淤地壩技術(shù)在龐前溝骨干壩工程中的應(yīng)用

時(shí)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(shè)是治理黃土高原地區(qū)水土流失、改善黃河生態(tài)環(huán)境的重要方式。中共中央、國務(wù)院2021 年10 月制定的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)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(diǎn),積極推進(jìn)小流域治理、淤地壩建設(shè)等水土保持重點(diǎn)工程[1]。因此,做好黃河流域淤地壩工程設(shè)計(jì)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)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(jí)支流、黃河四級(jí)支流。地形地貌屬黃土殘塬丘陵溝壑區(qū),地勢(shì)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(duì)高差363.4 m,水土流失面積86.02 km2。為了減少流域內(nèi)水土流失,減少入黃泥沙,改善當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)條件,急需在該流域合理布設(shè)淤地壩工程。在充分勘查、調(diào)研、論證基礎(chǔ)上,2007 年12 月陜西省發(fā)改委對(duì)可行性研究報(bào)告予以批復(fù),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(shí)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(yīng)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(shè)工期10個(gè)月[2]。

2 壩型及施工方式選定

2.1 壩型選擇

為了優(yōu)化工程設(shè)計(jì),擬定了均質(zhì)土壩、砂石筑砌壩兩種方案進(jìn)行比選。

經(jīng)過現(xiàn)場查勘,龐前溝骨干壩壩址上下游兩岸土料儲(chǔ)量豐富,土層深厚,土料質(zhì)地良好,屬中粉質(zhì)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(jié)約投資98 萬元,減少工期45 日。根據(jù)壩址處的地形地質(zhì)條件,按照“因地制宜、就地取材、費(fèi)省效宏、優(yōu)質(zhì)高效”的原則,確定建設(shè)壩型為均質(zhì)土壩。

2.2 筑壩材料

我國黃土高原區(qū)壩體修筑材料一般采用黃土,經(jīng)過試驗(yàn)測定,當(dāng)?shù)赝临|(zhì)為中粉質(zhì)壤土,土壤質(zhì)地良好,其滲透系數(shù)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(yōu)含水量控制,經(jīng)測定,土壤擊實(shí)后最大干容重為1.7 t/m3,筑壩壓實(shí)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(shù)據(jù)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(jù)實(shí)測和了解,龐前溝溝道內(nèi)無常流水,壩址兩岸土坡穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)密實(shí),能滿足建壩防滲要求,因此,在總結(jié)多年黃土高原區(qū)淤地壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,基于工程安全和機(jī)械化施工提高效能目的,壩體施工采用機(jī)械碾壓法筑壩,部分人工配合；設(shè)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(yù)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(shè)

龐前溝骨干壩控制流域面積7.65 km2,依據(jù)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（ST/T 804-2020）,根據(jù)該壩作用和運(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,確定本工程樞紐設(shè)土壩和放水建筑物兩大部分。

3.1 壩體設(shè)計(jì)

3.1.1 壩高～庫容、面積關(guān)系的確立

利用庫區(qū)1∶10000地形圖,用求積儀法量取匯水面積S,水位分級(jí)為5m,按下式計(jì)算各級(jí)水位下的庫容。

式中：V為某一級(jí)水位下的庫容,萬m3；Si為第i級(jí)水位對(duì)應(yīng)的淤地面積,萬m3；Zi為水位分級(jí)高差,m；Vi為分級(jí)水位所增加庫容,萬m3。

經(jīng)計(jì)算,該壩壩高-庫容、面積關(guān)系曲線數(shù)據(jù)見表1。

表1 水位-庫容、面積曲線表

3.1.2 庫容計(jì)算

依據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)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(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)的淤積總量,滯洪庫容在不設(shè)溢洪道時(shí)為一次校核洪水總量。

攔泥庫容按照下式計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)規(guī)范》,結(jié)合實(shí)際計(jì)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(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》推薦值,并通過以下壩體滲流穩(wěn)定計(jì)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(yùn)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(shè)計(jì)方案在馬道內(nèi)側(cè)分別設(shè)置縱向排水溝,且沿壩體下游坡面設(shè)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(wěn)定性,方案擬在下游壩腳處設(shè)一棱式排水體。排水體高4.0 m,頂寬2.0 m,內(nèi)坡比1∶1.25,外坡比1∶1.5。與壩體及壩基的接觸面設(shè)排水棱體,排水體從內(nèi)層至表面外層分別由卵石層、礫石層及砂層組成,最內(nèi)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(jié)合

①清基：在土壩填筑前,應(yīng)清除壩基范圍內(nèi)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(jié)核及壩肩松軟的植被層土體必須清除,同時(shí)應(yīng)清除壩基河床局部地段分布淤泥質(zhì)壤土后方可作為壩基基礎(chǔ)。基礎(chǔ)開挖后要求輪廓平順,避免地形突變,如開挖后發(fā)現(xiàn)松軟地基,應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。

②結(jié)合槽：為防止壩體與壩基及兩岸坡結(jié)合處形成集中滲流,保證壩體與基礎(chǔ)緊密結(jié)合,增強(qiáng)穩(wěn)定性。因此,沿溝道方向設(shè)三道結(jié)合槽,結(jié)合槽均采用梯形斷面,其中以壩軸線處為主,結(jié)合槽底寬2 m,深2 m,邊坡1∶1；壩軸線兩側(cè)結(jié)合槽底寬1 m,深1 m,邊坡1∶1。

③壩與岸坡結(jié)合：壩體與兩岸結(jié)合處,岸坡要開挖成平順的正坡,壩址兩岸的土質(zhì)邊坡不陡于1∶1.5,石質(zhì)邊坡不陡于1∶0.5,實(shí)際兩岸壩頂高程以下土質(zhì)邊坡削坡至1∶1.5,壩頂高程以上土質(zhì)邊坡削坡至1∶0.75,以防止高邊坡滑塌。同時(shí)在壩區(qū)種植低成本的植物,固土護(hù)坡,綠化美化生態(tài)環(huán)境。

3.2.5 大壩穩(wěn)定分析

（1）計(jì)算方法及計(jì)算工況

本工程滲流計(jì)算方法采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司與河海大學(xué)共同研制的“土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)HH—LOPE”進(jìn)行電算。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）要求,計(jì)算正常水位情況下的壩體穩(wěn)定滲流,對(duì)于其它組合考慮到在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下,水位歷時(shí)較短,難以形成穩(wěn)定滲流,故不進(jìn)行計(jì)算。

（2）計(jì)算斷面及參數(shù)指標(biāo)

計(jì)算斷面選取河床最大斷面,下游排水按排水體正常工作運(yùn)用情況計(jì)算,壩體填筑土滲透系數(shù)采用土工試驗(yàn)推薦值,水平滲透系數(shù)為0.25×10-5cm/s,垂直滲透系數(shù)為0.16×10-5cm/s。

（3）計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)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(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩體土滲透坡降計(jì)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(huì)發(fā)生滲透破壞。通過滲流計(jì)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(jù)計(jì)算得知,正常水位情況下壩體穩(wěn)定滲流浸潤線逸出點(diǎn)高度為2.4 m,根據(jù)規(guī)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(shè)

依據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》,根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)條件,放水建筑物采用臥管式放水形式。臥管沿右岸坡布設(shè),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?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管具有承受內(nèi)外壓較高、接頭密封性好、施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn),涵管采用圓形鋼筋混凝土預(yù)制管,管徑0.8 m,管長81 m,比降1/100；涵管布設(shè)在溝邊堅(jiān)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(jié)語

龐前溝淤地壩建成后,對(duì)壩控面積內(nèi)的洪水泥沙就地?cái)r蓄利用,可有效控制水土流失,明顯改善流域生態(tài)環(huán)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(qū)域生態(tài)環(huán)境,增加了當(dāng)?shù)剞r(nóng)林種植效益,提高水土資源利用率,同時(shí)減少入黃泥沙,減少了下游清淤工程量和費(fèi)用,促進(jìn)了黃河安全度汛,收益良多。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)加快其余骨干壩的設(shè)計(jì)建設(shè),以形成規(guī)模化治理鏈條和效應(yīng),創(chuàng)造更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供更好的支撐。