大羊泉淤地坝除险加固的必要性与设计浅析

白美华

（神池县水利水保站，山西 神池 036100）

1 大羊泉淤地坝基本情况

1.1 大坝原设计情况

大羊泉淤地坝位于神池县大羊泉村东，1998年建成投产。属黄河水系。控制面积3.4 km2，坝型为均质土坝，枢纽组成为大坝和放水建筑物“两大件”，放水建筑物布置在大坝左岸，主要构筑物包括卧管、涵洞和明渠。洪水标准20年一遇设计，200年一遇校核，设计淤积年限15年；设计坝高17.4 m，坝顶高程1 594.9 m，沟底高程1 577.5 m，设计总库容为51.6万m3，设计拦泥库容27万m3，设计淤积坝高11.88 m，相应高程为1 589.38 m，可淤地面积3.19 hm2。坝顶宽 4 m，坝顶长 90 m，上游坝坡坡比 1∶2，下游坝坡坡比1∶1.5。放水建筑物卧管断面尺寸为0.5 m×0.5m，台阶高0.4 m，总高度24 m，放水孔每台布置，孔径为21 cm；涵洞长60 m，断面为0.8 m×1.2 m，Q加＝0.48 m3/s。

该坝坝址下游3.5 km处主沟内有陈家窑骨干淤地坝，形成坝系。陈家窑坝洪水标准为20年一遇设计，200年一遇校核，坝下游有小大线乡道和人畜饮水井。

1.2 大坝现状情况

经实地勘测，大坝下游沟底高程为1 569.08 m，卧管顶高程1 595.55 m，第一放水孔高程为1 571.55 m，现有坝高为17.4 m，现淤面高程1 581.58 m（未达到淤积坝高1 589.38 m），现淤积库容为2.73万m3，坝顶高程为1 594.9 m，淤面至坝顶高13.32 m。坝顶平均宽度4 m，坝顶有交通要求，上游坝坡平均坡比1∶2，下游坝坡平均坡比1∶1.5。该坝放水建筑物卧管与输水涵洞完好。

2 除险加固必要性分析

经现状分析大羊泉淤地坝枢纽组成为坝体和卧管涵洞“两大件”，与下游主沟陈家窑淤地坝形成坝系，且没有泄洪设施，抗洪泄洪能力不足，不满足水利部《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》（水保〔2010〕455号）的要求。

该坝缺少日常管护，边坡及坝坡有冲沟，影响工程安全运行，溃坝后会对下游人民生命财产安全造成较大的危害，根据《水土保持工程技术规范》（GB51018—2014）中“失事后损失巨大或影响十分严重的淤地坝工程2级、3级主要永久性水工建筑物，经过论证，可提高一级”的要求，急需增加泄洪设施及维修坝坡和边坡冲沟，进行除险加固，消除安全隐患。

3 大坝除险加固方案

3.1 防洪标准复核

3.1.1 设计暴雨量

设计暴雨量采用以下公式计算：

式中：H24p——频率为P的24 h暴雨量，mm；

Kp——频率为P的皮III型曲线模比系数；

H24——最大24 h暴雨均值。

查省《规范》得：H24=60 mm，又由Cv=0.58，Cs=3.5Cv，由此查得：P=5%时，Kp=2.16，P=0.5%时，Kp=3.51，则：H24，5%=2.16×60=129.6 （mm）H24，0.5%=3.51×60=210.6（mm）

3.1.2 设计洪峰流量

设计洪峰流量采用以下公式计算：

式中：Qp——频率为P的洪峰流量，m3/s；

C1——洪峰地理参数；

F——产流面积，km2。

因坝控区间为黄土丘陵沟壑区，查晋Q834～85《规范》表得：C1=0.17，控制面积：F=3.4 km2，则：Q5%=0.17×129.6×3.42/3=49.82 m3/s；Q0.5%=0.17×210.6×3.42/3=80.95 m3/s。

3.1.3 设计洪水总量

设计洪水总量采用以下公式计算：

式中：Wp——频率为P的洪水总量，万m3；

K——小面积洪水折减系数；

Rp——设计暴雨的一次洪水模数，万m3/km2。

查晋 Q834～85《规范》附表得：K=1，当P=5%时，Rp=4.07，P=0.5%时，Rp=10.8，控制面积：F=3.4 km2，则：W5%=1×4.07×3.4=13.838万m3；W0.5%=1×10.8×3.4=36.72 万 m3。

3.1.4 调洪演算

（1）粗调

粗调计算采用以下公式：

假设溢洪道地板高程为1 590.47 m，溢洪道以下为淤积库容，淤积库容为33.29万m3。起调水位相应的坝高为12.97 m，粗调结果见表1。

表1 调洪演算结果表

经过调洪演算，选用溢洪道底高程1 590.47，底宽B=5.0 m。

（2）详调

根据某一时段内进库水量与出库水量之差，求得该时段内库水量增减的变化过程，采用基本公式如下：

详调结果见表2。

查原设计坝高～库容曲线，已淤积库容为2.73万m3，现状剩余拦泥库容为30.56万m3。调洪演算总库容为51.60万m3，与原设计51.6万m3相近，说明假定的拦泥库容33.29万m3可行，现有坝高17.4 m，满足设计要求，故坝体不需要加高。

表2 调洪演算结果表

3.2 坝坡复核

根据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014），对于碾压坝不同坝高应分别采取不同的上下游坡比，设计如表3所示。

表3 碾压坝不同坝高

现状坝上游坝坡平均坡比1∶2，下游坝坡平均坡比 1∶1.5，满足规范要求。

3.3 除险加固方案

经过上述分析，该坝坝体满足设计要求，不需加高；上下游坝坡满足规范要求。为满足抗洪泄洪要求，本次除险加固只增设溢洪道泄洪建筑物。

4 除险加固初步设计

本次除险加固后枢纽组成为大坝、放水建筑物、溢洪道“三大件”，放水建筑物为卧管式、布置在大坝左岸，主要构筑物包括卧管、涵洞和明渠；增设溢洪道为宽顶堰陡坡式，布置在大坝右岸。

4.1 溢洪道设计

据实地勘察计算，溢洪道布置在大坝的右岸，采用开敞式，总长度127.92 m，最大下泄量36.5 m3/s，由进口段，泄槽，消能设施三部分组成。

4.2 溢洪道断面及结构尺寸

4.2.1 引水渠

引水渠采用土质梯形断面，边坡比为1∶1，底高程为1 590.47m，最大泄洪水深2.87m，引水渠长度26 m，底宽为5m，下泄流量为36.50m3/s，墙高为水深加0.5m的安全超高，墙高取3.4 m。

4.2.2 渐变段

渐变段为扭面，与溢流堰侧墙用缝分开。采用M7.5浆砌石结构，水深2.87 m，墙高为水深加0.5 m安全超高，墙高取3.4 m，进出口底宽为5 m，渐变段长度按下式计算：

式中：H——堰上最大溢流水深，取2.87 m，L≥2H=2×2.87=5.74 m，根据地形条件取渐变段长度为6 m。

4.2.3 溢流堰

坝顶有交通要求，本次溢流堰采用宽顶堰箱涵结构，根据《规范》取堰上水深的3～6倍，由此计算溢流长度为：

L溢=（3～6）×2.87=8.61 ～17.22 m。结合当地实际情况确定溢流堰长取10 m。

根据调洪演算结果，溢流堰宽5 m，墙高为水深加0.5 m安全超高，取3.4 m。底板高程为1 590.47 m，消力池底板高程为1 567.3 m，跌差为23.17 m，底坡比选用1∶3.32，则水平长度为76.92 m，斜长为80.34 m。

4.2.4 泄槽

泄槽为矩形断面，水平长度76.92m，斜长80.34m，底坡1∶3.32，过水底宽5 m，两侧翼墙采用悬臂式挡土墙形式，墙顶宽0.4 m，墙踵根部高0.3 m，悬挑长0.5 m，墙踵侧加腋，腋宽0.3 m，高0.3 m，墙趾根部高0.3 m，悬挑长0.5 m，进口侧墙高1.9 m，10 m处侧墙高0.9 m，出口侧墙高0.8 m。

4.2.5 消力池

消力池为矩形断面，长9 m，宽5 m，厚0.4 m，侧墙净高3.7 m，墙顶宽0.4 m，侧墙墙踵悬挑长各为0.5 m，高0.4 m，背坡家腋尺寸为0.3×0.3 m。在进口设置一道齿墙，齿墙宽0.5 m，埋深1 m，消力池出口挡墙高2.5m，底部设置一道齿墙，齿墙宽0.5 m，埋深1 m。消力池底板设置排水孔，孔排距均为2 m，呈梅花型布置，消力池下铺设0.3 m反滤层，反滤层自上而下由卵石、碎石、砂层层铺筑。

5 结语

通过对大羊泉淤地坝的除险加固，提高了原工程的防洪能力，有效控制了区域水土流失，保障了下游水利工程及交通设施安全，改善了人民群众生产生活条件。病险淤地坝除险加固工作要最大限度发挥好技术优势，使得除险加固方案在技术上可行、经济上合理，确保质量和加固成效，促进淤地坝的可持续利用和发展。对当前开展的淤地坝病险坝除险加固工作具有借鉴意义。