泥沙淤积对公路黄土坝式路堤的影响研究

王应斌,张升华,周志军

(1.云南省交通运输厅工程质量监督局， 云南 昆明 650214；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064)

泥沙淤积对公路黄土坝式路堤的影响研究

王应斌1,张升华2,周志军2

(1.云南省交通运输厅工程质量监督局， 云南 昆明 650214；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064)

为了研究泥沙淤积对公路黄土坝式路堤的影响，根据坝式路堤实际情况，考虑泥沙危害和来源，综合考虑水域面积内及分水岭内降雨径流的入库量，得出径流深及最终年入库量，由此得出坡面产沙量。工程实例计算结果表明：由于没有径流，泥沙主要来源是降雨引起的侵蚀跟随地上径流而流进库区；分析了三种泥沙淤积对坝式路堤影响的情况，根据入库量计算出产沙量，得到每年入库的泥沙体积，并计算出泥沙淤积总量及有效库容；经过若干年的泥沙淤积，库区的有效库容仅剩设计库容的20%左右。

坝式路堤；泥沙淤积；入库量；产沙量；有效库容

公路黄土坝式路堤具有道路通行、蓄水、水土保持和环境改善功能[1-5]，坝式路堤的库区蓄水后可以有效的保证周边的畜牧、灌溉及生活所需用水，同时由于库区水蒸发提高周边空气湿度，改善周边的生态环境，此结构形式对于缺水的北方地区是非常实用的。

在坝式路堤开始蓄水时，库底不存在淤泥，但是随着库区的降雨使得上游产生的水流及库岸产生的径流带来的泥沙及有机质悬浊物到水流比较平缓的地方沉淀，积累。随着多年的沉积，泥沙淤积高度每年上升，使得库区的有效库容逐渐减少。经过多年的沉积，泥沙淤积达到一定的高度后，且有可能超过下限水位的高度，会对库区的蓄水情况产生影响。高维龙等[6]通过对圆台型的水库模型进行计算分析，得到了不同时间库区的累计淤泥和蓄水高度。徐世强等[7]考虑了库区的蒸发率和库岸渗流量对库水水位的影响，并引入了理想均值水位，得出只要水位不下降至淤泥层以下，水位高低与淤泥量无关。

以往研究中，建立的库区模型和实际库型差距较大，其计算库型参数如边坡坡度等因素因实际库型多变复杂而实地测量不好把控，蓄水位结果偏离实际较大；其次蓄水起始年反复叠加计算，计算复杂繁琐。本文通过对实际库型进行计算，分析了泥沙淤积对公路黄土坝式路堤的影响。

1 泥沙淤积的危害

随着库区蓄水年限的逐年增加，淤积的泥沙也越来越多，库区泥沙的淤积会引起以下问题：

(1) 由于泥沙的淤积使得坝式路堤库区的有效库容和滞洪库容减小，从而导致库区综合效益降低；

(2) 淤积在一定程度上随着有机质腐殖质的增加可能会加剧水库水质污染，对周边的用水产生影响。

2 泥沙的主要来源

天然水流中所挟带的固体颗粒,主要来源于流域内降雨及水流对地表物质的水力侵蚀以及风蚀[8-12]。水力侵蚀主要是在降雨(尤其是暴雨，重现期为10 a～100 a的暴雨可引起很大的侵蚀量)、地表径流的作用下，地表的土体被侵蚀剥离，通过径流的运输及沉积的过程；风蚀主要发生在干旱和半干旱的地表无植被保护的干燥松软的土壤上。地表的土体被风力破坏剥离、搬运和沉积的一个过程，较大的风力甚至可以引起沙尘暴等恶劣天气，给人民的日常生活和经济带来严重的损失，不仅污染环境还可导致土壤的沙化。

泥沙淤积主要是在静水或缓慢的流水环境中，泥沙等有机质经过沉积、物理化学和生物作用形成的未固结的软弱细粒或极细粒土，属现代新近沉积物。淤积的泥沙主要由粉土质或黏土质等粒度的土构成，极少存在细砂质或极细砂质。西北干旱半干旱地区多以淡水为主，而淡水淤积的泥沙则是以伊利石和高岭石为主，与滨海有很大的不同(伊利石、蒙脱石)。淤积的泥沙较多的有机质分布在上层，有机质的含量随着深度的增加而逐渐减少。

影响产沙的因素有：自然因素(年平均降雨量、雨滴直径)、地形因素(坡长、坡度及流域面积)、土壤因素(土壤的可侵蚀性)、植被因素。其中植被因素对侵蚀的影响作用较大的原因是：(1) 减少了暴雨对土壤表面的击打；(2) 枯枝落叶可以有效地减少地表径流及雨水的冲刷；(3) 增加地面粗糙度，减缓流速；(4) 植被的根茎及地表的草丛可有效的增加地表的抗冲刷强度。

水库的泥沙淤积主要来源于河流径流的泥沙输送及库区范围内的土壤侵蚀。坝式路堤淤积的泥沙主要来源于水力侵蚀和风力侵蚀。

3 产沙量的计算方法

由于坝式路堤没有上游径流，产沙量主要由于降雨侵蚀库区分水岭内坡面所产生，故根据黄河水利委员会水科所[12]对于坡面产沙量的研究，得出了以下坡面产沙量的经验计算方程：

(1)

式中：E为土壤流失量，t/ha；C为植被度，%；S为地面坡度，%；R为径流深，mm；i为平均降雨强度，mm/min。

径流深R是指计算时段内某一过水断面上的径流总量平铺在断面以上流域面积上所得到的水层深度。在确定径流深R时，由于坝式路堤没有河道径流，所以取一次降雨入库总水量平铺在水面面积上的水层厚度。

4 入库量计算方法

根据文献[13]可知入库量计算方程为：

水域面积内的入库量如下式：

Qs=Ss·p

(2)

式中：Qs为水域面积内直接入库量；Ss为降雨时库区蓄水面积；p为年降雨量。

对于分水岭内降雨径流进入库区的入库量，综上可表达为：

Qf=(Sf-Ss)·(p-z)

(3)

式中：Qf为分水岭内直接入库量；Sf为分水岭所围面积；z为被洼地滞留、植物吸收、土壤入渗的径流厚度。

综合式(2)和式(3)，求得最终年入库量为：

Qnrl=Qs+Qf=Ss·p+(Sf-Ss)(p-z)

(4)

5 泥沙淤积对坝式路堤的影响

在坝式路堤开始蓄水时，库底不存在淤泥，但是随着库区的降雨使得上游产生的水流及库岸产生的径流带来的泥沙及有机质悬浊物到水流比较平缓的地方沉淀，积累。随着多年的沉积，泥沙淤积高度每年上升，使得库区的有效库容逐渐减少。经过多年的沉积，泥沙淤积达到一定的高度后，且有可能超过下限水位的高度，会对库区的蓄水情况产生影响，主要会产生以下几种情况：

(1) 第1种情况。当泥沙淤积高度未达到下限水位时，只要不出现长时间严重的枯水期，在枯水期时蓄水位未到达泥沙淤积顶面，库区还可以正常蓄水。即正常情况下，累积年限内(设计年限内)泥沙淤积高度位置不影响蒸发，不出现干涸现象，理论上均对设计没有影响。

此时如图1所示，随着多年的库区蓄水，蓄水位逐年稳定在汛限水位与下限水位之间，泥沙的淤积高度逐年增长，有效库容明显减少，淤积后可能使得周边畜牧、灌溉和居民工业可用水量减少。

图1蓄水位与泥沙淤积高度变化曲线图

(2) 第2种情况。若在第n年出现泥沙淤积的高度超过下限水位未达到汛限水位时，遇到枯水期蓄水位逐步下降，蓄水位降低至泥沙淤积高度时，则会引起库区干涸。

由于泥沙淤积抬高了库底高度，使得此时实际库底面积增大，当降雨雨量小于被植物吸收、土壤入渗、洼地滞留的径流厚度时，降雨被滞留及随即入渗，无法形成径流流入库区即无法再蓄水；当降雨雨量大于被植物吸收、土壤入渗、洼地滞留的径流厚度时，仅少量蓄水，短时间内再次引起库区的干涸。

(3) 第3种情况。若在第n年出现泥沙淤积高度超过汛限水位，需要重新校核频率洪水对坝式路堤的影响，在正常的公路路面设计年限内不会出现该情况，设计时不进行考虑。仅在每次对坝式路堤和公路进行加固或大修时，综合水位和淤泥高度确定是否需要采用有关措施以保证坝式路堤的稳定性。

综合上述三种情况可知，泥沙的淤积对于库区的蓄水有着重要的影响，但是由于坝式路堤的泥沙淤泥速度较为缓慢，在坝式路堤的路面设计年限内一般不会出现干涸的现象。

6 实例计算

图2 坝式路堤迎水面图

图3 天线K168+740 m—K168+880 m坝式路堤示意图

表1 坝式路堤水位H与水面面积S、库岸线长度l、库容V关系表

计算参数取值见表2。

表2 坝式路堤参数取值

年降雨量模拟分布见表3。

表3 24 h内降雨量模拟分布表

6.1 径流深R的计算

根据入库量的计算式(2)、式(3)和式(4)可得每次降雨的入库量，取一次降雨入库总水量平铺在水面面积上的水层厚度。首先对每次降雨入库量进行计算，计算结果见表4。

6.2 产沙量计算

根据式(1)，其它数据参照表2、表3和表4，对产沙量进行计算，将计算结果整理见表5。

表4 每次降雨入库量

表5 每次降雨入库量

通过表5计算可知每年进入库区的泥沙体积为4 477.21 m3，该路堤从1998年开始修建蓄水以来已经经过19 a，则总计泥沙淤积量为85 066.99 m3。根据表1可知此时泥沙淤积高度约为10.57 m，与实际情况基本符合。此时的有效库容仅剩109 927.92 m3。

7 结 论

(1) 通过对坝式路堤的实际研究，考虑了泥沙的来源，分析了泥沙淤积对于坝式路堤的危害，通过产沙量的计算公式可以得到每年的淤积量，经过多年的累计，使得有效库容和滞洪库容减少。

(2) 列举了经过若干年后三种由于泥沙淤积高度的上升所产生的情况，第1种情况和第2种情况对坝式路堤的设计没有影响；第3种情况需对坝式路堤进行设计频率洪水校核，但一般此时已经超过公路路面设计年限，在对坝式路堤和公路进行加固或大修时，综合水位和淤泥高度确定是否需要有关措施保证坝式路堤的稳定性。

(3) 根据入库量计算出产沙量，得到每年入库的泥沙体积，由此得出此时的泥沙淤积总量及有效库容。

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EffectsofSedimentDepositionontheLoessDamEmbankmentofHighway

WANG Yingbin1, ZHANG Shenghua2, ZHOU Zhijun2

(1.ProjectQualitySupervisionBureauofYunnanProvincialTransportationDepartment,Kunming,Yunnan650214,China; 2.Chang’anUniversity,TheSpecialRegionKeyLaboratoryofHighwayEngineering,MinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710064,China)

In order to study the effects of sediment deposition on the loess dam embankment, according to the actual situation of dam type embankment, the hazards, sources of sediment, the amount of rainfall and the watershed, the runoff depth and the final annual storage volume are calculated in this paper, based on which the sediment yield was obtained. The results of engineering examples show that without runoff, the main source of sediment is the erosion caused by rainfall following the runoff and flow into the reservoir area; the influence of three kinds of sediment deposition on dam type embankment is analyzed. By calculating the amount of sediment based on the amount of storage, the volume of sediment per year was derived, and the total amount of sediment deposition and effective storage capacity are also calculated. The results show that after several years of sediment deposition, the effective storage capacity of the reservoir area was only about 20% of the design capacity.

damembankment;sedimentdeposition;scheduledreceipt;sedimentyield;effectivestoragecapacity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.036

2017-07-16

2017-08-14

陕西省自然科学基础研究计划项目(2007E204)

王应斌(1973—)，男，云南禄劝县人，高级工程师，主要从事高速公路建设管理及质量检测工作。 E-mail:139080015@qq.com

TV145

A

1672—1144(2017)06—0181—04