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        黃土高原淤地壩建設(shè)探析
        ——以牛鼻山骨干壩為例

        2022-08-22 10:17:34姬保雄
        海河水利 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        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)。

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