高程控制为955.38 m，基础顶面高程为959.88 m。

2.2.3 坝高与坝身设计

设计坝高首先应考虑防洪要求和拦沙效果，其次是安全运行和清淤等因素，因此坝体不宜过高或过低，过高影响河道防洪，过低削弱拦沙效果。由于河道两侧堤防高度是在对河道前期实施彻底清淤基础上设计的，提出了修筑与加固堤防高度为5.85 m，对于20年一遇洪水（针对东河：流量1 390 m3/s，洪水位3.295 m）完全可满足安全运行，堤防在此设防洪水标准下，超出安全高度为2.555 m，因为这一指标值为理论计算值，实际中要考虑规范中安全裕度0.70 m，故拦沙坝坝高实际设计值如下：

式中：△H为堤防设计安全裕度，设计中取0.70 m。

计算得出坝高不能超过1.85 m，综合河道水文特征、泥沙特点、防洪要求及此次工作现状，确定拦沙坝高度设计为1.80～2.00 m。该高度是在清淤后河床底面控制高程上设计的，因此第一座拦沙坝坝顶设计高程为958.85～959.05 m；第二座拦沙坝坝顶设计高程为959.88～960.08 m。

根据东河河谷区地形条件、地层岩性结构、洪水及泥沙特征，两座拦沙坝坝身设计规格、形态结构基本一致，均为实体浆砌块石混凝土基础重力型拦沙坝，坝高2 m，有效高度1.80～2.00 m，坝顶宽度2 m，坝底宽度3.50 m，长度分别为204、196 m，为了增加坝体与堤防连接牢固度，设计拦沙坝坝体进入堤防工程内部两侧分别为2、3 m，呈不规则梯形。

2.2.4 库容设计

拦沙坝库容大小直接影响拦沙效果与使用寿命，通常拦沙坝越高，拦沙效果越好，使用寿命越长。但实际受坝体稳定性、河道汛期行洪排洪等限制，坝体不宜过高，坝高设计均为1.80～2.00 m。按照此次清淤设计的河床控制坡度设计坝高，初步推算拦沙坝汇水、淤积范围：第一座拦沙坝为向上游延伸约1 000 m，第二座拦沙坝为向上游延伸约1 060 m。采用控制断面法计算出两座拦沙坝有效库容面积分别为164 561.31、164 300 m2，有效库容分别为237 600 m3和253 300 m3。两座拦沙坝均属小型，定期清淤是坝体长期安全运行的保证。

2.2.5 河道来沙量估算

依据颗粒分析测试结果，东河河道泥沙主要分两种：颗粒粒径较小的悬移质与粒径较大的推移质。第一座拦沙坝有效库容为237 600 m3，年均入库泥沙量是28 080 m3，清淤年限是8.46 a，设计清淤年限为8 a；第二座拦沙坝有效库容为253 300 m3，年均入库泥沙量是54 200 m3，清淤年限是4.67 a，设计清淤年限为4 a。

2.2.6 坝体稳定性实验

两座拦沙坝结构形态、规格尺寸、砌筑材料以及方法基本一致，因此稳定性验算方法相同，均应完成抗滑稳定性验算、抗倾覆验算和地基承载力计算，计算结果理论上显示沙坝在设计10-20年一遇洪水条件下是基本稳定的。

3 治理效果评述与建议

以修建拦沙坝为主体的东河城区段综合治理工程在2011年3月份完工，在以后十几年里该工程为抵御成县暴雨与防洪发挥了重要作用：2013年6月19日成县普降暴雨到大暴雨，南康乡自动站雨量在200 mm 以上；2018 年7 月9 日至11 日成县突降暴雨，最大雨量在王磨镇杨庄村，累计达229.70 mm；2019年5 月4 日到7 日成县出现强降雨，沙坝镇累计降水高达191.70 mm；2020年8月份成县共有7次暴雨，1次大暴雨，最大累计降水量为鸡峰镇朝霞村564.40 mm，县城累积降水量达437.80 mm。尽管在拦沙坝建成后东河流域多次遭遇暴雨乃至大暴雨，但是由于拦沙坝设计合理，施工达到要求，顺利完成了防洪与行洪，保护了成县县城与生态景观工程的安全。

但2019年发现第一道拦沙坝坝体靠近东河左岸边缘上部破损，破损长度约2 m，破损高度约20～50 cm，见图2（a）；第二道拦沙坝上游河道淤积严重，建议及时修复坝体并再次清淤。