佳縣郭家溝淤地壩建設(shè)方案探析

劉炳浩，劉思周

(1.佳縣水土保持工作隊(duì)，陜西 榆林 719299；2.佳縣水利水電工作隊(duì)，陜西 榆林 719299)

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佳縣郭家溝淤地壩建設(shè)方案探析

劉炳浩1，劉思周2

(1.佳縣水土保持工作隊(duì)，陜西 榆林 719299；2.佳縣水利水電工作隊(duì)，陜西 榆林 719299)

摘要：淤地壩是黃土高原上的重要水利工程。郭家溝淤地壩所處地理位置復(fù)雜，水資源緊缺，建設(shè)難度大。通過分析郭家溝淤地壩基本概況，對淤地壩區(qū)內(nèi)洪水和水文情況進(jìn)行了探討，從壩型及建筑材料選擇、樞紐組成及布設(shè)、土壩和排水、放水工程等方面提出了科學(xué)的建設(shè)方案，以確保淤地壩建設(shè)工作順利進(jìn)行，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：佳縣；郭家溝；淤地壩；建設(shè)；方案

1概況

郭家溝淤地壩位于佳縣縣城南部55 km的康家港鄉(xiāng)郭家溝村[1]，屬坑鎮(zhèn)河水系，是坑鎮(zhèn)河右岸一級支溝郭家溝小流域,該流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，產(chǎn)匯流分區(qū)為第Ⅰ區(qū)，流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，溝深坡陡，地形破碎，土質(zhì)疏松，水土流失十分嚴(yán)重。修建該壩能夠防治溝道溝頭延伸，減少水土流失。工程所在地涉及郭家溝村共有85戶335人。

郭家溝淤地壩屬新建工程，壩址布置處無沖溝，地形較平緩。壩控流域面積3.0 km2，總壩高25 m，總庫容121.78萬m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇，設(shè)計(jì)淤積年限取20 a，屬大(一)型壩。主要工程由土壩、涵臥管組成，臥管布設(shè)在右岸，洪水處理方式采用：“全攔全蓄，滯洪排清”的方式。行政權(quán)屬康家港鄉(xiāng)郭家溝村。工程建成后，可新增攔泥庫容85.8萬m3，淤地8.77 hm2，對防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境有著重要意義。

2水文

2.1氣象水文

工程所在地流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬春兩季多風(fēng)沙、降雨少、蒸發(fā)大；夏季酷暑，雨量集中；秋季較短，氣候涼爽。年平均降雨量395 mm，降雨量年內(nèi)分布不均勻，且降雨多集中在7—9月份，多以大雨、暴雨形式出現(xiàn)，歷時短、強(qiáng)度大、災(zāi)害性強(qiáng)，降低了水資源的利用率[2]。流域最大24 h降雨均值為58.0 mm。

2.2泥沙

郭家溝淤地壩所在流域具有典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)徑流、泥沙特點(diǎn)。即徑流、泥沙年季變化大，年內(nèi)分配集中，徑流泥沙主要來源于汛期暴雨洪水。多年平均侵蝕摸數(shù)為15 000～20 000 t/(km2·a)。

2.3水文計(jì)算

2.3.1設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

郭家溝淤地壩控制流域面積3.0 km2，不考慮其減沙減洪作用，洪水計(jì)算時按工程實(shí)際控制面積計(jì)算。設(shè)計(jì)洪峰流量采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：QP為重現(xiàn)期為N的洪峰流量，m3/s；CN為重現(xiàn)期為N的地理參數(shù)；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，n=0.68；F為流域面積，km2。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　洪峰流量計(jì)算成果表

2.3.2設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算

設(shè)計(jì)洪水量用式(2) 進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：Wp為頻率為P的設(shè)計(jì)洪水總量，萬m3；a為24 h暴雨徑流系數(shù);F為流域面積，km2;H24P為頻率為P的24 h暴雨量，mm；H24P=KP·H24，其中KP為頻率為P的皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù);H24P為多年最大24 h暴雨均值，mm。由《陜西省榆林地區(qū)水文手冊》查得，該壩控流域中心多年最大24 h暴雨均值為58 mm，不同頻率24 h暴雨徑流系數(shù)分別為α10=0.41，α20=0.43，α30=0.45，α50=0.46，α100=0.47，α200=0.48，α300=0.49。變差系數(shù)Cv為0.68，偏差系數(shù)Cv與Cs的比值Cs/Cv=3.5。經(jīng)計(jì)算不同重現(xiàn)期的暴雨量計(jì)算成果見表2。

表2　不同重現(xiàn)期的暴雨量計(jì)算表

2.3.3年輸沙量計(jì)算

利用《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊圖集》中多年平均侵蝕模數(shù)分區(qū)圖查得，并經(jīng)計(jì)算確定該流域侵蝕模數(shù)為S=2.0萬t/km2，則工程控制流域年輸沙量用式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Ws為多年平均輸沙量，萬m3;S為多年平均侵蝕模數(shù)，取2.0萬t/km2;F為流域面積，km2；γ為泥沙容重，t/m3，取1.4 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，壩控流域年輸沙量為4.29萬m3。

3工程設(shè)計(jì)

3.1壩型及壩筑材料選擇

由于工程所在地筑壩土料豐富，質(zhì)地條件良好，因此該淤地壩壩型為均質(zhì)土壩，筑壩土料為Ⅲ級。工程所在流域內(nèi)巖石裸露，巖性堅(jiān)硬，易于開采，所以放水建筑物除涵洞外，其他均采用漿砌石結(jié)構(gòu)。由于溝內(nèi)季節(jié)性常流水很小，兩岸土料豐富，土料各項(xiàng)指標(biāo)符合機(jī)械碾壓，所以土壩采用機(jī)械碾壓法施工。

3.2樞紐組成及布設(shè)

郭家溝淤地壩屬新建工程，該工程建設(shè)的主要目的在于控制洪水，攔蓄泥沙，故在工程樞紐由壩體、涵臥管放水建筑物組成。經(jīng)實(shí)地勘測，壩址左岸結(jié)構(gòu)完整，坡度較緩，因此可將泄水建筑物布置在左岸石基上，臥管坡比為1∶2，采用漿砌石砌筑，臥管下接消力池、涵洞，后經(jīng)明渠泄至下游溝底。對郭家溝淤地壩初定壩址實(shí)地踏勘，中部河道最窄；右岸上游有支溝，下游有灣道，左岸下游有支溝，中部布壩工程量小，左右岸土源豐富，還能夠以壩代路，為較理想的壩址。設(shè)計(jì)壩頂長91.0 m。放水設(shè)施臥管布置于大壩右岸岸坡上，壩下涵洞長度75.0 m，出口接入石槽。

3.3土壩設(shè)計(jì)

攔泥庫容等于多年平均輸沙量乘以設(shè)計(jì)淤積年限[3]，經(jīng)計(jì)算，攔泥庫容為85.8萬m3，查水位—庫容曲線得，攔泥壩高HL=20.0 m，則設(shè)計(jì)淤積高程為 ▽L=841.8 m。滯洪庫容由校核洪水總量確定，即VZ=W3%=35.98萬m3；查水位—庫容曲線得，滯洪壩高HZ=3.5 m，則滯洪水位高程為 ▽Z=845.3 m。所以工程設(shè)計(jì)總庫容為：V總=VL+VZ=85.8+35.98=121.78萬m3，工程設(shè)計(jì)壩高為：H=HL+HZ+ΔH=20+3.5+1.5=25.0 m。根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范，溝壑治理技術(shù)》，碾壓壩壩高預(yù)留沉降量取壩高的2%，則施工壩高為：25×(1+2%)=25.5 m，取25.5 m。結(jié)合該工程交通要求，郭家溝淤地壩壩頂寬取7.0 m，其壩頂高程為846.8 m。迎水坡坡比采用1∶2.5，背水坡在835 m處設(shè)一戧臺，寬1.5 m，坡比采用1∶2.0。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)壩頂長91.0 m，最大鋪底寬143.5 m。

為防止壩體與壩基、壩肩接合處形成集中滲流，保證壩體與基礎(chǔ)緊密結(jié)合，增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性，在壩體與黃土溝坡接觸面上布設(shè)結(jié)合槽1道，布設(shè)于壩址的壩軸線處，采用梯形斷面，底寬1.5 m，深1.0 m，邊坡1∶1，總長96.0 m。而在壩體與巖石接觸面上設(shè)漿砌石防滲齒墻1道，采用梯形斷面，高2.0 m，上底寬0.5 m，下底寬0.8 m，深入基礎(chǔ)0.8 m，總長52.0 m。

在壩體分段填筑中，為避免形成漏水的軟弱通道，分段接頭在層與層之間，應(yīng)錯開一定距離，同時分段條帶應(yīng)與壩軸線平行布置，各分段之間不應(yīng)形成過大的高差。對于施工中難免出現(xiàn)的接縫，必須認(rèn)真處理，一般不應(yīng)有縱向接縫。對于壩身填土與構(gòu)筑物的連接部分，應(yīng)精心填筑。靠近構(gòu)筑物部分，可采用小型機(jī)械或人工夯實(shí)，夯實(shí)厚度不小于1.0 m。填土碾壓時，要注意構(gòu)筑物兩側(cè)均衡填料壓實(shí)，以免對其產(chǎn)生過大的側(cè)向壓力，影響其安全。為使壩體免遭暴雨沖刷，根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，工程竣工后，對壩坡按設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行修整，使坡面平整、密實(shí)；并對土壩上游死庫容以上壩坡和下游壩坡設(shè)置護(hù)坡，護(hù)坡措施采用生物防護(hù)，即壩坡面密植紫穗槐耐旱性灌木，穩(wěn)定壩坡。栽植面積為0.32 hm2，株行距100 cm×100 cm，采用雙植，栽時保持苗木根系舒展，栽后踏實(shí)，栽植灌木3203株。

3.4排水設(shè)計(jì)

(1)壩體排水

根據(jù)溝道內(nèi)有小股常流水，雖不以蓄水為主，但該壩在長期淤積過程中，有可能蓄水或養(yǎng)殖，在壩體內(nèi)有可能形成浸潤線，在壩后出現(xiàn)較小的滲透水流，可能影響壩體穩(wěn)定。為了防止壩坡土的滲透破壞和凍脹，防止下游溝道洪水淘刷下游壩腳，增加下游壩坡的穩(wěn)定性，排泄地基及壩體滲透水流，有必要在下游壩坡趾部設(shè)置貼坡式排水體。根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范，溝壑治理技術(shù)》(GB/T 16453.3—2008)中有關(guān)要求，經(jīng)計(jì)算貼坡式排水體的高度為3.5 m，頂寬1.5 m，其砂礫石厚30.0 cm，干砌塊石厚70.0 cm，平均長17.0 m。

(2)壩坡排水

為及時排除壩面雨水，下游壩坡布設(shè)縱向和岸坡排水溝。排水溝分別沿壩坡和兩岸坡腳布置?？v向排水溝設(shè)置在馬道和貼坡排水體頂內(nèi)側(cè)，總長72.5 m；岸坡與壩坡接合處布設(shè)岸坡排水溝，總長103.0 m；縱向排水溝采用矩形斷面，底寬0.3 m，深0.3 m，砌筑厚度0.3 m；岸坡排水溝采用矩形斷面，寬0.4 m，深0.4 m，砌筑厚度0.3 m，均采用M7.5漿砌石襯砌。

3.5放水工程設(shè)計(jì)

郭家溝淤地壩主要任務(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。根據(jù)現(xiàn)場查勘情況，左岸上游有支溝，下游有灣道，不宜布置建筑物，壩址右岸岸坡穩(wěn)定，無沖溝，將臥管布置在上游右岸，坡比為1∶2，采用漿砌石砌筑，涵洞放置在基巖上，臥管下接消力池，后經(jīng)涵洞、明渠、陡坡泄入下游河槽。

放水建筑物按4 d泄完30 a一遇一次洪水總量計(jì)算。臥管進(jìn)水形式采用正面立孔進(jìn)水，進(jìn)水孔斷面為拱型，由C25鋼筋混凝土平面閘板調(diào)節(jié)控制水量。按同時開啟上下兩孔放水設(shè)計(jì)，設(shè)臥管臺階高度為0.6 m，則第一孔水頭H1=0.6-0.3/2=0.45 m，第二孔的水頭H2=1.2-0.3/2=1.05 m，進(jìn)水孔直徑d為0.57 m時滿足臥管放水要求，為方便施工，進(jìn)水孔直徑取0.6 m。拱圈厚0.3 m，采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)。臥管垂直總高度為14.3 m，臥管頂高程為846.8 m，臥管最低一級放水孔底高程為832.5 m，臥管最高一級放水孔頂高程為845.7 m，通氣孔高度為1.1 m,每個臺階高0.6 m，共22個臺階，臥管的斜長33.14 m。砌筑砂漿M7.5，勾縫水泥砂漿M10。臥管底部沿坡度方向每隔8 m做一道0.5 m×0.5 m的抗滑齒墻，以增加底板的穩(wěn)定性，沿臥管長度方向每隔10 m設(shè)一伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填實(shí)瀝青麻繩，縫外包裹三油二氈。

消力池為矩形，尺寸(長×寬×深)為6.50 m×1.0 m×0.8 m。采用M7.5水泥砂漿砌塊石，M10水泥砂漿勾縫，拱高0.5 m，拱圈厚0.4 m，拱座頂寬0.5 m，拱座底寬1.2 m，基礎(chǔ)外伸長0.2 m，基礎(chǔ)厚0.5 m。

輸水涵洞采用漿砌石拱形結(jié)構(gòu)，涵洞拱圈內(nèi)半徑為0.4 m，拱圈厚度0.4 m，拱臺頂寬0.7 m，拱臺底寬0.9 m，拱臺高1.2 m，基礎(chǔ)寬3.0 m，厚0.5 m，基礎(chǔ)外伸0.2 m。為強(qiáng)化拱圈，拱圈兩側(cè)增加寬0.2 m，高0.2 m漿砌片石護(hù)拱。涵洞周邊及頂部1.0 m范圍內(nèi)填土采用人工電夯夯實(shí)，填土干容重1.55 t/m3。

涵洞后接明渠，基礎(chǔ)為石基，明渠進(jìn)口高程為828.95 m，明渠全長2 m，比降1/100。采用矩形斷面，當(dāng)明渠底寬為0.8 m時，正常水深為0.51 m，取0.29 m的超高，斷面尺寸(寬×高)確定為0.8 m×0.8 m。側(cè)墻為重力式擋土墻，側(cè)墻頂寬0.50 m，側(cè)墻底寬0.64 m，基礎(chǔ)厚0.5 m，基礎(chǔ)外伸長0.15 m。

4結(jié)論

郭家溝淤地壩修建后，在設(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)，可攔截泥沙85.8萬m3，年最大攔蓄洪水能力為35.98萬m3，使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙得到有效攔蓄和調(diào)節(jié)。工程達(dá)到淤積年限后，可淤成壩地8.77 hm2，累計(jì)種植效益為115.5萬元。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：TV641.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0063-03

作者簡介：劉炳浩(1972-)，男，工程師，主要從事小流域綜合治理、骨干壩修建等水利水保方面的工作。E-mail：liubinghao@163.com