榆林市榆陽區(qū)王南溝骨干壩建設(shè)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(qū)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(qū)，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(nèi)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(nèi)有壩地1.98hm2，梯田20.1hm2，水澆地2hm2，主要農(nóng)作物有玉米、谷子、黃豆、土豆等。流域內(nèi)共有林地111.2hm2，其它林木105.9hm2。壩控流域面積4.47km2，屬安崖鎮(zhèn)王南溝村轄區(qū)。流域所在地氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)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(fēng)，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(fā)量為1575.6mm，多年平均風(fēng)速為2.1m/s，多年平均降雨量394.6mm。

2 水文計算

根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》，本工程總庫容在100～500（×104m3）之間，洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計，300年校核，設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)Kp值，即不同頻率P的暴雨量為H24,p=Kp·H24。經(jīng)計算不同重現(xiàn)期的暴雨量計算成果見表1。

2.2設(shè)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?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)，此壩上游控制流域面積內(nèi)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(shù)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）的有關(guān)規(guī)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(qū)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(shù)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(shù)CV為0.68，偏差系數(shù)CV與CS的比值CS/CV=3.5。可以計算不同重現(xiàn)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(shù)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(shù)，S=1.5萬t/（km2·α）；

F——流域面積，F(xiàn)=4.47（km2）；

γ——泥沙容重，取1.35 t/m3。

經(jīng)計算，壩控流域年輸沙量為4.97萬m3。

3 壩體設(shè)計

根據(jù)王南溝骨干壩的作用和運(yùn)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(shè)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(shè)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(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)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(guī)范》和已建工程經(jīng)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(shè)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(wěn)定，增加壩體的穩(wěn)定性，在背水坡壩腳處設(shè)斜臥式排水體。根據(jù)工程運(yùn)用條件和已建工程的經(jīng)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(hù)面。

3.5 壩面護(hù)坡及排水

工程竣工后，對土壩上下游壩坡設(shè)置護(hù)坡，護(hù)坡措施采用生物護(hù)坡。為防止暴雨沖刷，在下游壩坡處設(shè)置縱、橫向排水溝，即壩體與兩岸交匯處順壩坡布設(shè)縱向排水溝，在馬道內(nèi)側(cè)布設(shè)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(jié)構(gòu)，斷面尺寸0.3 m×0.3 m。

4 放水工程設(shè)計

4.1 放水工程結(jié)構(gòu)形式

王南溝骨干壩主要任務(wù)是攔截泥沙，排放清水，因此放水形式采用分級臥管。根據(jù)現(xiàn)場查勘，壩址左岸基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)形式為圓形預(yù)制鋼筋砼管，臥管下接消力池，后經(jīng)涵洞、明渠輸水后送入河槽。

4.2 臥管設(shè)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(shè)計放水流量Q設(shè)=20.87×104/（86400×5）=0.48m3/s。

臥管進(jìn)水孔采用園形正面進(jìn)水，用鑄鐵堵頭調(diào)節(jié)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(shè)計，經(jīng)計算，進(jìn)水孔徑取d=0.3 m，則Q放=0.54>Q設(shè)，滿足放水要求。

4.3 臥管斷面及結(jié)構(gòu)設(shè)計

臥管斷面尺寸確定時，考慮到由于水位變化而導(dǎo)致的放水孔調(diào)節(jié)，比正常運(yùn)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(yùn)石料，經(jīng)方案比較，采用預(yù)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(jìn)水孔底緣，使臥管內(nèi)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(jīng)計算，取管徑0.6 m、坡比1∶2能滿足泄流和檢修要求。

根據(jù)實際地形地質(zhì)條件經(jīng)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(jié)構(gòu)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(huán)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(shù)規(guī)范》要求臥管底部沿水平方向每隔8 m設(shè)一道0.5 m×0.5m的抗滑齒墻，以增加底板的穩(wěn)定。

4.4 輸水涵洞設(shè)計

涵管采用Φ80mm鋼筋砼圓管，進(jìn)口高程988 m，基礎(chǔ)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(huán)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(shù)規(guī)范》要求，底部每隔10 m設(shè)一道截水環(huán)，以防止?jié)B流，截水環(huán)厚0.6 m，伸出外壁0.4 m。

4.5 明渠設(shè)計

輸水涵洞后接明渠，明渠進(jìn)口高程為987.08 m。根據(jù)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(jié)構(gòu)尺寸查《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊》得：基礎(chǔ)厚0.3 m。側(cè)墻頂寬0.3 m。

5 結(jié)語

王南溝骨干壩是榆陽區(qū)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(jīng)過計算，最大壩高29.5 m，壩頂寬4 m，壩頂長133.54 m，設(shè)計總庫容145.22萬m3，共設(shè)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(hù)下游壩地的安全運(yùn)行。重要的是，能夠減少入黃泥沙，為國家節(jié)約下游清淤和筑堤費(fèi)，后期可攔泥99.4萬m3，淤地面積可達(dá)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(zhǔn)點，防止溝頭下切，促進(jìn)流域治理，帶動本地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。