榆林市榆陽區王南溝骨干壩建設方案探析

張 峰

（榆林市水利工作隊 陜西 榆林 719000）

1 概況

王南溝骨干壩位于榆陽區東部開光川小流域白南溝支溝王南溝村，屬開光川水系一級支流，是典型的黃土丘陵溝壑區，地勢西北高，東南低，呈南北走向。地貌以坡為主，溝壑縱橫，梁峁林立，溝谷深切，地形破碎，主溝道內有常流水。該流域土壤以黃綿土為主，一般梁峁頂部為黃綿土，陡坡地為紅膠土，溝坡及溝谷為出露的沉積砂巖。在3級～5級溝道兩岸及部分支毛溝溝底部都有基巖出露，高度在5 m～55 m，形成窄溝陡坡，懸崖峭壁。

工程所在流域涉及王南溝一個行政村，共有人口178人，工程控制流域內有壩地1.98hm2，梯田20.1hm2，水澆地2hm2，主要農作物有玉米、谷子、黃豆、土豆等。流域內共有林地111.2hm2，其它林木105.9hm2。壩控流域面積4.47km2，屬安崖鎮王南溝村轄區。流域所在地氣候屬中溫帶大陸性季風干旱半干旱草原性氣候，特點是冬季干冷漫長，春季干燥多風，夏季干燥炎熱，秋季涼爽短促，日照充足，溫差較大，雨熱同季，四季分明。多年平均蒸發量為1575.6mm，多年平均風速為2.1m/s，多年平均降雨量394.6mm。

2 水文計算

根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》，本工程總庫容在100～500（×104m3）之間，洪水重現期為30年設計，300年校核，設計淤積年限為20年。即工程等別為四等，主要建筑物為4級。

2.1設計暴雨量計算

利用24小時暴雨等值線圖，查得流域重心處雨量H24=64mm，利用二十四小時暴雨量變差系數Cv等值線圖，查得Cv=0.68，Cs/Cv=3.5，再查皮爾遜Ⅲ型曲線得不同頻率P的模比系數Kp值，即不同頻率P的暴雨量為H24,p=Kp·H24。經計算不同重現期的暴雨量計算成果見表1。

2.2設計洪水總量計算

王南溝骨干壩控制流域面積4.47km2，主溝長2.8km，溝道平均比降1.5%，壩控流域屬黃土丘陵溝壑區第Ⅰ副區，此壩上游控制流域面積內有1座中型壩，2座小型壩。不考慮其減沙減洪作用,按照《水土保持治溝骨干工程技術規范》（以下簡稱《規范》）的有關規定，洪水計算時按工程實際控制面積計算。由《陜西省榆林地區水文手冊》查得，該壩控流域中心多年最大24時暴雨均值為64mm，不同頻率24小時暴雨徑流系數分別為:α10=0.41，α20=0.43，α30=0.45，α50=0.46，α100=0.47，

α300=0.49，α500=0.5。變差系數CV為0.68，偏差系數CV與CS的比值CS/CV=3.5。可以計算不同重現期的暴雨量、洪水總量。

2.3年輸沙量計算

由于工程所在小流域缺乏實測資料，因此在輸沙量計算時，多年平均侵蝕模數直接采用可研確定的1.5萬t/km2·a計算。則工程控制流域年輸沙量用下式計算：

Ws=S·F/γ

式中，WS——多年平均輸沙量，萬m3/α；

S——多年平均侵蝕模數，S=1.5萬t/（km2·α）；

F——流域面積，F=4.47（km2）；

γ——泥沙容重，取1.35 t/m3。

經計算，壩控流域年輸沙量為4.97萬m3。

3 壩體設計

根據王南溝骨干壩的作用和運用條件，以及對樞紐布設的要求，結合壩址地形條件，確定工程樞紐組成為“二大件”，即土壩和放水涵臥管工程。

表1 不同頻率24小時暴雨量、洪水總量表

3.1 庫容計算

攔泥庫容VL用VL=N·WS計算。

式中，VL——攔泥庫容，萬m3；

WS——多年平均輸沙量，萬m3/α；

N——設計淤積年限，α。

則：VL=20×4.97=99.4萬m3。

滯洪庫容按一次校核洪水總量確定，即VZ=W300=45.82萬m3。

總庫容V總等于攔泥庫容VL+滯洪庫容VZ，即:V總=VL+VZ=99.4+45.82=145.22萬m3。

3.2 壩高確定

壩高H由攔泥壩高HL、滯洪壩高Hz和安全超高ΔH三部分組成。查水位—庫容曲線得，HL=24.46 m，設計淤積高程為▽L=1002.46 m。滯洪庫容按一次校核洪水總量確定，即VZ=W300=45.82萬m3；查水位—庫容曲線得，HZ=3.15 m，滯洪水位高程為▽Z=1005.61 m。安全超高按《水土保持治溝骨干工程技術規范》的有關規定取ΔH=1.89 m，壩頂高程為▽=1007.5 m。則H=HL+Hz+ΔH=24.46+3.15+1.89=29.5 m。

3.3 壩體斷面尺寸

按照《規范》和已建工程經驗，王南溝骨干壩壩頂寬度取4.0 m。迎水坡坡比采用1∶2.5，背水坡坡比在壩高10 m以下采用1∶2.5，壩高10 m以上采用1∶2，壩高20 m以上采用1∶1.5。

3.4 排水設施

因王南溝骨干壩壩體較高，且溝道有常流水，為了保證下游壩坡的穩定，增加壩體的穩定性，在背水坡壩腳處設斜臥式排水體。根據工程運用條件和已建工程的經驗，采用貼坡式排水體，排水體高度為6.0 m，底寬1.5 m，反濾料粗砂層厚度0.2 m，碎石厚0.3 m，外層用厚0.5 m的干砌塊石護面。

3.5 壩面護坡及排水

工程竣工后，對土壩上下游壩坡設置護坡，護坡措施采用生物護坡。為防止暴雨沖刷，在下游壩坡處設置縱、橫向排水溝，即壩體與兩岸交匯處順壩坡布設縱向排水溝，在馬道內側布設一條橫向排水溝，縱橫向排水溝相互連通。排水溝采用漿砌石結構，斷面尺寸0.3 m×0.3 m。

4 放水工程設計

4.1 放水工程結構形式

王南溝骨干壩主要任務是攔截泥沙，排放清水，因此放水形式采用分級臥管。根據現場查勘，壩址左岸基礎較好，岸坡較緩，開挖量較小，因此臥管布置在上游左岸，坡度為1∶2，結構形式為圓形預制鋼筋砼管，臥管下接消力池，后經涵洞、明渠輸水后送入河槽。

4.2 臥管設計

按五天泄完10年一遇一次洪水總量計算。由水文計算知：W10=20.87萬m3。

則：設計放水流量Q設=20.87×104/（86400×5）=0.48m3/s。

臥管進水孔采用園形正面進水，用鑄鐵堵頭調節控制水量。臥管孔口斜距1.0 m，孔間水位差0.45 m，按同時開啟3孔放水設計，經計算，進水孔徑取d=0.3 m，則Q放=0.54>Q設，滿足放水要求。

4.3 臥管斷面及結構設計

臥管斷面尺寸確定時，考慮到由于水位變化而導致的放水孔調節，比正常運用時的流量加大20%，即加大流量Q加=Q放（1+20%）=0.54×1.2=0.65m3/s。

王南溝附近石料缺乏，且需外運石料，經方案比較，采用預制砼管，臥管坡比確定為1∶2。考慮到放水孔水流跌落臥管時的水柱躍起不致淹沒進水孔底緣，使臥管內不形成壓力水流，正常水深約為管徑的40%，初步擬定臥管的管徑為0.6 m。假若水深為0.18 m時，由明渠均勻流公式計算放水流量。經計算，取管徑0.6 m、坡比1∶2能滿足泄流和檢修要求。

根據實際地形地質條件經分析研究確定臥管最低一級放水孔底高程為990 m，臥管最高一級放水孔底高程為1006.65 m，臥管頂高程為1007.5 m，通氣孔尺寸為0.5 m×0.5 m，高度為1.66 m，則臥管垂直總高度16.65 m，共38個放水孔。其結構尺寸查小型水利手冊得：管璧厚0.1 m，漿砌石管床厚0.3 m，鋪底寬2.1 m。接頭用套環連接，石棉繩、石棉粉水泥砂漿填縫，M 10水泥砂漿抹帶。按《水土保持治溝骨干工程技術規范》要求臥管底部沿水平方向每隔8 m設一道0.5 m×0.5m的抗滑齒墻，以增加底板的穩定。

4.4 輸水涵洞設計

涵管采用Φ80mm鋼筋砼圓管，進口高程988 m，基礎為原狀黃土，比降1∶100，涵洞全長92 m。涵管璧厚0.1 m，漿砌石管床厚0.4 m，鋪底寬1.8 m，涵管管床采用M 7.5漿砌塊石，接頭用套環連接，石棉繩、石棉粉水泥砂漿填縫，接縫寬2cm，用瀝青麻繩塞填，M10水泥砂漿抹帶。按《水土保持治溝骨干工程技術規范》要求，底部每隔10 m設一道截水環，以防止滲流，截水環厚0.6 m，伸出外壁0.4 m。

4.5 明渠設計

輸水涵洞后接明渠，明渠進口高程為987.08 m。根據地形條件，坡比采用1∶100，明渠長50 m，明渠出口高程為986.58 m，總落差0.5 m，采用矩形斷面，底寬0.8 m，渠深為0.8 m，均采用M 7.5水泥砂漿砌石砌筑，M 10水泥砂漿勾縫。其結構尺寸查《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》得：基礎厚0.3 m。側墻頂寬0.3 m。

5 結語

王南溝骨干壩是榆陽區開光川小流域白南溝支溝中游處的一座控制性骨干工程，經過計算，最大壩高29.5 m，壩頂寬4 m，壩頂長133.54 m，設計總庫容145.22萬m3，共設38個放水孔。臥管高度16.65 m，涵洞長度92 m，明渠長度50 m。該壩建成后可控制300年一遇的洪水，提高主溝的防洪能力；前期可攔蓄洪水徑流，保護下游壩地的安全運行。重要的是，能夠減少入黃泥沙，為國家節約下游清淤和筑堤費，后期可攔泥99.4萬m3，淤地面積可達183.75畝，上攔下保作用十分顯著。同時，工程可抬高溝道侵蝕基準點，防止溝頭下切，促進流域治理，帶動本地經濟的發展。