佳縣新莊淤地壩洪水泥沙與大壩加高分析

劉碧堯

（佳縣水利工作服務中心，陜西 榆林 719299）

黃土高原區淤地壩眾多，受歷史條件限制大多沒有勘測設計資料，為淤地壩的除險加固增加了難度。新莊淤地壩經過超過40 a運行，基本淤滿，需進行加高處理。現以新莊淤地壩為例，對黃土高原區設計資料缺失的淤地壩除險加高進行探討。

1 概況

佳縣位于陜西省東北部，黃河中游西岸。新莊淤地壩工程位于佳縣劉國具鎮，隸屬新莊村，新莊村共有人口175人、壩地0.014 km2、梯田0.03 km2，人均基本農田0.000 8 km2。新莊淤地壩屬大陸性干旱半干旱季風性氣候，春季少雨干旱，冷熱劇變；夏季炎熱多雨，雷、暴雨頻繁；秋季氣溫適宜，秋高氣爽；冬季寒冷干燥、少雪，四季變化極為明顯。區域內多風，以西北風為主，年平均風速2.4 m/s，最大風速20 m/s；多年平均降水量395 mm，多集中在汛期7—9 月，占全年降雨量的68.2%[1]，且多以暴雨形式出現，年最大降雨量576.3 mm。新莊淤地壩溝道內無常流水，多年平均徑流深60 mm，水土流失面積為1.7 km2，治理度13.9%，多年平均侵蝕模數為2.0萬t（/km2·a）。

2 存在問題

新莊淤地壩是劉落則溝左支溝中游的一座控制性工程，上游現有1座中型壩和1座小型壩。始建于1975 年的佳縣新莊淤地壩，由土壩、涵臥管和溢洪道組成，主溝道長3.5 km，控制流域面積4.45 km2，溝道比降為2.96%。原壩高31 m，壩頂距淤泥面8 m，控制流域面積4.45 km2，總庫容191.09 萬m3，攔泥庫容118.76萬m3。

經過超過40 a運行，新莊淤地壩頂有2.1m×3.6 m、深1.8 m 和3.0 m×2.1m、深2.5 m 的洞穴，右岸涵臥管已毀壞，左岸土質溢洪道窄而淺，存在嚴重的安全隱患，需進行除險加固。根據可行性研究報告，新莊壩需加高壩體7 m 才可滿足設計要求。經實地勘測，1998 年當地群眾自發在該壩址上游549 m 處建有1座腰壩，壩高10 m，現基本淤滿。可行性研究報告的庫容曲線是在萬分之一地形圖上量取的，而該腰壩在萬分之一地形圖上沒有顯示，因此在地圖上量出的庫容值偏大。經計算，新莊淤地壩現需加高壩體16 m，從泥面起算為24 m。為了確保新莊淤地壩加高加固工程科學進行，需對溝道洪水和泥沙進行分析，以確定庫容和大壩加高的尺寸。

3 洪水泥沙分析

3.1 洪水分析

新莊淤地壩所在流域地質構造屬鄂爾多斯臺向斜，由西北向東南傾斜，流域主溝道及較大支溝中下游有幾米到上百米的基巖出露，上部頁巖較多，底部為泥砂巖層，在流域上游部分溝道出露紅色黏土層。該壩址處地表覆蓋層為第四紀的黃土層，厚約50～100 m。壩址處左岸有巖石出露，右岸為輕粉質壤土，土料儲量能夠滿足本次加高的需要，壩址左岸下游有舊土質溢洪道，便于放水建筑物出口的銜接。利用實測溝道縱橫斷面資料計算水位-庫容、水位-面積關系值，詳見表1。

表1 新莊骨干壩水位-庫容、水位-面積關系

新莊骨干壩位于劉落則溝中游左支溝，控制流域面積4.45 km2，洪水由暴雨產生，年最大洪峰主要發生在7—9 月，洪水歷時一般在12 h 內，峰頂滯時0.5～2 h，由于流域內山高坡陡，墾殖指數高，植被較差，溝道內沒有滯洪物，暴雨形成的產流較快，洪水一般來勢兇猛，歷時短，暴漲暴落，峰高量小，含沙量大，水峰沙峰相隨。計算洪水時按工程實際控制面積計算。設計洪峰流量采用《水土保持治溝骨干工程技術規范》（SL 289—2003）推薦的經驗公式中匯水面積相關法進行計算[2]，其計算公式為：

式中：QN為重現期N的洪峰流量（m3/s）；n為經驗指數，取0.68；F為流域面積（km2），取4.45 km2；CN為重現期N的地理參數，取值見表2。

從《榆林地區實用水文手冊圖集》中查得該流域位于Ⅰ區[3]，根據該區的地理參數和經驗指數計算該壩址以上不同頻率的洪峰流量，詳見表2。

表2 洪峰流量計算成果

洪量徑流系數采用榆林市水務局編寫的《榆林市治溝骨干工程及淤地壩擴大初步設計編制提綱及編制依據》中表六的數值，該流域中心年最大24 h暴雨均值為60 mm，基于皮爾遜Ⅲ型曲線Kp值表、變差系數Cv=0.68、Cs/Cv=3.5，計算不同頻率的暴雨量，計算成果詳見表3[4]。

表3 不同頻率下的洪水總量

3.2 輸沙分析

左支溝是典型的降水補給型河溝，洪枯水流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點，水位漲落最大變幅為2.19 m，多年平均徑流量0.429億m3。從地域分布上看，溝道泥沙來源主要集中在上中游。含沙量和輸沙模數從上游到中游呈遞減的趨勢，每年汛期6—9 月水量和沙量比較集中，分別占全年的65%和97%。年來沙的基本規律是來沙量隨著來水量的增加而加大，水沙比例基本一致，一般沙峰較水峰同步或滯后。基于《陜西省無定河流域佳縣腦畔圪塔小流域壩系可行性研究報告》中確定的流域多年平均侵蝕模數為2.0 萬t（/km2·a）[5]、控制流域面積為4.45 km2、泥沙容重取1.35 t/m3，根據多年平均輸沙量為控制流域面積乘以多年平均侵蝕模數再除以泥沙容重，經計算，得出新莊淤地壩控制流域年輸沙量為6.59萬m3。

4 地基分析

4.1 地質分析

庫區出露的地層為侏羅系中統榆林組（J2y）及第四系上更新統（Q3）和全新統（Q4）。

（1）第四系全新統（Q4）。殘坡積碎石土及壤土（Q4dl+el）分布于兩岸山頂及山坡，厚度不一；沖洪積砂及砂礫石（Q4pl+al）分布于谷底，厚度一般小于5 m。

（2）第四系上更新統（Q3）。淺黃色、灰黃色砂壤土、壤土，質地疏松，具有大孔隙，柱狀節理發育，含少量鈣質結核，主要分布于兩岸山坡及山頂，覆蓋于侏羅系中統延安組之上，厚10～100 m不等。

（3）侏羅系中統榆林組（J2y）。灰綠色長石砂巖與頁巖互層，表層強風化。

4.2 地質構造

壩址區為單斜巖層，傾向西北，傾角一般為3°～5°，整個庫區未發現斷層。巖層中主要發育2 組節理，其中L1，31°∠40°，節理面平直光滑，微張，無充填，延伸長度3～7 m；L2，80°∠78°，節理面平直粗糙，閉合，延伸長度2～4 m。工程區50 a超越概率10%一般場地條件下地震動峰值加速度＜0.05 g，相應地震基本烈度為Ⅵ度，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

4.3 水文地質條件

壩址區未見有水出露，地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，賦存于沖洪積砂礫石、殘坡積碎石土及砂巖裂隙中，主要接收大氣降水補給，直接排泄于溝谷。

4.4 覆蓋層與風化帶厚度

壩址河床覆蓋層巖性為砂礫石及砂壤土，厚度0～5 m；左右岸坡分布有0～15 m 厚的殘坡積物，主要為棕黃色的殘坡積砂壤土、壤土，可見少量碎石土。根據淺井和洛陽鏟揭露情況，壩址區基巖強風化層厚度約為2～3 m。

4.5 壩基承載力

壩基以泥巖與砂巖互層、中細砂、含泥砂礫石和黃土為主。根據試驗資料及工程類比，建議壩基強風化頁巖、砂巖承載力取300～400 kPa，中細砂承載力取100～150 kPa，砂礫石承載力取200～300 kPa，黃土承載力取100～110 kPa。

5 壩體加固方案分析

根據新莊淤地壩的病險情況和溝道內洪水、輸沙和地基情況，對新莊淤地壩進行除險加固分析。

5.1 壩型選擇

經現場查勘，新莊骨干壩壩址右岸土料豐富，壩址左岸有巖石出露，右岸土料儲量和土性指標均滿足筑壩要求，取土條件便利；壩基、壩肩結構完整，無軟弱帶和裂隙發育，兩岸邊坡無沖溝，無傾向下游的滑動面，適宜布設放水工程；壩基可開挖結合槽，遇石基做截滲齒墻。此次除險加固是在原壩的基礎上進行的，為了節約資金和資源，根據原壩建設情況和壩址處的地形地質條件以及土料豐富的情形，確定加固壩仍為均質土壩。本次加高采用壩前式加高，放水建筑物采用涵臥管，設在左岸，涵洞出口接明渠后自原溢洪道泄至下游河槽。該流域溝道內無常流水，施工方法采用機械碾壓筑壩。

5.2 壩高確定

新莊骨干壩的規模在100 萬～500 萬m3，工程等級為四級，設計洪水標準為30 a，設計淤積年限為20 a。其攔泥庫容為多年平均輸沙量乘以設計淤積年限，即6.59×20=131.8 萬m3，查水位-庫容曲線得攔泥壩高為18.42 m，現泥面高程為987.00 m，則本次設計淤積高程為1 005.42 m。滯洪壩高由滯洪庫容查水位-庫容曲線確定，按一次校核洪水總量確定滯洪庫容為57.83 萬m3；查水位-庫容曲線，得滯洪壩高為4.17 m，滯洪水位高程為1 009.59 m。安全超高按《水土保持治溝骨干工程技術規范》（SL 289-2003）的有關規定取1.41 m[6]。

綜上，工程設計總庫容為131.8+57.83=189.63（萬m3）。相對于泥面以上的總庫容189.63萬m3，目前該壩已淤庫容為118.76（萬m3），則該壩總庫容為189.63+118.76=308.39（萬m）3。工程設計壩高為18.42+4.17+1.41=24 m，則本次加高淤泥面以上壩高為24 m，相對于下游最大壩高為47 m。壩頂高程1 011.00 m，攔泥高程1 005.42 m，校核洪水位1 009.59 m。

5.3 壩體斷面尺寸確定

新莊骨干壩壩頂寬度取4.0 m，壩頂高程為1 011.0 m。上游坡比為1∶2.0；下游壩坡在舊壩頂處設1 條馬道，寬1.5 m，高程為995.00 m，馬道以上坡比為1∶1.5、以下舊壩坡比為1∶2.0。為保證壩體與壩基緊密結合、防止出現滲流，在壩軸線左岸坡上設1 道齒墻，底寬0.8 m，深入石基0.5 m，高1.0 m；在壩軸線右岸坡上設1 道結合槽，采用梯形斷面，底寬1.5 m，深1.5 m，邊坡1∶1.0。

5.4 大壩安全與穩定性分析

5.4.1 安全評價

新莊淤地壩始建于1975 年，原壩高31 m，壩頂平均寬25 m，外坡比1∶2.0，采用水墜法施工，已建成30 a。在30 a的運行過程中，沒有出現滲漏、流泥等破壞壩體的現象，因此現壩體整體保存完好，壩體已經穩定。雖然在壩外坡有一些小坑穴，那是由于疏于管護、降雨逐年沖刷造成的，只要本次對此進行整治，對壩體的整體安全沒有影響。而本次是在原壩體和淤泥面的基礎上加高的，雖然加高后的壩較高，但由于原壩是穩定的，所以大壩整體也是穩定和安全的。

5.4.2 壩坡穩定性分析

新莊骨干壩相對于下游最大壩高為47 m，總庫容308.39 萬m3，其運用方式為攔洪淤地。根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》（SL 289-2003）要求，結合已建工程的經驗，進行運用期下游的壩坡穩定性驗算。現采用《土坡穩定數圖解法》進行簡化計算。

根據有關試驗指標，采用類比的方法選取C=1.1 t/m2，Φ=23°，γ=1.8 t/m3。

下游壩坡平均坡率計算公式為：

式中：m為下游壩坡平均坡率；Hi為平均斷面高（m），取47 m；mi為坡比之和，取1.88。

經計算，得m=1.88。因為tgα=1/m=0.532，故坡角α=28°1′。

安全系數K值由試算確定，假定K=1.25，C、Φ折減后計算公式為：

式中：CK為折減后抗剪強度指標（t/m2）；C為折減前抗剪強度指標（t/m2）；K為安全系數；ΦK為折減后摩擦角（°）；Φ為折減前摩擦角（°）；N為抗剪強度比值系數；γ為土體的剪脹角（°）；H為高度（m）。

經計算，得CK=0.88 t/m2，ΦK=18.4°，N=0.01。查《小型水利手冊》，得坡角α=28°，與擬定的坡角接近，所以該壩坡的安全系數K=1.25＞1.05，該壩坡安全。

6 結論及建議

6.1 結論

新莊骨干工程的加固建設既是壩系建設中的需要，更是控制和防治水土流失、合理利用水沙資源、促進流域內退耕還林還草、帶動當地農業經濟發展的需要。針對新莊壩存在的病險問題，通過對溝道洪水和泥沙的論述探討，提出經濟科學的壩體加固方案。工程完工后，可攔截泥沙131.8 萬m3，淤地12.1 hm2，攔泥淤地作用較為顯著，而且還可保護下游村莊、道路的安全。

6.2 建議

（1）筑壩前先用水墜法將壩頂洞穴填與壩頂齊平，同樣用水墜法封堵涵臥管。在臥管涵洞里面灌入泥漿，讓泥漿不斷灌入斷面內，最后直至灌滿，再將臥管涵洞口用塊石封堵。

（2）要避開汛期施工，壩體在汛前必須達到防汛壩高。

（3）壩體完工后，對下游壩坡進行修整，要求坡面平整、密實；下游壩坡采用生物措施護坡，大于45°的密植檸條，整理范圍在右岸山體，上下游距離約100 m。