延安市安塞区砖窑湾镇吴圪台淤地坝工程设计

胡谢利，高淑红

(西安景天水利水电勘测设计咨询有限公司，陕西 西安 710014)

1 工程概况

吴圪台中型淤地坝位于山王河小流域内吴圪台沟，距县城约27 km，地理坐标为地处东经109°21′46.08″，北纬36°42′54.00″。吴圪台沟为西川河右岸一级支沟，沟道自南向北流向，沟道流域面积1.78 km2，沟道长度2.09 km，平均比降52.60‰。

2 水文计算

洪水过程采用经验公式发法、综合参数法及推理公式法进行计算，计算结果见表1。

表1 洪水流量计算成果汇总表 单位：m3/s

根据《水文手册》中产流雨乘以设计流域面积计算，计算结果见表2。

表2 洪水总量计算成果汇总表

3 工程规模

3.1 淤积库容

吴圪台中型淤地坝坝址以上控制流域面积1.78 km2，分析计算结合查《延安地区实用水文手册》得吴圪台中型淤地坝多年平均侵蚀模数为10000 t/(km2·a)。取流域多年平均侵蚀模数为10000 t/(km2·a)，按5年淤积年限考虑，泥沙干容重采用1.35 t/m3，泥沙淤积库容为6.59万m3。

3.2 滞洪库容

吴圪台中型淤地坝坝址以上控制流域面积1.78 km2，50 a一遇洪水洪峰流量79.7 m3/s，洪水总量为11.54万m3。由于本次工程不设溢洪道，滞洪库容为11.54万m3。

3.3 工程规模

按水土保持工程淤地坝设计，吴圪台中型淤地坝总库容为淤积库容加上滞洪库容，总库容定为18.13万m3，为Ⅵ等工程。

4 工程设计

4.1 坝高H～库容V～淤地面积S曲线的绘制

按照下列公式计算相应水位所对应下的库容：

V=∑ΔVn

式中：V为某特征水位下的库容，104m3；Sn为第n级水位对应的淤地面积，104m2；Zn为水位分级高差，m；ΔZn为分级水位所增库容，104m3。

经过测算，绘制水位～库容及水位～面积的关系曲线表3。

4.2 库容计算

总库容由拦泥库容(VL)和滞洪库容(VZ)两部分组成。

(1)拦泥库容VL用下式计算：根据该工程实际情况及规范要求，本次设计淤积年限取5年，拦泥库容用下式计算：

VL=N×Ws×F/γ

查《延安地区实用水文手册》中的悬移质输沙模数，可知Ws=10000 t/(km·a)，F=1.78 km2，γ=1.35 t/m3，则可得设计拦泥库容VL=6.59万m3。

表3 张窑子沟中型淤地坝水位～面积、水位～库容表

现状坝址地面高程为1168.00 m，根据水位-库容曲线可知，设计淤积面高程为1184.79 m，拦泥坝高16.79 m。

(2)滞洪库容(VZ)由查水位～库容曲线可知。滞洪库容等于50 a一遇一次校核洪水总量，即VZ=W校核=11.54×104m3；查水位～库容曲线得，HZ=6.03 m，滞洪水位高程为Z=1190.82 m。

(3)总库容：

V总=VL+VZ

故V总=6.59+11.54=18.13×104m3。

4.3 坝高确定

设计坝高(H)=拦泥坝高(HL)+滞洪坝高(HZ)+安全超高(ΔH)

安全超高查《水土保持治沟骨干工程技术规范》的相关规定取值为ΔH=1.68 m。

设计坝高H=HL+HZ+ΔH=16.79+6.03+1.68=24.50 m

碾压式土石坝施工时应当预留沉陷坝高，预留沉陷坝高按设计坝高的1.0%～3.0%确定，因此取值为0.50 m。该工程施工坝高为25.00 m。

4.4 坝体断面尺寸确定

(1)坝顶宽度

由于该工程无交通要求，因此相关规定，吴圪台中型淤地坝顶宽度取为4.0 m。

(2)坝坡、马道

根据《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》(GBT 16453.3-2008)要求，最大坝高大于15.0 m时，需设置马道，本次工程设一条马道，马道高程为1183.00 m，即坝高15 m处，马道内侧设置排水沟，大小为30 cm×30 cm。根据土料的力学性质、工程区地震烈度，上游坡比取1∶2.0，下游坝顶至马道坡比取1∶1.5，马道至排水棱体坡比取1∶2.0。

(3)坝体反滤排水体设置

为了增加坝体的稳定性，防止坝体背水侧出现滑坡塌陷，因此在背水坡坝脚处设置排水棱体。

查《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》表4-12，坝后棱体式排水的高度为3 m，顶高程为117100 m。堆石棱体采用石料场石料和混凝土粗细骨料进行加工，顶宽2.0 m，上游坡1∶1.25，下游坡1∶1.5，棱体基础高程1168.00 m。反滤料为15 cm厚粗砂、15 cm厚碎石，20 cm厚卵石。

4.5 基础处理

1)清基

在土坝培厚加固前，应在坝坡角线加宽60 cm～80 cm范围内进行清基，一般为0.5 m～1.0 m。

2)削坡

《水土保持综合治理技术规范，沟壑治理技术》(GB/T 16453.3-2008)，坝体与岸坡结合应采用斜坡平顺连接，坝址两岸坝顶高程以下土质岸坡削坡坡度不陡于1∶1.5，两岸坝顶高程以上土质岸坡削坡坡度不陡于1∶1，以防止高边坡滑塌。若有滑坡体，要将滑坡体完全清除掉。

4.6 坝面护坡及排水

为解决大坝排水，在坝顶下游马道内侧设置一条排水沟，长度为26 m。在背水侧修建岸坡排水渠，长度为96.00 m，排水沟采用M7.5浆砌石结构，采用M7.5水泥砂勾缝。

4.7 取土场整治设计

工程竣工后，应对岸坡取土场进行整治，根据周围原有林草种类进行林草植被的恢复，尽量使乔灌草相结合，以便尽快恢复水保功能，最大限度地减少水土流失。

4.8 放水工程

按照前述成果，淤地坝作为水源地时，滞洪库容6天排空，计算得卧管放水流量Q=0.15 m3/s。

(1)放水孔尺寸

分级卧管采用平孔进水，每台设一孔，每一个台阶高度选取0.4 m，每次开启2孔，则放水孔直径按下式计算：

式中：d为放水孔直径，m；q为放水流量，m3/s；H为孔上水深，m。

计算得放水口直径d=0.24 m，为保证后续用水变动，本次取d=0.25 m。

(2)卧管设计流量的确定

当放水孔径取0.25 m时，放水卧管的实际流量Q=0.17 m3/s。按照相关规范放水卧管的设计流量应当按实际流量加大20%计算，即加大流量为0.21 m3/s。

(3)卧管断面尺寸

当放水卧管加大流量Q加=0.21 m3时，查《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》表4-24，卧管坡比取1∶1.5，卧管断面尺寸为净宽×净高=0.4 m×0.4 m。

(4)卧管纵断面设计

根据实际地形及工程总体的布局要求、管理运行等条件，卧管第一孔进水口高程确定为1173.20 m，最末一级进水口高程1192.60 m，垂直高19.8 m，设49个放水口。卧管顶部设钢管通气孔，直径0.4 m，通气孔与侧墙浇筑为一体。

(5)卧管结构尺寸

查《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》表4-33，卧管采用M10砂浆砌石砌筑，侧墙顶宽度为0.30 m，侧墙底宽度为0.55 m，基础伸长尺寸为0.10 m，基础厚度尺寸为0.30 m。卧管底板每隔10 m设一道抗滑齿墙，齿墙深0.5 m，宽0.5 m。

(6)卧管消能

卧管与涵洞连接处设卧管消力池，消力池指卧管末端与坝下涵洞连接的建筑物，卧管中的水流经过消力池消力后，使水流平顺进入坝下涵洞。查《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》表4-24及4-34，消力池池宽0.8 m，池长4.7 m，池深0.7 m。消力池采用M10浆砌石砌筑，底板厚0.5 m，盖板为C20钢筋混凝土，厚度0.30 m。

4.9 输水涵洞设计

涵洞进口高程1171.00 m，即坝高3.0 m处，比降1∶100，涵洞长度为104 m，出口高程为1169.96 m。

涵洞设计为无压流。输水涵洞水力计算结果见表4。

表4 输水涵洞水力计算表

5 结语

吴圪台淤地坝修建后，在设计淤积年限内，可拦截泥沙6.59×104m3，年最大拦蓄洪水能力为11.54×104m3，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了有效控制，避免了土壤养分的流失，改善了作物生长的土壤环境，有利于作物的生长发育，提高了单产量，为当地农业生产创造了良好的条件，促使当地农民改变过去广种薄收的习惯，提高了劳动生产率，促进了农村经济的发展。