榆林老虎峁沟骨干坝加固工程中的溢流坝设计分析

封 春，陈建国

(佳县水土保持工作队，陕西 佳县 719200)

1 基本情况

1.1 坝址上下游沟道

老虎峁沟骨干坝位于佳县县城西南部乌镇柴老庄村，该坝始建于1956年。控制流域面积7.12 km2，由坝体、放水竖井(已报废)两大件组成。原土坝为均质碾压土坝，坝高18.3 m，坝顶至淤泥面2.3 m。坝体右岸有长900 m、宽7 m～15 m、深5 m～13 m的冲沟，已淤积库容74.95万m3，已淤地面积为9.01 hm2。坝址上游850 m处有米脂县圪宗则沟骨干坝，坝址左岸有乡镇道路，坝址下游800 m处有村庄、4 km处有当川寺骨干坝，沟底有基岩。

1.2 水文

工程所在流域无降雨观测点，参考《榆林地区实用水文手册》资料。该流域年平均降水量395 mm，最大年降水量为641.4 mm，最小降水量138.3 mm，年蒸发量1200 mm，是年降水量的3.0倍，降雨量年内分布不均匀，且降雨多集中在7月～9月份，多以大雨、暴雨形式出现，历时短、强度大、灾害性强，降低了水资源的利用率。流域最大24小时降雨均值为58.0 mm，多年平均侵蚀模数为20000 t/(km2·a)。沟道有季节性常流水。

1.3 地质地貌

工程所在流域属黄土丘陵沟壑区第Ⅰ副区，由于地表土质疏松，抗蚀性差，在外营力的侵蚀作用下，形成了以梁峁为主、沟谷深切、基岩裸露的地貌景观。地貌主要由梁峁、沟坡、沟床三个单元组成，梁窄坡陡，梁峁起伏，沟壑纵横，地形破碎，沟壑密度1.4 km/km2。流域地处鄂尔多斯台地，西北高，东南低，相对高差为218.0 m。

2 工程设计

加固前老虎峁沟骨干坝由于工程结构单一，无法对坝控面积内的洪水泥沙有效拦蓄和调节，致使水土流失严重，严重影响当地群众的生活、生产。经综合分析研究，在原冲沟内新建溢流坝，下泄校核洪水量，不考虑滞洪库容。新建溢流坝工程由溢流坝和左岸冲沙闸组成，溢流坝与左岸冲沙闸在平面上呈一条直线并列布置。

为降低洪水位，减小工程投资，溢流坝轴线布置与河道呈90°正交。溢流坝顶高程970.00 m，最大坝高5.0 m，坝长16.0 m，清淤困难，故左岸设置一孔冲沙闸。经实地勘测，现状坝顶宽4.0 m，坝顶长123 m。按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289-2003)，加固后长峁沟中型坝坝高18.3 m，坝顶宽度4.0 m，坝顶高程为979.80 m，坝顶长132 m，见平面布置图1。

图1 溢流坝平面布置图

2.1 库容坝高的确定

2.1.1 库容计算

总库容V总由已淤积库容VY、剩余拦泥库容VL和滞洪库容VZ三部分组成，即V总=VY+VL+VZ。

(1)该坝已淤坝高为16.0 m，按照三棱柱体积计算原理，计算确定已淤库容为74.95万m3。

(2)根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289-2003)，本工程总坝高小于20 m，结合实际情况，安全超高取2.3 m。

(3)滞洪库容

该坝没有加高条件，故无滞洪库容，不进行调洪计算。

(4)剩余拦泥库容为0。

(5)工程设计总库容为：V总=VY+VL+VZ=74.95+0+0=74.95万m3。

2.1.2 坝高确定

总坝高H由现状已淤坝高HY、拦泥坝高HL、滞洪坝高HZ和安全超高ΔH四部分组成，即：

H=HY+HL+HZ+ΔH

(1)已淤坝高由实际测量1∶1000的地形图确定。现状淤泥高程977.50 m，查实测地形图得原坝底高程961.50 m，已淤坝高HY=977.50-961.50=16 m。

(2)拦泥坝高为0。

(3)安全超高按《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289-2003)的有关规定取ΔH=2.3 m。

(4)滞洪坝高为0。

(5)工程设计坝高为：H=HY+HL+HZ+ΔH=16+0+0+2.3=18.3 m。

2.1.3 坝顶宽度

经实地勘测，现状坝顶宽4.0 m，坝顶长123 m。按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289-2003)，加固后长峁沟中型坝坝高18.3 m，坝顶宽度4.0 m，坝顶高程为979.80 m，坝顶长132 m。

2.2 溢流坝设计

2.2.1 泄流能力计算

过坝流量按WES堰面流量计算，WES溢流堰流量公式：

式中：Q为流量，m3/s；上游圪宗则沟骨干坝Q泄=13.5 m3/s；ε为侧收缩系数；m为流量系数；σm为淹没系数；H为堰上全水头，m；B为坝宽，溢流宽度为16.0 m。

因此，上游在P=0.5%时，设计洪峰流量Q=384.30 m3/s，设计洪水位为974.89 m。溢流坝长16.0 m，左岸设置一孔冲沙闸，孔口尺寸为1.5 m×1.5 m(宽×高)。

2.2.2 溢流坝的剖面设计

溢流坝采用曲线型非真空实用剖面，坝顶高程970.00 m，坝面采用WES型，设计定型水头Hd=4.89 m，堰面曲线为X1.85=2×2.00.85Y，最大坝高5.00 m，最大坝底宽8.99 m。

1)堰上游侧采用铅直面。

2)堰顶O点上游曲线，采用三段复合圆弧相接。这样做可以使堰顶曲线与堰上游面平滑连接，改善了堰面压强分布，减小负压。

3)堰顶下游段堰面曲线采用幂曲线：X1.85=2×2.00.85Y。

4)直线段采用1∶1.56的直线连接上游曲线段和下游反弧段。

5)反弧段半径R=5.0 m，反弧角度为33°。

溢流坝采用M7.5浆砌石砌筑，外包20 cm厚C25钢筋砼。坝面外包混凝土表面层布设一层钢筋网，钢筋网为Φ12@250。浆砌石坝面与外包钢筋混凝土采用Φ12锚筋锚固，锚筋伸进砌石33 cm，伸出至钢筋混凝土表面层钢筋网与其相接，纵横间距均为0.5 m，呈梅花型布置。

溢流坝长16.0 m，为保持坝肩稳定，两岸设M7.5浆砌石翼墙，翼墙顶高程975.40 m。冲沙闸左侧边墩与岩石岸坡相接，岸坡高程满足防洪要求。坝址处河床覆盖层为强风化基岩，本次设计将坝基嵌入新鲜基岩深度不小于0.5 m，以保持坝体稳定。

图2 溢流坝横剖面图

2.2.3 陡坡段设计

1)临界水深

在水流状态为缓流的明渠中，如果明渠底坡突然变成陡坡，将引起水面急剧降落，产生水跌，底坡突变断面处的水深为临界水深。泄槽起点水深为临界水深hk：

式中：q为单宽流量，m3/s；α为流速分布不均匀系数，可取1.1；g为重力加速度，9.81 m/s2。

2)陡坡段正常水深h0

我们国家近十几年来中小学校不断推广尤其在发达的沿海形成北京、上海、深圳、杭州、武汉等地创办不同的社会实践基地，深圳市宝安区有社会实践基地但主要任务是接受来自深圳各个中学生来体验陶瓷拉坯、陶瓷盘泥、陶瓷绘制、陶瓷烧成、陶瓷样品观赏推动这一片区对陶瓷发展拓宽将起到一定的作用。

由于h0

3)陡坡段水面线计算

陡坡段水平长为8.44 m，水面曲线采用能量平衡法逐段累计法计算，即：

式中：h1为断面1-1的水深，m；v1为断面1-1的平均流速，m/s；a1为断面1-1的流速不均匀系数，取1.1；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；h2为断面2-2的水深，m；v2为断面2-2的平均流速，m/s；a2为断面2-2的流速不均匀系数，取1.1；ΔL为两断面的距离，m；i为泄槽的坡度；j为平均水面坡降，j=(j1+j2)/2，任一断面的水面坡降j=v2/(C2·R)=n2·Q2/(w2·R4/3)。

设计洪水情况下的水面曲线计算过程见表1。

表1 设计流量下溢流坝水面曲线计算结果表

设计情况下，当陡坡段水深为1.87 m时，表中水面线长度为8.44 m，即说明陡坡段水平长度为8.44 m，故陡坡段末端水深就是1.87 m。

因陡坡段末端水流流速大于10 m/s，故需要考虑掺气增加的水深，陡坡侧墙高度可按计算的水深加掺气水深和安全超高之和计算。计算得掺气水深为0.24 m。

4)陡坡边墙高度设计

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289-2003)，陡坡段边墙高度应按设计流量计算，高出水面线0.50 m。通过以上水力计算可知，陡坡各控制断面的水深，据此进行陡坡边墙高度的设计。

5)确定侧墙高度

侧墙高度按下式计算：

H=h+hq+δ

式中：H为侧墙高度；h为不掺气时的水深；hq为掺气水深；δ为安全超高，一般取值0.5 m～0.7 m。校核情况下不计。

设计情况下，泄槽末端侧墙高：Ha=1.87+0.50+0.24=2.61 m。

为了使水流平缓进入下游，溢流坝下设消力池消能。

2.2.4 消力池设计

陡坡段出口连接消力池消能。

消力池长度：LK=(3～5)h2。

消力池宽度：消力池宽度与陡坡段同宽，即宽取19.50 m。

消力池深度：d0=1.1h2-h0

则h2=3.68 m；消力池长度按3.5h2计算，Lk=3.5×3.68=12.88 m，取13.50 m；消力池宽度b0=19.50 m；消力池深度d0=1.1×3.68-2.13=1.92 m，取2.0 m；消力池侧墙高:池深+尾水渠侧墙高=2.0+3.90=5.90 m；则消力池长13.50 m，宽19.50 m，深2.0 m，上部为30 cm厚C25钢筋砼，下部为50 cm厚M7.5浆砌块石。

2.2.5 冲沙闸

工程仅在灌溉用水时拦蓄水流，为防止溢流坝蓄水后产生淤积，设冲沙闸，剖面图见图3。冲沙闸布置于溢流坝左岸，冲沙闸孔口尺寸为1.5 m×1.5 m。考虑到闸门工作时间较短，可利用开启时间进行检修，因此只设工作闸门。冲沙闸闸墩采用C25混凝土现浇结构，闸底板采用C25混凝土结构，闸底板高程为965.50 m，启闭机平台高程为970.50 m，胸墙采用板梁式结构，板厚为50 cm，左、右岸边墩厚为1.0 m。

图3 冲沙闸剖面图

冲沙闸门采用铸铁闸门，闸门型号为PGZ 1.5 m×1.5 m，启闭机选用QLSD-10 t手电两用螺杆式启闭机，闸门止水采用橡胶止水形式。

3 结语

溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，侧重面依据具体工程而定。老虎峁沟骨干坝加固工程在原有冲沟里新建溢流坝主要是为了下泄校核洪水量，拦蓄泥沙，故工程配套设施有冲沙闸、消力池。工程可保护已淤坝地9.01 hm2，即135.15亩，坝地利用率按80%计算，则可利用坝地108.12亩，坝地亩产按400 kg计算，粮食单价为2.0元/kg，故坝地亩产效益为800元，扣除每亩种植投入种子、化肥、农药的成本150元，每年可净收入7.03万元，按20 a种植期计算，累计种植效益为140.56万元。通过加固满足了当地的实际发展需求，达到控制沟道下切侵蚀，保护村庄、基本农田、交通公路，改善周围生态环境的目的。