延安市治沟造地排水工程设计研究

2014-04-26谢冰祥

陕西水利 2014年3期

谢冰祥

（延安市水保生态办陕西延安 716000）

1 工程概况

1.1 项目概述

2011年11月15日全省治沟造地土地整治工作会议后，延川县在“贾家坪镇磨义沟小流域沟道造地工程”试点的基础上，结合省市下达的2011年度沟道治理建设任务，确定了本次治沟造地项目区的地点和规模，拟通过项目的实施，全面改善区内基础设施条件和生态环境；增加耕地面积，提高耕地质量，促进区域产业结构调整，不断提高当地粮食综合生产能力，增加农产品种类和群众收入。

1.2 排水工程概况

本项目的设计涉及延安市延川县禹居镇高家坪等10个村，以整个流域为单元，统一进行土地整治及防洪体系设计，包括建立田面蓄排结合、沟道分段拦蓄（拦洪坝）、支沟与主沟相结合的排洪设施。

因治理区内部分沟道丰水季节有少量基流，水质呈弱碱性，若排泄不畅，易造成田面盐碱化，加之河道弯曲不规整，形成沿河道两岸河川耕地狭长，耕作较为困难。依据沟道土地整治思想，本次规划对有季节性基流的支沟、治理区流域较大的沟道修建排洪沟，使沟道内基流及时排出，同时对文安驿川河上游主河道和部分支沟内主河道进行局部疏理整治，使河道顺畅，河道宽度以满足行洪为前提，并新修及整修部分河滩台地。按照《陕西省土地开发整理工程建设标准》的要求，河滩台地护田坎工程按10年一遇洪水进行设计。本项目防洪工程所包括的谷坊等河道拦挡体、泄洪设施、排水沟工程等，工程等别为Ⅳ等，主要水工建筑物级别为5级。防洪标准采用20年一遇洪水标准设计，30年一遇洪水标准校核。

2 工程排洪构筑物设计

由于项目区水资源短缺，工程设计中不考虑灌溉用水问题，本项目排洪构筑物由拦洪坝、排洪渠、溢洪道等工程组成。

2.1 拦洪坝

本项目中的拦洪坝为已建成中型淤地坝。根据水文计算和现场实地踏勘，已成中型淤地坝主要由坝体，放水卧管两大件组成，主体设施较为完善，坝前蓄水高度多在死库容以下，部分已淤满死库容，并被当地群众耕种，没有可利用的灌溉水量，但仍可起到调节控制各支沟内的洪水下泄流量，减轻洪水对下游沟道和田面的侵蚀冲刷，保护基本农田。

2.2 排洪渠

在被填平的沟坝地两侧或边侧，开挖排洪渠，结合沟坝地平整、沟坡整治、冲沟填土、支毛沟退水等综合因素，合理布局，确保洪水能从沟底一直流到沟口。一般宜沿溢洪道一侧布设，轴线宜顺直，短捷。坝地另一侧，宜沿沟坡脚布设截洪沟，排入主渠，防止坡面洪水漫流。坝地两侧的支毛沟退水宜与坝地田块划分，生产路布设统筹规划，科学布局，就近短直汇入排洪主渠，形成坝地排洪渠系。田块与排洪渠之间，修建一条30 cm高的塄坎，留住雨水，保持墒情。

2.3 溢洪道

溢洪道宜建在土质坚硬的土层或石层，布置在坝的一侧，与排洪渠相接，溢洪道进口高程与坝前田面高程齐平，以利于田面内滞纳的洪水及时排出。

溢洪道进口高程宜比田面高程高出0.3m～0.8m，使田面形成自然淤积土，提高土地肥力。不同的坝型（大、中、小）在不同条件下，分别采取不同的溢洪道设计。小型淤地坝和接近小型的中型淤地坝，在集水面积和排洪量不大的条件下，一般采用明渠式溢洪道，对于岩石或红胶土类地基，采用矩形断面，壤土类地基采用梯形断面。中型淤地坝，如溢洪道断面较大，可做成复式断面，底部常过水的小断面，作好石方衬砌，上部不常过水的大断面不衬砌。大型淤地坝与接近大型的中型淤地坝，由于淤地坝加高作治沟骨干工程等集水面积和排洪量都较大，一般采取陡坡式溢洪道。陡坡式溢洪道结构组成由进口段、陡坡段、出口段三部分组成，进口段包括引水渠、渐变段、溢流堰，出口段包括消力池、渐变段和尾水渠。

3 溢洪道规划设计

谷坊的泄洪设施，主要为保证设计标准下的洪水安全下泄到谷坊下游田块或河道。由于投资的限制，根据当地水利部门这几年的治沟经验和建议：在主沟和支、毛沟口及沟内造地面积较大或比较重要的谷坊等拦挡设施中，设控制性浆砌石泄洪设施；而对于较小的支毛沟内或汇水面积小于0.5km2的次要的谷坊等拦挡设施，采用土质溢洪道(或排水沟)，沟内进行草皮防护。

根据外业踏勘及实地测量，设计泄洪设施布设在沟道一侧岸边，采取削坡开挖使基础座落在原状土基上。溢流堰进水口底板高程同谷坊前设计田块地面高程，陡坡段坡比采用1∶2，采用底流消能，在下游设置消力池。

3.1 进口段

溢流堰采用矩形宽顶堰，M7.5浆砌石，长度取堰上水深的3～6倍，底板厚度0.4m，采用M10水泥砂浆抹面。侧墙采用重力式挡墙，安全超高取0.5m，顶宽0.5m，内坡直立，外坡1∶0.3，放大角0.2m，基础厚0.4m，采用M10水泥砂浆勾缝。

堰前进水为八字墙，交角45°，长度为1.5倍侧墙高。溢洪道进口底板砌护至谷坊上游坡脚位置，并设置深1m，宽0.5m的防冲齿墙。

治理沟道上游无水库等水源调节设施，已有的中型控制性淤地坝按日调节进行计算，不考虑上游库坝瞬间下泄情况。泄洪设施堰顶与谷坊前设计地面齐平，采用开敞式矩形断面。

3.2 陡坡段结构设计

侧墙采用重力式挡墙，安全超高取0.5m，顶宽0.5m，内坡直立，外坡1∶0.3，基础厚0.4m，采用M7.5浆砌石，M10水泥砂浆抹面。

陡坡段坡比取1∶2，底板采用C20块石砼，表面布置φ8mm构造筋，间距20cm×20cm。侧墙高度＞2.0m时，在1/3墙高处设一排φ50mm的排水孔，孔间距1.5m。

底板厚度取0.4m，进口底设深1m，宽1m的防渗齿墙，底板、挡墙每隔6m设温度沉降缝一道，缝宽2cm～3cm，距临水侧25cm处设置651型止水带，缝内用聚乙烯泡沫板填充。挡墙与陡坡底板纵缝亦采用同样处理。

表1 消力池计算成果表

（1）消力池段

陡坡末端接消力池进行底流消能。消力池底宽和水深及安全超高均同溢流堰。

侧墙采用重力式挡墙，安全超高取0.5m，顶宽0.5m，内坡直立，外坡1∶0.3。侧墙高度＞2.0m时，在1/3墙高处设一排φ50mm的排水孔，孔间距1.5m。

消力池底板衬砌材料同陡坡段，消力池底板厚度，当底板计算厚度小于40cm时，取40cm；当底板计算厚度大于50cm时，取50cm。经计算，消力池满足抗浮稳定要求。

（2）尾水渠段

消力池后设2m～6m长的尾水渠，断面尺寸及衬砌材料同溢流堰，尾水渠出口两侧外扩约2m。

4 方案优化

4.1 消力池段优化

在实践中，当明渠水流由急流状态过渡到缓流时，会产生“水跃”现象，工程中常常利用这一现象进行消能，即通过人为制造水跃现象，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除动能的消能方式。水跃消能主要靠水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动、剪切和掺混作用，它具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强，尾水波动小，维修费用省等优点。但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。上游水位到跃首断面的落差大，故该处流速高，当弗劳德数Fr低时，消散的动能少，即余能多，而余能主要就是跃后水深表达的位能。

该工程设计方案消力池段轴线长40.0m，底板高程653.12m，池深3.0m。进口采用中心角45°，长度为1.5倍侧墙高，溢洪道进口底板砌护至谷坊上游坡脚位置，并设置深1m，宽0.5m的防冲齿墙。试验表明，当尾槛高程3.0m时，消力池尾部仍有较多气泡，消能效果不够充分，将消力池尾槛高度修改为5.0m时，则对30年一遇和50年一遇有非常好的消能效果。