洛川县荆窑科坝系设计方案探讨

张麦芹

（延安市水土保持监督管理站 陕西 延安 716000）

1 概况

1.1 自然概况

荆窑科骨干工程位于洛川县旧县镇荆窑科行政村，距县城南约15km。流域内总人口21871人，农民人均纯收入1840元。人均耕地0.04hm2，主要以种植经济林果为主。

该坝位于薛孟河小流域最上游，属黄河四级，控制面积7.82km2。坝址处沟底宽约16m，沟道内有季节性流水，两岸无岩石出露。该坝上下游均无居民点，建坝条件较好，土场平均运距约60m。右岸适宜布设放水工程，左岸适宜布设溢洪道。工程所在地区区内构造简单，无大的褶皱与断裂，构造行迹较简单，地层较为平缓。该地区地震动峰值加速度为0.05g，动反应增特征周期值为0.35s，地震设防烈度为Ⅶ度，可以不设防。

1.2 坝址及其上下游沟道工程情况

长期以来由于资金匮乏，薛孟河流域治理现状主要为坡面治理，沟道内无淤地坝工程，无法取得沟坡兼治的效果，故急需新建一批淤地坝工程。荆窑科骨干工程位于薛孟河流域上游的一较大支沟内，其上游无坝，下游有上珊瑚骨干工程一座。

1.3 气象水文泥沙

该流域属暖温带半湿润大陆性季风气候区，地面风向多为东南风和西北风，平均风速为2.2m/s，多年平均降水量为626.2mm。降水不但年际变化大，而且年内分配也极不均匀，汛期6月～9月占全年降水量的70%，且多以暴雨形式出现，所产生的洪水洪峰高、历时短、含沙率高，是形成高含沙洪水和产生水土流失的主要原因。流域主沟和较大支沟常年有水，流量约0.26m3/s。流域多年平均浑水径流深为37mm，则多年平均径流量314.9万m3，多年平均土壤侵蚀模数为5000t/km2·a。产沙主要集中在汛期6月～9月，占流域全年产沙总量的80%以上。

2 水文计算

2.1 工程等别及建筑物级别

荆窑科骨干工程总库容为90.9万m3，按《水土保持治沟骨干工程技术规范》划分及坝系整体防洪的需要，建筑物级别为“5”，洪水重现期设计情况为30年，校核情况为300年，设计淤积年限为20年。

2.2 水文计算

2.2.1 设计暴雨计算

根据《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》和《陕西省延安地区实用水文手册》中推荐的公式，结合流域的实际情况，设计洪峰流量计算采用24小时暴雨资料推求。

式中，Wp——频率为P的设计洪水总量（万m3）；

α——24小时暴雨径流系数。

由《陕西省延安地区实用水文手册》计算得不同频率的设计洪水总量，见表1。

2.2.4 输沙量计算

在输沙量计算时，利用《薛孟河小流域坝系建设可行性研究报告》中的输沙模数，得荆窑科骨干工程多年平均侵蚀模数为5000t/km2·a。坝控流域年输沙量为2.7929万m3。

3 荆窑科坝系工程建设方案

年最大24小时暴雨均值为65mm，变差系数CV为0.55，偏差系数Cs与变差系数CV的比值CS/CV为2.5，从皮尔逊Ⅲ型曲线上查得相应频率的模比系数KP值分别为K10=1.73，K20=2.07，K50=2.48，计算得不同频率的24小时暴雨量见表1。

2.2.2 设计洪峰流量计算

根据有关资料查汇流参数，计算出不同频率的设计洪峰流量，并综合汇水面积相关法、综合参数法，分析得不同频率的设计洪峰流量，见表1。

2.2.3 设计洪水量计算

采用《水土保持治沟骨干工程技术规范》推荐的推理公式计算：

3.1 调洪演算

荆窑科骨干坝上游没有设计标准相当的骨干工程，该坝控制面积为7.82km2，根据《水土保持治沟骨干工程程技术手册》，该坝调洪演算按公式Q泄=Q洪(1-V滞/W洪)计算，结果见表2。

由调洪演算，溢洪道宽度取B=7.0m。

设计情况下（30年一遇洪水标准）：

H滞=2.0m，V滞=17.37万m3，Q泄=29.59m3/s。

校核情况下（300年一遇洪水标准）：

H滞=3.179m，V滞=35.04万m3，Q泄=59.30m3/s。

3.2 坝体设计

3.2.1 按下式计算各级水位下的库容

表1 不同频率24小时暴雨量、洪峰流量和洪水总量表

表2 荆窑科骨干工程调洪演算（单坝）

式中，V——某一水位下的库容（万m3）；

Si——第i级水位对应的淤地面积（万 m2）；

Zi——水位分级高差（m）；

ΔZi——分级水位所增库容（万m3）。

经量算，绘制出水位—库容、水位—面积关系曲线，见表3。

拦泥总库容为90.9万m3。

3.2.2 坝高确定

坝高H由拦泥坝高HL、滞洪坝高Hz和安全超高ΔH三部分组成，即：

经计算，工程设计坝高H=HL+Hz+ΔH=19.5+3.179+1.821=24.5m。

3.2.3 坝体断面尺寸确定

按照“规范”和已建工程经验，坝顶宽度取4.0m。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》要求，本坝高大于20m，应设马道，故在坝下游坝高15m处设一道宽1.5m的马道，马道相应高程为903.0m。该工程上游坝坡比采用1∶2.5，下游坝坡马道以上坝坡比采用1∶2，马道以下坝坡比采用1∶2。坝体铺底宽115.25m。

3.3 排水设施

为增加坝体稳定性，防止坝坡下游出现滑塌，且该工程所在沟道内有季节行性流水，坝体较高，故考虑在背水坡坝脚处设置棱式反滤体，反滤体高5.0m，顶宽2m，其外坡比为1∶1.5，内坡比为1∶1.0。反滤体由粗砂、碎石、干砌石组成，砂层与碎石层厚度均为0.25m，干砌块石层厚0.4m，粗砂粒径 0.25mm～2mm，碎石粒径 3mm～50mm，块石100mm～400mm。

3.4 放水建筑物设计

3.4.1 放水建筑结构形式

荆窑科骨干工程主要任务是拦泥排清，即在设计洪水情况下，沉淀泥沙，排出清水，因此，进水形式采用分级卧管。根据现场查勘情况，右岸布置放水工程，岸坡均为实土基，坡度为1∶2，采用浆砌石砌筑，卧管下接消力池，后经涵洞输水、明渠陡坡泄水后输入河槽。

3.4.2 卧管设计

根据“规范”为了保证坝地的利用率和保收率，放水流量采用4天泄完10年一遇一次洪水总量确定。卧管采用双排平孔进水方式，台高0.4m，同时开启上下三台六孔放水。校核实际流量，当放水孔径取0.23m时放水流量为0.60m3/s，卧管流量按设计流量增大20%确定。根据地形条件，卧管底坡采用1∶2，底部高程894.92m，顶部高程与坝顶相同为912.5m，卧管高17.58m，共44台。经试算，卧管末端正常水深为0.167m。为防止卧管放水时发生真空，在卧管顶部设有通气孔。通过计算卧管盖板厚度0.22m，配筋为φ12mm@13cm。

3.4.3 消力池设计

消力池为浆砌石矩形结构，采用M10水泥砂浆砌块石，结构尺寸参考《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》，查得侧墙顶宽0.6m，侧墙底宽1.6m，基础厚度0.5m，基础外伸0.2m，搭接长度0.3m。经计算，消力池盖板厚度0.32m，配筋为φ14mm@10cm。

3.4.4 输水涵洞设计

涵洞进口高程893.0m，即坝高5.0m处，基础为土基，比降1∶100，涵洞全长70.44m。涵洞结构为浆砌石拱形结构，涵洞全部采用M10水泥砂浆砌块石，并沿长度方向每隔10m设一道截水环，其宽0.6m，厚0.5m。

3.4.5 陡坡段设计

根据实际地形情况，输水涵洞后接明渠陡坡段，比降1/10，陡坡段总长43.21m。陡坡出口高程为888.0m，总落差4.3m，陡坡正常水深0.248m，陡坡采用矩形断面，M10水泥浆砌石砌筑，底部每隔10m砌一道抗滑齿墙，尺寸为0.5m×0.5m。明渠断面尺寸由水力计算确定。经计算得知，陡坡末端水深即为正常水深0.248m。

表3 水位—库容、水位—面积关系曲线计算表

3.4.6 末端消能设计

由于河槽为土基，因此设尾水渠，经计算陡坡末端跃后水深为0.74m，尾水渠水深为0.773m，故不需设消力池。尾水渠断面0.8m×0.8m，比降1∶200，长5.0m，结构尺寸同陡坡段，末端设深1.0m，宽0.5m的齿墙。

3.5 溢洪道设计

溢洪道建在坝体左岸的土基上，采用陡坡式溢洪道，由引水渠、渐变段、堰体、明渠(缓坡、陡坡)和消力池组成，整个断面为矩形，底宽7m，全部采用坚硬石料的块石砌体，石料标号不低于300号，重力式挡土墙后回填碎石、砾石等透水性材料。

在整个溢洪道侧墙上均设5cm×5cm的排水孔，其孔间距5m，以梅花状排列。在侧墙背后排水孔处要设反滤料，墙后排水孔的反滤联成一体，形成一道纵向排水。此纵向排水由下游翼墙排出，且墙后尽量回填砂砾石和碎石渣等透水材料。

在整个砌石溢洪道底板下均铺设砂、碎石反滤料，厚度0.35m，砂、碎石层厚分别为0.15m、0.2m，并做好纵向排水暗沟。

4 结语

荆窑科骨干工程是薛孟河小流域中的一座新建骨干工程，建设此坝可最大限度拦蓄泥沙。荆窑科骨干工程坝控面积7.82km2，由坝体、放水工程和溢洪道三大件组成。采用24小时暴雨资料推求设计洪水方法进行水文计算。经过分析后，最大坝高24.5m，坝顶长106.02m，总库容90.9万m3，拦泥库容55.86万m3，滞洪库容35.04万m3。卧管最低放水孔高程▽894.92m，对应库容2.8万m3，卧管最高放水孔高程▽912.12m，共44台。涵洞进水口高程▽893.0m，出口高程▽892.30m，比降为1∶100，涵洞总长度70.44m。溢洪道宽顶堰断面尺寸3.5 m×7.0m(高×宽)，溢洪道总长136.52m。

荆窑科骨干工程建成后可对坝控面积内的洪水泥沙就地拦蓄，使严重的水土流失得到有效控制，改善作物生长的土壤环境，增加粮食产量，降低下游河道的淤积速度，为下游坝地提供灌溉水源，为当地农业生产、农民增收创造有利的条件。陕西水利