吳起縣茍澗壩系設(shè)計(jì)方案探討

王啟懷

（吳起縣水土保持工作隊(duì) 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(jí)支流。該流域?yàn)榈湫偷年儽秉S土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)。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(zhǎng)梁居多，溝口處以短梁居多，呈現(xiàn)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(qū)，多年平均降水量為399mm，年際變化大，季節(jié)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(xiàn)，所產(chǎn)生的洪水洪峰高，歷時(shí)短，含沙量高。泥沙主要來(lái)源于坡面侵蝕及切溝兩側(cè)的重力侵蝕，多年平均侵蝕模數(shù)為1.1 萬(wàn) t/(km2·a)。詳見(jiàn)表 1。

規(guī)劃建設(shè)的茍澗中型淤地壩控流域面積1.35km2，主溝道長(zhǎng)2.1km，溝道比降2.13%，是印峁子小流域（片）壩系內(nèi)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(gè)，人均耕地0.27hm2，人均基本農(nóng)田0.1hm2。地勢(shì)大致由西南向東北傾斜，地質(zhì)構(gòu)造屬鄂爾多斯臺(tái)地，壩址河床處巖石出露，裂隙發(fā)育不明顯，有利于壩基防滲。

2 水文分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

根據(jù)《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》和《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中推薦的公式，結(jié)合流域的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算采用24小時(shí)暴雨資料推求。由工程所在小流域，查《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》得多年最大24小時(shí)暴雨均值為54mm，變差系數(shù)CV為0.62，偏差系數(shù)CS與變差系數(shù)CV的比值 CS/CV為2.5，從皮爾遜Ⅲ型曲線上查得相應(yīng)頻率的模比系數(shù)KP值分別為K10=1.83，K20=2.21，K50=2.71，計(jì)算得不同頻率的24小時(shí)暴雨量見(jiàn)表2。由τ=0.278·L/（m J1/3·QP1/4），根據(jù)有關(guān)資料計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，并綜合匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法，分析得不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量見(jiàn)表2。

2.2 設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算

由《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》計(jì)算得不同頻率的設(shè)計(jì)洪水總量見(jiàn)表2。

2.3 年輸沙量計(jì)算

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

式中，WS——多年平均輸沙量（萬(wàn)m3/α）；

S——多年平均侵蝕模數(shù)，取1.1萬(wàn)T/km2·α；

F——壩控面積（km2），1.35km2；

γ——泥沙容重，取1.35t/m3；

經(jīng)計(jì)算，壩控流域年輸沙量為1.1萬(wàn)m3。

3 大壩設(shè)計(jì)

根據(jù)茍澗中型淤地壩工程的作用和運(yùn)用條件，以及對(duì)樞紐布設(shè)的要求，結(jié)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(shè)計(jì)

茍澗中型淤地壩工程壩址溝道內(nèi)為季節(jié)性流水，不能滿足水墜要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，溝道兩岸土料豐富，土料儲(chǔ)量和土料性質(zhì)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(zhì)碾壓土壩。按照《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，茍澗中型淤地壩工程規(guī)模在10萬(wàn)m3～50萬(wàn)m3之間，其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年。根據(jù)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(jié)合壩址地形條件，設(shè)計(jì)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(kù)容曲線確定HL=12.6m，設(shè)計(jì)淤積高程為▽L=1388.6m，F(xiàn)淤=29.1畝。滯洪壩高由滯洪庫(kù)容查水位—庫(kù)容曲線確定。滯洪庫(kù)容按一次校核洪水總量確定，VZ=W50=9.75萬(wàn)m3，查水位—庫(kù)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(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定取ΔH=1.5m。

工程設(shè)計(jì)總庫(kù)容為：

工程設(shè)計(jì)壩高為：

壩底高程為1376.0m，頂部高程為1394.0m，壩高18.0m，壩頂長(zhǎng)58.0m。按照《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》和已建工程經(jīng)驗(yàn)，不考慮其交通要求，壩頂寬度取3.0m。根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)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(nèi)有季節(jié)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(chǔ)處理

在建壩前要對(duì)建壩范圍內(nèi)所有樹(shù)根、草皮、腐殖土、淤泥、亂石等雜物清理，并運(yùn)輸?shù)綁文_以外，清基厚度為0.4m。開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)石基，需將風(fēng)化石及疏松層清除；若發(fā)現(xiàn)破碎帶、洞穴、水井、墓穴等均應(yīng)視具體情況進(jìn)行特殊技術(shù)處理，如采用灌漿、回填夯實(shí)等技術(shù)措施處理。處理后基礎(chǔ)要求輪廊平順，避免地形突變。壩體與岸坡結(jié)合應(yīng)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(jié)合處形成集中滲流，保證壩體與基礎(chǔ)緊密結(jié)合，沿壩軸線方向從溝底到岸坡開(kāi)挖一道結(jié)合槽，采用梯形斷面，土質(zhì)結(jié)合槽底寬1.5m、深1.5m，邊坡比為1∶1，石質(zhì)結(jié)合槽底寬1.5m，深1.5m，邊坡比為1∶0.75。施工時(shí)必須將岸坡土的漏斗陷穴處理好，必要時(shí)用泥漿灌注。等灌滿固結(jié)后方可施工。同時(shí)對(duì)泉水要用粘土堵孔或鋪設(shè)砂石導(dǎo)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(duì)土壩上游淤積面以上壩坡和下游壩坡設(shè)置護(hù)坡，護(hù)坡措施采用生物護(hù)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(shè)縱向排水溝，排水溝采用漿砌石結(jié)構(gòu)，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(shí)暴雨量、洪峰流量和洪水總量表

4 放水工程設(shè)計(jì)

茍澗中型淤地壩工程主要任務(wù)是攔泥排清，即在設(shè)計(jì)洪水情況下，沉淀泥沙，排出清水，因此，進(jìn)水形式采用分級(jí)臥管。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘情況，壩址左岸坡較緩，布置放水臥管開(kāi)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(jīng)涵洞輸水、陡坡泄水后輸入河槽。整個(gè)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(biāo)號(hào)不低于300#。

4.1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)水方式，臺(tái)高0.4m，同時(shí)開(kāi)啟上下三臺(tái)三孔放水。計(jì)算公式為：

4.3 臥管斷面及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

4.4 消力池設(shè)計(jì)

消力池深度、長(zhǎng)度尺寸參考《陜西省水土保持治溝骨工程技術(shù)手冊(cè)》表4—24查得池寬0.80m、池深0.55m、長(zhǎng)度為3.9m。消力池為漿砌石矩形結(jié)構(gòu)，采用M10水泥砂漿砌塊石，結(jié)構(gòu)尺寸參考《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》表4—34、表4—35，查得側(cè)墻頂寬0.60m，側(cè)墻底寬1.20m，基礎(chǔ)厚度0.50m，基礎(chǔ)外伸 0.20m，搭接長(zhǎng)度 0.30m，蓋板厚度0.27m。

4.5 輸水涵洞設(shè)計(jì)

涵洞進(jìn)口高程1380.13m，基礎(chǔ)為原狀黃土，比降1∶100，涵洞全長(zhǎng)55.5m。按規(guī)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(jīng)計(jì)算，洞內(nèi)正常水深0.27m。涵洞結(jié)構(gòu)為漿砌石拱形結(jié)構(gòu)，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(chǔ)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(shè)一道截水環(huán)，以防止?jié)B流，截水環(huán)厚0.5m，伸出外壁0.5m。

4.6 明渠設(shè)計(jì)

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(zhǎng)15.0m。緩坡段后接陡坡段，根據(jù)地形條件，陡坡段坡比采用1∶3，斜長(zhǎng)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(jì)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(jìn)口設(shè)寬0.5m，深1.0m的齒墻。明渠側(cè)墻頂寬0.35m，底寬0.9m，基礎(chǔ)厚度0.3m，外伸0.1m。根據(jù)實(shí)際地形，陡坡段末端為堅(jiān)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(jié)語(yǔ)

為了提高溝道抗洪能力，減少水毀災(zāi)害，減少入黃泥沙，使水沙資源得到充分利用，并增加高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田，提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入，擬新建茍澗中型淤地壩。經(jīng)過(guò)勘探計(jì)算，設(shè)計(jì)茍澗中型淤地壩最大壩高18.0m，壩頂長(zhǎng)50.8m，總庫(kù)容20.75萬(wàn)m3，攔泥庫(kù)容11.1萬(wàn)m3，滯洪庫(kù)容9.75萬(wàn)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(zhǎng)度27.73m。涵洞進(jìn)水口高程▽1380.13m，涵洞長(zhǎng)度55.5m。工程建成后，可攔泥11.0萬(wàn)m3，新增壩地29.1畝，同時(shí)，工程可抬高溝道侵蝕基準(zhǔn)點(diǎn)，防止溝頭下切，促進(jìn)流域內(nèi)坡耕地退耕還林還草，帶動(dòng)本地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。