黃土高原串聯壩建設方案探析
——以賀倉壩為例

劉 斌

（佳縣水土保持工作中心，陜西 榆林 719299）

黃土高原區水土流失嚴重，為擴大提升淤地壩建設效益，現以賀倉攔沙壩建設為例，對黃土高原區串聯壩建設進行探討。

1 概況

車會河系黃河中游右岸的一級支流，全長25.8 km，流域面積131.6 km2，河道比降13.4‰。流域屬黃土丘陵溝壑區和土石山區，溝壑縱橫，地面破碎；沿河兩岸有寬窄不等的溝臺川道。賀倉攔沙壩位于黃河右岸一級支流車會河上游，壩址以上控制流域面積3.66 km2，河長2.64 km，平均比降13.0‰。賀倉中型攔沙壩位于車會河流域中游右岸支溝內，行政隸屬于佳縣劉國具鎮賀家倉村，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量402 mm，平均風速2.4 m/s。

2 工程地質分析

工程區位于鄂爾多斯地臺東緣、呂梁山背斜西翼，區內出露有晚太古界片麻巖、元古界呂梁期片巖、大理巖和古生界海相地層，到二疊紀之后為陸相沉積，缺失侏羅系、白堊系沉積[1]。鄂爾多斯地臺從侏羅紀開始全區地殼上升，新生代以來區內主要堆積第四系黃土，僅個別洼地堆積有第三系紅土。距工程區較近的離石大斷裂，至少晚更新世以來是不活動或弱活動的。

2.1 岸坡穩定問題

庫區黃土岸坡坡高25～65 m，大部分呈上緩下陡的邊坡形態，上部緩坡坡度一般25°～35°，邊坡穩定；下部陡坡坡度一般50°～60°[2]，局部呈直立岸坡，穩定性較差，后期水庫蓄水預計會產生一定規模的塌岸破壞，對攔沙壩影響不大，后期攔沙壩淤積會進一步提高其穩定性，對攔沙壩安全運行基本無影響。庫區基巖岸坡主要分布于河谷底部，現狀坡度一般為60°～70°，局部為直立甚至倒坡。基巖產狀平緩，層厚穩定，岸坡整體穩定性好，局部發育的小型崩塌體對岸坡基本無影響。后期攔沙壩運行會進一步提高其穩定性。

壩址左岸高程955 m 以下為巖質邊坡，坡高約3.0 m，現狀坡度約75°，近于直立；高程955 m以上為黃土邊坡，總體坡高約66 m，現狀坡度約45°～60°。右岸高程957 m 以下為巖質邊坡，表面有坡積覆蓋，坡高約6.5 m，現狀坡度約37°。邊坡內部巖體坡度近于直立，產狀平緩，邊坡穩定性好。

巖質邊坡以上為黃土邊坡，邊坡黃土垂直節理發育，分布有小型沖溝，邊坡地形較破碎，無滑坡或滑塌體發育，整體邊坡基本穩定。

2.2 滲漏問題

庫區地形封閉，兩岸塬體寬厚，鄰谷直線距離較遠，切割深度相當，地形上不具備庫水外滲的條件。庫區基本不存在滲漏問題。經實際水力坡降計算與滲透穩定性分析可知，J實=0.19。由于J實＞J允，壩基存在滲透變形破壞可能，應設置壩基結合槽對壩基砂礫石進行截滲處理。

2.3 壩址及其上下游溝道工程情況

賀倉中型攔沙壩工程上游2.5 km 處有淤地壩1座，該工程為上世紀六七十年代建成，近年利用土地整治資金對該壩進行了除險加固，該壩由壩體、放水工程和泄洪建筑物組成，壩控面積3.58 km2，總庫容135 萬m3。參照《淤地壩技術規范》（SL/T804-2020）[3]，工程等級為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，設計洪水標準為30 a一遇，校核洪水標準為300 a一遇。該壩壩底高程高于賀倉攔沙壩壩頂高程11 m，目前工程狀況良好，正常運行中。

賀倉攔沙壩壩址上游原有住戶17 戶，由于土地增減掛鉤政策實施已整體移民搬遷至別處，左岸上部有1 條生產道路，故不存在攔沙壩建設的制約因素。

賀倉攔沙壩下游4.5 km 為暖渠山水庫，水庫壩址位于佳縣朱家坬鎮暖渠山村。該工程于1975 年10 月動工興建，1977 年9 月建成，是一座以攔沙、防洪為主，兼有灌溉、養殖等綜合利用的中型水庫。該水庫工程屬Ⅲ等工程，主要建筑物為3 級，總庫容1 550 萬m3，其中滯洪庫容650 萬m3，校核洪水位930 m，近年來對該水庫進行了除險加固，其設計洪水標準為50 a 一遇，校核洪水標準為1 000 a 一遇，設計最大下泄流量948 m3/s。目前，暖渠山水庫滿負荷運行，且回水末端距賀倉攔沙壩壩址1 km，賀倉攔沙壩壩底高程為942 m，故暖渠山水庫不會對上游的賀倉攔沙壩產生影響。

根據本壩所在小流域上下游溝道實際情況及單壩工程規模，按串聯壩調洪，賀倉中型攔沙壩控制面積確定為3.66 km2。

3 庫容分析

3.1 洪水泥沙分析

車會河大洪水均為暴雨洪水，洪水高度集中在7—8 月。洪水特點是暴漲暴落、歷時很短、峰形尖瘦、含沙量高，洪水異常迅猛。

根據《榆林地區實用水文手冊》分區，新建攔沙壩工程地處Ⅰ區，采用推理公式法分別計算P=0.33%和P=3.33%不同頻率洪峰流量和對應的洪水總量。從安全角度考慮，本工程設計洪峰流量107 m3/s，校核洪峰流量178 m3/s；設計洪水總量24.4 萬m3，校核洪水總量51.1 萬m3。在輸沙量計算時，結合《榆林地區實用水文手冊》中的輸沙模數以及項目可研批復取兩者中間值，得到賀倉新建骨干工程多年平均輸沙模數為1.8 萬t/（km2·a）。經計算，壩控流域年輸沙量為4.88萬m3。

3.2 工程建設規模

賀倉中型攔沙壩參照大型淤地壩建設標準，設計洪水重現期為30 a，校核洪水重現期為300 a，設計淤積年限為20 a。根據攔沙壩功能，工程總庫容由滯洪庫容和攔泥庫容組成，攔泥庫容及淤地面積通過查詢水位-庫容-面積曲線進行確定，滯洪庫容經調洪演算后確定。

3.2.1 水位-庫容-面積曲線的繪制

采用壩庫面積分層法在1∶2 000 地形圖上量算繪制水位-庫容-面積曲線，計算結果詳見表1。

表1 水位-庫容-面積曲線計算結果

3.2.2 攔泥庫容計算

攔泥庫容按下式進行計算：

式中：VL為攔泥庫容（萬m3）；Mo為侵蝕模數[t/（km2·a）]，取1.80 萬t/（km2·a）；F為壩控流域面積（km2），取3.66 km2；γ為泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3；N為淤積年限（a），取20 a。

經計算，得到VL=97.6萬m3。

3.2.3 滯洪庫容計算

（1）上游壩調洪。上游淤地壩洪水標準為30 a一遇設計、300 a 一遇校核，溢洪道進口底板高程1 000 m、寬8 m，洪峰流量和設計洪量如下：Q3.33%=105 m3/s，W3.33%=23.9 萬m3；Q0.33%=175 m3/s，W0.33%=50 萬m3。

溢洪道調洪演算按下列公式計算：

式中：qp為頻率P的溢洪道最大下泄流量（m3/s）；Qp為頻率P的設計洪峰流量（m3/s）；Wp為頻率P的設計洪水總量（萬m3）；VZ為滯洪庫容（萬m3），即設計淤積高程與設計洪水位間的庫容；M為溢洪道流量系數，寬頂堰取1.52；B為溢洪道底寬（m），取8 m；H0為計入行進流速的水頭（m）。上游壩溢洪道調洪演算結果，詳見表2。

表2 上游壩溢洪道調洪演算結果

公式法調洪演算結果為：溢洪道底寬8 m，在設計洪水條件下，下泄流量為60 m3/s，滯洪水深為2.9 m；在校核洪水條件下，下泄流量為110.7 m3/s，滯洪水深為4.36 m，滯洪庫容為18.34萬m3。

（2）賀倉壩調洪。賀倉攔沙壩洪水標準為30 a一遇設計、300 a 一遇校核，淤積高程971.72 m，洪峰流量和設計洪量如下：Q3.33%=107 m3/s，W3.33%=24.4萬m3；Q0.33%=178 m3/s，W0.33%=51.1萬m3。

設計工況下，最大下泄流量60 m3/s，從賀倉設計洪水過程線和時間流量曲線的交線得知，從開始到最大流量時間段為0~0.92 h，從上游壩時間流量曲線中得時間段為0~0.92 h，下泄洪水總量16.73萬m3。

校核工況下，最大下泄流量110.7 m3/s，從賀倉校核洪水過程線和時間流量曲線的交線得知，從開始到最大流量時間段為0~1.15 h，從上游壩時間流量曲線中得時間段為0~1.15 h，下泄洪水總量31.5萬m3。溢洪道下泄流量及調洪演算采用以下公式計算：

式中：qp為頻率P的溢洪道最大下泄流量（m3/s）；Qp為頻率為P的設計洪峰流量（m3/s）；WP為頻率為P的設計洪水總量（萬m3）；W'P為本壩泄洪開始至最大泄流量的時段內上游工程的下泄洪水總量（萬m3），設計工況下W'P=16.73 萬m3，校核工況下W'P=31.5萬m3；q'p為頻率為P的上游工程最大下泄流量（m3/s）；VZ為滯洪庫容（萬m3），即壩地淤泥面與設計洪水位間的庫容；M為溢洪道流量系數，寬頂堰取1.52；B為溢洪道底寬（m）；H為溢洪道水深（m）。賀倉壩溢洪道調洪演算結果，詳見表3。

表3 賀倉壩溢洪道調洪演算結果

公式法調洪演算結果為：溢洪道底寬10 m，在設計洪水條件下，下泄流量為56.16 m3/s，滯洪水深為2.39 m；在校核洪水條件下，下泄流量為120.23 m3/s，滯洪水深為3.97 m，滯洪庫容為48.16萬m3。

經合計，工程總庫容為145.76萬m3。

3.2.4 工程規模

賀倉攔沙壩設計淤積年限取20 a，設計總壩高35.5 m，總庫容145.76萬m3，其中攔泥庫容97.60萬m3、滯洪庫容48.16萬m3。工程建成后，可淤地10.44 hm2，攔截泥沙131.76萬t。

4 大壩設計

4.1 工程總布置

本工程壩型確定為碾壓式均質土壩，由壩體、放水建筑物和溢洪道組成。土壩壩軸線垂直溝道布設，壩頂長118 m，壩頂寬5 m，溝底高程為942 m，壩頂高程977.5 m，最大壩高35.5 m。上游壩坡坡比1∶2.5，下游壩坡坡比1∶2。下游坡腳設置棱式反濾體，長30 m，頂寬2 m，高4 m。外坡比1∶1.5，內坡比1∶1。在岸坡布設縱向排水溝，總長198 m。

放水建筑物布設在河道左岸，由臥管、臥管消力池、涵洞、出水渠等組成。溢洪道布置在河道右岸，由進口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠五部分組成。

4.2 壩體設計

4.2.1 壩高確定

壩高由攔泥壩高、滯洪壩高、安全超高三部分組成[4]，本次設計淤積年限20 a，攔泥庫容VL=97.60萬m3，查水位-庫容-面積曲線得攔泥壩高HL=29.72 m，設計攔泥高程為971.72 m。滯洪庫容VZ=48.16 萬m3，查水位-庫容-面積關系曲線得滯洪壩高HZ=3.97 m，滯洪高程為975.69 m。按照《淤地壩技術規范》（SL/T804-2020）的有關規定，安全超高ΔH=1.81 m，所以壩高H=HL+HZ+ΔH=29.72+3.97+1.81=35.5（m）。相應的壩頂高程為977.5 m。

依據《淤地壩技術規范》（SL/T804-2020），碾壓壩的沉降量取壩高的1%～3%。本工程壩體沉降量取壩高的2%，即35.5 m×2%=0.71 m。

4.2.2 壩體斷面尺寸確定

該壩為均質土壩，壩高35.5 m，按照《淤地壩技術規范》（SL/T804-2020）的要求，壩頂寬度取5 m，壩頂高程為977.5 m，壩頂長118 m。上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩坡坡比均為1∶2，下游壩坡每隔10 m高差布設1條寬1 m的馬道。

本工程控制流域面積3.66 km2，在20 a 的攔沙期內，形成攔泥庫容97.60 萬m3，可攔沙131.76 萬t，可淤地10.44 hm2。

5 效益分析

攔沙壩主要作用是攔泥、滯洪，該壩建成后能直接控制3.66 km2的洪水泥沙，在設計淤積年限內可攔泥沙97.6萬m3。

5.1 經濟效益

5.1.1 壩地種植效益

工程達到設計淤積年限后，可淤壩地10.44 hm2，壩地利用率按80%計算，實際可利用壩地8.35 hm2，壩地單產按12 000 kg/hm2計算、糧食單價按2 元/kg計算，每年種植效益年收入20.04 萬元，扣除每公頃壩地種植成本投入（種子、化肥、農藥的成本等）8 000 元，每年可凈收入約19.24萬元，按20 a種植期計算，累計種植效益384.9萬元。

5.1.2 攔泥減淤效益

該工程20 a 可攔泥97.6 萬m3，按40%泥沙可沉積下游河床，根據上游減少的下泄泥沙量替代下游河道相應節省的清淤及加堤費用計算，下游河床清淤費為10 元/m3，則20 a 計算期內攔泥效益為390.4萬元。

5.2 社會效益

溝道攔沙壩工程建設可有效地控制土壤侵蝕，為農業生產創造良好條件。該項目建成后，高產穩產壩地將達到8.35 hm2。壩地的大幅度增加，促使該村農民改廣種薄收為少種高產多收，農業生產將逐漸向集約化經營發展，勞動生產率明顯提高，農民收入得到較大提高。同時，土地資源得到充分開發利用，土地利用結構得到進一步合理調整。通過攔沙壩工程建設，壩頂作為連通鄉村級道路的橋梁，改善了當地交通條件，有力地促進農村經濟的發展和鄉村振興。

5.3 生態效益

攔沙壩的建設將會增加對洪水泥沙的攔蓄作用，促進退耕還林和封育治理的順利開展，從而使流域內嚴重的水土流失得到有效控制。同時，可有效地減少入黃泥沙，延緩下游河道淤積[5]。減輕水土流失、減小洪澇災害給農業生產造成的損失，為合理利用水資源創造有利條件。

6 結語

串聯壩的庫容、調洪能力和建設受上游壩影響較大。通過地質勘察和分析探討，賀倉攔沙壩設計壩高35.5 m，在20 a的攔沙期內，攔泥庫容97.60萬m3，可攔沙131.76 萬t，淤地10.44 hm2，經濟社會生態效益顯著。