姬保雄

（米脂縣水利水保工作隊(duì)，陜西 榆林 718199）

黃土高原區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，為了合理建設(shè)攔洪蓄水工程，現(xiàn)以米脂縣牛鼻山骨干壩為例，對(duì)黃土高原區(qū)淤地壩建設(shè)進(jìn)行科學(xué)探討。

1 概況

牛鼻山骨干壩位于米脂縣石溝河溝小流域，屬黃土丘陵溝壑區(qū)向風(fēng)沙區(qū)過(guò)渡地帶，地形支離破碎、溝壑縱橫[1]，溝緣線明顯；左岸以蓋沙區(qū)地貌為主，支溝較少，地勢(shì)較平緩，分布有半固定的沙丘，梁峁處堆積4～6 m 的風(fēng)積黃沙。牛鼻山骨干壩控制面積3.75 km2，上游主溝道長(zhǎng)1.9 km，底寬30 m，左岸坡比1∶3，右岸坡比1∶2，溝道有常流水，左岸為黃土，右岸有部分巖石層，適合布設(shè)放水建筑物。小流域主溝道常流水，流量約為0.2 m3/s。該流域?qū)俦睖貛Ц珊蛋敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，流域多年平均降水量397.8 mm，降水主要集中在7—9月。

2 地質(zhì)分析

2.1 地形地貌

本區(qū)域地處陜北黃土高原北部，地勢(shì)由西北向東南傾斜，海拔1 476～1 115 m，地形切割深度一般為30～100 m。本區(qū)域內(nèi)地貌按成因類型劃分為黃土梁峁與河谷階地2個(gè)類型。

黃土梁峁區(qū)是以黃土梁地為主的黃土丘陵地形。梁面寬度50～100 m，向兩側(cè)平緩傾斜，大部分梁地呈峁?fàn)?、圓丘狀起伏，峁頂平緩。梁峁組成物質(zhì)亦為厚40～80 m 的中上更新統(tǒng)黃土，下伏中生界陸相碎屑巖建造。梁峁坡下主要河谷沖溝為“U”形，切深100～150 m，切入基巖10～30 m；梁地兩側(cè)“V”形小沖溝甚為發(fā)育。

河谷階地區(qū)主要為支流石溝河，河流上游地段多為岸高谷深的峽谷，谷底比降近于2‰，水流湍急，河床形成多級(jí)陡坡及跌水陡坎，普遍發(fā)育有谷中谷，階地較不發(fā)育；河流進(jìn)入中游地段后普遍變寬，并形成若干斷續(xù)分布的河谷小盆地，河流普遍發(fā)育漫灘、Ⅰ級(jí)階地，斷續(xù)分布Ⅱ級(jí)階地。

石溝河溝小流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)向風(fēng)沙區(qū)過(guò)渡地帶，屬祁呂賀蘭山型構(gòu)造東翼馬蹄形地和新華夏季第三沉降帶復(fù)合部位，基巖為三疊紀(jì)砂巖，黃土為第四紀(jì)風(fēng)積黃土，可見(jiàn)厚度約10～70 m。小流域右岸以黃土丘陵溝壑區(qū)地貌為主，地形支離破碎、溝壑縱橫，溝緣線明顯；左岸以蓋沙區(qū)地貌為主，支溝較少，地勢(shì)較平緩，分布有半固定的沙丘，梁峁處堆積4～6 m 的風(fēng)積黃沙。主溝道長(zhǎng)12.1 km，溝壑密度3.0 km/km2。石溝河溝小流域地勢(shì)南高北低，海拔高度在1 075～1 294 m，相對(duì)高差219 m。小流域土地坡度多在5°~25°，占土地面積的65.87%。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

米脂縣地處陜北黃土高原，從大地構(gòu)造單元來(lái)看處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)陜北臺(tái)凹的中部偏東地帶。在中生代晚三疊世的印支運(yùn)動(dòng)中，形成大型寬淺盆地。由于陜北臺(tái)凹地處臺(tái)坳的東南斜坡部位，伴隨后期燕山運(yùn)動(dòng)的不均衡上升，致使區(qū)內(nèi)的中生代地層形成向西北緩傾、傾角1°～3°的大型單斜構(gòu)造。陜北臺(tái)凹內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，大的斷裂及褶皺不發(fā)育，僅在局部地段分布有一些小的斷層及褶曲。因受區(qū)域性北東向構(gòu)造影響，安塞區(qū)內(nèi)的中生代地層普遍發(fā)育有1～2 組壓扭性節(jié)理。由于區(qū)境內(nèi)中生界在巖性和結(jié)構(gòu)上的差異以及各地受力不均等原因，所以在其水平及垂直方向上節(jié)理的發(fā)育程度、延伸性與張開(kāi)性差異都較大。

3 水文分析

3.1 徑流分析

石溝河溝小流域主溝道常流水，流量約為0.2 m3/s。通過(guò)觀測(cè)資料和調(diào)查分析，徑流模數(shù)為4.8萬(wàn)m3/（km2·a），多年平均徑流量為309.31 萬(wàn)m3。流域徑流受降水特點(diǎn)的影響，年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月，且多以洪水形式出現(xiàn)，汛期徑流量228.89萬(wàn)m3，占多年平均徑流量的74%。項(xiàng)目區(qū)洪水呈現(xiàn)峰高、量大、歷時(shí)短、含沙率高的特點(diǎn)，年輸沙量為51.87 萬(wàn)t。具體情況，詳見(jiàn)表1。

表1 石溝河溝小流域徑流泥沙特征

3.2 泥沙分析

查《陜西省榆林市水文計(jì)算手冊(cè)》，石溝河溝小流域?qū)儆谟芰质孝魠^(qū)，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)向風(fēng)沙區(qū)過(guò)渡地帶。由于小流域內(nèi)無(wú)水文觀測(cè)資料，本次壩系可研水文泥沙分析計(jì)算采用水利部《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL289-2003）中規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、指數(shù)、徑流系數(shù)采用《陜西省榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值。

3.3 洪水分析

3.3.1 洪峰流量計(jì)算

洪峰流量計(jì)算采用小匯水面積相關(guān)公式：

式中：Qw為重現(xiàn)期N的洪峰流量（m3/s）；CN為重現(xiàn)期N的地理參數(shù)，見(jiàn)表2；F為流域面積（km2）；n為暴雨衰減指數(shù)[2]。式中相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

表2 石溝河溝小流域不同設(shè)計(jì)頻率洪峰流量模數(shù)

3.3.2 設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算

不同頻率24 h設(shè)計(jì)暴雨量采用下式計(jì)算：

式中：H24P為頻率P的24 h 暴雨量（mm）；kP為頻率P的皮爾遜（Ⅲ）型曲線模比系數(shù)；H24為最大暴雨量均值（mm）[3]，取55 mm。

查《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，流域內(nèi)年最大24 h暴雨量為55 mm；年最大24 h 暴雨量變差系數(shù)Cv值為0.68，Cs/Cv=3.5。經(jīng)計(jì)算，石溝河溝小流域內(nèi)不同頻率24 h設(shè)計(jì)暴雨量詳見(jiàn)表3。

設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算公式為：

式中：WP為設(shè)計(jì)洪水總量（萬(wàn)m3）；α 為洪水總量徑流系數(shù)；H24P為頻率P的流域中心點(diǎn)24 h 暴雨量（mm）[4]。

式中相關(guān)參數(shù)及石溝河溝小流域不同頻率條件下設(shè)計(jì)洪水總量模數(shù)和計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3—4。

表3 石溝河溝小流域不同頻率洪量模數(shù)

表4 石溝河溝小流域不同設(shè)計(jì)頻率下洪水總量（Wp）計(jì)算結(jié)果

4 骨干壩設(shè)計(jì)

4.1 庫(kù)容

根據(jù)不同設(shè)計(jì)頻率洪水模數(shù)和壩控范圍內(nèi)產(chǎn)沙情況確定防洪庫(kù)容、攔泥庫(kù)容和總庫(kù)容。

骨干壩的總庫(kù)容由攔泥庫(kù)容和滯洪庫(kù)容2 個(gè)部分組成。

4.1.1 攔泥庫(kù)容

攔泥庫(kù)容計(jì)算公式為：

式中：F為壩控面積（km2）；γ為淤積泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3；Ms為 年 均 侵 蝕 模 數(shù)[t/（km2·a）]，取8 000 t/（km2·a）；n為淤積年限（a）[5]。

4.1.2 滯洪庫(kù)容

2.4胎盤因素導(dǎo)致的大出血及時(shí)取出胎盤,做好刮宮準(zhǔn)備。對(duì)于胎盤已剝離尚未娩出者,可幫助其排空膀胱,再牽拉臍帶,按壓宮底,使胎盤娩出;對(duì)于胎盤部分剝離者,可用手伸入宮腔,協(xié)助胎盤剝離后,取出胎盤;對(duì)于胎盤部分殘留者,可用大刮匙刮取殘留組織;對(duì)于胎盤植入者,應(yīng)立即做子宮切除準(zhǔn)備[5]。

對(duì)于由壩體、放水涵臥管2大件組成的骨干壩，滯洪庫(kù)容按300 a 一遇的校核洪水總量確定。其計(jì)算公式為：

式中：V滯為滯洪庫(kù)容（萬(wàn)m3）；Mwp為洪量模數(shù)[萬(wàn)m3/（km2·a）]；F為工程控制面積（km2）[6]。

由上可知，總庫(kù)容V總=V攔+V滯＝66.60 萬(wàn)m3。

4.2 壩高、淤地面積確定

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壩址及庫(kù)區(qū)地形圖，量算不同高程等高線與壩軸線閉合曲線水平投影面面積，繪制H-S曲線；據(jù)此采用臺(tái)體體積累計(jì)法計(jì)算并繪制H-V曲線，經(jīng)計(jì)算，攔泥壩高為20.1 m、滯洪壩高為4.7 m、安全超高為1.7 m。采用公式H=H攔+H滯+H安計(jì)算，得總壩高為26.5 m。

根據(jù)攔泥庫(kù)容V攔查H-V曲線和H-S曲線，確定牛鼻山骨干壩淤地面積S為6.57 km2。

4.3 壩體斷面設(shè)計(jì)

本次規(guī)劃的淤地壩為機(jī)械碾壓壩，牛鼻山壩高26.5 m，頂寬4 m，頂長(zhǎng)132.51 m，鋪底寬124.75 m，上游/下游坡比2.5/2.0，馬道寬1.5 m、長(zhǎng)87.71 m。

4.4 壩基及岸坡處理

4.5 壩面護(hù)坡及取土場(chǎng)整理

工程竣工后，對(duì)土壩上游淤積面以上壩坡和下游壩坡采取生物護(hù)坡措施，即上下游壩坡密植檸條、沙柳、紫穗槐等耐旱性較強(qiáng)的灌木。在下游壩坡處設(shè)置縱、橫向排水溝，即壩體與兩岸交匯處順壩坡布設(shè)縱向排水溝，在馬道內(nèi)側(cè)布設(shè)1條橫向排水溝，縱橫向排水溝相互連通。

4.6 反濾體設(shè)置

根據(jù)《陜西省水土保持治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》規(guī)定，有常流水的溝道新建骨干壩均要設(shè)置反濾體排水。結(jié)合工程運(yùn)用條件和當(dāng)?shù)匾呀系拦こ痰慕?jīng)驗(yàn)，牛鼻山骨干壩反濾體形式為混合式反濾體，壩基先修建棱式反濾體，在棱式反濾體的基礎(chǔ)上修建斜坡式反濾體。棱式反濾體主要是增加壩體穩(wěn)定性，降低庫(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線，斜坡式反濾體是防止外壩坡土料被滲水帶走。反濾體由3 層組成，由里向外依次為粗砂、碎石、塊石。反濾層高5 m，砂層厚0.3 m，碎石層厚0.3 m，塊石層厚0.5 m，頂寬2 m，粗砂3.4 m3，碎石3.4 m3，塊石14 m3。

4.7 放水建筑物設(shè)計(jì)

放水建筑物由分級(jí)臥管、輸水涵洞、明渠陡坡及下游消能設(shè)施組成。建筑物采用漿砌石、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。臥管進(jìn)水形式采用正面斜孔進(jìn)水，進(jìn)水孔斷面為圓形，由平板鋼閘門調(diào)節(jié)控制水量。臥管坡比1∶2，孔間水位差0.45 m，孔口間距1.0 m。臥管布設(shè)在左岸，設(shè)計(jì)流量按3 d 泄完10 a 一遇洪水總量計(jì)。確定臥管斷面尺寸時(shí)，由于水位變化而導(dǎo)致放水流量調(diào)節(jié)，比正常運(yùn)用時(shí)的流量加大20%。

臥管的斷面尺寸按明渠均勻流公式計(jì)算：

式中：Q為泄水流量（m3/s）；ω為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；i為臥管比降；C為謝才系數(shù)，C=R1/6/n，n為糙率[7]，取0.017；R為水力半徑（m）。

由于放水孔水流跌落臥管時(shí)水柱躍起，所以方形臥管高度取正常水深的4 倍。臥管斷面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足檢修要求。臥管采用C25鋼筋混凝土預(yù)制方型管，管床是厚度為30 cm 的漿砌石。臥管底部沿水平方向每隔8 m 做1 道抗滑齒墻，以增加底板的穩(wěn)定。

4.8 涵管設(shè)計(jì)

涵管流量按明渠均勻流公式計(jì)算：

式中：Q為涵管流量（m3/s）；ω為涵洞橫斷面過(guò)水面積（m2），圓形ω=(d2/8)(θ- sinθ)，d為管徑（m），θ為水面線與圓心的夾角（當(dāng)水面線大于半徑時(shí)θ大于180°、水面線小于半徑時(shí)θ小于180°），θ以弧度計(jì)；R為涵洞橫斷面的水力半徑（m），圓管R=(d/4)(1-sinθ/θ)；i為涵管比降，取1/100；其余變量含義同上。

臥管末端消力池與壩下涵洞連接，斷面為鋼筋混凝土圓管，漿砌石底座，比降1∶100。為檢修方便，混凝土管涵管管徑應(yīng)不小于0.80 m，管壁厚取0.1 m。為了保證洞內(nèi)水流呈明流狀態(tài)，涵洞內(nèi)水深應(yīng)不大于涵洞總高度的75%。涵洞為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)，為預(yù)制安裝構(gòu)件，管接頭處采用鋼筋混凝土套管連接。涵管與套管間預(yù)留寬度為1cm 的縫隙，用石棉繩、石棉粉水泥填塞。為防止涵管壁集中滲流情況，設(shè)計(jì)沿涵洞長(zhǎng)每10 m設(shè)1道節(jié)水環(huán)，節(jié)水環(huán)厚30～40 cm，伸出洞壁50 cm。涵管基礎(chǔ)鋪設(shè)厚度為40 cm的漿砌石。

4.9 涵洞末明渠、陡坡設(shè)計(jì)

涵管出口都高于河床，接明渠消能，以保證槽內(nèi)的水流比較平穩(wěn)。明渠比降i=1/100，矩形斷面，寬度不小于涵洞直徑。明渠下接陡坡，陡坡比降一般取值i=1/3，寬同明渠。陡坡每隔10 m 做齒墻，以增加穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

作為石溝河溝小流域的骨干壩，牛鼻山骨干壩的建設(shè)在整個(gè)流域內(nèi)起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)分析探討，牛鼻山骨干壩主要由壩體和放水建筑物組成，控制面積3.75 km2，總庫(kù)容66.60萬(wàn)m3。其中，攔泥庫(kù)容44.44 萬(wàn)m3，滯洪庫(kù)容22.18 萬(wàn)m3，可淤壩地6.57 hm2，壩高26.5 m，壩頂長(zhǎng)132.51 m，壩頂寬4 m，鋪底寬124.75 m，在距離溝底13.5 m處設(shè)置馬道，馬道長(zhǎng)87.71 m，壩體內(nèi)坡比為1∶2.5；壩體外坡比為1∶2。該壩主要控制該支溝的洪水泥沙，減輕下游酒房溝淤地壩的洪水壓力，該壩運(yùn)行前期蓄水灌溉兩岸耕地和下游川臺(tái)地，為牛鼻山骨干壩建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。