吳起縣茍澗壩系設計方案探討

王啟懷

（吳起縣水土保持工作隊 陜西 吳起 717600）

1 概況

茍澗中型淤地壩位于吳起縣印峁子小流域（片），屬北洛河二級支流。該流域為典型的陜北黃土高原丘陵溝壑區第二副區。地貌以梁、峁、坡、溝組成，以梁為主，梁頂間偶有孤立峁，近分水嶺處以寬梁、長梁居多，溝口處以短梁居多，呈現出梁峁起伏，溝壑縱橫，坡陡溝深，地形破碎的黃土丘陵溝壑景觀。印峁子小流域（片）屬中溫帶半干旱氣候區，多年平均降水量為399mm，年際變化大，季節分配不均勻，6月～9月份占全年降水量的70%，且多以暴雨形式集中出現，所產生的洪水洪峰高，歷時短，含沙量高。泥沙主要來源于坡面侵蝕及切溝兩側的重力侵蝕，多年平均侵蝕模數為1.1 萬 t/(km2·a)。詳見表 1。

規劃建設的茍澗中型淤地壩控流域面積1.35km2，主溝道長2.1km，溝道比降2.13%，是印峁子小流域（片）壩系內的一座中型淤地壩。茍澗中型淤地壩屬劉泉溝行政村管轄，共有人口560個，人均耕地0.27hm2，人均基本農田0.1hm2。地勢大致由西南向東北傾斜，地質構造屬鄂爾多斯臺地，壩址河床處巖石出露，裂隙發育不明顯，有利于壩基防滲。

2 水文分析計算

2.1 設計洪峰流量計算

根據《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》和《陜西省延安地區實用水文手冊》中推薦的公式，結合流域的實際情況，設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《陜西省延安地區實用水文手冊》得多年最大24小時暴雨均值為54mm，變差系數CV為0.62，偏差系數CS與變差系數CV的比值 CS/CV為2.5，從皮爾遜Ⅲ型曲線上查得相應頻率的模比系數KP值分別為K10=1.83，K20=2.21，K50=2.71，計算得不同頻率的24小時暴雨量見表2。由τ=0.278·L/（m J1/3·QP1/4），根據有關資料計算出不同頻率的設計洪峰流量，并綜合匯水面積相關法、綜合參數法，分析得不同頻率的設計洪峰流量見表2。

2.2 設計洪水總量計算

由《陜西省延安地區實用水文手冊》計算得不同頻率的設計洪水總量見表2。

2.3 年輸沙量計算

利用《印峁子小流域（片）壩系建設可行性研究報告》中的輸沙模數，得茍澗中型淤地壩多年平均侵蝕模數為1.1萬t/(km2·a)。工程控制流域年輸沙量用下式計算：

式中，WS——多年平均輸沙量（萬m3/α）；

S——多年平均侵蝕模數，取1.1萬T/km2·α；

F——壩控面積（km2），1.35km2；

γ——泥沙容重，取1.35t/m3；

經計算，壩控流域年輸沙量為1.1萬m3。

3 大壩設計

根據茍澗中型淤地壩工程的作用和運用條件，以及對樞紐布設的要求，結合壩址地形條件，確定工程樞紐由壩體和放水工程組成。

3.1 土壩設計

茍澗中型淤地壩工程壩址溝道內為季節性流水，不能滿足水墜要求，經現場查勘，溝道兩岸土料豐富，土料儲量和土料性質均滿足筑壩要求，按照因地制宜、就地取材的原則，將壩型確定為均質碾壓土壩。按照《水土保持綜合治理技術規范》的規定，茍澗中型淤地壩工程規模在10萬m3～50萬m3之間，其設計洪水標準為20年，校核洪水標準為50年。根據其在壩系中的作用，以滯洪攔泥為主，滯洪排清為后期增加淤地面積，結合壩址地形條件，設計淤積年限取10年。

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—庫容曲線確定HL=12.6m，設計淤積高程為▽L=1388.6m，F淤=29.1畝。滯洪壩高由滯洪庫容查水位—庫容曲線確定。滯洪庫容按一次校核洪水總量確定，VZ=W50=9.75萬m3，查水位—庫容曲線得，HZ=3.9m，滯洪水位高程為▽Z=1392.5m。

安全超高按《水土保持綜合治理技術規范》的有關規定取ΔH=1.5m。

工程設計總庫容為：

工程設計壩高為：

壩底高程為1376.0m，頂部高程為1394.0m，壩高18.0m，壩頂長58.0m。按照《水土保持綜合治理技術規范》和已建工程經驗，不考慮其交通要求，壩頂寬度取3.0m。根據《水土保持綜合治理技術規范》，上游壩坡比為1∶2.0，下游壩坡比馬道以上為1∶1.5，馬道以下1∶2.0。馬道高程為1386.0m。因該溝道內有季節性流水，故采用棱式反濾體排水方式。反濾體高4.0m，頂寬1.5m，其下游坡比為1∶1.5，上游坡比為1∶1。反濾體由粗砂、碎石、干砌石組成，砂層與碎石層厚度均為0.20m，干砌塊石層厚0.3m，粗砂粒徑0.25mm～2mm，碎石粒徑3mm～50mm，塊石100mm～400mm。

3.3 基礎處理

在建壩前要對建壩范圍內所有樹根、草皮、腐殖土、淤泥、亂石等雜物清理，并運輸到壩腳以外，清基厚度為0.4m。開挖后發現石基，需將風化石及疏松層清除；若發現破碎帶、洞穴、水井、墓穴等均應視具體情況進行特殊技術處理，如采用灌漿、回填夯實等技術措施處理。處理后基礎要求輪廊平順，避免地形突變。壩體與岸坡結合應采用斜坡平順連接，岸坡整修成正坡，土坡不陡于1∶1.5，石坡不陡于1∶0.75。為防止壩體與壩基結合處形成集中滲流，保證壩體與基礎緊密結合，沿壩軸線方向從溝底到岸坡開挖一道結合槽，采用梯形斷面，土質結合槽底寬1.5m、深1.5m，邊坡比為1∶1，石質結合槽底寬1.5m，深1.5m，邊坡比為1∶0.75。施工時必須將岸坡土的漏斗陷穴處理好，必要時用泥漿灌注。等灌滿固結后方可施工。同時對泉水要用粘土堵孔或鋪設砂石導濾排水管，將水排出壩外。工程竣工后，為使壩體免遭暴雨洪水沖刷，對土壩上游淤積面以上壩坡和下游壩坡設置護坡，護坡措施采用生物護坡，即上下游壩坡處密植紫穗槐，壩頂兩邊栽植油松。在下游壩體與兩岸交匯處順壩坡布設縱向排水溝，排水溝采用漿砌石結構，斷面尺寸取0.3m×0.3m。

表1 流域水文氣象特征表

表2 不同頻率24小時暴雨量、洪峰流量和洪水總量表

4 放水工程設計

茍澗中型淤地壩工程主要任務是攔泥排清，即在設計洪水情況下，沉淀泥沙，排出清水，因此，進水形式采用分級臥管。根據現場查勘情況，壩址左岸坡較緩，布置放水臥管開挖量較小，因此，臥管布置在上游左岸，坡度為1∶2，臥管下接消力池，后經涵洞輸水、陡坡泄水后輸入河槽。整個放水工程除臥管和消力池蓋板采用人工混凝土澆筑外，其余工程全部采用漿砌塊石砌筑，石料標號不低于300#。

4.1 設計放水流量的確定

為了保證壩地的利用率和保收率，故放水流量采用4天泄完20年一遇一次洪水總量確定，則：Q放=W20/（4×24×3600）=6.68×104/（4×24×3600）=0.19m3/s.

臥管流量按設計流量增大20%確定。

4.2 臥管放水孔尺寸的確定

臥管采用單排平孔進水方式，臺高0.4m，同時開啟上下三臺三孔放水。計算公式為：

4.3 臥管斷面及結構設計

根據地形條件，臥管底坡采用1∶2，臥管最低進水孔高程1382.0m，最高進水孔高程為1394.0m，臥管高12.4m，共30臺。根據Q加=0.23m3/s，查《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》表4—24、表 4—33、表 4—35查出斷面尺寸為0.4m×0.4m（寬×高），側墻頂寬0.3m，側墻底寬0.40m，基礎厚度0.3m，基礎外伸0.10m，搭接長度0.15m，蓋板厚度0.15m。為增加臥管穩定性，在其底部每隔8m做一道厚0.5m、寬0.5m的齒墻。經試算，臥管末端正常水深為0.12m。為防止臥管放水時發生真空，在臥管頂部設有通氣孔。

4.4 消力池設計

消力池深度、長度尺寸參考《陜西省水土保持治溝骨工程技術手冊》表4—24查得池寬0.80m、池深0.55m、長度為3.9m。消力池為漿砌石矩形結構，采用M10水泥砂漿砌塊石，結構尺寸參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》表4—34、表4—35，查得側墻頂寬0.60m，側墻底寬1.20m，基礎厚度0.50m，基礎外伸 0.20m，搭接長度 0.30m，蓋板厚度0.27m。

4.5 輸水涵洞設計

涵洞進口高程1380.13m，基礎為原狀黃土，比降1∶100，涵洞全長55.5m。按規范要求，為便于施工及檢修，涵洞凈高不得小于1.2m，因此涵洞斷面選用0.8m×1.2m。經計算，洞內正常水深0.27m。涵洞結構為漿砌石拱形結構，拱圈厚0.30m，起拱半徑0.40m，平樁高0.8m，拱座頂寬0.35m，拱座底寬0.9m，基礎厚度0.3m，外伸0.1m，涵洞全部采用M10水泥砂漿砌塊石，涵洞底部每隔10m設一道截水環，以防止滲流，截水環厚0.5m，伸出外壁0.5m。

4.6 明渠設計

輸水涵洞后接明渠，明渠由緩坡段和陡坡段兩部分組成，緩坡段比降1∶100，緩坡段長15.0m。緩坡段后接陡坡段，根據地形條件，陡坡段坡比采用1∶3，斜長7.3m，陡坡出口高程為1377.12m，總落差2.3m，采用矩形斷面，M10水泥漿砌石砌筑，底部每隔10m砌一道抗滑齒墻，尺寸為0.5m×1.0m，明渠斷面尺寸由水力計算確定為0.20m。

緩坡段斷面為0.8m×0.8m，陡坡段斷面為0.8m×0.8m，在陡坡段進口設寬0.5m，深1.0m的齒墻。明渠側墻頂寬0.35m，底寬0.9m，基礎厚度0.3m，外伸0.1m。根據實際地形，陡坡段末端為堅硬巖層，因此陡坡末端只做深1.5m，寬1m的齒墻送入下游河槽。

5 結語

為了提高溝道抗洪能力，減少水毀災害，減少入黃泥沙，使水沙資源得到充分利用，并增加高產穩產農田，提高當地農民收入，擬新建茍澗中型淤地壩。經過勘探計算，設計茍澗中型淤地壩最大壩高18.0m，壩頂長50.8m，總庫容20.75萬m3，攔泥庫容11.1萬m3，滯洪庫容9.75萬m3。臥管最低放水孔高程▽1382.0m，臥管最高放水孔高程▽1394.0m，臥管長度27.73m。涵洞進水口高程▽1380.13m，涵洞長度55.5m。工程建成后，可攔泥11.0萬m3，新增壩地29.1畝，同時，工程可抬高溝道侵蝕基準點，防止溝頭下切，促進流域內坡耕地退耕還林還草，帶動本地經濟的發展。