黄土高原淤地坝建设探析——以牛鼻山骨干坝为例

姬保雄

（米脂县水利水保工作队，陕西 榆林 718199）

黄土高原区地质情况复杂，为了合理建设拦洪蓄水工程，现以米脂县牛鼻山骨干坝为例，对黄土高原区淤地坝建设进行科学探讨。

1 概况

牛鼻山骨干坝位于米脂县石沟河沟小流域，属黄土丘陵沟壑区向风沙区过渡地带，地形支离破碎、沟壑纵横[1]，沟缘线明显；左岸以盖沙区地貌为主，支沟较少，地势较平缓，分布有半固定的沙丘，梁峁处堆积4～6 m 的风积黄沙。牛鼻山骨干坝控制面积3.75 km2，上游主沟道长1.9 km，底宽30 m，左岸坡比1∶3，右岸坡比1∶2，沟道有常流水，左岸为黄土，右岸有部分岩石层，适合布设放水建筑物。小流域主沟道常流水，流量约为0.2 m3/s。该流域属北温带干旱半干旱大陆性季风气候，流域多年平均降水量397.8 mm，降水主要集中在7—9月。

2 地质分析

2.1 地形地貌

本区域地处陕北黄土高原北部，地势由西北向东南倾斜，海拔1 476～1 115 m，地形切割深度一般为30～100 m。本区域内地貌按成因类型划分为黄土梁峁与河谷阶地2个类型。

黄土梁峁区是以黄土梁地为主的黄土丘陵地形。梁面宽度50～100 m，向两侧平缓倾斜，大部分梁地呈峁状、圆丘状起伏，峁顶平缓。梁峁组成物质亦为厚40～80 m 的中上更新统黄土，下伏中生界陆相碎屑岩建造。梁峁坡下主要河谷冲沟为“U”形，切深100～150 m，切入基岩10～30 m；梁地两侧“V”形小冲沟甚为发育。

河谷阶地区主要为支流石沟河，河流上游地段多为岸高谷深的峡谷，谷底比降近于2‰，水流湍急，河床形成多级陡坡及跌水陡坎，普遍发育有谷中谷，阶地较不发育；河流进入中游地段后普遍变宽，并形成若干断续分布的河谷小盆地，河流普遍发育漫滩、Ⅰ级阶地，断续分布Ⅱ级阶地。

石沟河沟小流域地处黄土丘陵沟壑区向风沙区过渡地带，属祁吕贺兰山型构造东翼马蹄形地和新华夏季第三沉降带复合部位，基岩为三叠纪砂岩，黄土为第四纪风积黄土，可见厚度约10～70 m。小流域右岸以黄土丘陵沟壑区地貌为主，地形支离破碎、沟壑纵横，沟缘线明显；左岸以盖沙区地貌为主，支沟较少，地势较平缓，分布有半固定的沙丘，梁峁处堆积4～6 m 的风积黄沙。主沟道长12.1 km，沟壑密度3.0 km/km2。石沟河沟小流域地势南高北低，海拔高度在1 075～1 294 m，相对高差219 m。小流域土地坡度多在5°~25°，占土地面积的65.87%。

2.2 地质构造

米脂县地处陕北黄土高原，从大地构造单元来看处于中朝准地台陕北台凹的中部偏东地带。在中生代晚三叠世的印支运动中，形成大型宽浅盆地。由于陕北台凹地处台坳的东南斜坡部位，伴随后期燕山运动的不均衡上升，致使区内的中生代地层形成向西北缓倾、倾角1°～3°的大型单斜构造。陕北台凹内地质构造简单，大的断裂及褶皱不发育，仅在局部地段分布有一些小的断层及褶曲。因受区域性北东向构造影响，安塞区内的中生代地层普遍发育有1～2 组压扭性节理。由于区境内中生界在岩性和结构上的差异以及各地受力不均等原因，所以在其水平及垂直方向上节理的发育程度、延伸性与张开性差异都较大。

3 水文分析

3.1 径流分析

石沟河沟小流域主沟道常流水，流量约为0.2 m3/s。通过观测资料和调查分析，径流模数为4.8万m3/（km2·a），多年平均径流量为309.31 万m3。流域径流受降水特点的影响，年际变化大，年内分配不均，主要集中在7—9月，且多以洪水形式出现，汛期径流量228.89万m3，占多年平均径流量的74%。项目区洪水呈现峰高、量大、历时短、含沙率高的特点，年输沙量为51.87 万t。具体情况，详见表1。

表1 石沟河沟小流域径流泥沙特征

3.2 泥沙分析

查《陕西省榆林市水文计算手册》，石沟河沟小流域属于榆林市Ⅳ区，属于黄土丘陵沟壑区向风沙区过渡地带。由于小流域内无水文观测资料，本次坝系可研水文泥沙分析计算采用水利部《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289-2003）中规定的经验公式进行计算，其经验参数、指数、径流系数采用《陕西省榆林地区实用水文手册》及当地经验值。

3.3 洪水分析

3.3.1 洪峰流量计算

洪峰流量计算采用小汇水面积相关公式：

式中：Qw为重现期N的洪峰流量（m3/s）；CN为重现期N的地理参数，见表2；F为流域面积（km2）；n为暴雨衰减指数[2]。式中相关参数及计算结果，详见表2。

表2 石沟河沟小流域不同设计频率洪峰流量模数

3.3.2 设计洪水总量计算

不同频率24 h设计暴雨量采用下式计算：

式中：H24P为频率P的24 h 暴雨量（mm）；kP为频率P的皮尔逊（Ⅲ）型曲线模比系数；H24为最大暴雨量均值（mm）[3]，取55 mm。

查《榆林地区实用水文手册》，流域内年最大24 h暴雨量为55 mm；年最大24 h 暴雨量变差系数Cv值为0.68，Cs/Cv=3.5。经计算，石沟河沟小流域内不同频率24 h设计暴雨量详见表3。

设计洪水总量计算公式为：

式中：WP为设计洪水总量（万m3）；α 为洪水总量径流系数；H24P为频率P的流域中心点24 h 暴雨量（mm）[4]。

式中相关参数及石沟河沟小流域不同频率条件下设计洪水总量模数和计算结果，详见表3—4。

表3 石沟河沟小流域不同频率洪量模数

表4 石沟河沟小流域不同设计频率下洪水总量（Wp）计算结果

4 骨干坝设计

4.1 库容

根据不同设计频率洪水模数和坝控范围内产沙情况确定防洪库容、拦泥库容和总库容。

骨干坝的总库容由拦泥库容和滞洪库容2 个部分组成。

4.1.1 拦泥库容

拦泥库容计算公式为：

式中：F为坝控面积（km2）；γ为淤积泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3；Ms为 年 均 侵 蚀 模 数[t/（km2·a）]，取8 000 t/（km2·a）；n为淤积年限（a）[5]。

4.1.2 滞洪库容

2.4胎盘因素导致的大出血及时取出胎盘,做好刮宫准备。对于胎盘已剥离尚未娩出者,可帮助其排空膀胱,再牵拉脐带,按压宫底,使胎盘娩出;对于胎盘部分剥离者,可用手伸入宫腔,协助胎盘剥离后,取出胎盘;对于胎盘部分残留者,可用大刮匙刮取残留组织;对于胎盘植入者,应立即做子宫切除准备[5]。

对于由坝体、放水涵卧管2大件组成的骨干坝，滞洪库容按300 a 一遇的校核洪水总量确定。其计算公式为：

式中：V滞为滞洪库容（万m3）；Mwp为洪量模数[万m3/（km2·a）]；F为工程控制面积（km2）[6]。

由上可知，总库容V总=V拦+V滞＝66.60 万m3。

4.2 坝高、淤地面积确定

采用现场实测坝址及库区地形图，量算不同高程等高线与坝轴线闭合曲线水平投影面面积，绘制H-S曲线；据此采用台体体积累计法计算并绘制H-V曲线，经计算，拦泥坝高为20.1 m、滞洪坝高为4.7 m、安全超高为1.7 m。采用公式H=H拦+H滞+H安计算，得总坝高为26.5 m。

根据拦泥库容V拦查H-V曲线和H-S曲线，确定牛鼻山骨干坝淤地面积S为6.57 km2。

4.3 坝体断面设计

本次规划的淤地坝为机械碾压坝，牛鼻山坝高26.5 m，顶宽4 m，顶长132.51 m，铺底宽124.75 m，上游/下游坡比2.5/2.0，马道宽1.5 m、长87.71 m。

4.4 坝基及岸坡处理

4.5 坝面护坡及取土场整理

工程竣工后，对土坝上游淤积面以上坝坡和下游坝坡采取生物护坡措施，即上下游坝坡密植柠条、沙柳、紫穗槐等耐旱性较强的灌木。在下游坝坡处设置纵、横向排水沟，即坝体与两岸交汇处顺坝坡布设纵向排水沟，在马道内侧布设1条横向排水沟，纵横向排水沟相互连通。

4.6 反滤体设置

根据《陕西省水土保持治沟骨干工程技术手册》规定，有常流水的沟道新建骨干坝均要设置反滤体排水。结合工程运用条件和当地已建沟道工程的经验，牛鼻山骨干坝反滤体形式为混合式反滤体，坝基先修建棱式反滤体，在棱式反滤体的基础上修建斜坡式反滤体。棱式反滤体主要是增加坝体稳定性，降低库内浸润线，斜坡式反滤体是防止外坝坡土料被渗水带走。反滤体由3 层组成，由里向外依次为粗砂、碎石、块石。反滤层高5 m，砂层厚0.3 m，碎石层厚0.3 m，块石层厚0.5 m，顶宽2 m，粗砂3.4 m3，碎石3.4 m3，块石14 m3。

4.7 放水建筑物设计

放水建筑物由分级卧管、输水涵洞、明渠陡坡及下游消能设施组成。建筑物采用浆砌石、钢筋混凝土结构。卧管进水形式采用正面斜孔进水，进水孔断面为圆形，由平板钢闸门调节控制水量。卧管坡比1∶2，孔间水位差0.45 m，孔口间距1.0 m。卧管布设在左岸，设计流量按3 d 泄完10 a 一遇洪水总量计。确定卧管断面尺寸时，由于水位变化而导致放水流量调节，比正常运用时的流量加大20%。

卧管的断面尺寸按明渠均匀流公式计算：

式中：Q为泄水流量（m3/s）；ω为过水断面面积（m2）；i为卧管比降；C为谢才系数，C=R1/6/n，n为糙率[7]，取0.017；R为水力半径（m）。

由于放水孔水流跌落卧管时水柱跃起，所以方形卧管高度取正常水深的4 倍。卧管断面尺寸设计时必须满足检修要求。卧管采用C25钢筋混凝土预制方型管，管床是厚度为30 cm 的浆砌石。卧管底部沿水平方向每隔8 m 做1 道抗滑齿墙，以增加底板的稳定。

4.8 涵管设计

涵管流量按明渠均匀流公式计算：

式中：Q为涵管流量（m3/s）；ω为涵洞横断面过水面积（m2），圆形ω=(d2/8)(θ- sinθ)，d为管径（m），θ为水面线与圆心的夹角（当水面线大于半径时θ大于180°、水面线小于半径时θ小于180°），θ以弧度计；R为涵洞横断面的水力半径（m），圆管R=(d/4)(1-sinθ/θ)；i为涵管比降，取1/100；其余变量含义同上。

卧管末端消力池与坝下涵洞连接，断面为钢筋混凝土圆管，浆砌石底座，比降1∶100。为检修方便，混凝土管涵管管径应不小于0.80 m，管壁厚取0.1 m。为了保证洞内水流呈明流状态，涵洞内水深应不大于涵洞总高度的75%。涵洞为钢筋混凝土圆形结构，为预制安装构件，管接头处采用钢筋混凝土套管连接。涵管与套管间预留宽度为1cm 的缝隙，用石棉绳、石棉粉水泥填塞。为防止涵管壁集中渗流情况，设计沿涵洞长每10 m设1道节水环，节水环厚30～40 cm，伸出洞壁50 cm。涵管基础铺设厚度为40 cm的浆砌石。

4.9 涵洞末明渠、陡坡设计

涵管出口都高于河床，接明渠消能，以保证槽内的水流比较平稳。明渠比降i=1/100，矩形断面，宽度不小于涵洞直径。明渠下接陡坡，陡坡比降一般取值i=1/3，宽同明渠。陡坡每隔10 m 做齿墙，以增加稳定性。

5 结语

作为石沟河沟小流域的骨干坝，牛鼻山骨干坝的建设在整个流域内起着至关重要的作用。通过分析探讨，牛鼻山骨干坝主要由坝体和放水建筑物组成，控制面积3.75 km2，总库容66.60万m3。其中，拦泥库容44.44 万m3，滞洪库容22.18 万m3，可淤坝地6.57 hm2，坝高26.5 m，坝顶长132.51 m，坝顶宽4 m，铺底宽124.75 m，在距离沟底13.5 m处设置马道，马道长87.71 m，坝体内坡比为1∶2.5；坝体外坡比为1∶2。该坝主要控制该支沟的洪水泥沙，减轻下游酒房沟淤地坝的洪水压力，该坝运行前期蓄水灌溉两岸耕地和下游川台地，为牛鼻山骨干坝建设提供了科学依据。