延安市安塞區(qū)磚窯灣鎮(zhèn)吳圪臺(tái)淤地壩工程設(shè)計(jì)

胡謝利，高淑紅

(西安景天水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710014)

1 工程概況

吳圪臺(tái)中型淤地壩位于山王河小流域內(nèi)吳圪臺(tái)溝，距縣城約27 km，地理坐標(biāo)為地處東經(jīng)109°21′46.08″，北緯36°42′54.00″。吳圪臺(tái)溝為西川河右岸一級(jí)支溝，溝道自南向北流向，溝道流域面積1.78 km2，溝道長(zhǎng)度2.09 km，平均比降52.60‰。

2 水文計(jì)算

洪水過程采用經(jīng)驗(yàn)公式發(fā)法、綜合參數(shù)法及推理公式法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 洪水流量計(jì)算成果匯總表 單位：m3/s

根據(jù)《水文手冊(cè)》中產(chǎn)流雨乘以設(shè)計(jì)流域面積計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 洪水總量計(jì)算成果匯總表

3 工程規(guī)模

3.1 淤積庫容

吳圪臺(tái)中型淤地壩壩址以上控制流域面積1.78 km2，分析計(jì)算結(jié)合查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》得吳圪臺(tái)中型淤地壩多年平均侵蝕模數(shù)為10000 t/(km2·a)。取流域多年平均侵蝕模數(shù)為10000 t/(km2·a)，按5年淤積年限考慮，泥沙干容重采用1.35 t/m3，泥沙淤積庫容為6.59萬m3。

3.2 滯洪庫容

吳圪臺(tái)中型淤地壩壩址以上控制流域面積1.78 km2，50 a一遇洪水洪峰流量79.7 m3/s，洪水總量為11.54萬m3。由于本次工程不設(shè)溢洪道，滯洪庫容為11.54萬m3。

3.3 工程規(guī)模

按水土保持工程淤地壩設(shè)計(jì)，吳圪臺(tái)中型淤地壩總庫容為淤積庫容加上滯洪庫容，總庫容定為18.13萬m3，為Ⅵ等工程。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 壩高H～庫容V～淤地面積S曲線的繪制

按照下列公式計(jì)算相應(yīng)水位所對(duì)應(yīng)下的庫容：

V=∑ΔVn

式中：V為某特征水位下的庫容，104m3；Sn為第n級(jí)水位對(duì)應(yīng)的淤地面積，104m2；Zn為水位分級(jí)高差，m；ΔZn為分級(jí)水位所增庫容，104m3。

經(jīng)過測(cè)算，繪制水位～庫容及水位～面積的關(guān)系曲線表3。

4.2 庫容計(jì)算

總庫容由攔泥庫容(VL)和滯洪庫容(VZ)兩部分組成。

(1)攔泥庫容VL用下式計(jì)算：根據(jù)該工程實(shí)際情況及規(guī)范要求，本次設(shè)計(jì)淤積年限取5年，攔泥庫容用下式計(jì)算：

VL=N×Ws×F/γ

查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中的懸移質(zhì)輸沙模數(shù)，可知Ws=10000 t/(km·a)，F(xiàn)=1.78 km2，γ=1.35 t/m3，則可得設(shè)計(jì)攔泥庫容VL=6.59萬m3。

表3 張窯子溝中型淤地壩水位～面積、水位～庫容表

現(xiàn)狀壩址地面高程為1168.00 m，根據(jù)水位-庫容曲線可知，設(shè)計(jì)淤積面高程為1184.79 m，攔泥壩高16.79 m。

(2)滯洪庫容(VZ)由查水位～庫容曲線可知。滯洪庫容等于50 a一遇一次校核洪水總量，即VZ=W校核=11.54×104m3；查水位～庫容曲線得，HZ=6.03 m，滯洪水位高程為Z=1190.82 m。

(3)總庫容：

V總=VL+VZ

故V總=6.59+11.54=18.13×104m3。

4.3 壩高確定

設(shè)計(jì)壩高(H)=攔泥壩高(HL)+滯洪壩高(HZ)+安全超高(ΔH)

安全超高查《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定取值為ΔH=1.68 m。

設(shè)計(jì)壩高H=HL+HZ+ΔH=16.79+6.03+1.68=24.50 m

碾壓式土石壩施工時(shí)應(yīng)當(dāng)預(yù)留沉陷壩高，預(yù)留沉陷壩高按設(shè)計(jì)壩高的1.0%～3.0%確定，因此取值為0.50 m。該工程施工壩高為25.00 m。

4.4 壩體斷面尺寸確定

(1)壩頂寬度

由于該工程無交通要求，因此相關(guān)規(guī)定，吳圪臺(tái)中型淤地壩頂寬度取為4.0 m。

(2)壩坡、馬道

根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范溝壑治理技術(shù)》(GBT 16453.3-2008)要求，最大壩高大于15.0 m時(shí)，需設(shè)置馬道，本次工程設(shè)一條馬道，馬道高程為1183.00 m，即壩高15 m處，馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝，大小為30 cm×30 cm。根據(jù)土料的力學(xué)性質(zhì)、工程區(qū)地震烈度，上游坡比取1∶2.0，下游壩頂至馬道坡比取1∶1.5，馬道至排水棱體坡比取1∶2.0。

(3)壩體反濾排水體設(shè)置

為了增加壩體的穩(wěn)定性，防止壩體背水側(cè)出現(xiàn)滑坡塌陷，因此在背水坡壩腳處設(shè)置排水棱體。

查《陜西水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》表4-12，壩后棱體式排水的高度為3 m，頂高程為117100 m。堆石棱體采用石料場(chǎng)石料和混凝土粗細(xì)骨料進(jìn)行加工，頂寬2.0 m，上游坡1∶1.25，下游坡1∶1.5，棱體基礎(chǔ)高程1168.00 m。反濾料為15 cm厚粗砂、15 cm厚碎石，20 cm厚卵石。

4.5 基礎(chǔ)處理

1)清基

在土壩培厚加固前，應(yīng)在壩坡角線加寬60 cm～80 cm范圍內(nèi)進(jìn)行清基，一般為0.5 m～1.0 m。

2)削坡

《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)，壩體與岸坡結(jié)合應(yīng)采用斜坡平順連接，壩址兩岸壩頂高程以下土質(zhì)岸坡削坡坡度不陡于1∶1.5，兩岸壩頂高程以上土質(zhì)岸坡削坡坡度不陡于1∶1，以防止高邊坡滑塌。若有滑坡體，要將滑坡體完全清除掉。

4.6 壩面護(hù)坡及排水

為解決大壩排水，在壩頂下游馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置一條排水溝，長(zhǎng)度為26 m。在背水側(cè)修建岸坡排水渠，長(zhǎng)度為96.00 m，排水溝采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，采用M7.5水泥砂勾縫。

4.7 取土場(chǎng)整治設(shè)計(jì)

工程竣工后，應(yīng)對(duì)岸坡取土場(chǎng)進(jìn)行整治，根據(jù)周圍原有林草種類進(jìn)行林草植被的恢復(fù)，盡量使喬灌草相結(jié)合，以便盡快恢復(fù)水保功能，最大限度地減少水土流失。

4.8 放水工程

按照前述成果，淤地壩作為水源地時(shí)，滯洪庫容6天排空，計(jì)算得臥管放水流量Q=0.15 m3/s。

(1)放水孔尺寸

分級(jí)臥管采用平孔進(jìn)水，每臺(tái)設(shè)一孔，每一個(gè)臺(tái)階高度選取0.4 m，每次開啟2孔，則放水孔直徑按下式計(jì)算：

式中：d為放水孔直徑，m；q為放水流量，m3/s；H為孔上水深，m。

計(jì)算得放水口直徑d=0.24 m，為保證后續(xù)用水變動(dòng)，本次取d=0.25 m。

(2)臥管設(shè)計(jì)流量的確定

當(dāng)放水孔徑取0.25 m時(shí)，放水臥管的實(shí)際流量Q=0.17 m3/s。按照相關(guān)規(guī)范放水臥管的設(shè)計(jì)流量應(yīng)當(dāng)按實(shí)際流量加大20%計(jì)算，即加大流量為0.21 m3/s。

(3)臥管斷面尺寸

當(dāng)放水臥管加大流量Q加=0.21 m3時(shí)，查《陜西水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》表4-24，臥管坡比取1∶1.5，臥管斷面尺寸為凈寬×凈高=0.4 m×0.4 m。

(4)臥管縱斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際地形及工程總體的布局要求、管理運(yùn)行等條件，臥管第一孔進(jìn)水口高程確定為1173.20 m，最末一級(jí)進(jìn)水口高程1192.60 m，垂直高19.8 m，設(shè)49個(gè)放水口。臥管頂部設(shè)鋼管通氣孔，直徑0.4 m，通氣孔與側(cè)墻澆筑為一體。

(5)臥管結(jié)構(gòu)尺寸

查《陜西水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》表4-33，臥管采用M10砂漿砌石砌筑，側(cè)墻頂寬度為0.30 m，側(cè)墻底寬度為0.55 m，基礎(chǔ)伸長(zhǎng)尺寸為0.10 m，基礎(chǔ)厚度尺寸為0.30 m。臥管底板每隔10 m設(shè)一道抗滑齒墻，齒墻深0.5 m，寬0.5 m。

(6)臥管消能

臥管與涵洞連接處設(shè)臥管消力池，消力池指臥管末端與壩下涵洞連接的建筑物，臥管中的水流經(jīng)過消力池消力后，使水流平順進(jìn)入壩下涵洞。查《陜西水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》表4-24及4-34，消力池池寬0.8 m，池長(zhǎng)4.7 m，池深0.7 m。消力池采用M10漿砌石砌筑，底板厚0.5 m，蓋板為C20鋼筋混凝土，厚度0.30 m。

4.9 輸水涵洞設(shè)計(jì)

涵洞進(jìn)口高程1171.00 m，即壩高3.0 m處，比降1∶100，涵洞長(zhǎng)度為104 m，出口高程為1169.96 m。

涵洞設(shè)計(jì)為無壓流。輸水涵洞水力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 輸水涵洞水力計(jì)算表

5 結(jié)語

吳圪臺(tái)淤地壩修建后，在設(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)，可攔截泥沙6.59×104m3，年最大攔蓄洪水能力為11.54×104m3，對(duì)壩控面積內(nèi)的洪水泥沙就地?cái)r蓄，使嚴(yán)重的水土流失得到了有效控制，避免了土壤養(yǎng)分的流失，改善了作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高了單產(chǎn)量，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件，促使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民改變過去廣種薄收的習(xí)慣，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。