青石盘骨干坝除险加固溢洪道设计

严霞霞

（方山县水利局）

1 基本情况

1.1 地形地貌

青石盘骨干坝位于方山县圪洞镇南洼村境内，坝址地理坐标为东径111°07′47″，北纬37°00′59″，地处晋西湫水河流域一级支沟大峪沟中的小峪沟。地貌类型属黄土丘陵沟壑区，地形破碎，植被稀少，年均土壤侵蚀模数达12 000 t/km2，水土流失严重。沟道呈U 型，平均宽度约15 m。坝控范围内，除沟底为砂卵层和坡角红粘土出露外，其余均为厚达近百米的黄土所覆盖。

1.2 气象水文

坝控流域为半干旱大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。年均气温8.0℃，极端最高气温35.6℃，极端最低气温-28.6℃；年降水量450.0 mm，主要集中在6-9月，约占年降水量的70%以上，雨型多属短历时高强度暴雨；无霜期180 d 左右；最大冻土深度130 cm。据测算，该流域平均径流深89 mm，年均径流量26.7万m3。

1.3 流域治理

坝控流域水土流失治理程度较低，治理度不足40%。除坡耕地部分修梯田外，其余坡耕地仍在耕种，需要退耕还林；沟坡人工栽植有零星乔木林，植被覆盖率约30%左右。

1.4 社会经济

坝控流域内的南洼村，全村总户数65户，285口人，劳动力96个。耕地面积86 hm2，人均耕地0.302 hm2。一般年份，粮食总产19.35万kg，单产2 250 kg/hm2，人均产粮750 kg。农民以耕种土地为生，年人均纯收入仅2 500 元。

2 骨干坝现状与安全认定

2.1 工程设计情况

青石盘骨干坝控制流域面积3.0 km2，原设计洪水标准为20 a 一遇（5%），校核洪水标准为200 a 一遇（0.5%），设计淤积年限20 a，淤地面积6.1 hm2。坝型为“两大件”均质土坝，坝高26.6m，坝底高程1 111m，坝顶高程1 137.6 m。总库容79.34万m3，对应高程1136.1 m；拦泥库容55.38万m3，对应高程1 132.6m，拦泥坝高21.6 m。坝顶长90m，坝顶宽4 m。在坝高14 m处上下游同设马道，上游坝坡1∶2.5、1∶2.25，下游坝坡1∶2.0、1∶1.75。放水建筑物由卧管和涵洞、明渠组成，布置在大坝右岸，均为浆砌石结构。卧管纵坡1∶2，断面尺寸0.5 m×0.4 m（宽×高），台阶高度0.4m，共44个台阶。涵洞为拱涵，长85.0m，底坡1/100。

2.2 工程建设与运行情况

青石盘骨干坝于2009年建成运行，至2014年底，已淤泥13.65万m3，淤成坝地2.78 hm2。下游坝坡种植苜蓿生物防护，长势良好。坝体与放水建筑物均保持完好。

2.3 骨干坝安全认定

2015年6月，由山西省锦德鑫水利工程设计咨询有限公司对青石盘骨干坝进行了安全鉴定，其结论如下：按现行规范，坝体工程结构尺寸满足规范要求，卧管、涵洞和明渠等放水建筑物保持完好；枢纽组成无泄洪设施，不满足水利部水保［2010］455号文件要求；坝下游3 km处有临县侯家沟村，一旦跨坝失事，将会造成农民生命与财产重大损失，存在安全隐患。该坝确定为病险淤地坝，建议增设溢洪道，纳入黄土高原中型以上病险淤地坝除险加固工程规划范围。

3 水文计算与调洪演算

3.1 水文计算

3.1.1 设计标准

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》，青石盘骨干坝地处单独支沟，坝控面积不太大，故设计洪水标准仍采用原设计标准，即20 a 一遇设计，200 a一遇校核。

3.1.2 设计洪水计算

（1）设计暴雨量。根据《山西省淤地坝工程技术规范》（以下简称：《省规范》），查附表D-4 得最大24 h 暴雨均值：H24=65mm（Cv=0.55）；查附表D-3 得相应频率的皮Ⅲ型曲线模比系数：K5%=2.1，K0.5%=3.34。依照《省规范》（3-1）式，计算得：

H24，5%=2.1×65=136.5 mm

H24，0.5%=3.34×65=217.1 mm。

（2）设计洪峰流量。根据青石盘骨干坝所处地理位置，查《省规范》表3-1，得洪峰地理参数：C1=0.17。依《省规范》（3-2）式，计算得：

Q5%=0.17×136.5×32/3=48.27 m3/s

Q0.5%=0.17×217.1×32/3=76.77 m3/s。

（3）设计洪水总量。查《省规范》表3-2，取小面积洪水折减系数：K1=1；由设计暴雨量，查《省规范》附表D-5，得设计暴雨的一次洪水模数：R5%=4.555万m3/km2，R0.5%=11.407万m3/km2。根据《省规范》（3-3）式，计算得：

W5%=1×4.555×3.0=13.67万m3

W0.5%=1×11.407×3.0=34.22万m3。

（4）设计洪水历时。由上述设计洪峰流量和设计洪水总量，计算洪水历时：

T5%=12×Wp/Qp=12×13.67/48.27=3.4 h

T0.5%=12×Wp/Qp=12×34.22/76.77=5.35 h。

3.2 调洪演算

以22.6m，相应高程1 133.6m，作为溢洪道洪水起调水位（坝高）。查坝高—库容—面积关系曲线，得相应拦泥库容为61.47万m3。

3.2.1 洪水初调

青石盘骨干坝上游无拦水设施，故其调洪属于单坝调洪。采用《省规范》（3-10）式和（3-11）式，对设计洪水和校核洪水进行初调，并求出泄洪流量和溢洪道宽度。计算结果为：在设计洪水下，溢洪道下泄流量（q溢）为13.19 m3/s，最大溢洪水深1.17m，溢洪道宽度（B）为4.93 m；在校核洪水下，溢洪道下泄流量（q溢）为33.70 m3/s，最大溢洪水深2.72m，溢洪道宽度（B）为5.01 m。故取溢洪道宽度（B）为5.0 m。

3.2.2 洪水详调

根据初调结果，绘制坝高—溢洪道下泄流量关系曲线。根据《省规范》P66页基本公式，进行洪水详调计算，结果为：

（1）设计洪水时，最大下泄水深1.4m，下泄流量11.73 m3/s，总库容70.54万m3。

（2）校核洪水时，最大下泄水深2.6m，下泄流量31.09 m3/s，总库容79.62万m3。

3.2.3 剩余拦泥库容计算

调洪演算总库容为79.62万m3，与原设计79.34万m3比较接近，说明假定的拦泥库容61.47万m3可行。现骨干坝淤积高度为14.5m，溢洪道的起调水位为22.6m，查坝高—库容曲线，V淤=13.65万m3，则剩余拦泥库容为：V剩余=61.47-13.65=47.82万m3。

4 新建溢洪道工程设计

4.1 工程布置与组成

据实地勘察，青石盘骨干坝右岸已建有卧管，且保持完好，经复核满足设计要求，继续使用。而大坝左岸坡角出露红粘土，地基稳定，适宜布置溢洪道，故将新建的溢洪道选址在此。经综合分析研究，溢洪道型式为开敞式，由引水渠（进口段、渐变段）、溢流堰、泄槽、消力池等部分组成。

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4.2 引水渠设计

4.2.1 进口段

一般溢洪道引水渠进口高程采用设计淤积高程。青石盘骨干坝溢洪道的引水渠，根据设计淤积高程，确定其渠底高程为1 133.6m，渠中心距坝肩11 m。土渠部分为梯形断面，长49.5m，底宽5.0m，边坡1∶1，底坡为平坡。

4.2.2 渐变段

根据实际地形，为使水流平顺，引水渠与溢流堰宜用扭曲面连接，扭曲面与溢流堰侧墙用缝分开，各自独立工作。根据《省规范》规定：渐变段长度不得小于堰上水头的2-3倍。依照校核洪水时的最大下泄水深2.6m，长度宜为5.2-7.8m，取高限整数，确定长度为8.0 m。扭曲面底宽5.0m，底坡为平坡。进口处侧墙高3.1m，底板厚0.3m，顶宽0.5m，底宽1.0m，基础厚1.3 m；出口处为矩形断面，底宽5.0m，侧墙高3.1m，顺水流方向长8.0m，底板厚0.6 m。出口侧墙顶宽0.8m，底宽1.9m，基础外伸长0.2m，基础宽2.1m，基础深1.3 m。进口设齿墙，深1.0m，宽0.5 m。底高程1 133.6m，全部用M7.5砂浆砌石。

4.3 溢流堰设计

溢流堰为溢洪道的控制段，堰宽在洪水初调时已经确定为5.0m，堰顶高程1 133.6 m。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》，其长度沿水流方向一般取堰上水深的3-6倍，经计算，适宜长度为7.8-15.6m，取中间值10 m。溢流堰为矩形断面，底宽5.0m，侧墙高3.1m，顺水流方向长10.0 m。底板浆砌石厚度0.6 m。侧墙顶宽0.8m，底宽1.9m，基础外伸长0.2m，基础宽2.1m，基础深1.3 m。进口设防渗齿墙，深1.0m，宽0.5 m。全部用M7.5砂浆砌石。为了方便管护，在宽顶堰中部现浇C20 钢筋混凝土盖板，具体尺寸为：长×宽×厚=6.6 m×4.0 m×0.3 m。

4.4 泄槽设计

从前述已知溢流堰顶高程1 133.6m，据实地勘查，泄槽末端高程1 109.6m，落差为24.0m，水平距离为94.8m，坡比为1/3.95，经计算陡槽长度为97.8 m。经水力计算可知，设计洪水在泄槽末端处的水深为0.289m，接近正常水深0.288 m；校核洪水在泄槽末端处的水深为0.537m，接近正常水深0.534 m；说明无论设计洪水还是校核洪水，在泄槽末端均出现正常水深。据此计算结果，将泄槽结构设计如下：

（1）底板。厚度60cm，其中20 cmC20砼，40 cm浆砌石。每隔5 m 设一道伸缩缝，用闭孔板填塞。每10 m 末端设一齿墙，宽×深为0.5m×0.8m。

（3）排水。沿泄槽底板中间纵向布一道排水沟，梯形断面，深0.5m，底宽0.6m，边坡1∶0.5，铺设砂砾石。排水沟穿越齿墙时用排水管，整体形成通道。每10.0 m 横向设一道排水，矩形断面，深宽均为0.4m，纵横贯通。

（4）反滤。溢洪道左右侧墙后设反滤排水，孔径5cm，间距5 m。

4.5 消力池设计

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》计算，20 a 一遇时下游洪水深度为0.813m，小于水跃共轭水深1.933m，故发生远驱式水跃，需设消力池。据计算，池深宜为1.31m，设计确定池深取1.4 m。池长按水跃共轭水深3-5倍考虑，计算结果为5.8-9.7m，综合考虑取池长10.0m。消力池结构设计如下：

（1）底板。厚度0.7m，其中C20砼现浇厚度30cm，M7.5浆砌石厚度40 cm。设排水孔，直径3cm，梅花形布置，顺水流方向2 m 一排，孔距2 m。

（2）侧墙。墙高2.8m，顶宽0.5m，底宽1.6m，基础外伸长0.2m，基础宽1.8m，基础深1.3 m。末端侧墙，长5.0m，高1.4m，顶宽0.5m，底宽1.0m，基础外伸长0.2m，基础宽1.2m，基础深1.3 m。M7..5浆砌石。

（3）齿墙。消力池首端设一道矩形断面齿墙，底宽0.5m，高1.5 m。

4.6 道路设计

道路包括上坝道路、通往卧管道路和通往坝体下游道路，本着与工程整体相适应，并充分考虑地形特点与管理方便原则，进行布设。上坝道路布置在右岸，总长度1.0 km（包括坝顶90m，维修100 m），净宽4.0m，C15现浇10 cm；维修通往卧管道路长80m，宽2.0 m；维修通往坝体下游道路长730m，宽3.0 m。