柳树沟前沟坝体加固方案探讨

张红梅

（吴起县水土保持工作队 陕西 吴起 717600）

1 概况

柳树沟流域（片）位于陕西省延安市吴起县的东北部，北洛河三级支流，流域总面积27.2km2，属黄土丘陵沟壑区第二副区，水土流失严重，年土壤侵蚀模数12000t/km2。

1.1 自然条件

柳树沟前沟中型淤地坝位于吴起县白豹乡柳树沟村，距县城约50km，工程属北洛河二级支流，坝控面积2.81km2。工程所在流域属于典型的黄土丘陵沟壑区第二区，地貌以梁、峁、坡、沟组成，以坡为主，梁窄坡陡。沟道内有常流水，坝址两岸有岩石出露，岩石高3m～5m，沟道上游比降较陡。坝址处不存在淹没问题，所选坝址较为理想，工程效益最佳，该坝取土条件较好，土场平均运距约70m采用碾压筑坝。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，地震设防烈度为Ⅵ度，可以不设防。

1.2 社会经济情况

工程所在地涉及1个村92户427人，该村现有耕地1473.2亩，其中基本农田1345亩，主要农作物有玉米、小米、土豆等。

1.3 水象水文泥沙

项目区地处大陆性季风气候区，多年平均气温7.8℃，蒸发量891.23mm，全年太阳辐射量为117.24RK/cm2，项目区内地面每年最早于11月上旬封冻，最晚于次年4月初解冻，冻土深95cm。

多年平均降水量483.4mm，多集中在7月～9月，汛期（6月～9月）降水量占全年降水量的79.3%，降水量年际变化大，年最大降水量是最小降水量2.83倍。项目区暴雨主要发生在7月～9月，历时短强度大而集中。项目区地处北洛河上游多沙区，降水特别是暴雨特性以及项目区陡峻的地形条件决定了洪水年际变化大、洪水汇流迅速、洪水过程陡涨陡落、含沙量高、输沙强烈等径流、泥沙特性。

1.4 原坝基本情况及存在问题

吴起县白豹乡柳树沟前沟坝兴建于上世纪70年代，坝控制面积2.81km2，坝高30.0m，坝顶长87.7m，坝顶宽7m,淤泥面距坝顶4.5m，坝体下游1∶1.2，坝体完好。有坝地132.14亩，坝地高低不平。沟道有常流水，因溢洪道进口高程比淤泥面高1.0 m，使坝地全部让水侵泡，基本不能种植。流域内主要是以坡面治理为主，沟道工程较少，需通过沟道治理，加固配套和兴建一批淤地坝工程，形成稳产高产的沟道坝地，实现林草上山，农田下川，调整流域土地利用结构，保证退耕还林（草）、封育治理的成果，促进群众脱贫致富奔小康。窨子沟中型淤地坝上下游均没有已建和在建的淤地坝工程。

2 水文计算

2.1 水位—库容、水位—面积曲线

由1∶1000库区地形图，用求积仪量得各级水位下的淤地面积S，水位分级为1m，根据公式 ΔVi=(Si-1+Si)/2·ΔZi和 V=ΣΔVi，计算各级水位下的库容，如表1。

2.2 设计暴雨量计算

柳树沟前沟中型淤地坝控制流域面积2.81km2，按照《水土保持综合治理技术规范》（沟壑治理技术GB/T16453.3—2008）的有关规定，洪水计算时按工程实际控制面积计算，该工程设计标准为20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。

根据《陕西省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。由工程所在小流域，查《陕西省延安地区实用水文手册》得多年最大24小时暴雨均值为53mm，变差系数CV为0.62，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，K20=2.21，K50=2.71，由此可计算得不同频率的24小时暴雨量，参见表2。

表1 水位、库容、面积关系表

表2 不同频率24小时暴雨量、洪峰流量和洪水总量表

2.3 设计洪峰流量计算

根据实际情况，采用《延安地区实用水文手册》中的洪峰流量推理公式法进行计算。

式中，Qp——重现期为N的设计洪峰流量，m3/s；

hτ——净雨深，相应于τ时段的最大净雨，mm；

τ——流域汇流时间，h；

F——设计流域面积，km2；

L——沿主沟道从出口断面至分水岭的最长距离，km；

m——汇流参数；

J——沿流程L的平均比降，以小数计。

计算结果参见表2。

2.4 设计洪水量计算

采用《水土保持治沟中型淤地坝技术规范》推荐的推理公式计算：

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；

其他符号含义同前。

由 τ＝0.278L/(mJ1/2×Qp1/2)，已知沟道长度L＝2.63km，沟道平均比降J＝8.2%，及公式m=4.4[L/(F×J)1/2]0.225×hR-0.21计算出汇流参数，参见表2。

3 加固维修方案设计

3.1 调洪演算

原淤泥面高25.5m，高程为1420.5m；平垫后泥面高26.50m，高程为1421.5m，上游阳沟拦洪坝其下泄流量为：

经计算W区设=3.2万m3；W区校=5.06万m3；

Q设=58.1+3.44=61.54m3/s；

W设=13.63+3.2=16.83 万 m3；

Q校=77.2+5.04=82.24m3/s；

W校=19.96+5.06=25.02 万 m3；

（1）溢洪道下泄流量的确定

应用公式Q泄=Q洪(1-V滞/W洪)验算。式中，Q泄——溢洪道设计流量，m3/s；

Q洪——设计洪峰流量，m3/s；

V滞——滞洪库容，万m3；

W洪——设计洪水总量，万m3。

在设计情况下，设H＝1.22m。

查H～V曲线得，V滞＝12.13万m3。

（2）溢洪道宽度B的确定

B=Q泄/（MH13/2）

式中，B——溢流堰宽，m；

Q泄——溢洪道设计流量，m3/s；

M——流量系数，取1.60；

H1——溢洪道深，m。

B=Q泄/（MH13/2）=17.19/（1.6×1.221.5）=7.97 m，取8m

故溢洪道底宽为8.0m，坝上水深为1.22m。

用同样方法计算校核情况下，设h＝1.65，查库曲线得V校＝16.73万m3。

B=Q泄/（MH13/2）=27.25/（1.6×1.651.5）=8.03 m，溢洪道底宽为8.0m满足校核下的下泄流量。

故该工程滞洪坝高为1.65m，滞洪库容为16.73万m3，溢洪道底宽b=8.0m。

3.2 坝体设计

按照《国标》的规定，其设计洪水标准为20年，校核洪水标准为50年，因为是旧坝维修工程，所以本设计设置拦泥库容为垫地方量。根据柳树沟前沟中型淤地坝的作用和运用条件，以及对枢纽布设的要求，结合坝址地形条件，确定工程枢纽由坝体和溢洪道组成。

坝高H有拦泥坝高HL、滞洪坝高HZ和安全超高△H三部分组成，即

拦泥坝高为垫地高1.0m，则：VL=0万m3，HL=26.5-25.5=1.0m。

滞洪库容由前面调洪得16.73万m3，滞洪坝高HZ=1.65m。

工程设计总库容为：V总=V拦+V滞=0+16.73=16.73万 m3。

安全超高按《国标》的有关规定取ΔH取1.5m～2m，ΔH取1.85m。

工程设计坝高为：H设=H拦+H滞+△H=26.5+1.65+1.85=30.0m

原坝体高为30.0m，所以本工程需要加高坝体。根据《国标》规定，结合实际情况，本工程拟定B=4m。原坝顶宽度为6 m，不需加固。该工程采用碾压施工方式，根据《国标》，上游坝坡为1：2.5下游坡比为原1：2；原坝坡比下游坡比也为 1：2。所以坝体不必加固。

3.3 溢洪道设计

柳树沟前沟中型淤地坝，原溢洪道设在坝的右岸，溢洪道底部高程1421.5 m。溢洪道由进水段、控制段（宽顶堰）、明渠段、组成。全长108m，控制段（宽顶堰）断面宽8.0 m，深 3.0 m，出口断面宽 8.0 m，深 2.0 m。经前面调洪计算和陡坡试算原溢洪道能满足，不必加固。

3.4 排洪渠设计

根据实际情况，现场勘查拟排洪渠开挖在坝地右岸，排洪渠按照可以满足20年一遇上游阳沟的下泄流量进行计算Q泄=3.44m3/s。断面为梯形，底宽2.0m，底坡i=1/200，总长1440m，根据计算公式为:

用试算法求正常水深h，得h=0.763m。

故将排洪渠深确定为1.2m，底宽2.0m边坡1:1.0，长1440.0m，顶宽0.5m。

4 施工技术及效益分析

4.1 施工技术要求

要求将浮土、杂物等全部清除，清除厚度按浮土、杂物深度而定，一般要求为40cm以上。排洪渠要在基土上开挖，渠道按设计的断面开挖，开挖后要求修削平顺。

4.2 效益分析

柳树沟前沟中型淤地坝经过整修后，年最大拦蓄洪水能力为16.73万m3，使坝控范围内的洪水泥沙基本拦蓄。柳树沟前沟中型淤地坝加固的直接经济效益为坝地种植效益：恢复利用坝地145亩，坝地利用率80%，可利用坝地116亩，坝地亩产按400kg计算，粮食单价为2.5元/kg，故坝地亩产效益为1000元，扣除每亩种植投入种子、化肥、农药等成本250元，每年可净收入8.7万元。按30年种植期计算，累计种植效益为261万元。

5 结语

为了控制和防治水土流失，充分利用水沙资源，改变黄土高原地区农业生产条件，减少入黄泥沙，促进退耕还林还草和封山育林，通过分析柳树沟流域的自然条件、水沙资料、社会经济情况等资料，对沟道工程现状和拟建工程坝址进行了实地勘测，提出坝体加固方案为开挖排洪渠、平垫坝地。根据实测横断面，计算垫地土方量为9.24万m3，排洪渠开挖方量按断面积×长度进行计算。柳树沟前沟中型淤地坝加固后工程控制50年一遇洪水。陕西水利