淤地坝工程建设技术及效益研究

薛彩琴

(陕西省宜川县水土保持工作队，陕西 宜川716200)

宜川县地处由破碎黄土原、梁、峁组成的黄土高原丘陵沟壑区，原面支离破碎，缺乏植被，沟壑切割强烈，水土流失极为严重。全县共有6条流域75条小流域，海拔高程在800 m～1 400 m，沟深多在150 m～200 m之间。经过20多年淤地坝试验与研究，获得大量的第一手试验研究资料和实践经验，淤地坝工程建设技术及效益，研究成果在实践中得到了应用，在黄土高原地区的淤地坝工程建设，改善生态环境，加快群众脱贫致富，促进水土保持科技的全面进步具有一定的现实意义。

1 淤地坝工程建设试验研究

1.1 试验区选择

根据河流水文、泥沙特点、水土流失规律及沟道工程建设现状，针对目前坝系工程运行中存在的问题，结合流域坝系建设和经济开发特点，在宜川县开展以淤地坝为主要措施的试验研究和示范推广工作。

宜川县羊圈沟淤地坝工程，位于宜川县丹州镇羊圈沟流域，该流域属黄河二级支流，仕望河一级支流，属破碎原区。该流域面积为3.7 km2，均为水土流失面积。流域内丘陵起伏，沟壑纵横，地形支离破碎，植被稀疏，降水集中，水土流失十分严重。

羊圈沟流域总面积35.87 km2，均为水土流失面积。

该坝控制面积3.7 km2，沟床平均比降2.83%，坝址处地形狭窄，沟底宽10 m，坝址两侧山坡均有大量黄土覆盖，土料充足，适宜筑坝。

羊圈沟淤地坝工程由坝体、放水工程和溢洪道三大件组成。采用20年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核，设计坝高22 m，总库容54万 m3，其中拦泥库容43.9万m3，淤积年限为20年，可淤地76亩。

1.2 科学规划，规范设计

根据技术规范，结合宜川县水系分布情况、自然条件和水土流失规律，坚持“人与自然和谐相处、突出重点、沟坡兼治”的原则，以大支流域为单位，全面规划，梯级开发，规模修建，形成综合利用坝系。本着先易后难，相对集中的原则，选择坡面治理有一定基础的羊圈沟流域，上、中、下游，干、支、毛沟实地踏勘全面规划;建设时序上优先安排重点区块，加大投资;规划整体达到水沙冲淤相对平衡。

在小流域坝系可行性研究报告的编制中，考虑以治沟骨干工程为重点，合理布设各类大中小型拦蓄工程，让它们联合运用，功能互补;以效益优先，最大限度地利用沟道水沙资源，并考虑改善交通条件及解决干旱区的人畜饮水;以坝系相对稳定为前提，单坝控制;以干沟分段，支毛沟分片，片段共治，充分发挥各单坝的防洪、拦泥和生产作用;以骨干坝区间控制面积基本均衡，尽量考虑到骨干坝一次设计，分期加高，并尽可能达到最终坝高等因素编制每条坝系的可行性研究报告。

在淤地坝工程单坝设计上，严格按照可研批复的坝址位置，对坝址所控制的库区和坝址地形进行实地测量，配合CAD制图，加快工作进度，提高基础资料的质量、精度，为设计提供真实可靠的基础依据;合理布设放水建筑物，卧管，采用垂直于涵管方向布设，坝体外泄水建筑物采用明渠排水，出口沟道为岩石的做挑流鼻坎。坝体均采用黄土碾压形式填筑。对于沟底为较厚泥砂基础的，采用人工夯筑灰土并增设一道心墙的办法做防渗设计使坝体放在老土基础上;既利于结合稳定，又能截水，坝体与岸坡结合部布设纵横排水沟，以确保坝体安全运行。在工程规模，严格按照实测的库区地形图，计算总库容，并绘制坝高－库容－淤地面积关系曲线图，再根据水文泥沙分析计算，最后确定工程规模;在建筑物结构尺寸确定中通过详细的水力计算，合理确定结构尺寸。

2 设计与参数选取

根据暴雨资料推求设计洪水参数，暴雨资料按《延安地区实用水文手册》计算选取 P(%)=0.2、0.33、0.5、0.1、2、3.33、5、10等八个不同频率。根据《延安地区实用水文手册》推求设计洪水参数。

3.1 设计洪水、洪峰流量

根据《延安地区实用水文手册》查得设计暴雨分配雨型，对设计暴雨过程进行产、汇流计算，得出净雨量。根据经验公式推求设计洪水和洪峰等水文参数。

3.1.1 设计洪峰流量计算

袁家河流域设计洪峰流量，根据实际情况，采用洪峰流量推理公式法进行计算。

式中:Qp为重现期为N的设计洪峰流量(m3/s);hτ为相应于τ时段的净雨(mm);τ为流域汇流时间(h);F为设计流域面积(km2);

表1 不同频率洪峰流量模数表

3.1.2 设计洪水总量计算

根据陕北丘陵沟壑区经验公式:

Wp=1000htcF

式中:Wp为重现期为 p的洪水总量(万m3);htc为相应于TC时段的净雨(mm);F为流域面积(km2)

表2 不同频率洪水总量模数表

3.1.3 设计洪水过程线计算

该流域设计洪水过程线采用概化三角形过程线。

根据《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》中洪水历时计算公式为:

Tp=5.56 × Wp/Qp

式中:Tp为洪水总历时，h;其它符号同前。

涨水历时公式为:

t1=dt1×Tp

式中:t1为涨水历时，h;dt1为涨水历时系数，一般为0.13 ～0.17，这里取 0.167。

图1

3.1.4 调洪演算

根据坝地生产要求，允许洪水深为0.7m～1.2m，取1 m。设滞洪坝高2.5 m，由H－V曲线查得:溢流堰比淤积面低1.5 m。

按20年一遇洪水求排洪渠设计流量Q排，由公式

Q设(1－ V滞ˊ/W设)=Q排(1+αβ)

用试算法求Q排:

Q排 Q排/Q20 α=1－ Q排/Q20 αβ 1+αβ Q排(1+αβ)10 0.202 0.798 1.716 2.716 27.16 12 0.242 0.758 1.630 2.630 31.56 12.6 0.255 0.754 1.602 2.602 32.78

从试算中得出Q排=12.6 m3/s

3.2 溢洪道宽度及B下泄设计流量Q泄

3.2.1 溢洪道宽度 B

由公式 B=(Q排/mH13/2)=12.6/(1.6 ×1.53/2)=4.29

3.2.2 求溢洪道下泄设计流量Q泄

Q泄=MB(H1+H2 ˊ)3/2=1.6 ×4.3 ×(1+1.5)3/2=27.2 m3/s

验证设计流量Q泄

α=1－(Q排/Q设)=1－(12.6/49.5)=0.745

V滞=W设［1－(Q排+αQ泄)/Q洪］=5.07万 m3

与滞洪坝高相应库容5.1万 m3基本相等，故溢洪道的设计流量Q泄=27.2 m3/s

溢洪道下泄校核流量Q校

按200年一遇洪水校核Q200，由公式计算左边

Q200［1 － (V滞'/V200)］

β=［1+(H2/H1)］3/2

Q排 Q排/Q50α=1－(Q排/Q20) αβ 1+αβ Q排(1+αβ)12.8 0.139 0.861 5.61 4.61 59

Q校=MB(H1+H2')3/2

V校=W200［1－(Q排+αQ校)/Q200］

得出:Q校=53 m3/s

滞洪坝高H2'=2.5m

3.3 坝体设计

3.3.1 库容计算

拦泥库容V拦计算按式

V拦=S×F×N/Z计算

3.3.2 总库容V总计算

V总=V拦+V滞=54万m3

3.3.3 坝高确定

H设=H拦+H滞+△H

从H－V关系曲线查得:

H设=18+2.4+1.6=22m

3.3.4 坝体断面设计

1)坝顶宽B

根据“规范”提供的经验数据采用B=4m;

2)坝坡坡率及马道

拟在下游坝坡高14 m处设置马道，马道宽1.5 m，马道内侧设置横向排水沟，排水沟断面尺寸为0.2×0.2 m，用桨砌石砌护。上游坝坡和下游马道以下的坝坡均采用1:2.25，马道以上坝坡采用1:2;

3)坝体排水及护坡

坝体排水采用斜卧式排水型式，排水体高为设计坝高的1/6，即为4.2 m，取5 m整数。粗沙层厚和碎石厚均为0.2 m，干砌块石层厚0.3 m。

为使坝体免遭暴雨冲刷，在坝上游淤泥面以上和下游坝坡均采用植物护坡，并在坝角与岸坡结合处，设置纵向排水沟，排水沟断面尺寸为0.2×0.2 m，用浆砌石砌护。

4)坝基与岸坡处理

清基:筑坝前必须进行清基，清除草皮、树根、腐植质等，清基厚度0.3m。

开挖结合槽:为使坝体稳定，增长渗径，沿坝轴线方向从沟底到两岸开挖一道结合槽，结合槽断面尺寸深、底宽均为1.5 m，边坡土基为1:1;

修整岸坡:坝体与两岸结合处，岸坡开挖成平顺正坡，土质岸坡不得陡于1:1.5 m。

3.4 放水工程设计

根据地形、地质条件，放水工程设在左岸老土基上，由卧管、前、后消力池、涵洞和明渠五部分组成，涵洞进口底部高程为10 m，整个放水工程除卧管和消力池盖板采用钢筋砼结构外，其余工程全部采用浆砌石砌筑。

3.4.1 放水流量确定

采用3天泄完一次设计洪水总量，则:

Q设=W20/(3×24×3 600)

=0.58 m3/s

3.4.2 卧管设计

根据地形条件，卧管底坡采用1:2，底部高程为11.5 m，顶部高程与坝顶相同，卧管高为10.5 m。

4 工程建设与管理措施

4.1 施工建设阶段技术保障措施

在施工建设中，严格依照国颁、部颁规范对照设计进行严格施工，确保工程几何尺寸及标准符合设计要求。在施工放线中，全面推行“建设单位负责人、驻坝负责人、施工人员、监理工程师、项目经理、设计人员”多方参与，严格按照可行性研究编制方案和设计确定坝址位置、布设泄水建筑物。对于在淤地坝建设施工过程中，坝基、岸坡、涵卧管状况不同的情况，严格按监理程序、集体会诊，确定施工方案。加强对施工单位的技术管理:一是加大了对施工单位技术人员的培训力度，要求项目经理派技术员参加有关淤地坝工程建设技术培训班，以提高技术人员水平，确保建设质量;二是确保岗位责任制度明确，要求施工单位“五员齐全”，分工负责，明确任务，靠实责任;三是对施工单位进行定期的宣传教育，教育内容包括淤地坝工程建设技术、安全技术等，确保淤地坝工程按期高水平、高标准、高质量竣工。

4.2 运行管理阶段技术保障措施

建立健全防汛指挥机构和办事机构，并积极主动的与当地气象、水文部门签订气象信息、雨情、水情服务合同，及时了解气象信息，制定切实可行的施工进度安排和防汛抢险预案，为防汛工作提供准确的指导性意见;积极落实防汛物资，组建防汛队伍，严格落实防汛“三项制度”;加快在建工程施工进度，在汛期来临之前要求达到防汛坝高且涵洞卧管安装就绪、正常泄水，确保工程安全度汛;进行防汛检查和不定期的抽查，现场解决存在的问题，同时定期上报工程施工进度及汛情信息，形成淤地坝汛情通报，上报下发，确保工程安全度汛、安全生产、安全运行。

汛前及时进行淤地坝工程普查，对坝体冲沟、塌坑、裂缝及时开挖夯实处理;对工程泄水建筑物进行认真细致检查，重点是涵管、卧管、明渠勾缝等脱落，确定专人及时进行处理，并将结果及时汇报县防汛办。

委托流域主管和地方监测机构，对工程建设动态情况、安全情况、水沙情况、效益情况、工程范围内的社经情况、水保措施的利用情况等，布设重要的观测点进行定位监测，详细记载监测台账，现场勘察测量、调查统计核实记录监测成果。

对建成的淤地坝工程，实行拍卖、租赁、承包等形式进行产权制度改革。对条件较好、管理方便、效益显著的工程采取拍卖的方式一次性将使用权等得到落实，使用期30年不变，使其以养殖种植获益，并负责工程的日常检查、维修与防汛工作;对于比较偏远、条件差、管理困难、近期效益差的工程实行合同管护，在工程建成后，县、乡、村签订工程管护合同，划定管护范围，明确管护责任。通过产权制度改革，调动受益户的积极性，增强管护达到以坝养坝的目的，从而保证了淤地坝工程的正常运行和效益的发挥。

5 效益分析研究

5.1 拦泥效益

以羊圈沟淤地坝为试验对象:该流域面积为3.7 km2，均为水土流失面积，每年要输送到黄河的泥沙2.96万 t，我们修建了坝高25 m、总库容72.1万 m3的骨干坝，拦蓄效果显著，经测算200年一遇的洪水全部拦蓄，起到蓄水缓洪的作用。三天后洪水中泥沙已沉淀，开启水面以下的三个卧管塞，将清水放走。经一年观测，2.96万 t的泥沙全部拦截。

5.2 经济效益

5.2.1 水面养殖效益

以宜川县羊圈沟淤地坝工程为试验，建成后利用水面养鱼，经研究、观测发现:水面35亩，可利用年限15年，成鱼产量50 kg/亩，单价 8元/kg，年收入 1.4万元，15年收入 21万元。

5.2.2 坝地增产效益

宜川县羊圈沟村总人口203人，耕地面积589亩，属典型缺土地村，年总产粮5.54万 kg，亩均产粮94 kg;淤地坝工程建成后，已淤地面积62.4亩，全部种植粮食，粮食亩产为500 kg/亩，亩均增产406 kg，增产效益十分显著。

5.3 社会效益

淤地坝工程建设可以吸收农村劳动力就业，增加群众收入，拉动内需，并促使农村剩余劳力向第二、第三产业转移，实现群众的脱贫致富奔小康。淤地坝综合治理措施实施后，可以减轻泥沙、洪水对下游地区人民生产、生活的威胁，使项目区及下游地区的农业、工业、交通等部门的各项事业得到较大发展，减少、节省了防洪开支;同时，流域综合治理将带动当地农副产品加工和养殖业的大力发展，为剩余劳动力创造了良好的致富条件，改善水土流失，保持生态环境，农民群众居住条件、生产生活条件以及文化教育条件得到显著改善。

5.4 生态效益

在工程兴建的同时，将坝肩取土场和上游坡面采取种树、种草等方式进行了综合治理，改善了生态环境和小气候，促进了农、林、牧、副各业的发展，保护了国土资源，减少了入黄泥沙，使流域下游的人民生命财产得到安全保障。

6 结语

此类淤地坝适宜于地形沟壑、沟壑纵横的黄土高原地区，是因地制宜的独特创造，具有区域性、实用性和广阔的发展前景，特别是在山区应用，具有普遍的推广价值，并能够取得显著的经济效益和社会效益。项目是治理水土流失，改善生态环境，加快群众脱贫致富奔小康的有效途径，在水土保持小流域综合治理工作中，要坚持预防为主、全面规划、综合防治、因地制宜、加强管理、注重效益的方针，实行集中治理、规模治理、连片治理、快速治理、综合治理的做法，采取坝系建设与沟道整治相结合、自然淤积与挖山填沟相结合的方式。要改过去的单坝建设为现在的坝系建设，只有在每个小流域做坝系规划，形成规模治理，才能切实减少泥沙进入黄河，而且把支离破碎的沟壑淤成平地，既增加了良田，又控制了沟道侵蚀，为山区农村开发创造良好的建设环境，对于国家实施西部大开发的战略具有重要的促进作用。