淤地壩工程建設技術及效益研究

薛彩琴

(陜西省宜川縣水土保持工作隊，陜西 宜川716200)

宜川縣地處由破碎黃土原、梁、峁組成的黃土高原丘陵溝壑區，原面支離破碎，缺乏植被，溝壑切割強烈，水土流失極為嚴重。全縣共有6條流域75條小流域，海拔高程在800 m～1 400 m，溝深多在150 m～200 m之間。經過20多年淤地壩試驗與研究，獲得大量的第一手試驗研究資料和實踐經驗，淤地壩工程建設技術及效益，研究成果在實踐中得到了應用，在黃土高原地區的淤地壩工程建設，改善生態環境，加快群眾脫貧致富，促進水土保持科技的全面進步具有一定的現實意義。

1 淤地壩工程建設試驗研究

1.1 試驗區選擇

根據河流水文、泥沙特點、水土流失規律及溝道工程建設現狀，針對目前壩系工程運行中存在的問題，結合流域壩系建設和經濟開發特點，在宜川縣開展以淤地壩為主要措施的試驗研究和示范推廣工作。

宜川縣羊圈溝淤地壩工程，位于宜川縣丹州鎮羊圈溝流域，該流域屬黃河二級支流，仕望河一級支流，屬破碎原區。該流域面積為3.7 km2，均為水土流失面積。流域內丘陵起伏，溝壑縱橫，地形支離破碎，植被稀疏，降水集中，水土流失十分嚴重。

羊圈溝流域總面積35.87 km2，均為水土流失面積。

該壩控制面積3.7 km2，溝床平均比降2.83%，壩址處地形狹窄，溝底寬10 m，壩址兩側山坡均有大量黃土覆蓋，土料充足，適宜筑壩。

羊圈溝淤地壩工程由壩體、放水工程和溢洪道三大件組成。采用20年一遇洪水標準設計，200年一遇洪水標準校核，設計壩高22 m，總庫容54萬 m3，其中攔泥庫容43.9萬m3，淤積年限為20年，可淤地76畝。

1.2 科學規劃，規范設計

根據技術規范，結合宜川縣水系分布情況、自然條件和水土流失規律，堅持“人與自然和諧相處、突出重點、溝坡兼治”的原則，以大支流域為單位，全面規劃，梯級開發，規模修建，形成綜合利用壩系。本著先易后難，相對集中的原則，選擇坡面治理有一定基礎的羊圈溝流域，上、中、下游，干、支、毛溝實地踏勘全面規劃;建設時序上優先安排重點區塊，加大投資;規劃整體達到水沙沖淤相對平衡。

在小流域壩系可行性研究報告的編制中，考慮以治溝骨干工程為重點，合理布設各類大中小型攔蓄工程，讓它們聯合運用，功能互補;以效益優先，最大限度地利用溝道水沙資源，并考慮改善交通條件及解決干旱區的人畜飲水;以壩系相對穩定為前提，單壩控制;以干溝分段，支毛溝分片，片段共治，充分發揮各單壩的防洪、攔泥和生產作用;以骨干壩區間控制面積基本均衡，盡量考慮到骨干壩一次設計，分期加高，并盡可能達到最終壩高等因素編制每條壩系的可行性研究報告。

在淤地壩工程單壩設計上，嚴格按照可研批復的壩址位置，對壩址所控制的庫區和壩址地形進行實地測量，配合CAD制圖，加快工作進度，提高基礎資料的質量、精度，為設計提供真實可靠的基礎依據;合理布設放水建筑物，臥管，采用垂直于涵管方向布設，壩體外泄水建筑物采用明渠排水，出口溝道為巖石的做挑流鼻坎。壩體均采用黃土碾壓形式填筑。對于溝底為較厚泥砂基礎的，采用人工夯筑灰土并增設一道心墻的辦法做防滲設計使壩體放在老土基礎上;既利于結合穩定，又能截水，壩體與岸坡結合部布設縱橫排水溝，以確保壩體安全運行。在工程規模，嚴格按照實測的庫區地形圖，計算總庫容，并繪制壩高－庫容－淤地面積關系曲線圖，再根據水文泥沙分析計算，最后確定工程規模;在建筑物結構尺寸確定中通過詳細的水力計算，合理確定結構尺寸。

2 設計與參數選取

根據暴雨資料推求設計洪水參數，暴雨資料按《延安地區實用水文手冊》計算選取 P(%)=0.2、0.33、0.5、0.1、2、3.33、5、10等八個不同頻率。根據《延安地區實用水文手冊》推求設計洪水參數。

3.1 設計洪水、洪峰流量

根據《延安地區實用水文手冊》查得設計暴雨分配雨型，對設計暴雨過程進行產、匯流計算，得出凈雨量。根據經驗公式推求設計洪水和洪峰等水文參數。

3.1.1 設計洪峰流量計算

袁家河流域設計洪峰流量，根據實際情況，采用洪峰流量推理公式法進行計算。

式中:Qp為重現期為N的設計洪峰流量(m3/s);hτ為相應于τ時段的凈雨(mm);τ為流域匯流時間(h);F為設計流域面積(km2);

表1 不同頻率洪峰流量模數表

3.1.2 設計洪水總量計算

根據陜北丘陵溝壑區經驗公式:

Wp=1000htcF

式中:Wp為重現期為 p的洪水總量(萬m3);htc為相應于TC時段的凈雨(mm);F為流域面積(km2)

表2 不同頻率洪水總量模數表

3.1.3 設計洪水過程線計算

該流域設計洪水過程線采用概化三角形過程線。

根據《陜西省水土保持治溝骨干工程技術手冊》中洪水歷時計算公式為:

Tp=5.56 × Wp/Qp

式中:Tp為洪水總歷時，h;其它符號同前。

漲水歷時公式為:

t1=dt1×Tp

式中:t1為漲水歷時，h;dt1為漲水歷時系數，一般為0.13 ～0.17，這里取 0.167。

圖1

3.1.4 調洪演算

根據壩地生產要求，允許洪水深為0.7m～1.2m，取1 m。設滯洪壩高2.5 m，由H－V曲線查得:溢流堰比淤積面低1.5 m。

按20年一遇洪水求排洪渠設計流量Q排，由公式

Q設(1－ V滯ˊ/W設)=Q排(1+αβ)

用試算法求Q排:

Q排 Q排/Q20 α=1－ Q排/Q20 αβ 1+αβ Q排(1+αβ)10 0.202 0.798 1.716 2.716 27.16 12 0.242 0.758 1.630 2.630 31.56 12.6 0.255 0.754 1.602 2.602 32.78

從試算中得出Q排=12.6 m3/s

3.2 溢洪道寬度及B下泄設計流量Q泄

3.2.1 溢洪道寬度 B

由公式 B=(Q排/mH13/2)=12.6/(1.6 ×1.53/2)=4.29

3.2.2 求溢洪道下泄設計流量Q泄

Q泄=MB(H1+H2 ˊ)3/2=1.6 ×4.3 ×(1+1.5)3/2=27.2 m3/s

驗證設計流量Q泄

α=1－(Q排/Q設)=1－(12.6/49.5)=0.745

V滯=W設［1－(Q排+αQ泄)/Q洪］=5.07萬 m3

與滯洪壩高相應庫容5.1萬 m3基本相等，故溢洪道的設計流量Q泄=27.2 m3/s

溢洪道下泄校核流量Q校

按200年一遇洪水校核Q200，由公式計算左邊

Q200［1 － (V滯'/V200)］

β=［1+(H2/H1)］3/2

Q排 Q排/Q50α=1－(Q排/Q20) αβ 1+αβ Q排(1+αβ)12.8 0.139 0.861 5.61 4.61 59

Q校=MB(H1+H2')3/2

V校=W200［1－(Q排+αQ校)/Q200］

得出:Q校=53 m3/s

滯洪壩高H2'=2.5m

3.3 壩體設計

3.3.1 庫容計算

攔泥庫容V攔計算按式

V攔=S×F×N/Z計算

3.3.2 總庫容V總計算

V總=V攔+V滯=54萬m3

3.3.3 壩高確定

H設=H攔+H滯+△H

從H－V關系曲線查得:

H設=18+2.4+1.6=22m

3.3.4 壩體斷面設計

1)壩頂寬B

根據“規范”提供的經驗數據采用B=4m;

2)壩坡坡率及馬道

擬在下游壩坡高14 m處設置馬道，馬道寬1.5 m，馬道內側設置橫向排水溝，排水溝斷面尺寸為0.2×0.2 m，用槳砌石砌護。上游壩坡和下游馬道以下的壩坡均采用1:2.25，馬道以上壩坡采用1:2;

3)壩體排水及護坡

壩體排水采用斜臥式排水型式，排水體高為設計壩高的1/6，即為4.2 m，取5 m整數。粗沙層厚和碎石厚均為0.2 m，干砌塊石層厚0.3 m。

為使壩體免遭暴雨沖刷，在壩上游淤泥面以上和下游壩坡均采用植物護坡，并在壩角與岸坡結合處，設置縱向排水溝，排水溝斷面尺寸為0.2×0.2 m，用漿砌石砌護。

4)壩基與岸坡處理

清基:筑壩前必須進行清基，清除草皮、樹根、腐植質等，清基厚度0.3m。

開挖結合槽:為使壩體穩定，增長滲徑，沿壩軸線方向從溝底到兩岸開挖一道結合槽，結合槽斷面尺寸深、底寬均為1.5 m，邊坡土基為1:1;

修整岸坡:壩體與兩岸結合處，岸坡開挖成平順正坡，土質岸坡不得陡于1:1.5 m。

3.4 放水工程設計

根據地形、地質條件，放水工程設在左岸老土基上，由臥管、前、后消力池、涵洞和明渠五部分組成，涵洞進口底部高程為10 m，整個放水工程除臥管和消力池蓋板采用鋼筋砼結構外，其余工程全部采用漿砌石砌筑。

3.4.1 放水流量確定

采用3天泄完一次設計洪水總量，則:

Q設=W20/(3×24×3 600)

=0.58 m3/s

3.4.2 臥管設計

根據地形條件，臥管底坡采用1:2，底部高程為11.5 m，頂部高程與壩頂相同，臥管高為10.5 m。

4 工程建設與管理措施

4.1 施工建設階段技術保障措施

在施工建設中，嚴格依照國頒、部頒規范對照設計進行嚴格施工，確保工程幾何尺寸及標準符合設計要求。在施工放線中，全面推行“建設單位負責人、駐壩負責人、施工人員、監理工程師、項目經理、設計人員”多方參與，嚴格按照可行性研究編制方案和設計確定壩址位置、布設泄水建筑物。對于在淤地壩建設施工過程中，壩基、岸坡、涵臥管狀況不同的情況，嚴格按監理程序、集體會診，確定施工方案。加強對施工單位的技術管理:一是加大了對施工單位技術人員的培訓力度，要求項目經理派技術員參加有關淤地壩工程建設技術培訓班，以提高技術人員水平，確保建設質量;二是確保崗位責任制度明確，要求施工單位“五員齊全”，分工負責，明確任務，靠實責任;三是對施工單位進行定期的宣傳教育，教育內容包括淤地壩工程建設技術、安全技術等，確保淤地壩工程按期高水平、高標準、高質量竣工。

4.2 運行管理階段技術保障措施

建立健全防汛指揮機構和辦事機構，并積極主動的與當地氣象、水文部門簽訂氣象信息、雨情、水情服務合同，及時了解氣象信息，制定切實可行的施工進度安排和防汛搶險預案，為防汛工作提供準確的指導性意見;積極落實防汛物資，組建防汛隊伍，嚴格落實防汛“三項制度”;加快在建工程施工進度，在汛期來臨之前要求達到防汛壩高且涵洞臥管安裝就緒、正常泄水，確保工程安全度汛;進行防汛檢查和不定期的抽查，現場解決存在的問題，同時定期上報工程施工進度及汛情信息，形成淤地壩汛情通報，上報下發，確保工程安全度汛、安全生產、安全運行。

汛前及時進行淤地壩工程普查，對壩體沖溝、塌坑、裂縫及時開挖夯實處理;對工程泄水建筑物進行認真細致檢查，重點是涵管、臥管、明渠勾縫等脫落，確定專人及時進行處理，并將結果及時匯報縣防汛辦。

委托流域主管和地方監測機構，對工程建設動態情況、安全情況、水沙情況、效益情況、工程范圍內的社經情況、水保措施的利用情況等，布設重要的觀測點進行定位監測，詳細記載監測臺賬，現場勘察測量、調查統計核實記錄監測成果。

對建成的淤地壩工程，實行拍賣、租賃、承包等形式進行產權制度改革。對條件較好、管理方便、效益顯著的工程采取拍賣的方式一次性將使用權等得到落實，使用期30年不變，使其以養殖種植獲益，并負責工程的日常檢查、維修與防汛工作;對于比較偏遠、條件差、管理困難、近期效益差的工程實行合同管護，在工程建成后，縣、鄉、村簽訂工程管護合同，劃定管護范圍，明確管護責任。通過產權制度改革，調動受益戶的積極性，增強管護達到以壩養壩的目的，從而保證了淤地壩工程的正常運行和效益的發揮。

5 效益分析研究

5.1 攔泥效益

以羊圈溝淤地壩為試驗對象:該流域面積為3.7 km2，均為水土流失面積，每年要輸送到黃河的泥沙2.96萬 t，我們修建了壩高25 m、總庫容72.1萬 m3的骨干壩，攔蓄效果顯著，經測算200年一遇的洪水全部攔蓄，起到蓄水緩洪的作用。三天后洪水中泥沙已沉淀，開啟水面以下的三個臥管塞，將清水放走。經一年觀測，2.96萬 t的泥沙全部攔截。

5.2 經濟效益

5.2.1 水面養殖效益

以宜川縣羊圈溝淤地壩工程為試驗，建成后利用水面養魚，經研究、觀測發現:水面35畝，可利用年限15年，成魚產量50 kg/畝，單價 8元/kg，年收入 1.4萬元，15年收入 21萬元。

5.2.2 壩地增產效益

宜川縣羊圈溝村總人口203人，耕地面積589畝，屬典型缺土地村，年總產糧5.54萬 kg，畝均產糧94 kg;淤地壩工程建成后，已淤地面積62.4畝，全部種植糧食，糧食畝產為500 kg/畝，畝均增產406 kg，增產效益十分顯著。

5.3 社會效益

淤地壩工程建設可以吸收農村勞動力就業，增加群眾收入，拉動內需，并促使農村剩余勞力向第二、第三產業轉移，實現群眾的脫貧致富奔小康。淤地壩綜合治理措施實施后，可以減輕泥沙、洪水對下游地區人民生產、生活的威脅，使項目區及下游地區的農業、工業、交通等部門的各項事業得到較大發展，減少、節省了防洪開支;同時，流域綜合治理將帶動當地農副產品加工和養殖業的大力發展，為剩余勞動力創造了良好的致富條件，改善水土流失，保持生態環境，農民群眾居住條件、生產生活條件以及文化教育條件得到顯著改善。

5.4 生態效益

在工程興建的同時，將壩肩取土場和上游坡面采取種樹、種草等方式進行了綜合治理，改善了生態環境和小氣候，促進了農、林、牧、副各業的發展，保護了國土資源，減少了入黃泥沙，使流域下游的人民生命財產得到安全保障。

6 結語

此類淤地壩適宜于地形溝壑、溝壑縱橫的黃土高原地區，是因地制宜的獨特創造，具有區域性、實用性和廣闊的發展前景，特別是在山區應用，具有普遍的推廣價值，并能夠取得顯著的經濟效益和社會效益。項目是治理水土流失，改善生態環境，加快群眾脫貧致富奔小康的有效途徑，在水土保持小流域綜合治理工作中，要堅持預防為主、全面規劃、綜合防治、因地制宜、加強管理、注重效益的方針，實行集中治理、規模治理、連片治理、快速治理、綜合治理的做法，采取壩系建設與溝道整治相結合、自然淤積與挖山填溝相結合的方式。要改過去的單壩建設為現在的壩系建設，只有在每個小流域做壩系規劃，形成規模治理，才能切實減少泥沙進入黃河，而且把支離破碎的溝壑淤成平地，既增加了良田，又控制了溝道侵蝕，為山區農村開發創造良好的建設環境，對于國家實施西部大開發的戰略具有重要的促進作用。