黃河粗泥沙區某攔沙壩安全穩定性分析

云 杰，楊 波

（榆林市淤地壩建設辦公室，陜西 榆林 719000）

1 概況

某攔沙壩庫區位于黃河一級支流無定河流域內的黃河三級支溝(墩溝)上。庫尾回水長度約1.5 km，整個庫區屬侵蝕剝蝕型低中山區，區內地勢總體呈南高北低。該支溝為季節性流水溝，庫區內流向近南西向，河床縱比降約為15.9‰。流域面積48.11km2，水土流失面積47.6km2。流域多年平均降水量394.6mm、徑流深60 mm。該攔沙壩是流域中一座控制性中壩，壩高18.0 m，建筑物由壩體、放水工程和溢洪道三大件組成。該攔沙壩控制流域面積2.15 km2，匯流溝道長2.21 km，總庫容51.99萬m3，攔泥庫容31.85萬m3。洪水重現期為30年設計，300年校核，設計淤積年限為20年，可淤成壩地9.65 hm2，現已運行18年，淤地8 hm2。為了研究該攔沙壩的安全性和攔泥情況，現需對該攔沙壩的穩定性進行分析，以保障其安全運行。

2 地質分析

該攔沙壩所處流域為黃土丘陵溝壑區，區內溝坡縱橫。庫區岸坡一般約20°～40°，局部較陡。壩址區高程1045 m～1140 m，河谷為“U”形谷，谷底寬約50 m左右，河床底寬25 m～40 m，較平緩。岸坡較陡，左岸坡坡度一般為40°～47°；右岸坡坡度為15°～50°，下陡上緩。壩址區未見泉水出露，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。

據坑槽探及物探剖面揭露，壩址河床覆蓋層厚度一般為1 m～5 m，巖性為砂壤土、砂礫石；左岸坡腳坡積物厚度0～6 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土，可見少量碎石土，左壩肩為黃土狀土，坡度約50°，厚度一般為2 m～10 m；右岸坡積物厚度2 m～11 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土。根據現場滲水試驗及室內試驗，人工於積砂壤土滲透系數為3×10-4cm/s～8×10-4cm/s，底部土夾碎石、礫石滲透系數為1×10-2～1×10-3cm/s。由于砂泥巖地層風化的差異性，砂巖強風化帶厚度約為1 m～3 m，泥質粉砂巖強風化帶厚度約為3 m～5 m，防滲水性好。庫區地震動峰值加速度為0.1 g，基本烈度為Ⅵ度。

3 防洪能力分析

3.1 基本情況

該攔沙壩為均質土壩，壩頂高程為1019.00m，壩頂長116 m，高18 m。上游壩坡1∶2，下游壩坡在壩高10 m處設有馬道，寬1.5 m。馬道以下坡比1∶1.5，以上坡比1∶1.25，鋪底寬68.50 m。為增加壩體的穩定性，防止滲流，在壩軸線處布設有結合槽，斷面為梯形，底寬2.0 m，深2.0 m，邊坡1∶1。壩在下游壩坡與兩岸坡腳銜接處及馬道上修建漿砌石排水溝，斷面為0.3 m×0.3 m，底板厚0.3 m，側墻厚0.3 m，其結構為M7.5漿砌石砌筑，M10砂漿勾縫。大壩建設時采用了機械回填碾壓法進行了填筑。

3.2 庫容分析

該攔沙壩分滯洪庫容和淤積庫容。采用《水土保持治溝骨干工程技術規范》[1]中公式計算庫容:

式中:Ws為多年平均懸移質輸沙量，萬m3；Mo為侵蝕模數萬t/（km2·a），查得Mo=1.0 萬 t/（km2·a）；F為壩控流域面積，km2，F=2.15 km2；r為泥沙容重，取 1.35 t/m3；N為淤積年限，年。

經計算，其20年運行淤積庫容為31.85萬m3。

要算滯洪庫容，先算溢洪情況，溢洪道采用矩形斷面的寬頂堰，計算下泄流量。查《黃河粗泥沙集中來源區攔沙工程一期項目可行性研究水文成果報告》得:Q3.3%=73 m3/s，W3.3%=12.64萬m3；Q0.33%=128 m3/s，W0.33%=27.95 萬 m3。

初步選定溢洪道斷面尺寸進行調洪計算，步驟如下:

（1）由公式Q泄=Q校（1-V滯/W校），先假設V滯可求得Q泄值。

（2）由V總=V滯+V淤，根據水位庫容曲線由V總查得H總。則h滯=H總-h淤；

（3）將Q泄、h滯代入公式；可求得溢洪道堰寬B。

設計洪水和校核洪水條件下的調洪計算數值選取及計算結果分別見表1、表2。

表1 設計洪水條件下溢洪道調洪計算表

表2 校核洪水情況下溢洪道調洪計算表

由以上調洪計算結果，確定溢洪道底寬5.0 m，在設計洪水條件下，泄流量為13.8 m3/s，滯洪水深h滯=1.5 m，滯洪庫容10.26萬m3；在校核洪水條件下，泄流量為35.8 m3/s，滯洪水深h滯=2.86 m，滯洪庫容20.14萬m3。

3.3 暴雨洪水計算

溝道最大洪水采用水利行業標準水保技術規范中的推理公式:

式中:Qp為設計頻率為P的最大洪峰流量，m3/s；h為凈雨深，mm，在全面匯流時代表相應于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰對應的面平均凈雨；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；m為匯流參數；J為沿程L的平均比降（以小數計）。

由于子洲處于陜蒙接壤地區，項目區屬陜北分區（Ⅰ區），該區域具有暴雨強度大、歷時短，洪水陡漲暴落、洪峰尖瘦等特點，屬典型的“超滲產流”，因此采用“暴雨推求設計洪水”方法進行推流。公式為:

式中:m為匯流參數；θ1為流域特征參數，θ1＝L/（JF）1/3；hR為凈雨量，mm，hR＞90 時采用 90。

查算出匯流參數m后，按式計算，計算并繪制Q～τ曲線，同時根據凈雨過程繪制Q～t曲線，兩條曲線的交點所對應的縱坐標120 m3/s 即為所求的洪峰流量Qp，橫坐標0.6即為匯流歷時τ，見圖1。

圖1 攔沙壩Qm～τ和Qm～t曲線

根據降雨徑流關系，不同頻率洪水總量等于單位換算系數0.1乘上頻率為P的不同時段暴雨徑流深（凈雨深），再乘上壩址以上集水面積2.15 km2。不同頻率下的洪水計算情況見表3。

表3 不同頻率下的洪峰流量、洪水總量

3.4 輸沙量計算

根據《水土保持綜合治理技術規范溝壑治理技術》[2]，年均輸沙量等于壩址以上集水面積2.15 km2乘上壩址所在區域多年平均侵蝕模數。根據項目區1954年～2007年系列輸沙模數分區圖、試驗小流域水土流失測驗成果分析，該區域多年平均侵蝕模數0.74萬t/（km2·a）。經計算，其年輸沙量為1.59萬m3/a，所以18年來，該壩已淤積泥沙28.64 萬 m3/a。

4 壩體穩定分析

4.1 壩坡穩定計算

考慮庫區淤積主要來自庫區殘坡積碎石土、風積砂及黃土，因此壩前淤積參數取壩址區砂壤土、泥夾砂礫石、碎石指標建議值的平均值。經過實驗測算，壩體填土天然密度（濕密度）16.8 kN/m3，飽和密度19.8 kN/m3。壩前淤積天然密度（濕密度）14.5 kN/m3，飽和密度18.4 kN/m3。壩坡穩定分析計算采用剛體極限平衡法，該攔砂壩為均質土壩，危險滑面采用圓弧滑面進行搜索。

計算穩定滲流期壩坡穩定時，假定上游壩殼內浸潤線與上游水位相同；壩體內浸潤線依據滲流計算成果確定。根據有關技術規范，壩體允許抗滑穩定安全系數按照正常運用條件和非常運用條件應分別采用1.25和1.15。壩坡穩定分為兩種工況:工況一，正常運行條件下，上游設計洪水位1009.98 m高程、下游無水時的上下游壩坡；工況二，上游淤積高程1011.70 m，相應上游水位1014.82 m、下游無水時的下游壩坡。

根據技術規范，碾壓式土壩壩坡穩定計算工況為:運用期下游壩坡穩定。由于本工程壩址區地震烈度為VI度，可不進行抗震穩定驗算。

4.2 計算結果及分析

采用中國水利水電科學研究院陳祖煜編寫的“土石壩邊坡穩定計算程序STAB2009”，該程序計算方法滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）的有關規定，符合《水土保持治溝骨干工程技術規范》（SL 289-2003）的要求。壩坡穩定計算采用剛體極限平衡法，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。某攔砂壩為均質土壩，危險滑面采用圓弧滑面進行搜索。計算穩定滲流期壩坡穩定時，假定上游壩殼內浸潤線與上游水位相同；壩體內浸潤線依據滲流計算成果確定。

各工況上下游壩坡穩定計算最小安全系數為:工況一上游最小安全系數為1.881，下游最小安全系數為1.380，允許安全系數1.25。工況二下游最小安全系數為1.151，允許安全系數1.15。最危險滑弧分布見圖2、圖3。

圖2 正常運用條件下，上游設計洪水位1009.98 m高程、下游無水時的上下游壩坡最危險滑面分布圖

圖3 上游淤積高程1011.70 m，相應上游水位1014.82 m、下游無水時的下游壩坡最危險滑面分布圖

由圖2、圖3可知，當上游壩坡坡比1∶2，下游壩坡坡比1∶1.5時，各工況下的壩坡穩定安全系數均大于安全系數，在安全范圍內，滿足安全規范要求。上游壩坡較下游壩坡緩且上游水壓力有抑制上游壩坡向下滑動的趨勢，因而上游穩定安全系數較下游壩坡高。工況二壩前淤積厚度10.7 m，淤積阻止上游壩坡滑面向上游滑動，上游壩坡安全系數大大提高，因而此工況上游壩坡穩定可不予計算；工況二上游水位較工況一上游水位升高4.72 m，壩體浸潤線進一步抬高，因而下游壩坡穩定安全系數較工況一有所減小，穩定安全系數減小于1.151，基本滿足規范要求，該工況下游壩坡處于臨界穩定狀態。

根據該攔沙壩總庫容在50×104m3～100×104m3之間，洪水重現期為30年設計，經綜合分析，該壩當前安全穩定，各項功能均滿足設計要求，能防御30年一遇洪水。

5 結語

某攔沙壩自建設以來，充分發揮了的攔沙淤地效益。分析攔沙壩運行以來的安全現狀，有利于發揮更好的效益和進行除險加固，確保庫壩安全。經過對大壩的防洪能力、攔沙狀況進行分析，該攔沙壩安全可靠，仍可繼續發揮效益。因為其即將淤滿，所以要加強監管，防微杜漸。