佳縣新莊淤地壩洪水泥沙與大壩加高分析

劉碧堯

（佳縣水利工作服務(wù)中心，陜西 榆林 719299）

黃土高原區(qū)淤地壩眾多，受歷史條件限制大多沒(méi)有勘測(cè)設(shè)計(jì)資料，為淤地壩的除險(xiǎn)加固增加了難度。新莊淤地壩經(jīng)過(guò)超過(guò)40 a運(yùn)行，基本淤滿，需進(jìn)行加高處理?，F(xiàn)以新莊淤地壩為例，對(duì)黃土高原區(qū)設(shè)計(jì)資料缺失的淤地壩除險(xiǎn)加高進(jìn)行探討。

1 概況

佳縣位于陜西省東北部，黃河中游西岸。新莊淤地壩工程位于佳縣劉國(guó)具鎮(zhèn)，隸屬新莊村，新莊村共有人口175人、壩地0.014 km2、梯田0.03 km2，人均基本農(nóng)田0.000 8 km2。新莊淤地壩屬大陸性干旱半干旱季風(fēng)性氣候，春季少雨干旱，冷熱劇變；夏季炎熱多雨，雷、暴雨頻繁；秋季氣溫適宜，秋高氣爽；冬季寒冷干燥、少雪，四季變化極為明顯。區(qū)域內(nèi)多風(fēng)，以西北風(fēng)為主，年平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速20 m/s；多年平均降水量395 mm，多集中在汛期7—9 月，占全年降雨量的68.2%[1]，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年最大降雨量576.3 mm。新莊淤地壩溝道內(nèi)無(wú)常流水，多年平均徑流深60 mm，水土流失面積為1.7 km2，治理度13.9%，多年平均侵蝕模數(shù)為2.0萬(wàn)t（/km2·a）。

2 存在問(wèn)題

新莊淤地壩是劉落則溝左支溝中游的一座控制性工程，上游現(xiàn)有1座中型壩和1座小型壩。始建于1975 年的佳縣新莊淤地壩，由土壩、涵臥管和溢洪道組成，主溝道長(zhǎng)3.5 km，控制流域面積4.45 km2，溝道比降為2.96%。原壩高31 m，壩頂距淤泥面8 m，控制流域面積4.45 km2，總庫(kù)容191.09 萬(wàn)m3，攔泥庫(kù)容118.76萬(wàn)m3。

經(jīng)過(guò)超過(guò)40 a運(yùn)行，新莊淤地壩頂有2.1m×3.6 m、深1.8 m 和3.0 m×2.1m、深2.5 m 的洞穴，右岸涵臥管已毀壞，左岸土質(zhì)溢洪道窄而淺，存在嚴(yán)重的安全隱患，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。根據(jù)可行性研究報(bào)告，新莊壩需加高壩體7 m 才可滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，1998 年當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)在該壩址上游549 m 處建有1座腰壩，壩高10 m，現(xiàn)基本淤滿?？尚行匝芯繄?bào)告的庫(kù)容曲線是在萬(wàn)分之一地形圖上量取的，而該腰壩在萬(wàn)分之一地形圖上沒(méi)有顯示，因此在地圖上量出的庫(kù)容值偏大。經(jīng)計(jì)算，新莊淤地壩現(xiàn)需加高壩體16 m，從泥面起算為24 m。為了確保新莊淤地壩加高加固工程科學(xué)進(jìn)行，需對(duì)溝道洪水和泥沙進(jìn)行分析，以確定庫(kù)容和大壩加高的尺寸。

3 洪水泥沙分析

3.1 洪水分析

新莊淤地壩所在流域地質(zhì)構(gòu)造屬鄂爾多斯臺(tái)向斜，由西北向東南傾斜，流域主溝道及較大支溝中下游有幾米到上百米的基巖出露，上部頁(yè)巖較多，底部為泥砂巖層，在流域上游部分溝道出露紅色黏土層。該壩址處地表覆蓋層為第四紀(jì)的黃土層，厚約50～100 m。壩址處左岸有巖石出露，右岸為輕粉質(zhì)壤土，土料儲(chǔ)量能夠滿足本次加高的需要，壩址左岸下游有舊土質(zhì)溢洪道，便于放水建筑物出口的銜接。利用實(shí)測(cè)溝道縱橫斷面資料計(jì)算水位-庫(kù)容、水位-面積關(guān)系值，詳見(jiàn)表1。

表1 新莊骨干壩水位-庫(kù)容、水位-面積關(guān)系

新莊骨干壩位于劉落則溝中游左支溝，控制流域面積4.45 km2，洪水由暴雨產(chǎn)生，年最大洪峰主要發(fā)生在7—9 月，洪水歷時(shí)一般在12 h 內(nèi)，峰頂滯時(shí)0.5～2 h，由于流域內(nèi)山高坡陡，墾殖指數(shù)高，植被較差，溝道內(nèi)沒(méi)有滯洪物，暴雨形成的產(chǎn)流較快，洪水一般來(lái)勢(shì)兇猛，歷時(shí)短，暴漲暴落，峰高量小，含沙量大，水峰沙峰相隨。計(jì)算洪水時(shí)按工程實(shí)際控制面積計(jì)算。設(shè)計(jì)洪峰流量采用《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289—2003）推薦的經(jīng)驗(yàn)公式中匯水面積相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算[2]，其計(jì)算公式為：

式中：QN為重現(xiàn)期N的洪峰流量（m3/s）；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取0.68；F為流域面積（km2），取4.45 km2；CN為重現(xiàn)期N的地理參數(shù)，取值見(jiàn)表2。

從《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)圖集》中查得該流域位于Ⅰ區(qū)[3]，根據(jù)該區(qū)的地理參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)指數(shù)計(jì)算該壩址以上不同頻率的洪峰流量，詳見(jiàn)表2。

表2 洪峰流量計(jì)算成果

洪量徑流系數(shù)采用榆林市水務(wù)局編寫(xiě)的《榆林市治溝骨干工程及淤地壩擴(kuò)大初步設(shè)計(jì)編制提綱及編制依據(jù)》中表六的數(shù)值，該流域中心年最大24 h暴雨均值為60 mm，基于皮爾遜Ⅲ型曲線Kp值表、變差系數(shù)Cv=0.68、Cs/Cv=3.5，計(jì)算不同頻率的暴雨量，計(jì)算成果詳見(jiàn)表3[4]。

表3 不同頻率下的洪水總量

3.2 輸沙分析

左支溝是典型的降水補(bǔ)給型河溝，洪枯水流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點(diǎn)，水位漲落最大變幅為2.19 m，多年平均徑流量0.429億m3。從地域分布上看，溝道泥沙來(lái)源主要集中在上中游。含沙量和輸沙模數(shù)從上游到中游呈遞減的趨勢(shì)，每年汛期6—9 月水量和沙量比較集中，分別占全年的65%和97%。年來(lái)沙的基本規(guī)律是來(lái)沙量隨著來(lái)水量的增加而加大，水沙比例基本一致，一般沙峰較水峰同步或滯后。基于《陜西省無(wú)定河流域佳縣腦畔圪塔小流域壩系可行性研究報(bào)告》中確定的流域多年平均侵蝕模數(shù)為2.0 萬(wàn)t（/km2·a）[5]、控制流域面積為4.45 km2、泥沙容重取1.35 t/m3，根據(jù)多年平均輸沙量為控制流域面積乘以多年平均侵蝕模數(shù)再除以泥沙容重，經(jīng)計(jì)算，得出新莊淤地壩控制流域年輸沙量為6.59萬(wàn)m3。

4 地基分析

4.1 地質(zhì)分析

庫(kù)區(qū)出露的地層為侏羅系中統(tǒng)榆林組（J2y）及第四系上更新統(tǒng)（Q3）和全新統(tǒng)（Q4）。

（1）第四系全新統(tǒng)（Q4）。殘坡積碎石土及壤土（Q4dl+el）分布于兩岸山頂及山坡，厚度不一；沖洪積砂及砂礫石（Q4pl+al）分布于谷底，厚度一般小于5 m。

（2）第四系上更新統(tǒng)（Q3）。淺黃色、灰黃色砂壤土、壤土，質(zhì)地疏松，具有大孔隙，柱狀節(jié)理發(fā)育，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，主要分布于兩岸山坡及山頂，覆蓋于侏羅系中統(tǒng)延安組之上，厚10～100 m不等。

（3）侏羅系中統(tǒng)榆林組（J2y）。灰綠色長(zhǎng)石砂巖與頁(yè)巖互層，表層強(qiáng)風(fēng)化。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)為單斜巖層，傾向西北，傾角一般為3°～5°，整個(gè)庫(kù)區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中主要發(fā)育2 組節(jié)理，其中L1，31°∠40°，節(jié)理面平直光滑，微張，無(wú)充填，延伸長(zhǎng)度3～7 m；L2，80°∠78°，節(jié)理面平直粗糙，閉合，延伸長(zhǎng)度2～4 m。工程區(qū)50 a超越概率10%一般場(chǎng)地條件下地震動(dòng)峰值加速度＜0.05 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

4.3 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)未見(jiàn)有水出露，地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，賦存于沖洪積砂礫石、殘坡積碎石土及砂巖裂隙中，主要接收大氣降水補(bǔ)給，直接排泄于溝谷。

4.4 覆蓋層與風(fēng)化帶厚度

壩址河床覆蓋層巖性為砂礫石及砂壤土，厚度0～5 m；左右岸坡分布有0～15 m 厚的殘坡積物，主要為棕黃色的殘坡積砂壤土、壤土，可見(jiàn)少量碎石土。根據(jù)淺井和洛陽(yáng)鏟揭露情況，壩址區(qū)基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為2～3 m。

4.5 壩基承載力

壩基以泥巖與砂巖互層、中細(xì)砂、含泥砂礫石和黃土為主。根據(jù)試驗(yàn)資料及工程類比，建議壩基強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、砂巖承載力取300～400 kPa，中細(xì)砂承載力取100～150 kPa，砂礫石承載力取200～300 kPa，黃土承載力取100～110 kPa。

5 壩體加固方案分析

根據(jù)新莊淤地壩的病險(xiǎn)情況和溝道內(nèi)洪水、輸沙和地基情況，對(duì)新莊淤地壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固分析。

5.1 壩型選擇

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，新莊骨干壩壩址右岸土料豐富，壩址左岸有巖石出露，右岸土料儲(chǔ)量和土性指標(biāo)均滿足筑壩要求，取土條件便利；壩基、壩肩結(jié)構(gòu)完整，無(wú)軟弱帶和裂隙發(fā)育，兩岸邊坡無(wú)沖溝，無(wú)傾向下游的滑動(dòng)面，適宜布設(shè)放水工程；壩基可開(kāi)挖結(jié)合槽，遇石基做截滲齒墻。此次除險(xiǎn)加固是在原壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為了節(jié)約資金和資源，根據(jù)原壩建設(shè)情況和壩址處的地形地質(zhì)條件以及土料豐富的情形，確定加固壩仍為均質(zhì)土壩。本次加高采用壩前式加高，放水建筑物采用涵臥管，設(shè)在左岸，涵洞出口接明渠后自原溢洪道泄至下游河槽。該流域溝道內(nèi)無(wú)常流水，施工方法采用機(jī)械碾壓筑壩。

5.2 壩高確定

新莊骨干壩的規(guī)模在100 萬(wàn)～500 萬(wàn)m3，工程等級(jí)為四級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a，設(shè)計(jì)淤積年限為20 a。其攔泥庫(kù)容為多年平均輸沙量乘以設(shè)計(jì)淤積年限，即6.59×20=131.8 萬(wàn)m3，查水位-庫(kù)容曲線得攔泥壩高為18.42 m，現(xiàn)泥面高程為987.00 m，則本次設(shè)計(jì)淤積高程為1 005.42 m。滯洪壩高由滯洪庫(kù)容查水位-庫(kù)容曲線確定，按一次校核洪水總量確定滯洪庫(kù)容為57.83 萬(wàn)m3；查水位-庫(kù)容曲線，得滯洪壩高為4.17 m，滯洪水位高程為1 009.59 m。安全超高按《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289-2003）的有關(guān)規(guī)定取1.41 m[6]。

綜上，工程設(shè)計(jì)總庫(kù)容為131.8+57.83=189.63（萬(wàn)m3）。相對(duì)于泥面以上的總庫(kù)容189.63萬(wàn)m3，目前該壩已淤庫(kù)容為118.76（萬(wàn)m3），則該壩總庫(kù)容為189.63+118.76=308.39（萬(wàn)m）3。工程設(shè)計(jì)壩高為18.42+4.17+1.41=24 m，則本次加高淤泥面以上壩高為24 m，相對(duì)于下游最大壩高為47 m。壩頂高程1 011.00 m，攔泥高程1 005.42 m，校核洪水位1 009.59 m。

5.3 壩體斷面尺寸確定

新莊骨干壩壩頂寬度取4.0 m，壩頂高程為1 011.0 m。上游坡比為1∶2.0；下游壩坡在舊壩頂處設(shè)1 條馬道，寬1.5 m，高程為995.00 m，馬道以上坡比為1∶1.5、以下舊壩坡比為1∶2.0。為保證壩體與壩基緊密結(jié)合、防止出現(xiàn)滲流，在壩軸線左岸坡上設(shè)1 道齒墻，底寬0.8 m，深入石基0.5 m，高1.0 m；在壩軸線右岸坡上設(shè)1 道結(jié)合槽，采用梯形斷面，底寬1.5 m，深1.5 m，邊坡1∶1.0。

5.4 大壩安全與穩(wěn)定性分析

5.4.1 安全評(píng)價(jià)

新莊淤地壩始建于1975 年，原壩高31 m，壩頂平均寬25 m，外坡比1∶2.0，采用水墜法施工，已建成30 a。在30 a的運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)滲漏、流泥等破壞壩體的現(xiàn)象，因此現(xiàn)壩體整體保存完好，壩體已經(jīng)穩(wěn)定。雖然在壩外坡有一些小坑穴，那是由于疏于管護(hù)、降雨逐年沖刷造成的，只要本次對(duì)此進(jìn)行整治，對(duì)壩體的整體安全沒(méi)有影響。而本次是在原壩體和淤泥面的基礎(chǔ)上加高的，雖然加高后的壩較高，但由于原壩是穩(wěn)定的，所以大壩整體也是穩(wěn)定和安全的。

5.4.2 壩坡穩(wěn)定性分析

新莊骨干壩相對(duì)于下游最大壩高為47 m，總庫(kù)容308.39 萬(wàn)m3，其運(yùn)用方式為攔洪淤地。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289-2003）要求，結(jié)合已建工程的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行運(yùn)用期下游的壩坡穩(wěn)定性驗(yàn)算?，F(xiàn)采用《土坡穩(wěn)定數(shù)圖解法》進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)，采用類比的方法選取C=1.1 t/m2，Φ=23°，γ=1.8 t/m3。

下游壩坡平均坡率計(jì)算公式為：

式中：m為下游壩坡平均坡率；Hi為平均斷面高（m），取47 m；mi為坡比之和，取1.88。

經(jīng)計(jì)算，得m=1.88。因?yàn)閠gα=1/m=0.532，故坡角α=28°1′。

安全系數(shù)K值由試算確定，假定K=1.25，C、Φ折減后計(jì)算公式為：

式中：CK為折減后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（t/m2）；C為折減前抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（t/m2）；K為安全系數(shù)；ΦK為折減后摩擦角（°）；Φ為折減前摩擦角（°）；N為抗剪強(qiáng)度比值系數(shù)；γ為土體的剪脹角（°）；H為高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，得CK=0.88 t/m2，ΦK=18.4°，N=0.01。查《小型水利手冊(cè)》，得坡角α=28°，與擬定的坡角接近，所以該壩坡的安全系數(shù)K=1.25＞1.05，該壩坡安全。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

新莊骨干工程的加固建設(shè)既是壩系建設(shè)中的需要，更是控制和防治水土流失、合理利用水沙資源、促進(jìn)流域內(nèi)退耕還林還草、帶動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。針對(duì)新莊壩存在的病險(xiǎn)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)溝道洪水和泥沙的論述探討，提出經(jīng)濟(jì)科學(xué)的壩體加固方案。工程完工后，可攔截泥沙131.8 萬(wàn)m3，淤地12.1 hm2，攔泥淤地作用較為顯著，而且還可保護(hù)下游村莊、道路的安全。

6.2 建議

（1）筑壩前先用水墜法將壩頂洞穴填與壩頂齊平，同樣用水墜法封堵涵臥管。在臥管涵洞里面灌入泥漿，讓泥漿不斷灌入斷面內(nèi)，最后直至灌滿，再將臥管涵洞口用塊石封堵。

（2）要避開(kāi)汛期施工，壩體在汛前必須達(dá)到防汛壩高。

（3）壩體完工后，對(duì)下游壩坡進(jìn)行修整，要求坡面平整、密實(shí)；下游壩坡采用生物措施護(hù)坡，大于45°的密植檸條，整理范圍在右岸山體，上下游距離約100 m。