佳县郭家沟淤地坝建设方案探析

刘炳浩，刘思周

(1.佳县水土保持工作队，陕西 榆林 719299；2.佳县水利水电工作队，陕西 榆林 719299)



佳县郭家沟淤地坝建设方案探析

刘炳浩1，刘思周2

(1.佳县水土保持工作队，陕西 榆林 719299；2.佳县水利水电工作队，陕西 榆林 719299)

摘要：淤地坝是黄土高原上的重要水利工程。郭家沟淤地坝所处地理位置复杂，水资源紧缺，建设难度大。通过分析郭家沟淤地坝基本概况，对淤地坝区内洪水和水文情况进行了探讨，从坝型及建筑材料选择、枢纽组成及布设、土坝和排水、放水工程等方面提出了科学的建设方案，以确保淤地坝建设工作顺利进行，促进当地农业生产和社会经济发展。

关键词：佳县；郭家沟；淤地坝；建设；方案

1概况

郭家沟淤地坝位于佳县县城南部55 km的康家港乡郭家沟村[1]，属坑镇河水系，是坑镇河右岸一级支沟郭家沟小流域,该流域属黄土丘陵沟壑区第一副区，产汇流分区为第Ⅰ区，流域内梁峁起伏，沟壑纵横，沟深坡陡，地形破碎，土质疏松，水土流失十分严重。修建该坝能够防治沟道沟头延伸，减少水土流失。工程所在地涉及郭家沟村共有85户335人。

郭家沟淤地坝属新建工程，坝址布置处无冲沟，地形较平缓。坝控流域面积3.0 km2，总坝高25 m，总库容121.78万m3。设计洪水标准为30 a一遇，校核洪水标准为300 a一遇，设计淤积年限取20 a，属大(一)型坝。主要工程由土坝、涵卧管组成，卧管布设在右岸，洪水处理方式采用：“全拦全蓄，滞洪排清”的方式。行政权属康家港乡郭家沟村。工程建成后，可新增拦泥库容85.8万m3，淤地8.77 hm2，对防治水土流失和改善生态环境有着重要意义。

2水文

2.1气象水文

工程所在地流域属中温带半干旱大陆性季风气候区，冬春两季多风沙、降雨少、蒸发大；夏季酷暑，雨量集中；秋季较短，气候凉爽。年平均降雨量395 mm，降雨量年内分布不均匀，且降雨多集中在7—9月份，多以大雨、暴雨形式出现，历时短、强度大、灾害性强，降低了水资源的利用率[2]。流域最大24 h降雨均值为58.0 mm。

2.2泥沙

郭家沟淤地坝所在流域具有典型的黄土丘陵沟壑区第一副区径流、泥沙特点。即径流、泥沙年季变化大，年内分配集中，径流泥沙主要来源于汛期暴雨洪水。多年平均侵蚀摸数为15 000～20 000 t/(km2·a)。

2.3水文计算

2.3.1设计洪峰流量计算

郭家沟淤地坝控制流域面积3.0 km2，不考虑其减沙减洪作用，洪水计算时按工程实际控制面积计算。设计洪峰流量采用洪峰流量汇水面积相关法计算，计算公式为：

(1)

式中：QP为重现期为N的洪峰流量，m3/s；CN为重现期为N的地理参数；n为经验指数，n=0.68；F为流域面积，km2。计算结果见表1。

表1　洪峰流量计算成果表

2.3.2设计洪水总量计算

设计洪水量用式(2) 进行计算。

(2)

式中：Wp为频率为P的设计洪水总量，万m3；a为24 h暴雨径流系数;F为流域面积，km2;H24P为频率为P的24 h暴雨量，mm；H24P=KP·H24，其中KP为频率为P的皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数;H24P为多年最大24 h暴雨均值，mm。由《陕西省榆林地区水文手册》查得，该坝控流域中心多年最大24 h暴雨均值为58 mm，不同频率24 h暴雨径流系数分别为α10=0.41，α20=0.43，α30=0.45，α50=0.46，α100=0.47，α200=0.48，α300=0.49。变差系数Cv为0.68，偏差系数Cv与Cs的比值Cs/Cv=3.5。经计算不同重现期的暴雨量计算成果见表2。

表2　不同重现期的暴雨量计算表

2.3.3年输沙量计算

利用《榆林地区实用水文手册图集》中多年平均侵蚀模数分区图查得，并经计算确定该流域侵蚀模数为S=2.0万t/km2，则工程控制流域年输沙量用式(3)计算。

(3)

式中：Ws为多年平均输沙量，万m3;S为多年平均侵蚀模数，取2.0万t/km2;F为流域面积，km2；γ为泥沙容重，t/m3，取1.4 t/m3。

经计算，坝控流域年输沙量为4.29万m3。

3工程设计

3.1坝型及坝筑材料选择

由于工程所在地筑坝土料丰富，质地条件良好，因此该淤地坝坝型为均质土坝，筑坝土料为Ⅲ级。工程所在流域内岩石裸露，岩性坚硬，易于开采，所以放水建筑物除涵洞外，其他均采用浆砌石结构。由于沟内季节性常流水很小，两岸土料丰富，土料各项指标符合机械碾压，所以土坝采用机械碾压法施工。

3.2枢纽组成及布设

郭家沟淤地坝属新建工程，该工程建设的主要目的在于控制洪水，拦蓄泥沙，故在工程枢纽由坝体、涵卧管放水建筑物组成。经实地勘测，坝址左岸结构完整，坡度较缓，因此可将泄水建筑物布置在左岸石基上，卧管坡比为1∶2，采用浆砌石砌筑，卧管下接消力池、涵洞，后经明渠泄至下游沟底。对郭家沟淤地坝初定坝址实地踏勘，中部河道最窄；右岸上游有支沟，下游有湾道，左岸下游有支沟，中部布坝工程量小，左右岸土源丰富，还能够以坝代路，为较理想的坝址。设计坝顶长91.0 m。放水设施卧管布置于大坝右岸岸坡上，坝下涵洞长度75.0 m，出口接入石槽。

3.3土坝设计

拦泥库容等于多年平均输沙量乘以设计淤积年限[3]，经计算，拦泥库容为85.8万m3，查水位—库容曲线得，拦泥坝高HL=20.0 m，则设计淤积高程为 ▽L=841.8 m。滞洪库容由校核洪水总量确定，即VZ=W3%=35.98万m3；查水位—库容曲线得，滞洪坝高HZ=3.5 m，则滞洪水位高程为 ▽Z=845.3 m。所以工程设计总库容为：V总=VL+VZ=85.8+35.98=121.78万m3，工程设计坝高为：H=HL+HZ+ΔH=20+3.5+1.5=25.0 m。根据《水土保持综合治理技术规范，沟壑治理技术》，碾压坝坝高预留沉降量取坝高的2%，则施工坝高为：25×(1+2%)=25.5 m，取25.5 m。结合该工程交通要求，郭家沟淤地坝坝顶宽取7.0 m，其坝顶高程为846.8 m。迎水坡坡比采用1∶2.5，背水坡在835 m处设一戗台，宽1.5 m，坡比采用1∶2.0。经计算，设计坝顶长91.0 m，最大铺底宽143.5 m。

为防止坝体与坝基、坝肩接合处形成集中渗流，保证坝体与基础紧密结合，增强坝体稳定性，在坝体与黄土沟坡接触面上布设结合槽1道，布设于坝址的坝轴线处，采用梯形断面，底宽1.5 m，深1.0 m，边坡1∶1，总长96.0 m。而在坝体与岩石接触面上设浆砌石防渗齿墙1道，采用梯形断面，高2.0 m，上底宽0.5 m，下底宽0.8 m，深入基础0.8 m，总长52.0 m。

在坝体分段填筑中，为避免形成漏水的软弱通道，分段接头在层与层之间，应错开一定距离，同时分段条带应与坝轴线平行布置，各分段之间不应形成过大的高差。对于施工中难免出现的接缝，必须认真处理，一般不应有纵向接缝。对于坝身填土与构筑物的连接部分，应精心填筑。靠近构筑物部分，可采用小型机械或人工夯实，夯实厚度不小于1.0 m。填土碾压时，要注意构筑物两侧均衡填料压实，以免对其产生过大的侧向压力，影响其安全。为使坝体免遭暴雨冲刷，根据工程建设经验，工程竣工后，对坝坡按设计坡比进行修整，使坡面平整、密实；并对土坝上游死库容以上坝坡和下游坝坡设置护坡，护坡措施采用生物防护，即坝坡面密植紫穗槐耐旱性灌木，稳定坝坡。栽植面积为0.32 hm2，株行距100 cm×100 cm，采用双植，栽时保持苗木根系舒展，栽后踏实，栽植灌木3203株。

3.4排水设计

(1)坝体排水

根据沟道内有小股常流水，虽不以蓄水为主，但该坝在长期淤积过程中，有可能蓄水或养殖，在坝体内有可能形成浸润线，在坝后出现较小的渗透水流，可能影响坝体稳定。为了防止坝坡土的渗透破坏和冻胀，防止下游沟道洪水淘刷下游坝脚，增加下游坝坡的稳定性，排泄地基及坝体渗透水流，有必要在下游坝坡趾部设置贴坡式排水体。根据《水土保持综合治理技术规范，沟壑治理技术》(GB/T 16453.3—2008)中有关要求，经计算贴坡式排水体的高度为3.5 m，顶宽1.5 m，其砂砾石厚30.0 cm，干砌块石厚70.0 cm，平均长17.0 m。

(2)坝坡排水

为及时排除坝面雨水，下游坝坡布设纵向和岸坡排水沟。排水沟分别沿坝坡和两岸坡脚布置。纵向排水沟设置在马道和贴坡排水体顶内侧，总长72.5 m；岸坡与坝坡接合处布设岸坡排水沟，总长103.0 m；纵向排水沟采用矩形断面，底宽0.3 m，深0.3 m，砌筑厚度0.3 m；岸坡排水沟采用矩形断面，宽0.4 m，深0.4 m，砌筑厚度0.3 m，均采用M7.5浆砌石衬砌。

3.5放水工程设计

郭家沟淤地坝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。根据现场查勘情况，左岸上游有支沟，下游有湾道，不宜布置建筑物，坝址右岸岸坡稳定，无冲沟，将卧管布置在上游右岸，坡比为1∶2，采用浆砌石砌筑，涵洞放置在基岩上，卧管下接消力池，后经涵洞、明渠、陡坡泄入下游河槽。

放水建筑物按4 d泄完30 a一遇一次洪水总量计算。卧管进水形式采用正面立孔进水，进水孔断面为拱型，由C25钢筋混凝土平面闸板调节控制水量。按同时开启上下两孔放水设计，设卧管台阶高度为0.6 m，则第一孔水头H1=0.6-0.3/2=0.45 m，第二孔的水头H2=1.2-0.3/2=1.05 m，进水孔直径d为0.57 m时满足卧管放水要求，为方便施工，进水孔直径取0.6 m。拱圈厚0.3 m，采用M7.5浆砌石结构。卧管垂直总高度为14.3 m，卧管顶高程为846.8 m，卧管最低一级放水孔底高程为832.5 m，卧管最高一级放水孔顶高程为845.7 m，通气孔高度为1.1 m,每个台阶高0.6 m，共22个台阶，卧管的斜长33.14 m。砌筑砂浆M7.5，勾缝水泥砂浆M10。卧管底部沿坡度方向每隔8 m做一道0.5 m×0.5 m的抗滑齿墙，以增加底板的稳定性，沿卧管长度方向每隔10 m设一伸缩缝，缝宽2 cm，缝内填实沥青麻绳，缝外包裹三油二毡。

消力池为矩形，尺寸(长×宽×深)为6.50 m×1.0 m×0.8 m。采用M7.5水泥砂浆砌块石，M10水泥砂浆勾缝，拱高0.5 m，拱圈厚0.4 m，拱座顶宽0.5 m，拱座底宽1.2 m，基础外伸长0.2 m，基础厚0.5 m。

输水涵洞采用浆砌石拱形结构，涵洞拱圈内半径为0.4 m，拱圈厚度0.4 m，拱台顶宽0.7 m，拱台底宽0.9 m，拱台高1.2 m，基础宽3.0 m，厚0.5 m，基础外伸0.2 m。为强化拱圈，拱圈两侧增加宽0.2 m，高0.2 m浆砌片石护拱。涵洞周边及顶部1.0 m范围内填土采用人工电夯夯实，填土干容重1.55 t/m3。

涵洞后接明渠，基础为石基，明渠进口高程为828.95 m，明渠全长2 m，比降1/100。采用矩形断面，当明渠底宽为0.8 m时，正常水深为0.51 m，取0.29 m的超高，断面尺寸(宽×高)确定为0.8 m×0.8 m。侧墙为重力式挡土墙，侧墙顶宽0.50 m，侧墙底宽0.64 m，基础厚0.5 m，基础外伸长0.15 m。

4结论

郭家沟淤地坝修建后，在设计淤积年限内，可拦截泥沙85.8万m3，年最大拦蓄洪水能力为35.98万m3，使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节。工程达到淤积年限后，可淤成坝地8.77 hm2，累计种植效益为115.5万元。

参考文献：

[1]郝高建.陕北黄土高原丘陵沟壑区治理中生态私有对策实证分析——以榆林市佳县梁家岔村为例[J].干旱区资源与环境，2008(8)：28-30.

[2]程占晓.浅议佳县水资源的开发利用形式[J].陕西水利，2012(5)：17-18.

[3]刘艳，基于流域水土流失综合治理的淤地坝设计技术研究[J].节能环保，2014(25)：258-280.

中图分类号：TV641.2

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0063-03

作者简介：刘炳浩(1972-)，男，工程师，主要从事小流域综合治理、骨干坝修建等水利水保方面的工作。E-mail：liubinghao@163.com