劉碧堯
(佳縣水利工作服務中心,陜西 榆林 719299)
黃土高原區(qū)淤地壩眾多,受歷史條件限制大多沒有勘測設計資料,為淤地壩的除險加固增加了難度。新莊淤地壩經過超過40 a運行,基本淤滿,需進行加高處理?,F(xiàn)以新莊淤地壩為例,對黃土高原區(qū)設計資料缺失的淤地壩除險加高進行探討。
佳縣位于陜西省東北部,黃河中游西岸。新莊淤地壩工程位于佳縣劉國具鎮(zhèn),隸屬新莊村,新莊村共有人口175人、壩地0.014 km2、梯田0.03 km2,人均基本農田0.000 8 km2。新莊淤地壩屬大陸性干旱半干旱季風性氣候,春季少雨干旱,冷熱劇變;夏季炎熱多雨,雷、暴雨頻繁;秋季氣溫適宜,秋高氣爽;冬季寒冷干燥、少雪,四季變化極為明顯。區(qū)域內多風,以西北風為主,年平均風速2.4 m/s,最大風速20 m/s;多年平均降水量395 mm,多集中在汛期7—9 月,占全年降雨量的68.2%[1],且多以暴雨形式出現(xiàn),年最大降雨量576.3 mm。新莊淤地壩溝道內無常流水,多年平均徑流深60 mm,水土流失面積為1.7 km2,治理度13.9%,多年平均侵蝕模數(shù)為2.0萬t(/km2·a)。
新莊淤地壩是劉落則溝左支溝中游的一座控制性工程,上游現(xiàn)有1座中型壩和1座小型壩。始建于1975 年的佳縣新莊淤地壩,由土壩、涵臥管和溢洪道組成,主溝道長3.5 km,控制流域面積4.45 km2,溝道比降為2.96%。原壩高31 m,壩頂距淤泥面8 m,控制流域面積4.45 km2,總庫容191.09 萬m3,攔泥庫容118.76萬m3。
經過超過40 a運行,新莊淤地壩頂有2.1m×3.6 m、深1.8 m 和3.0 m×2.1m、深2.5 m 的洞穴,右岸涵臥管已毀壞,左岸土質溢洪道窄而淺,存在嚴重的安全隱患,需進行除險加固。根據(jù)可行性研究報告,新莊壩需加高壩體7 m 才可滿足設計要求。經實地勘測,1998 年當?shù)厝罕娮园l(fā)在該壩址上游549 m 處建有1座腰壩,壩高10 m,現(xiàn)基本淤滿??尚行匝芯繄蟾娴膸烊萸€是在萬分之一地形圖上量取的,而該腰壩在萬分之一地形圖上沒有顯示,因此在地圖上量出的庫容值偏大。經計算,新莊淤地壩現(xiàn)需加高壩體16 m,從泥面起算為24 m。為了確保新莊淤地壩加高加固工程科學進行,需對溝道洪水和泥沙進行分析,以確定庫容和大壩加高的尺寸。
新莊淤地壩所在流域地質構造屬鄂爾多斯臺向斜,由西北向東南傾斜,流域主溝道及較大支溝中下游有幾米到上百米的基巖出露,上部頁巖較多,底部為泥砂巖層,在流域上游部分溝道出露紅色黏土層。該壩址處地表覆蓋層為第四紀的黃土層,厚約50~100 m。壩址處左岸有巖石出露,右岸為輕粉質壤土,土料儲量能夠滿足本次加高的需要,壩址左岸下游有舊土質溢洪道,便于放水建筑物出口的銜接。利用實測溝道縱橫斷面資料計算水位-庫容、水位-面積關系值,詳見表1。
表1 新莊骨干壩水位-庫容、水位-面積關系
新莊骨干壩位于劉落則溝中游左支溝,控制流域面積4.45 km2,洪水由暴雨產生,年最大洪峰主要發(fā)生在7—9 月,洪水歷時一般在12 h 內,峰頂滯時0.5~2 h,由于流域內山高坡陡,墾殖指數(shù)高,植被較差,溝道內沒有滯洪物,暴雨形成的產流較快,洪水一般來勢兇猛,歷時短,暴漲暴落,峰高量小,含沙量大,水峰沙峰相隨。計算洪水時按工程實際控制面積計算。設計洪峰流量采用《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》(SL 289—2003)推薦的經驗公式中匯水面積相關法進行計算[2],其計算公式為:
式中:QN為重現(xiàn)期N的洪峰流量(m3/s);n為經驗指數(shù),取0.68;F為流域面積(km2),取4.45 km2;CN為重現(xiàn)期N的地理參數(shù),取值見表2。
從《榆林地區(qū)實用水文手冊圖集》中查得該流域位于Ⅰ區(qū)[3],根據(jù)該區(qū)的地理參數(shù)和經驗指數(shù)計算該壩址以上不同頻率的洪峰流量,詳見表2。
表2 洪峰流量計算成果
洪量徑流系數(shù)采用榆林市水務局編寫的《榆林市治溝骨干工程及淤地壩擴大初步設計編制提綱及編制依據(jù)》中表六的數(shù)值,該流域中心年最大24 h暴雨均值為60 mm,基于皮爾遜Ⅲ型曲線Kp值表、變差系數(shù)Cv=0.68、Cs/Cv=3.5,計算不同頻率的暴雨量,計算成果詳見表3[4]。
表3 不同頻率下的洪水總量
左支溝是典型的降水補給型河溝,洪枯水流量懸殊較大,具有陡漲陡落的特點,水位漲落最大變幅為2.19 m,多年平均徑流量0.429億m3。從地域分布上看,溝道泥沙來源主要集中在上中游。含沙量和輸沙模數(shù)從上游到中游呈遞減的趨勢,每年汛期6—9 月水量和沙量比較集中,分別占全年的65%和97%。年來沙的基本規(guī)律是來沙量隨著來水量的增加而加大,水沙比例基本一致,一般沙峰較水峰同步或滯后?;凇蛾兾魇o定河流域佳縣腦畔圪塔小流域壩系可行性研究報告》中確定的流域多年平均侵蝕模數(shù)為2.0 萬t(/km2·a)[5]、控制流域面積為4.45 km2、泥沙容重取1.35 t/m3,根據(jù)多年平均輸沙量為控制流域面積乘以多年平均侵蝕模數(shù)再除以泥沙容重,經計算,得出新莊淤地壩控制流域年輸沙量為6.59萬m3。
庫區(qū)出露的地層為侏羅系中統(tǒng)榆林組(J2y)及第四系上更新統(tǒng)(Q3)和全新統(tǒng)(Q4)。
(1)第四系全新統(tǒng)(Q4)。殘坡積碎石土及壤土(Q4dl+el)分布于兩岸山頂及山坡,厚度不一;沖洪積砂及砂礫石(Q4pl+al)分布于谷底,厚度一般小于5 m。
(2)第四系上更新統(tǒng)(Q3)。淺黃色、灰黃色砂壤土、壤土,質地疏松,具有大孔隙,柱狀節(jié)理發(fā)育,含少量鈣質結核,主要分布于兩岸山坡及山頂,覆蓋于侏羅系中統(tǒng)延安組之上,厚10~100 m不等。
(3)侏羅系中統(tǒng)榆林組(J2y)?;揖G色長石砂巖與頁巖互層,表層強風化。
壩址區(qū)為單斜巖層,傾向西北,傾角一般為3°~5°,整個庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中主要發(fā)育2 組節(jié)理,其中L1,31°∠40°,節(jié)理面平直光滑,微張,無充填,延伸長度3~7 m;L2,80°∠78°,節(jié)理面平直粗糙,閉合,延伸長度2~4 m。工程區(qū)50 a超越概率10%一般場地條件下地震動峰值加速度<0.05 g,相應地震基本烈度為Ⅵ度,地震動反應譜特征周期為0.35 s。
壩址區(qū)未見有水出露,地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水,賦存于沖洪積砂礫石、殘坡積碎石土及砂巖裂隙中,主要接收大氣降水補給,直接排泄于溝谷。
壩址河床覆蓋層巖性為砂礫石及砂壤土,厚度0~5 m;左右岸坡分布有0~15 m 厚的殘坡積物,主要為棕黃色的殘坡積砂壤土、壤土,可見少量碎石土。根據(jù)淺井和洛陽鏟揭露情況,壩址區(qū)基巖強風化層厚度約為2~3 m。
壩基以泥巖與砂巖互層、中細砂、含泥砂礫石和黃土為主。根據(jù)試驗資料及工程類比,建議壩基強風化頁巖、砂巖承載力取300~400 kPa,中細砂承載力取100~150 kPa,砂礫石承載力取200~300 kPa,黃土承載力取100~110 kPa。
根據(jù)新莊淤地壩的病險情況和溝道內洪水、輸沙和地基情況,對新莊淤地壩進行除險加固分析。
經現(xiàn)場查勘,新莊骨干壩壩址右岸土料豐富,壩址左岸有巖石出露,右岸土料儲量和土性指標均滿足筑壩要求,取土條件便利;壩基、壩肩結構完整,無軟弱帶和裂隙發(fā)育,兩岸邊坡無沖溝,無傾向下游的滑動面,適宜布設放水工程;壩基可開挖結合槽,遇石基做截滲齒墻。此次除險加固是在原壩的基礎上進行的,為了節(jié)約資金和資源,根據(jù)原壩建設情況和壩址處的地形地質條件以及土料豐富的情形,確定加固壩仍為均質土壩。本次加高采用壩前式加高,放水建筑物采用涵臥管,設在左岸,涵洞出口接明渠后自原溢洪道泄至下游河槽。該流域溝道內無常流水,施工方法采用機械碾壓筑壩。
新莊骨干壩的規(guī)模在100 萬~500 萬m3,工程等級為四級,設計洪水標準為30 a,設計淤積年限為20 a。其攔泥庫容為多年平均輸沙量乘以設計淤積年限,即6.59×20=131.8 萬m3,查水位-庫容曲線得攔泥壩高為18.42 m,現(xiàn)泥面高程為987.00 m,則本次設計淤積高程為1 005.42 m。滯洪壩高由滯洪庫容查水位-庫容曲線確定,按一次校核洪水總量確定滯洪庫容為57.83 萬m3;查水位-庫容曲線,得滯洪壩高為4.17 m,滯洪水位高程為1 009.59 m。安全超高按《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》(SL 289-2003)的有關規(guī)定取1.41 m[6]。
綜上,工程設計總庫容為131.8+57.83=189.63(萬m3)。相對于泥面以上的總庫容189.63萬m3,目前該壩已淤庫容為118.76(萬m3),則該壩總庫容為189.63+118.76=308.39(萬m)3。工程設計壩高為18.42+4.17+1.41=24 m,則本次加高淤泥面以上壩高為24 m,相對于下游最大壩高為47 m。壩頂高程1 011.00 m,攔泥高程1 005.42 m,校核洪水位1 009.59 m。
新莊骨干壩壩頂寬度取4.0 m,壩頂高程為1 011.0 m。上游坡比為1∶2.0;下游壩坡在舊壩頂處設1 條馬道,寬1.5 m,高程為995.00 m,馬道以上坡比為1∶1.5、以下舊壩坡比為1∶2.0。為保證壩體與壩基緊密結合、防止出現(xiàn)滲流,在壩軸線左岸坡上設1 道齒墻,底寬0.8 m,深入石基0.5 m,高1.0 m;在壩軸線右岸坡上設1 道結合槽,采用梯形斷面,底寬1.5 m,深1.5 m,邊坡1∶1.0。
5.4.1 安全評價
新莊淤地壩始建于1975 年,原壩高31 m,壩頂平均寬25 m,外坡比1∶2.0,采用水墜法施工,已建成30 a。在30 a的運行過程中,沒有出現(xiàn)滲漏、流泥等破壞壩體的現(xiàn)象,因此現(xiàn)壩體整體保存完好,壩體已經穩(wěn)定。雖然在壩外坡有一些小坑穴,那是由于疏于管護、降雨逐年沖刷造成的,只要本次對此進行整治,對壩體的整體安全沒有影響。而本次是在原壩體和淤泥面的基礎上加高的,雖然加高后的壩較高,但由于原壩是穩(wěn)定的,所以大壩整體也是穩(wěn)定和安全的。
5.4.2 壩坡穩(wěn)定性分析
新莊骨干壩相對于下游最大壩高為47 m,總庫容308.39 萬m3,其運用方式為攔洪淤地。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術規(guī)范》(SL 289-2003)要求,結合已建工程的經驗,進行運用期下游的壩坡穩(wěn)定性驗算?,F(xiàn)采用《土坡穩(wěn)定數(shù)圖解法》進行簡化計算。
根據(jù)有關試驗指標,采用類比的方法選取C=1.1 t/m2,Φ=23°,γ=1.8 t/m3。
下游壩坡平均坡率計算公式為:
式中:m為下游壩坡平均坡率;Hi為平均斷面高(m),取47 m;mi為坡比之和,取1.88。
經計算,得m=1.88。因為tgα=1/m=0.532,故坡角α=28°1′。
安全系數(shù)K值由試算確定,假定K=1.25,C、Φ折減后計算公式為:
式中:CK為折減后抗剪強度指標(t/m2);C為折減前抗剪強度指標(t/m2);K為安全系數(shù);ΦK為折減后摩擦角(°);Φ為折減前摩擦角(°);N為抗剪強度比值系數(shù);γ為土體的剪脹角(°);H為高度(m)。
經計算,得CK=0.88 t/m2,ΦK=18.4°,N=0.01。查《小型水利手冊》,得坡角α=28°,與擬定的坡角接近,所以該壩坡的安全系數(shù)K=1.25>1.05,該壩坡安全。
新莊骨干工程的加固建設既是壩系建設中的需要,更是控制和防治水土流失、合理利用水沙資源、促進流域內退耕還林還草、帶動當?shù)剞r業(yè)經濟發(fā)展的需要。針對新莊壩存在的病險問題,通過對溝道洪水和泥沙的論述探討,提出經濟科學的壩體加固方案。工程完工后,可攔截泥沙131.8 萬m3,淤地12.1 hm2,攔泥淤地作用較為顯著,而且還可保護下游村莊、道路的安全。
(1)筑壩前先用水墜法將壩頂洞穴填與壩頂齊平,同樣用水墜法封堵涵臥管。在臥管涵洞里面灌入泥漿,讓泥漿不斷灌入斷面內,最后直至灌滿,再將臥管涵洞口用塊石封堵。
(2)要避開汛期施工,壩體在汛前必須達到防汛壩高。
(3)壩體完工后,對下游壩坡進行修整,要求坡面平整、密實;下游壩坡采用生物措施護坡,大于45°的密植檸條,整理范圍在右岸山體,上下游距離約100 m。