关于小河沟淤地坝方案优化的几点思考

2011-02-27南晓亮

陕西水利 2011年4期

南晓亮

(陕西省交口抽渭管理局陕西渭南 714000)

淤地坝既能拦截泥沙、保持水土，又能淤地造田，是巩固退耕还林成果，促进农民增收、减少入黄泥沙的重要水土保持措施。本文通过对小河沟水土流失现状和原因进行客观分析，通过该流域洪水计算和调洪演算以及坝系相对稳定理论，优化该流域淤地坝设计方案，使其治理方案更加科学合理。

1 小河沟概况

小河沟位于礼泉县城西北约12km,属泾河二级支流，流域面积73.5km2，耕地面积3173hm2，涉及石潭、昭陵、南坊、建陵、叱干5个乡镇49个行政村，主沟道沟长32km，比降为1.62%，沟道平均底宽120m。该流域其沟道以“U”形居多，沟壑密度2.31km/km2，上游有一泉眼，流量为0.03m3/s，沟内有小股常流泉水，该流域平均降水量534mm～563.6mm，年平均暴雨次数26次。由于每年暴雨多发，经常发生塌方和滑坡。

2 该流域水土流失状况及存在问题

小河沟梁峁起伏，沟壑密布，侵蚀模数平均为3700t/km2·a，属中度水土流失区。由于重力、水力、风力、泻溜等因素侵蚀，加之人们在生产生活中耕种不合理，毁林毁草开荒，生产建设单位在基本建设过程中，毁坏植被，破坏地貌，乱倒废弃土石等因素造成新的水土流失，年输沙量27.2万吨。同时，下游是宝鸡峡的泔河水库。由于小河沟小流域泥沙大量涌入，加重了泔河水库的淤积，随着宝鸡峡泔河水库加坝加闸和清淤工程年内实施，在小河沟建立坝系成为当务之急。另外，该流域内有淤地坝4座，年久失修，已成为险坝。

3 小河沟淤地坝基础数据计算

3.1 小河沟淤地坝方案设计标准

该方案淤地坝洪水设计标准为20年一遇，200年一遇洪水校核，年限为20年。以下相关数据由《咸阳市实用文手册》查阅得到。

3.2 该流域洪水总量计算

式中，Wp——频率为P的洪水总量，万m3；

式中，s——雨力，mm，s=A+B·logN;

m——土壤下渗强度，mm。

3.2 洪峰流量计算

该流域下游为石泉坝，考虑沟道洪水排泄要求，淤坝时需开设溢洪道，因考虑汇水面积造成的洪峰差异，故调洪演算按上游有坝考虑。由洪峰面积相关法推求上游后坳坝洪峰流量，大坝汇流区（F=61.52km2）洪峰流量，采用公式：

式中，QN——重现期为N设计洪峰流量,m3/s;

F——设计流域面积,km2;

KN——重现期为N的经验参数;

n——指数，n=0.68。

由Q2/Q1=推求石泉C01大坝的洪峰流量。

式中，Q1——上游汇流区洪峰流量，m3/s;

Q2——下游汇流区洪峰流量，m3/s;

F1——上游汇流区面积，km2;

F2——下游汇流区面积，km2;

石泉区间面积F2=11.98km2

经计算，石泉坝洪峰流量：Q2=62.51m3/s，Q0.5=154.89m3/s。

3.3 该流域洪水过程线

该流域面积较小，洪水过程线采用概化三角形过程线法。洪水历时计算公式为：

式中，Tp——洪水总历时，h；

Wp——频率为P的洪水总量，万m3;

QN——重现期为N设计洪峰流量，m3/s。

涨水历时公式为:

式中，T1——涨水历时，h;

dt1——涨水历时系数，一般为0.13～0.17,本计算系数取0.15。

表1 不同频率设计洪水总量模数单位：万m3/k m2

表2 石泉坝设计洪水过程线相关数据

3.4 该流域调洪演算

只对石泉坝进行调洪演算，采用《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》中 Q泄=Q洪·（1-V滞/W洪）

式中，Q泄——调洪后的洪峰流量，m3/s;

Q洪——设计洪峰流量，取值62.51m3/s;

V滞——滞洪库容，由“坝高—库容”曲线查得值为35.64万m3;

W洪——设计洪水总量，取值50.08万m3。

经计算，Q泄=18.02m3/s。

3.5 侵蚀模数和输沙量计算

该流域年均输沙：Ws=Ms·F/r

式中，Ws——年均输沙量，t;

Ms——年均侵蚀模数，取3700t/km2;

F——流域面积，km2;

r——泥沙容重，取r=1.3t/m3。

该流域年输沙为11.88万m3。其中，侵蚀模数采用调查淤积量推算和查《咸阳市实用水文手册》相结合的办法最后确定为3700t/km2·a。

4 小河沟小流域淤地坝建设方案

4.1 坝系布局原则

其坝系设计方案应为：支毛沟以淤地拦泥为主，配套骨干坝防洪，主沟骨干坝上拦下保，淤排结合，确保支沟和全流域坝系防洪保收，安全运行。在流域治理中重视沟道治理，根据当地自然条件，社会情况和沟道工程运行现状，控制洪水泥沙，提高水资源利用率，发挥坝系工程在防洪，拦泥淤地种植等方面的多种效益。

4.2 小河沟小流域坝系建设方案一

根据流域沟道现状，在该流域沟道上建设四座控制性骨干工程，在主沟道西边较大支沟道修建1座骨干坝，在主沟道上游加固改造1座中型坝。在上游3、4级沟道建设9座中型坝，在2、3、4级沟道建设19座小型坝，流域内原有小型坝3座，其中加固小型坝1座。建设期末流域坝系工程总数达到37座，布坝密度达到0.48座/km2，总库容达到1426.95万m3，骨干坝、中型坝工程结构形式以上土坝、施水工程“两大件”结构为主，只有石泉坝由土坝、溢洪道和放水卧管三大件组成，对于加固配套的小型坝结构根据当地条件，采取加坝和增设放水工程的办法予以解决。

4.3 小河沟小流域坝系建设方案二

其在建设方案一的基础上，根据流域沟道现状在小河沟小流域主沟道上增设一座控制性骨干工程，使主沟道控制性骨干工程达到五座，建设期末流域坝系工程总数达到38座，布坝密度达到0.52座/km2，总库容达到1426.95万m3。

5 流域坝系建设方案比选

5.1 建坝条件对比

该流域内沟道发育、电力供应、交通道路、筑坝材料基本相同，两方案的建坝条件基本相同。

5.2 坝系相对稳定对比

通过对坝系防洪能力，保收能力和稳定三方面进行坝系进行相对稳定分析，为坝系建成后的运行管理，维修加固和防洪提供决策依据。

首先是对坝系工程的防防洪能力进行分析，也就是说对骨干坝工程承担，两个方案骨干坝设计都是同一个标准，项目实施5年后，骨干坝单坝防洪能力均大于500年一遇洪水；项目实施10年后，坝系工程防洪能力可达500年一遇洪水；项目实施15年后，坝系工程防洪能力为300年一遇洪水；项目实施20年后，各骨干坝将陆续淤满，但其单坝防洪能力都能达到200年一遇洪水；项目实施25年后，各骨干坝工程防洪能力降低为50年一遇洪水，防洪能力已丧失，需对其逐步进行加固改造。其次，对坝系防洪保收能力分析。影响农作物保收的因素有：淹水深度，耐淹历时和淤积厚度。其中耐淹历时在设计放水建筑物时已按10年～30年一遇洪水2天～3天排完考虑，对防洪保收已不构成影响，故主要考虑淹水深度和淤积厚度指标，按10年一遇洪水淹水深度不超过80cm，淤积厚度不超过30cm视为保收。经分析计算小河沟小流域坝地保收能力在10年末10年一遇洪水条件下防洪保收率为37%，在20年末10年一遇洪水条件下保收率为100%。而方案一这两项指标都较优于第二个设计方案。最后，是对坝系相对稳定分析。根据有关计算成果，小河沟小流域10年一遇洪水条件下要实现相对稳定，坝系相对稳定系数为1/23.81。现拟建坝系控制面积 73.5km2，方案一设计淤地面积375.16hm2，方案二设计淤地面积364.23hm2，两者方案相比，方案一比方案二相对稳定。