劉 斌

（佳縣水土保持工作中心，陜西 榆林 719299）

黃土高原區(qū)水土流失嚴(yán)重，為擴(kuò)大提升淤地壩建設(shè)效益，現(xiàn)以賀倉攔沙壩建設(shè)為例，對黃土高原區(qū)串聯(lián)壩建設(shè)進(jìn)行探討。

1 概況

車會(huì)河系黃河中游右岸的一級(jí)支流，全長25.8 km，流域面積131.6 km2，河道比降13.4‰。流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)，溝壑縱橫，地面破碎；沿河兩岸有寬窄不等的溝臺(tái)川道。賀倉攔沙壩位于黃河右岸一級(jí)支流車會(huì)河上游，壩址以上控制流域面積3.66 km2，河長2.64 km，平均比降13.0‰。賀倉中型攔沙壩位于車會(huì)河流域中游右岸支溝內(nèi)，行政隸屬于佳縣劉國具鎮(zhèn)賀家倉村，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量402 mm，平均風(fēng)速2.4 m/s。

2 工程地質(zhì)分析

工程區(qū)位于鄂爾多斯地臺(tái)東緣、呂梁山背斜西翼，區(qū)內(nèi)出露有晚太古界片麻巖、元古界呂梁期片巖、大理巖和古生界海相地層，到二疊紀(jì)之后為陸相沉積，缺失侏羅系、白堊系沉積[1]。鄂爾多斯地臺(tái)從侏羅紀(jì)開始全區(qū)地殼上升，新生代以來區(qū)內(nèi)主要堆積第四系黃土，僅個(gè)別洼地堆積有第三系紅土。距工程區(qū)較近的離石大斷裂，至少晚更新世以來是不活動(dòng)或弱活動(dòng)的。

2.1 岸坡穩(wěn)定問題

庫區(qū)黃土岸坡坡高25～65 m，大部分呈上緩下陡的邊坡形態(tài)，上部緩坡坡度一般25°～35°，邊坡穩(wěn)定；下部陡坡坡度一般50°～60°[2]，局部呈直立岸坡，穩(wěn)定性較差，后期水庫蓄水預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的塌岸破壞，對攔沙壩影響不大，后期攔沙壩淤積會(huì)進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性，對攔沙壩安全運(yùn)行基本無影響。庫區(qū)基巖岸坡主要分布于河谷底部，現(xiàn)狀坡度一般為60°～70°，局部為直立甚至倒坡?；鶐r產(chǎn)狀平緩，層厚穩(wěn)定，岸坡整體穩(wěn)定性好，局部發(fā)育的小型崩塌體對岸坡基本無影響。后期攔沙壩運(yùn)行會(huì)進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性。

壩址左岸高程955 m 以下為巖質(zhì)邊坡，坡高約3.0 m，現(xiàn)狀坡度約75°，近于直立；高程955 m以上為黃土邊坡，總體坡高約66 m，現(xiàn)狀坡度約45°～60°。右岸高程957 m 以下為巖質(zhì)邊坡，表面有坡積覆蓋，坡高約6.5 m，現(xiàn)狀坡度約37°。邊坡內(nèi)部巖體坡度近于直立，產(chǎn)狀平緩，邊坡穩(wěn)定性好。

巖質(zhì)邊坡以上為黃土邊坡，邊坡黃土垂直節(jié)理發(fā)育，分布有小型沖溝，邊坡地形較破碎，無滑坡或滑塌體發(fā)育，整體邊坡基本穩(wěn)定。

2.2 滲漏問題

庫區(qū)地形封閉，兩岸塬體寬厚，鄰谷直線距離較遠(yuǎn)，切割深度相當(dāng)，地形上不具備庫水外滲的條件。庫區(qū)基本不存在滲漏問題。經(jīng)實(shí)際水力坡降計(jì)算與滲透穩(wěn)定性分析可知，J實(shí)=0.19。由于J實(shí)＞J允，壩基存在滲透變形破壞可能，應(yīng)設(shè)置壩基結(jié)合槽對壩基砂礫石進(jìn)行截滲處理。

2.3 壩址及其上下游溝道工程情況

賀倉中型攔沙壩工程上游2.5 km 處有淤地壩1座，該工程為上世紀(jì)六七十年代建成，近年利用土地整治資金對該壩進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，該壩由壩體、放水工程和泄洪建筑物組成，壩控面積3.58 km2，總庫容135 萬m3。參照《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（SL/T804-2020）[3]，工程等級(jí)為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。該壩壩底高程高于賀倉攔沙壩壩頂高程11 m，目前工程狀況良好，正常運(yùn)行中。

賀倉攔沙壩壩址上游原有住戶17 戶，由于土地增減掛鉤政策實(shí)施已整體移民搬遷至別處，左岸上部有1 條生產(chǎn)道路，故不存在攔沙壩建設(shè)的制約因素。

賀倉攔沙壩下游4.5 km 為暖渠山水庫，水庫壩址位于佳縣朱家坬鎮(zhèn)暖渠山村。該工程于1975 年10 月動(dòng)工興建，1977 年9 月建成，是一座以攔沙、防洪為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。該水庫工程屬Ⅲ等工程，主要建筑物為3 級(jí)，總庫容1 550 萬m3，其中滯洪庫容650 萬m3，校核洪水位930 m，近年來對該水庫進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a 一遇，設(shè)計(jì)最大下泄流量948 m3/s。目前，暖渠山水庫滿負(fù)荷運(yùn)行，且回水末端距賀倉攔沙壩壩址1 km，賀倉攔沙壩壩底高程為942 m，故暖渠山水庫不會(huì)對上游的賀倉攔沙壩產(chǎn)生影響。

根據(jù)本壩所在小流域上下游溝道實(shí)際情況及單壩工程規(guī)模，按串聯(lián)壩調(diào)洪，賀倉中型攔沙壩控制面積確定為3.66 km2。

3 庫容分析

3.1 洪水泥沙分析

車會(huì)河大洪水均為暴雨洪水，洪水高度集中在7—8 月。洪水特點(diǎn)是暴漲暴落、歷時(shí)很短、峰形尖瘦、含沙量高，洪水異常迅猛。

根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊》分區(qū)，新建攔沙壩工程地處Ⅰ區(qū)，采用推理公式法分別計(jì)算P=0.33%和P=3.33%不同頻率洪峰流量和對應(yīng)的洪水總量。從安全角度考慮，本工程設(shè)計(jì)洪峰流量107 m3/s，校核洪峰流量178 m3/s；設(shè)計(jì)洪水總量24.4 萬m3，校核洪水總量51.1 萬m3。在輸沙量計(jì)算時(shí)，結(jié)合《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊》中的輸沙模數(shù)以及項(xiàng)目可研批復(fù)取兩者中間值，得到賀倉新建骨干工程多年平均輸沙模數(shù)為1.8 萬t/（km2·a）。經(jīng)計(jì)算，壩控流域年輸沙量為4.88萬m3。

3.2 工程建設(shè)規(guī)模

賀倉中型攔沙壩參照大型淤地壩建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為30 a，校核洪水重現(xiàn)期為300 a，設(shè)計(jì)淤積年限為20 a。根據(jù)攔沙壩功能，工程總庫容由滯洪庫容和攔泥庫容組成，攔泥庫容及淤地面積通過查詢水位-庫容-面積曲線進(jìn)行確定，滯洪庫容經(jīng)調(diào)洪演算后確定。

3.2.1 水位-庫容-面積曲線的繪制

采用壩庫面積分層法在1∶2 000 地形圖上量算繪制水位-庫容-面積曲線，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 水位-庫容-面積曲線計(jì)算結(jié)果

3.2.2 攔泥庫容計(jì)算

攔泥庫容按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：VL為攔泥庫容（萬m3）；Mo為侵蝕模數(shù)[t/（km2·a）]，取1.80 萬t/（km2·a）；F為壩控流域面積（km2），取3.66 km2；γ為泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3；N為淤積年限（a），取20 a。

經(jīng)計(jì)算，得到VL=97.6萬m3。

3.2.3 滯洪庫容計(jì)算

（1）上游壩調(diào)洪。上游淤地壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇設(shè)計(jì)、300 a 一遇校核，溢洪道進(jìn)口底板高程1 000 m、寬8 m，洪峰流量和設(shè)計(jì)洪量如下：Q3.33%=105 m3/s，W3.33%=23.9 萬m3；Q0.33%=175 m3/s，W0.33%=50 萬m3。

溢洪道調(diào)洪演算按下列公式計(jì)算：

式中：qp為頻率P的溢洪道最大下泄流量（m3/s）；Qp為頻率P的設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；Wp為頻率P的設(shè)計(jì)洪水總量（萬m3）；VZ為滯洪庫容（萬m3），即設(shè)計(jì)淤積高程與設(shè)計(jì)洪水位間的庫容；M為溢洪道流量系數(shù)，寬頂堰取1.52；B為溢洪道底寬（m），取8 m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速的水頭（m）。上游壩溢洪道調(diào)洪演算結(jié)果，詳見表2。

表2 上游壩溢洪道調(diào)洪演算結(jié)果

公式法調(diào)洪演算結(jié)果為：溢洪道底寬8 m，在設(shè)計(jì)洪水條件下，下泄流量為60 m3/s，滯洪水深為2.9 m；在校核洪水條件下，下泄流量為110.7 m3/s，滯洪水深為4.36 m，滯洪庫容為18.34萬m3。

（2）賀倉壩調(diào)洪。賀倉攔沙壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇設(shè)計(jì)、300 a 一遇校核，淤積高程971.72 m，洪峰流量和設(shè)計(jì)洪量如下：Q3.33%=107 m3/s，W3.33%=24.4萬m3；Q0.33%=178 m3/s，W0.33%=51.1萬m3。

設(shè)計(jì)工況下，最大下泄流量60 m3/s，從賀倉設(shè)計(jì)洪水過程線和時(shí)間流量曲線的交線得知，從開始到最大流量時(shí)間段為0~0.92 h，從上游壩時(shí)間流量曲線中得時(shí)間段為0~0.92 h，下泄洪水總量16.73萬m3。

校核工況下，最大下泄流量110.7 m3/s，從賀倉校核洪水過程線和時(shí)間流量曲線的交線得知，從開始到最大流量時(shí)間段為0~1.15 h，從上游壩時(shí)間流量曲線中得時(shí)間段為0~1.15 h，下泄洪水總量31.5萬m3。溢洪道下泄流量及調(diào)洪演算采用以下公式計(jì)算：

式中：qp為頻率P的溢洪道最大下泄流量（m3/s）；Qp為頻率為P的設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；WP為頻率為P的設(shè)計(jì)洪水總量（萬m3）；W'P為本壩泄洪開始至最大泄流量的時(shí)段內(nèi)上游工程的下泄洪水總量（萬m3），設(shè)計(jì)工況下W'P=16.73 萬m3，校核工況下W'P=31.5萬m3；q'p為頻率為P的上游工程最大下泄流量（m3/s）；VZ為滯洪庫容（萬m3），即壩地淤泥面與設(shè)計(jì)洪水位間的庫容；M為溢洪道流量系數(shù)，寬頂堰取1.52；B為溢洪道底寬（m）；H為溢洪道水深（m）。賀倉壩溢洪道調(diào)洪演算結(jié)果，詳見表3。

表3 賀倉壩溢洪道調(diào)洪演算結(jié)果

公式法調(diào)洪演算結(jié)果為：溢洪道底寬10 m，在設(shè)計(jì)洪水條件下，下泄流量為56.16 m3/s，滯洪水深為2.39 m；在校核洪水條件下，下泄流量為120.23 m3/s，滯洪水深為3.97 m，滯洪庫容為48.16萬m3。

經(jīng)合計(jì)，工程總庫容為145.76萬m3。

3.2.4 工程規(guī)模

賀倉攔沙壩設(shè)計(jì)淤積年限取20 a，設(shè)計(jì)總壩高35.5 m，總庫容145.76萬m3，其中攔泥庫容97.60萬m3、滯洪庫容48.16萬m3。工程建成后，可淤地10.44 hm2，攔截泥沙131.76萬t。

4 大壩設(shè)計(jì)

4.1 工程總布置

本工程壩型確定為碾壓式均質(zhì)土壩，由壩體、放水建筑物和溢洪道組成。土壩壩軸線垂直溝道布設(shè)，壩頂長118 m，壩頂寬5 m，溝底高程為942 m，壩頂高程977.5 m，最大壩高35.5 m。上游壩坡坡比1∶2.5，下游壩坡坡比1∶2。下游坡腳設(shè)置棱式反濾體，長30 m，頂寬2 m，高4 m。外坡比1∶1.5，內(nèi)坡比1∶1。在岸坡布設(shè)縱向排水溝，總長198 m。

放水建筑物布設(shè)在河道左岸，由臥管、臥管消力池、涵洞、出水渠等組成。溢洪道布置在河道右岸，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠五部分組成。

4.2 壩體設(shè)計(jì)

4.2.1 壩高確定

壩高由攔泥壩高、滯洪壩高、安全超高三部分組成[4]，本次設(shè)計(jì)淤積年限20 a，攔泥庫容VL=97.60萬m3，查水位-庫容-面積曲線得攔泥壩高HL=29.72 m，設(shè)計(jì)攔泥高程為971.72 m。滯洪庫容VZ=48.16 萬m3，查水位-庫容-面積關(guān)系曲線得滯洪壩高HZ=3.97 m，滯洪高程為975.69 m。按照《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（SL/T804-2020）的有關(guān)規(guī)定，安全超高ΔH=1.81 m，所以壩高H=HL+HZ+ΔH=29.72+3.97+1.81=35.5（m）。相應(yīng)的壩頂高程為977.5 m。

依據(jù)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（SL/T804-2020），碾壓壩的沉降量取壩高的1%～3%。本工程壩體沉降量取壩高的2%，即35.5 m×2%=0.71 m。

4.2.2 壩體斷面尺寸確定

該壩為均質(zhì)土壩，壩高35.5 m，按照《淤地壩技術(shù)規(guī)范》（SL/T804-2020）的要求，壩頂寬度取5 m，壩頂高程為977.5 m，壩頂長118 m。上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩坡坡比均為1∶2，下游壩坡每隔10 m高差布設(shè)1條寬1 m的馬道。

本工程控制流域面積3.66 km2，在20 a 的攔沙期內(nèi)，形成攔泥庫容97.60 萬m3，可攔沙131.76 萬t，可淤地10.44 hm2。

5 效益分析

攔沙壩主要作用是攔泥、滯洪，該壩建成后能直接控制3.66 km2的洪水泥沙，在設(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)可攔泥沙97.6萬m3。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

5.1.1 壩地種植效益

工程達(dá)到設(shè)計(jì)淤積年限后，可淤壩地10.44 hm2，壩地利用率按80%計(jì)算，實(shí)際可利用壩地8.35 hm2，壩地單產(chǎn)按12 000 kg/hm2計(jì)算、糧食單價(jià)按2 元/kg計(jì)算，每年種植效益年收入20.04 萬元，扣除每公頃壩地種植成本投入（種子、化肥、農(nóng)藥的成本等）8 000 元，每年可凈收入約19.24萬元，按20 a種植期計(jì)算，累計(jì)種植效益384.9萬元。

5.1.2 攔泥減淤效益

該工程20 a 可攔泥97.6 萬m3，按40%泥沙可沉積下游河床，根據(jù)上游減少的下泄泥沙量替代下游河道相應(yīng)節(jié)省的清淤及加堤費(fèi)用計(jì)算，下游河床清淤費(fèi)為10 元/m3，則20 a 計(jì)算期內(nèi)攔泥效益為390.4萬元。

5.2 社會(huì)效益

溝道攔沙壩工程建設(shè)可有效地控制土壤侵蝕，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。該項(xiàng)目建成后，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)壩地將達(dá)到8.35 hm2。壩地的大幅度增加，促使該村農(nóng)民改廣種薄收為少種高產(chǎn)多收，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將逐漸向集約化經(jīng)營發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)率明顯提高，農(nóng)民收入得到較大提高。同時(shí)，土地資源得到充分開發(fā)利用，土地利用結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步合理調(diào)整。通過攔沙壩工程建設(shè)，壩頂作為連通鄉(xiāng)村級(jí)道路的橋梁，改善了當(dāng)?shù)亟煌l件，有力地促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和鄉(xiāng)村振興。

5.3 生態(tài)效益

攔沙壩的建設(shè)將會(huì)增加對洪水泥沙的攔蓄作用，促進(jìn)退耕還林和封育治理的順利開展，從而使流域內(nèi)嚴(yán)重的水土流失得到有效控制。同時(shí)，可有效地減少入黃泥沙，延緩下游河道淤積[5]。減輕水土流失、減小洪澇災(zāi)害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失，為合理利用水資源創(chuàng)造有利條件。

6 結(jié)語

串聯(lián)壩的庫容、調(diào)洪能力和建設(shè)受上游壩影響較大。通過地質(zhì)勘察和分析探討，賀倉攔沙壩設(shè)計(jì)壩高35.5 m，在20 a的攔沙期內(nèi)，攔泥庫容97.60萬m3，可攔沙131.76 萬t，淤地10.44 hm2，經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益顯著。