泥沙淤積對(duì)公路黃土壩式路堤的影響研究

王應(yīng)斌,張升華,周志軍

(1.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局， 云南 昆明 650214；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

泥沙淤積對(duì)公路黃土壩式路堤的影響研究

王應(yīng)斌1,張升華2,周志軍2

(1.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局， 云南 昆明 650214；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

為了研究泥沙淤積對(duì)公路黃土壩式路堤的影響，根據(jù)壩式路堤實(shí)際情況，考慮泥沙危害和來源，綜合考慮水域面積內(nèi)及分水嶺內(nèi)降雨徑流的入庫量，得出徑流深及最終年入庫量，由此得出坡面產(chǎn)沙量。工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明：由于沒有徑流，泥沙主要來源是降雨引起的侵蝕跟隨地上徑流而流進(jìn)庫區(qū)；分析了三種泥沙淤積對(duì)壩式路堤影響的情況，根據(jù)入庫量計(jì)算出產(chǎn)沙量，得到每年入庫的泥沙體積，并計(jì)算出泥沙淤積總量及有效庫容；經(jīng)過若干年的泥沙淤積，庫區(qū)的有效庫容僅剩設(shè)計(jì)庫容的20%左右。

壩式路堤；泥沙淤積；入庫量；產(chǎn)沙量；有效庫容

公路黃土壩式路堤具有道路通行、蓄水、水土保持和環(huán)境改善功能[1-5]，壩式路堤的庫區(qū)蓄水后可以有效的保證周邊的畜牧、灌溉及生活所需用水，同時(shí)由于庫區(qū)水蒸發(fā)提高周邊空氣濕度，改善周邊的生態(tài)環(huán)境，此結(jié)構(gòu)形式對(duì)于缺水的北方地區(qū)是非常實(shí)用的。

在壩式路堤開始蓄水時(shí)，庫底不存在淤泥，但是隨著庫區(qū)的降雨使得上游產(chǎn)生的水流及庫岸產(chǎn)生的徑流帶來的泥沙及有機(jī)質(zhì)懸濁物到水流比較平緩的地方沉淀，積累。隨著多年的沉積，泥沙淤積高度每年上升，使得庫區(qū)的有效庫容逐漸減少。經(jīng)過多年的沉積，泥沙淤積達(dá)到一定的高度后，且有可能超過下限水位的高度，會(huì)對(duì)庫區(qū)的蓄水情況產(chǎn)生影響。高維龍等[6]通過對(duì)圓臺(tái)型的水庫模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到了不同時(shí)間庫區(qū)的累計(jì)淤泥和蓄水高度。徐世強(qiáng)等[7]考慮了庫區(qū)的蒸發(fā)率和庫岸滲流量對(duì)庫水水位的影響，并引入了理想均值水位，得出只要水位不下降至淤泥層以下，水位高低與淤泥量無關(guān)。

以往研究中，建立的庫區(qū)模型和實(shí)際庫型差距較大，其計(jì)算庫型參數(shù)如邊坡坡度等因素因?qū)嶋H庫型多變復(fù)雜而實(shí)地測(cè)量不好把控，蓄水位結(jié)果偏離實(shí)際較大；其次蓄水起始年反復(fù)疊加計(jì)算，計(jì)算復(fù)雜繁瑣。本文通過對(duì)實(shí)際庫型進(jìn)行計(jì)算，分析了泥沙淤積對(duì)公路黃土壩式路堤的影響。

1 泥沙淤積的危害

隨著庫區(qū)蓄水年限的逐年增加，淤積的泥沙也越來越多，庫區(qū)泥沙的淤積會(huì)引起以下問題：

(1) 由于泥沙的淤積使得壩式路堤庫區(qū)的有效庫容和滯洪庫容減小，從而導(dǎo)致庫區(qū)綜合效益降低；

(2) 淤積在一定程度上隨著有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)的增加可能會(huì)加劇水庫水質(zhì)污染，對(duì)周邊的用水產(chǎn)生影響。

2 泥沙的主要來源

天然水流中所挾帶的固體顆粒,主要來源于流域內(nèi)降雨及水流對(duì)地表物質(zhì)的水力侵蝕以及風(fēng)蝕[8-12]。水力侵蝕主要是在降雨(尤其是暴雨，重現(xiàn)期為10 a～100 a的暴雨可引起很大的侵蝕量)、地表徑流的作用下，地表的土體被侵蝕剝離，通過徑流的運(yùn)輸及沉積的過程；風(fēng)蝕主要發(fā)生在干旱和半干旱的地表無植被保護(hù)的干燥松軟的土壤上。地表的土體被風(fēng)力破壞剝離、搬運(yùn)和沉積的一個(gè)過程，較大的風(fēng)力甚至可以引起沙塵暴等惡劣天氣，給人民的日常生活和經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重的損失，不僅污染環(huán)境還可導(dǎo)致土壤的沙化。

泥沙淤積主要是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中，泥沙等有機(jī)質(zhì)經(jīng)過沉積、物理化學(xué)和生物作用形成的未固結(jié)的軟弱細(xì)粒或極細(xì)粒土，屬現(xiàn)代新近沉積物。淤積的泥沙主要由粉土質(zhì)或黏土質(zhì)等粒度的土構(gòu)成，極少存在細(xì)砂質(zhì)或極細(xì)砂質(zhì)。西北干旱半干旱地區(qū)多以淡水為主，而淡水淤積的泥沙則是以伊利石和高嶺石為主，與濱海有很大的不同(伊利石、蒙脫石)。淤積的泥沙較多的有機(jī)質(zhì)分布在上層，有機(jī)質(zhì)的含量隨著深度的增加而逐漸減少。

影響產(chǎn)沙的因素有：自然因素(年平均降雨量、雨滴直徑)、地形因素(坡長(zhǎng)、坡度及流域面積)、土壤因素(土壤的可侵蝕性)、植被因素。其中植被因素對(duì)侵蝕的影響作用較大的原因是：(1) 減少了暴雨對(duì)土壤表面的擊打；(2) 枯枝落葉可以有效地減少地表徑流及雨水的沖刷；(3) 增加地面粗糙度，減緩流速；(4) 植被的根莖及地表的草叢可有效的增加地表的抗沖刷強(qiáng)度。

水庫的泥沙淤積主要來源于河流徑流的泥沙輸送及庫區(qū)范圍內(nèi)的土壤侵蝕。壩式路堤淤積的泥沙主要來源于水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕。

3 產(chǎn)沙量的計(jì)算方法

由于壩式路堤沒有上游徑流，產(chǎn)沙量主要由于降雨侵蝕庫區(qū)分水嶺內(nèi)坡面所產(chǎn)生，故根據(jù)黃河水利委員會(huì)水科所[12]對(duì)于坡面產(chǎn)沙量的研究，得出了以下坡面產(chǎn)沙量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方程：

(1)

式中：E為土壤流失量，t/ha；C為植被度，%；S為地面坡度，%；R為徑流深，mm；i為平均降雨強(qiáng)度，mm/min。

徑流深R是指計(jì)算時(shí)段內(nèi)某一過水?dāng)嗝嫔系膹搅骺偭科戒佋跀嗝嬉陨狭饔蛎娣e上所得到的水層深度。在確定徑流深R時(shí)，由于壩式路堤沒有河道徑流，所以取一次降雨入庫總水量平鋪在水面面積上的水層厚度。

4 入庫量計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知入庫量計(jì)算方程為：

水域面積內(nèi)的入庫量如下式：

Qs=Ss·p

(2)

式中：Qs為水域面積內(nèi)直接入庫量；Ss為降雨時(shí)庫區(qū)蓄水面積；p為年降雨量。

對(duì)于分水嶺內(nèi)降雨徑流進(jìn)入庫區(qū)的入庫量，綜上可表達(dá)為：

Qf=(Sf-Ss)·(p-z)

(3)

式中：Qf為分水嶺內(nèi)直接入庫量；Sf為分水嶺所圍面積；z為被洼地滯留、植物吸收、土壤入滲的徑流厚度。

綜合式(2)和式(3)，求得最終年入庫量為：

Qnrl=Qs+Qf=Ss·p+(Sf-Ss)(p-z)

(4)

5 泥沙淤積對(duì)壩式路堤的影響

在壩式路堤開始蓄水時(shí)，庫底不存在淤泥，但是隨著庫區(qū)的降雨使得上游產(chǎn)生的水流及庫岸產(chǎn)生的徑流帶來的泥沙及有機(jī)質(zhì)懸濁物到水流比較平緩的地方沉淀，積累。隨著多年的沉積，泥沙淤積高度每年上升，使得庫區(qū)的有效庫容逐漸減少。經(jīng)過多年的沉積，泥沙淤積達(dá)到一定的高度后，且有可能超過下限水位的高度，會(huì)對(duì)庫區(qū)的蓄水情況產(chǎn)生影響，主要會(huì)產(chǎn)生以下幾種情況：

(1) 第1種情況。當(dāng)泥沙淤積高度未達(dá)到下限水位時(shí)，只要不出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重的枯水期，在枯水期時(shí)蓄水位未到達(dá)泥沙淤積頂面，庫區(qū)還可以正常蓄水。即正常情況下，累積年限內(nèi)(設(shè)計(jì)年限內(nèi))泥沙淤積高度位置不影響蒸發(fā)，不出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，理論上均對(duì)設(shè)計(jì)沒有影響。

此時(shí)如圖1所示，隨著多年的庫區(qū)蓄水，蓄水位逐年穩(wěn)定在汛限水位與下限水位之間，泥沙的淤積高度逐年增長(zhǎng)，有效庫容明顯減少，淤積后可能使得周邊畜牧、灌溉和居民工業(yè)可用水量減少。

圖1蓄水位與泥沙淤積高度變化曲線圖

(2) 第2種情況。若在第n年出現(xiàn)泥沙淤積的高度超過下限水位未達(dá)到汛限水位時(shí)，遇到枯水期蓄水位逐步下降，蓄水位降低至泥沙淤積高度時(shí)，則會(huì)引起庫區(qū)干涸。

由于泥沙淤積抬高了庫底高度，使得此時(shí)實(shí)際庫底面積增大，當(dāng)降雨雨量小于被植物吸收、土壤入滲、洼地滯留的徑流厚度時(shí)，降雨被滯留及隨即入滲，無法形成徑流流入庫區(qū)即無法再蓄水；當(dāng)降雨雨量大于被植物吸收、土壤入滲、洼地滯留的徑流厚度時(shí)，僅少量蓄水，短時(shí)間內(nèi)再次引起庫區(qū)的干涸。

(3) 第3種情況。若在第n年出現(xiàn)泥沙淤積高度超過汛限水位，需要重新校核頻率洪水對(duì)壩式路堤的影響，在正常的公路路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)該情況，設(shè)計(jì)時(shí)不進(jìn)行考慮。僅在每次對(duì)壩式路堤和公路進(jìn)行加固或大修時(shí)，綜合水位和淤泥高度確定是否需要采用有關(guān)措施以保證壩式路堤的穩(wěn)定性。

綜合上述三種情況可知，泥沙的淤積對(duì)于庫區(qū)的蓄水有著重要的影響，但是由于壩式路堤的泥沙淤泥速度較為緩慢，在壩式路堤的路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)一般不會(huì)出現(xiàn)干涸的現(xiàn)象。

6 實(shí)例計(jì)算

圖2 壩式路堤迎水面圖

圖3 天線K168+740 m—K168+880 m壩式路堤示意圖

表1 壩式路堤水位H與水面面積S、庫岸線長(zhǎng)度l、庫容V關(guān)系表

計(jì)算參數(shù)取值見表2。

表2 壩式路堤參數(shù)取值

年降雨量模擬分布見表3。

表3 24 h內(nèi)降雨量模擬分布表

6.1 徑流深R的計(jì)算

根據(jù)入庫量的計(jì)算式(2)、式(3)和式(4)可得每次降雨的入庫量，取一次降雨入庫總水量平鋪在水面面積上的水層厚度。首先對(duì)每次降雨入庫量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

6.2 產(chǎn)沙量計(jì)算

根據(jù)式(1)，其它數(shù)據(jù)參照表2、表3和表4，對(duì)產(chǎn)沙量進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果整理見表5。

表4 每次降雨入庫量

表5 每次降雨入庫量

通過表5計(jì)算可知每年進(jìn)入庫區(qū)的泥沙體積為4 477.21 m3，該路堤從1998年開始修建蓄水以來已經(jīng)經(jīng)過19 a，則總計(jì)泥沙淤積量為85 066.99 m3。根據(jù)表1可知此時(shí)泥沙淤積高度約為10.57 m，與實(shí)際情況基本符合。此時(shí)的有效庫容僅剩109 927.92 m3。

7 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)壩式路堤的實(shí)際研究，考慮了泥沙的來源，分析了泥沙淤積對(duì)于壩式路堤的危害，通過產(chǎn)沙量的計(jì)算公式可以得到每年的淤積量，經(jīng)過多年的累計(jì)，使得有效庫容和滯洪庫容減少。

(2) 列舉了經(jīng)過若干年后三種由于泥沙淤積高度的上升所產(chǎn)生的情況，第1種情況和第2種情況對(duì)壩式路堤的設(shè)計(jì)沒有影響；第3種情況需對(duì)壩式路堤進(jìn)行設(shè)計(jì)頻率洪水校核，但一般此時(shí)已經(jīng)超過公路路面設(shè)計(jì)年限，在對(duì)壩式路堤和公路進(jìn)行加固或大修時(shí)，綜合水位和淤泥高度確定是否需要有關(guān)措施保證壩式路堤的穩(wěn)定性。

(3) 根據(jù)入庫量計(jì)算出產(chǎn)沙量，得到每年入庫的泥沙體積，由此得出此時(shí)的泥沙淤積總量及有效庫容。

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EffectsofSedimentDepositionontheLoessDamEmbankmentofHighway

WANG Yingbin1, ZHANG Shenghua2, ZHOU Zhijun2

(1.ProjectQualitySupervisionBureauofYunnanProvincialTransportationDepartment,Kunming,Yunnan650214,China; 2.Chang’anUniversity,TheSpecialRegionKeyLaboratoryofHighwayEngineering,MinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710064,China)

In order to study the effects of sediment deposition on the loess dam embankment, according to the actual situation of dam type embankment, the hazards, sources of sediment, the amount of rainfall and the watershed, the runoff depth and the final annual storage volume are calculated in this paper, based on which the sediment yield was obtained. The results of engineering examples show that without runoff, the main source of sediment is the erosion caused by rainfall following the runoff and flow into the reservoir area; the influence of three kinds of sediment deposition on dam type embankment is analyzed. By calculating the amount of sediment based on the amount of storage, the volume of sediment per year was derived, and the total amount of sediment deposition and effective storage capacity are also calculated. The results show that after several years of sediment deposition, the effective storage capacity of the reservoir area was only about 20% of the design capacity.

damembankment;sedimentdeposition;scheduledreceipt;sedimentyield;effectivestoragecapacity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.036

2017-07-16

2017-08-14

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2007E204)

王應(yīng)斌(1973—)，男，云南祿勸縣人，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理及質(zhì)量檢測(cè)工作。 E-mail:139080015@qq.com

TV145

A

1672—1144(2017)06—0181—04