洛川縣荊窯科壩系設(shè)計(jì)方案探討

張麥芹

（延安市水土保持監(jiān)督管理站 陜西 延安 716000）

1 概況

1.1 自然概況

荊窯科骨干工程位于洛川縣舊縣鎮(zhèn)荊窯科行政村，距縣城南約15km。流域內(nèi)總?cè)丝?1871人，農(nóng)民人均純收入1840元。人均耕地0.04hm2，主要以種植經(jīng)濟(jì)林果為主。

該壩位于薛孟河小流域最上游，屬黃河四級，控制面積7.82km2。壩址處溝底寬約16m，溝道內(nèi)有季節(jié)性流水，兩岸無巖石出露。該壩上下游均無居民點(diǎn)，建壩條件較好，土場平均運(yùn)距約60m。右岸適宜布設(shè)放水工程，左岸適宜布設(shè)溢洪道。工程所在地區(qū)區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，無大的褶皺與斷裂，構(gòu)造行跡較簡單，地層較為平緩。該地區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，動反應(yīng)增特征周期值為0.35s，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，可以不設(shè)防。

1.2 壩址及其上下游溝道工程情況

長期以來由于資金匱乏，薛孟河流域治理現(xiàn)狀主要為坡面治理，溝道內(nèi)無淤地壩工程，無法取得溝坡兼治的效果，故急需新建一批淤地壩工程。荊窯科骨干工程位于薛孟河流域上游的一較大支溝內(nèi)，其上游無壩，下游有上珊瑚骨干工程一座。

1.3 氣象水文泥沙

該流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，地面風(fēng)向多為東南風(fēng)和西北風(fēng)，平均風(fēng)速為2.2m/s，多年平均降水量為626.2mm。降水不但年際變化大，而且年內(nèi)分配也極不均勻，汛期6月～9月占全年降水量的70%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，所產(chǎn)生的洪水洪峰高、歷時短、含沙率高，是形成高含沙洪水和產(chǎn)生水土流失的主要原因。流域主溝和較大支溝常年有水，流量約0.26m3/s。流域多年平均渾水徑流深為37mm，則多年平均徑流量314.9萬m3，多年平均土壤侵蝕模數(shù)為5000t/km2·a。產(chǎn)沙主要集中在汛期6月～9月，占流域全年產(chǎn)沙總量的80%以上。

2 水文計(jì)算

2.1 工程等別及建筑物級別

荊窯科骨干工程總庫容為90.9萬m3，按《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》劃分及壩系整體防洪的需要，建筑物級別為“5”，洪水重現(xiàn)期設(shè)計(jì)情況為30年，校核情況為300年，設(shè)計(jì)淤積年限為20年。

2.2 水文計(jì)算

2.2.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

根據(jù)《陜西水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊》和《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中推薦的公式，結(jié)合流域的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算采用24小時暴雨資料推求。

式中，Wp——頻率為P的設(shè)計(jì)洪水總量（萬m3）；

α——24小時暴雨徑流系數(shù)。

由《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》計(jì)算得不同頻率的設(shè)計(jì)洪水總量，見表1。

2.2.4 輸沙量計(jì)算

在輸沙量計(jì)算時，利用《薛孟河小流域壩系建設(shè)可行性研究報(bào)告》中的輸沙模數(shù)，得荊窯科骨干工程多年平均侵蝕模數(shù)為5000t/km2·a。壩控流域年輸沙量為2.7929萬m3。

3 荊窯科壩系工程建設(shè)方案

年最大24小時暴雨均值為65mm，變差系數(shù)CV為0.55，偏差系數(shù)Cs與變差系數(shù)CV的比值CS/CV為2.5，從皮爾遜Ⅲ型曲線上查得相應(yīng)頻率的模比系數(shù)KP值分別為K10=1.73，K20=2.07，K50=2.48，計(jì)算得不同頻率的24小時暴雨量見表1。

2.2.2 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

根據(jù)有關(guān)資料查匯流參數(shù)，計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，并綜合匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法，分析得不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，見表1。

2.2.3 設(shè)計(jì)洪水量計(jì)算

采用《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》推薦的推理公式計(jì)算：

3.1 調(diào)洪演算

荊窯科骨干壩上游沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)墓歉晒こ?，該壩控制面積為7.82km2，根據(jù)《水土保持治溝骨干工程程技術(shù)手冊》，該壩調(diào)洪演算按公式Q泄=Q洪(1-V滯/W洪)計(jì)算，結(jié)果見表2。

由調(diào)洪演算，溢洪道寬度取B=7.0m。

設(shè)計(jì)情況下（30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)）：

H滯=2.0m，V滯=17.37萬m3，Q泄=29.59m3/s。

校核情況下（300年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)）：

H滯=3.179m，V滯=35.04萬m3，Q泄=59.30m3/s。

3.2 壩體設(shè)計(jì)

3.2.1 按下式計(jì)算各級水位下的庫容

表1 不同頻率24小時暴雨量、洪峰流量和洪水總量表

表2 荊窯科骨干工程調(diào)洪演算（單壩）

式中，V——某一水位下的庫容（萬m3）；

Si——第i級水位對應(yīng)的淤地面積（萬 m2）；

Zi——水位分級高差（m）；

ΔZi——分級水位所增庫容（萬m3）。

經(jīng)量算，繪制出水位—庫容、水位—面積關(guān)系曲線，見表3。

攔泥總庫容為90.9萬m3。

3.2.2 壩高確定

壩高H由攔泥壩高HL、滯洪壩高Hz和安全超高ΔH三部分組成，即：

經(jīng)計(jì)算，工程設(shè)計(jì)壩高H=HL+Hz+ΔH=19.5+3.179+1.821=24.5m。

3.2.3 壩體斷面尺寸確定

按照“規(guī)范”和已建工程經(jīng)驗(yàn)，壩頂寬度取4.0m。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》要求，本壩高大于20m，應(yīng)設(shè)馬道，故在壩下游壩高15m處設(shè)一道寬1.5m的馬道，馬道相應(yīng)高程為903.0m。該工程上游壩坡比采用1∶2.5，下游壩坡馬道以上壩坡比采用1∶2，馬道以下壩坡比采用1∶2。壩體鋪底寬115.25m。

3.3 排水設(shè)施

為增加壩體穩(wěn)定性，防止壩坡下游出現(xiàn)滑塌，且該工程所在溝道內(nèi)有季節(jié)行性流水，壩體較高，故考慮在背水坡壩腳處設(shè)置棱式反濾體，反濾體高5.0m，頂寬2m，其外坡比為1∶1.5，內(nèi)坡比為1∶1.0。反濾體由粗砂、碎石、干砌石組成，砂層與碎石層厚度均為0.25m，干砌塊石層厚0.4m，粗砂粒徑 0.25mm～2mm，碎石粒徑 3mm～50mm，塊石100mm～400mm。

3.4 放水建筑物設(shè)計(jì)

3.4.1 放水建筑結(jié)構(gòu)形式

荊窯科骨干工程主要任務(wù)是攔泥排清，即在設(shè)計(jì)洪水情況下，沉淀泥沙，排出清水，因此，進(jìn)水形式采用分級臥管。根據(jù)現(xiàn)場查勘情況，右岸布置放水工程，岸坡均為實(shí)土基，坡度為1∶2，采用漿砌石砌筑，臥管下接消力池，后經(jīng)涵洞輸水、明渠陡坡泄水后輸入河槽。

3.4.2 臥管設(shè)計(jì)

根據(jù)“規(guī)范”為了保證壩地的利用率和保收率，放水流量采用4天泄完10年一遇一次洪水總量確定。臥管采用雙排平孔進(jìn)水方式，臺高0.4m，同時開啟上下三臺六孔放水。校核實(shí)際流量，當(dāng)放水孔徑取0.23m時放水流量為0.60m3/s，臥管流量按設(shè)計(jì)流量增大20%確定。根據(jù)地形條件，臥管底坡采用1∶2，底部高程894.92m，頂部高程與壩頂相同為912.5m，臥管高17.58m，共44臺。經(jīng)試算，臥管末端正常水深為0.167m。為防止臥管放水時發(fā)生真空，在臥管頂部設(shè)有通氣孔。通過計(jì)算臥管蓋板厚度0.22m，配筋為φ12mm@13cm。

3.4.3 消力池設(shè)計(jì)

消力池為漿砌石矩形結(jié)構(gòu)，采用M10水泥砂漿砌塊石，結(jié)構(gòu)尺寸參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊》，查得側(cè)墻頂寬0.6m，側(cè)墻底寬1.6m，基礎(chǔ)厚度0.5m，基礎(chǔ)外伸0.2m，搭接長度0.3m。經(jīng)計(jì)算，消力池蓋板厚度0.32m，配筋為φ14mm@10cm。

3.4.4 輸水涵洞設(shè)計(jì)

涵洞進(jìn)口高程893.0m，即壩高5.0m處，基礎(chǔ)為土基，比降1∶100，涵洞全長70.44m。涵洞結(jié)構(gòu)為漿砌石拱形結(jié)構(gòu)，涵洞全部采用M10水泥砂漿砌塊石，并沿長度方向每隔10m設(shè)一道截水環(huán)，其寬0.6m，厚0.5m。

3.4.5 陡坡段設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際地形情況，輸水涵洞后接明渠陡坡段，比降1/10，陡坡段總長43.21m。陡坡出口高程為888.0m，總落差4.3m，陡坡正常水深0.248m，陡坡采用矩形斷面，M10水泥漿砌石砌筑，底部每隔10m砌一道抗滑齒墻，尺寸為0.5m×0.5m。明渠斷面尺寸由水力計(jì)算確定。經(jīng)計(jì)算得知，陡坡末端水深即為正常水深0.248m。

表3 水位—庫容、水位—面積關(guān)系曲線計(jì)算表

3.4.6 末端消能設(shè)計(jì)

由于河槽為土基，因此設(shè)尾水渠，經(jīng)計(jì)算陡坡末端躍后水深為0.74m，尾水渠水深為0.773m，故不需設(shè)消力池。尾水渠斷面0.8m×0.8m，比降1∶200，長5.0m，結(jié)構(gòu)尺寸同陡坡段，末端設(shè)深1.0m，寬0.5m的齒墻。

3.5 溢洪道設(shè)計(jì)

溢洪道建在壩體左岸的土基上，采用陡坡式溢洪道，由引水渠、漸變段、堰體、明渠(緩坡、陡坡)和消力池組成，整個斷面為矩形，底寬7m，全部采用堅(jiān)硬石料的塊石砌體，石料標(biāo)號不低于300號，重力式擋土墻后回填碎石、礫石等透水性材料。

在整個溢洪道側(cè)墻上均設(shè)5cm×5cm的排水孔，其孔間距5m，以梅花狀排列。在側(cè)墻背后排水孔處要設(shè)反濾料，墻后排水孔的反濾聯(lián)成一體，形成一道縱向排水。此縱向排水由下游翼墻排出，且墻后盡量回填砂礫石和碎石渣等透水材料。

在整個砌石溢洪道底板下均鋪設(shè)砂、碎石反濾料，厚度0.35m，砂、碎石層厚分別為0.15m、0.2m，并做好縱向排水暗溝。

4 結(jié)語

荊窯科骨干工程是薛孟河小流域中的一座新建骨干工程，建設(shè)此壩可最大限度攔蓄泥沙。荊窯科骨干工程壩控面積7.82km2，由壩體、放水工程和溢洪道三大件組成。采用24小時暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水方法進(jìn)行水文計(jì)算。經(jīng)過分析后，最大壩高24.5m，壩頂長106.02m，總庫容90.9萬m3，攔泥庫容55.86萬m3，滯洪庫容35.04萬m3。臥管最低放水孔高程▽894.92m，對應(yīng)庫容2.8萬m3，臥管最高放水孔高程▽912.12m，共44臺。涵洞進(jìn)水口高程▽893.0m，出口高程▽892.30m，比降為1∶100，涵洞總長度70.44m。溢洪道寬頂堰斷面尺寸3.5 m×7.0m(高×寬)，溢洪道總長136.52m。

荊窯科骨干工程建成后可對壩控面積內(nèi)的洪水泥沙就地?cái)r蓄，使嚴(yán)重的水土流失得到有效控制，改善作物生長的土壤環(huán)境，增加糧食產(chǎn)量，降低下游河道的淤積速度，為下游壩地提供灌溉水源，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收創(chuàng)造有利的條件。陜西水利