柳樹溝前溝壩體加固方案探討

張紅梅

（吳起縣水土保持工作隊 陜西 吳起 717600）

1 概況

柳樹溝流域（片）位于陜西省延安市吳起縣的東北部，北洛河三級支流，流域總面積27.2km2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，水土流失嚴(yán)重，年土壤侵蝕模數(shù)12000t/km2。

1.1 自然條件

柳樹溝前溝中型淤地壩位于吳起縣白豹鄉(xiāng)柳樹溝村，距縣城約50km，工程屬北洛河二級支流，壩控面積2.81km2。工程所在流域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū)第二區(qū)，地貌以梁、峁、坡、溝組成，以坡為主，梁窄坡陡。溝道內(nèi)有常流水，壩址兩岸有巖石出露，巖石高3m～5m，溝道上游比降較陡。壩址處不存在淹沒問題，所選壩址較為理想，工程效益最佳，該壩取土條件較好，土場平均運距約70m采用碾壓筑壩。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，地震設(shè)防烈度為Ⅵ度，可以不設(shè)防。

1.2 社會經(jīng)濟情況

工程所在地涉及1個村92戶427人，該村現(xiàn)有耕地1473.2畝，其中基本農(nóng)田1345畝，主要農(nóng)作物有玉米、小米、土豆等。

1.3 水象水文泥沙

項目區(qū)地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫7.8℃，蒸發(fā)量891.23mm，全年太陽輻射量為117.24RK/cm2，項目區(qū)內(nèi)地面每年最早于11月上旬封凍，最晚于次年4月初解凍，凍土深95cm。

多年平均降水量483.4mm，多集中在7月～9月，汛期（6月～9月）降水量占全年降水量的79.3%，降水量年際變化大，年最大降水量是最小降水量2.83倍。項目區(qū)暴雨主要發(fā)生在7月～9月，歷時短強度大而集中。項目區(qū)地處北洛河上游多沙區(qū)，降水特別是暴雨特性以及項目區(qū)陡峻的地形條件決定了洪水年際變化大、洪水匯流迅速、洪水過程陡漲陡落、含沙量高、輸沙強烈等徑流、泥沙特性。

1.4 原壩基本情況及存在問題

吳起縣白豹鄉(xiāng)柳樹溝前溝壩興建于上世紀(jì)70年代，壩控制面積2.81km2，壩高30.0m，壩頂長87.7m，壩頂寬7m,淤泥面距壩頂4.5m，壩體下游1∶1.2，壩體完好。有壩地132.14畝，壩地高低不平。溝道有常流水，因溢洪道進口高程比淤泥面高1.0 m，使壩地全部讓水侵泡，基本不能種植。流域內(nèi)主要是以坡面治理為主，溝道工程較少，需通過溝道治理，加固配套和興建一批淤地壩工程，形成穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的溝道壩地，實現(xiàn)林草上山，農(nóng)田下川，調(diào)整流域土地利用結(jié)構(gòu)，保證退耕還林（草）、封育治理的成果，促進群眾脫貧致富奔小康。窨子溝中型淤地壩上下游均沒有已建和在建的淤地壩工程。

2 水文計算

2.1 水位—庫容、水位—面積曲線

由1∶1000庫區(qū)地形圖，用求積儀量得各級水位下的淤地面積S，水位分級為1m，根據(jù)公式 ΔVi=(Si-1+Si)/2·ΔZi和 V=ΣΔVi，計算各級水位下的庫容，如表1。

2.2 設(shè)計暴雨量計算

柳樹溝前溝中型淤地壩控制流域面積2.81km2，按照《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》（溝壑治理技術(shù)GB/T16453.3—2008）的有關(guān)規(guī)定，洪水計算時按工程實際控制面積計算，該工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核。

根據(jù)《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊》和《陜西省延安地區(qū)實用水文手冊》中推薦的公式，結(jié)合流域的實際情況設(shè)計洪峰流量計算采用24小時暴雨資料推求。由工程所在小流域，查《陜西省延安地區(qū)實用水文手冊》得多年最大24小時暴雨均值為53mm，變差系數(shù)CV為0.62，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，K20=2.21，K50=2.71，由此可計算得不同頻率的24小時暴雨量，參見表2。

表1 水位、庫容、面積關(guān)系表

表2 不同頻率24小時暴雨量、洪峰流量和洪水總量表

2.3 設(shè)計洪峰流量計算

根據(jù)實際情況，采用《延安地區(qū)實用水文手冊》中的洪峰流量推理公式法進行計算。

式中，Qp——重現(xiàn)期為N的設(shè)計洪峰流量，m3/s；

hτ——凈雨深，相應(yīng)于τ時段的最大凈雨，mm；

τ——流域匯流時間，h；

F——設(shè)計流域面積，km2；

L——沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；

m——匯流參數(shù)；

J——沿流程L的平均比降，以小數(shù)計。

計算結(jié)果參見表2。

2.4 設(shè)計洪水量計算

采用《水土保持治溝中型淤地壩技術(shù)規(guī)范》推薦的推理公式計算：

式中，WP——頻率為P的設(shè)計洪水總量，萬m3；

α——24小時暴雨徑流系數(shù)；

其他符號含義同前。

由 τ＝0.278L/(mJ1/2×Qp1/2)，已知溝道長度L＝2.63km，溝道平均比降J＝8.2%，及公式m=4.4[L/(F×J)1/2]0.225×hR-0.21計算出匯流參數(shù)，參見表2。

3 加固維修方案設(shè)計

3.1 調(diào)洪演算

原淤泥面高25.5m，高程為1420.5m；平墊后泥面高26.50m，高程為1421.5m，上游陽溝攔洪壩其下泄流量為：

經(jīng)計算W區(qū)設(shè)=3.2萬m3；W區(qū)校=5.06萬m3；

Q設(shè)=58.1+3.44=61.54m3/s；

W設(shè)=13.63+3.2=16.83 萬 m3；

Q校=77.2+5.04=82.24m3/s；

W校=19.96+5.06=25.02 萬 m3；

（1）溢洪道下泄流量的確定

應(yīng)用公式Q泄=Q洪(1-V滯/W洪)驗算。式中，Q泄——溢洪道設(shè)計流量，m3/s；

Q洪——設(shè)計洪峰流量，m3/s；

V滯——滯洪庫容，萬m3；

W洪——設(shè)計洪水總量，萬m3。

在設(shè)計情況下，設(shè)H＝1.22m。

查H～V曲線得，V滯＝12.13萬m3。

（2）溢洪道寬度B的確定

B=Q泄/（MH13/2）

式中，B——溢流堰寬，m；

Q泄——溢洪道設(shè)計流量，m3/s；

M——流量系數(shù)，取1.60；

H1——溢洪道深，m。

B=Q泄/（MH13/2）=17.19/（1.6×1.221.5）=7.97 m，取8m

故溢洪道底寬為8.0m，壩上水深為1.22m。

用同樣方法計算校核情況下，設(shè)h＝1.65，查庫曲線得V校＝16.73萬m3。

B=Q泄/（MH13/2）=27.25/（1.6×1.651.5）=8.03 m，溢洪道底寬為8.0m滿足校核下的下泄流量。

故該工程滯洪壩高為1.65m，滯洪庫容為16.73萬m3，溢洪道底寬b=8.0m。

3.2 壩體設(shè)計

按照《國標(biāo)》的規(guī)定，其設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年，因為是舊壩維修工程，所以本設(shè)計設(shè)置攔泥庫容為墊地方量。根據(jù)柳樹溝前溝中型淤地壩的作用和運用條件，以及對樞紐布設(shè)的要求，結(jié)合壩址地形條件，確定工程樞紐由壩體和溢洪道組成。

壩高H有攔泥壩高HL、滯洪壩高HZ和安全超高△H三部分組成，即

攔泥壩高為墊地高1.0m，則：VL=0萬m3，HL=26.5-25.5=1.0m。

滯洪庫容由前面調(diào)洪得16.73萬m3，滯洪壩高HZ=1.65m。

工程設(shè)計總庫容為：V總=V攔+V滯=0+16.73=16.73萬 m3。

安全超高按《國標(biāo)》的有關(guān)規(guī)定取ΔH取1.5m～2m，ΔH取1.85m。

工程設(shè)計壩高為：H設(shè)=H攔+H滯+△H=26.5+1.65+1.85=30.0m

原壩體高為30.0m，所以本工程需要加高壩體。根據(jù)《國標(biāo)》規(guī)定，結(jié)合實際情況，本工程擬定B=4m。原壩頂寬度為6 m，不需加固。該工程采用碾壓施工方式，根據(jù)《國標(biāo)》，上游壩坡為1：2.5下游坡比為原1：2；原壩坡比下游坡比也為 1：2。所以壩體不必加固。

3.3 溢洪道設(shè)計

柳樹溝前溝中型淤地壩，原溢洪道設(shè)在壩的右岸，溢洪道底部高程1421.5 m。溢洪道由進水段、控制段（寬頂堰）、明渠段、組成。全長108m，控制段（寬頂堰）斷面寬8.0 m，深 3.0 m，出口斷面寬 8.0 m，深 2.0 m。經(jīng)前面調(diào)洪計算和陡坡試算原溢洪道能滿足，不必加固。

3.4 排洪渠設(shè)計

根據(jù)實際情況，現(xiàn)場勘查擬排洪渠開挖在壩地右岸，排洪渠按照可以滿足20年一遇上游陽溝的下泄流量進行計算Q泄=3.44m3/s。斷面為梯形，底寬2.0m，底坡i=1/200，總長1440m，根據(jù)計算公式為:

用試算法求正常水深h，得h=0.763m。

故將排洪渠深確定為1.2m，底寬2.0m邊坡1:1.0，長1440.0m，頂寬0.5m。

4 施工技術(shù)及效益分析

4.1 施工技術(shù)要求

要求將浮土、雜物等全部清除，清除厚度按浮土、雜物深度而定，一般要求為40cm以上。排洪渠要在基土上開挖，渠道按設(shè)計的斷面開挖，開挖后要求修削平順。

4.2 效益分析

柳樹溝前溝中型淤地壩經(jīng)過整修后，年最大攔蓄洪水能力為16.73萬m3，使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙基本攔蓄。柳樹溝前溝中型淤地壩加固的直接經(jīng)濟效益為壩地種植效益：恢復(fù)利用壩地145畝，壩地利用率80%，可利用壩地116畝，壩地畝產(chǎn)按400kg計算，糧食單價為2.5元/kg，故壩地畝產(chǎn)效益為1000元，扣除每畝種植投入種子、化肥、農(nóng)藥等成本250元，每年可凈收入8.7萬元。按30年種植期計算，累計種植效益為261萬元。

5 結(jié)語

為了控制和防治水土流失，充分利用水沙資源，改變黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，減少入黃泥沙，促進退耕還林還草和封山育林，通過分析柳樹溝流域的自然條件、水沙資料、社會經(jīng)濟情況等資料，對溝道工程現(xiàn)狀和擬建工程壩址進行了實地勘測，提出壩體加固方案為開挖排洪渠、平墊壩地。根據(jù)實測橫斷面，計算墊地土方量為9.24萬m3，排洪渠開挖方量按斷面積×長度進行計算。柳樹溝前溝中型淤地壩加固后工程控制50年一遇洪水。陜西水利