淤地壩技術在龐前溝骨干壩工程中的應用

時曉東

（陜西省禮泉縣水土保持工作站,陜西 禮泉 713200）

0 引言

淤地壩建設是治理黃土高原地區水土流失、改善黃河生態環境的重要方式。中共中央、國務院2021 年10 月制定的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃剛要》,明確提出要突出抓好黃土高原水土保持,加大水土流失治理力度,以減少入河入庫泥沙為重點,積極推進小流域治理、淤地壩建設等水土保持重點工程[1]。因此,做好黃河流域淤地壩工程設計研究具有十分重要的現實意義。

1 工程概況

車房溝小流域位于陜西省銅川市東北18 km,流域總面積99.13 km2,系北洛河二級支流、黃河四級支流。地形地貌屬黃土殘塬丘陵溝壑區,地勢西南高東北低,地形差異明顯。全流域主溝道長12.66 km,溝道斷面主要為“U”型,平均比降7.1‰,溝壑密度2.54 km/km2。海拔高程在870.5 m~1233.9 m之間,相對高差363.4 m,水土流失面積86.02 km2。為了減少流域內水土流失,減少入黃泥沙,改善當地群眾生產條件,急需在該流域合理布設淤地壩工程。在充分勘查、調研、論證基礎上,2007 年12 月陜西省發改委對可行性研究報告予以批復,確定該壩系新修建骨干壩9 座、中型壩4 座,工程總庫容1032.60 萬m2。

龐前溝骨干壩是車房溝小流域壩系工程9 座骨干壩之一,位于主溝道上游支溝龐前溝溝口,壩控面積7.65 km2,按照“先支毛溝后干溝、先上游后下游”的流域治理部署,先行組織實施。龐前溝骨干壩壩高24 m,壩頂長118 m,上游壩坡比為1∶2.5；下游壩坡比為1∶2.0；馬道寬1.5 m。該壩總庫容為127.35萬m2,壩頂高程為1005.0m,其中攔泥庫容52.15 萬m2,相應的攔泥高程996.60 m,滯洪庫容75.20 萬m2,校核洪水位為1003.2 m。工程總投資209.39 萬元,建設工期10個月[2]。

2 壩型及施工方式選定

2.1 壩型選擇

為了優化工程設計,擬定了均質土壩、砂石筑砌壩兩種方案進行比選。

經過現場查勘,龐前溝骨干壩壩址上下游兩岸土料儲量豐富,土層深厚,土料質地良好,屬中粉質壤土,非常適宜筑壩,且取土便利。相比較砂石壩方案,土壩方案可以節約投資98 萬元,減少工期45 日。根據壩址處的地形地質條件,按照“因地制宜、就地取材、費省效宏、優質高效”的原則,確定建設壩型為均質土壩。

2.2 筑壩材料

我國黃土高原區壩體修筑材料一般采用黃土,經過試驗測定,當地土質為中粉質壤土,土壤質地良好,其滲透系數垂直Kt=1.04×10-5cm/s~1.72×10-5cm/s,水平Kt=0.56×10-5cm/s~1.40×10-5cm/s,天然含水率在13.8%~16.3%之間。壩體干容重最優含水量控制,經測定,土壤擊實后最大干容重為1.7 t/m3,筑壩壓實度按要求不小于96%,因此,填土干容重按1.64 t/m3控制。綜合以上數據分析,壩址兩岸土料能滿足碾壓筑壩的要求。

2.3 施工方式選擇

根據實測和了解,龐前溝溝道內無常流水,壩址兩岸土坡穩定,結構密實,能滿足建壩防滲要求,因此,在總結多年黃土高原區淤地壩建設經驗基礎上,基于工程安全和機械化施工提高效能目的,壩體施工采用機械碾壓法筑壩,部分人工配合；設壩后堆石排水體；放水工程臥管采用漿砌石砌筑,涵管采用預制鋼筋混凝土管,涵管的出口連接引水渠,引水

渠采用漿砌石砌筑[3]。

3 大壩樞紐組成及布設

龐前溝骨干壩控制流域面積7.65 km2,依據《淤地壩技術規范》（ST/T 804-2020）,根據該壩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,確定本工程樞紐設土壩和放水建筑物兩大部分。

3.1 壩體設計

3.1.1 壩高～庫容、面積關系的確立

利用庫區1∶10000地形圖,用求積儀法量取匯水面積S,水位分級為5m,按下式計算各級水位下的庫容。

式中：V為某一級水位下的庫容,萬m3；Si為第i級水位對應的淤地面積,萬m3；Zi為水位分級高差,m；Vi為分級水位所增加庫容,萬m3。

經計算,該壩壩高-庫容、面積關系曲線數據見表1。

表1 水位-庫容、面積曲線表

3.1.2 庫容計算

依據《水土保持治溝骨干工程技術規范》,淤地壩總庫容由攔泥庫容和滯洪庫容兩部分組成。攔泥庫容為設計淤積年限內的淤積總量,滯洪庫容在不設溢洪道時為一次校核洪水總量。

攔泥庫容按照下式計算：VL=N·WS/γ

式中：VL為攔泥庫容,萬m3；WS為多年平均輸沙量,萬m3/ a,3.52萬t/a；N為設計淤積年限,a,20年；γ為淤積泥沙干容重,γ=1.35 t/m3。

滯洪庫容按一次校核洪水總量確定,即VZ=W300=75.20萬m3。

工程設計總庫容：V總=VL+VZ=52.15+75.20=127.35萬m3。

3.2 壩體斷面尺寸確定

3.2.1 壩頂寬度按照《水土保持治溝骨干工程技術規范》,結合實際計算,龐前溝骨干壩壩高24 m,壩頂寬取4 m。

3.2.2 壩坡

淤地壩上下游坡比根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》推薦值,并通過以下壩體滲流穩定計算分析成果綜合確定。上游壩坡比為1∶2.5；下游壩坡比為1∶2.0。

3.2.3 壩坡排水及壩體排水

為提高工程運行期防御暴雨洪水的安全性,防止壩面遭受來自坡面及壩面的暴雨徑流沖刷,設計方案在馬道內側分別設置縱向排水溝,且沿壩體下游坡面設置岸坡排水溝,縱向及岸坡排水溝相互連通,使雨水順暢排向壩腳外。排水溝斷面尺寸取0.3 m×0.3 m,厚0.25 m,采用M7.5 漿砌石砌筑。

為了降低壩體浸潤線,防止壩坡土的滲透破壞和凍脹,增加下游壩坡穩定性,方案擬在下游壩腳處設一棱式排水體。排水體高4.0 m,頂寬2.0 m,內坡比1∶1.25,外坡比1∶1.5。與壩體及壩基的接觸面設排水棱體,排水體從內層至表面外層分別由卵石層、礫石層及砂層組成,最內層卵石厚0.2 m,其上的礫石厚0.15 m,最外層的砂厚0.15 m,干砌石塊層厚0.3 m。

3.2.4 壩基與岸坡結合

①清基：在土壩填筑前,應清除壩基范圍內的草皮、樹根、腐植土、淤泥及亂石,清除厚度不小于0.5 m；河床部位的第四系沖積洪積壤土夾卵石、結核及壩肩松軟的植被層土體必須清除,同時應清除壩基河床局部地段分布淤泥質壤土后方可作為壩基基礎。基礎開挖后要求輪廓平順,避免地形突變,如開挖后發現松軟地基,應按標準進行處理。

②結合槽：為防止壩體與壩基及兩岸坡結合處形成集中滲流,保證壩體與基礎緊密結合,增強穩定性。因此,沿溝道方向設三道結合槽,結合槽均采用梯形斷面,其中以壩軸線處為主,結合槽底寬2 m,深2 m,邊坡1∶1；壩軸線兩側結合槽底寬1 m,深1 m,邊坡1∶1。

③壩與岸坡結合：壩體與兩岸結合處,岸坡要開挖成平順的正坡,壩址兩岸的土質邊坡不陡于1∶1.5,石質邊坡不陡于1∶0.5,實際兩岸壩頂高程以下土質邊坡削坡至1∶1.5,壩頂高程以上土質邊坡削坡至1∶0.75,以防止高邊坡滑塌。同時在壩區種植低成本的植物,固土護坡,綠化美化生態環境。

3.2.5 大壩穩定分析

（1）計算方法及計算工況

本工程滲流計算方法采用黃河勘測規劃設計有限公司與河海大學共同研制的“土石壩穩定分析系統HH—LOPE”進行電算。

依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）要求,計算正常水位情況下的壩體穩定滲流,對于其它組合考慮到在設計洪水位和校核洪水位情況下,水位歷時較短,難以形成穩定滲流,故不進行計算。

（2）計算斷面及參數指標

計算斷面選取河床最大斷面,下游排水按排水體正常工作運用情況計算,壩體填筑土滲透系數采用土工試驗推薦值,水平滲透系數為0.25×10-5cm/s,垂直滲透系數為0.16×10-5cm/s。

（3）計算結果分析

計算工況：上游淤泥高程為996.6 m,下游水位981 m,排水體正常工作情況下的滲流。計算結果見表2。

表2 壩體土滲透坡降計算成果

從表2可以看出,壩體土滲透坡降小于允許滲透坡降,證明壩體滲透正常,不會發生滲透破壞。通過滲流計算所得壩體的單寬滲透流量為0.2045 m3/（d·m）,壩體的總滲透流量為24.95 m3/d。

另據計算得知,正常水位情況下壩體穩定滲流浸潤線逸出點高度為2.4 m,根據規范為了壩體安全確定壩后采用4.0 m高的棱式排水體。

4 放水建筑物布設

依據《水土保持治溝骨干工程技術規范》,根據實際地形地質條件,放水建筑物采用臥管式放水形式。臥管沿右岸坡布設,比降為1∶2.0,斷面尺寸選用0.8 m×0.8 m（寬×高）漿砌石砌筑；因為預應力鋼筒混凝土管具有承受內外壓較高、接頭密封性好、施工方便快捷等優點,涵管采用圓形鋼筋混凝土預制管,管徑0.8 m,管長81 m,比降1/100；涵管布設在溝邊堅硬地基上,涵管出口接比降1/100 明渠,長度28 m,再接1∶5.5的陡坡段,長31.91 m,明渠與陡坡間的水平夾角為123°,陡坡斷面采用0.8 m×1.0 m（寬×高）的漿砌石砌筑,陡坡后接消力池將下泄水流引入下游溝道排走。

5 結語

龐前溝淤地壩建成后,對壩控面積內的洪水泥沙就地攔蓄利用,可有效控制水土流失,明顯改善流域生態環境；能有效攔蓄300 年一遇的洪水,攔蓄泥沙52.15 萬m3,攔洪75.2萬m3,新增壩地12.62 hm2。從而有效治理了上游溝道水土流失問題,改善了區域生態環境,增加了當地農林種植效益,提高水土資源利用率,同時減少入黃泥沙,減少了下游清淤工程量和費用,促進了黃河安全度汛,收益良多。在此基礎上,應加快其余骨干壩的設計建設,以形成規模化治理鏈條和效應,創造更大的社會經濟效益,為黃河流域高質量發展提供更好的支撐。