佳县新庄淤地坝洪水泥沙与大坝加高分析

2022-10-27刘碧尧

海河水利 2022年5期

刘碧尧

（佳县水利工作服务中心，陕西榆林 719299）

黄土高原区淤地坝众多，受历史条件限制大多没有勘测设计资料，为淤地坝的除险加固增加了难度。新庄淤地坝经过超过40 a运行，基本淤满，需进行加高处理。现以新庄淤地坝为例，对黄土高原区设计资料缺失的淤地坝除险加高进行探讨。

1 概况

佳县位于陕西省东北部，黄河中游西岸。新庄淤地坝工程位于佳县刘国具镇，隶属新庄村，新庄村共有人口175人、坝地0.014 km2、梯田0.03 km2，人均基本农田0.000 8 km2。新庄淤地坝属大陆性干旱半干旱季风性气候，春季少雨干旱，冷热剧变；夏季炎热多雨，雷、暴雨频繁；秋季气温适宜，秋高气爽；冬季寒冷干燥、少雪，四季变化极为明显。区域内多风，以西北风为主，年平均风速2.4 m/s，最大风速20 m/s；多年平均降水量395 mm，多集中在汛期7—9 月，占全年降雨量的68.2%[1]，且多以暴雨形式出现，年最大降雨量576.3 mm。新庄淤地坝沟道内无常流水，多年平均径流深60 mm，水土流失面积为1.7 km2，治理度13.9%，多年平均侵蚀模数为2.0万t（/km2·a）。

2 存在问题

新庄淤地坝是刘落则沟左支沟中游的一座控制性工程，上游现有1座中型坝和1座小型坝。始建于1975 年的佳县新庄淤地坝，由土坝、涵卧管和溢洪道组成，主沟道长3.5 km，控制流域面积4.45 km2，沟道比降为2.96%。原坝高31 m，坝顶距淤泥面8 m，控制流域面积4.45 km2，总库容191.09 万m3，拦泥库容118.76万m3。

经过超过40 a运行，新庄淤地坝顶有2.1m×3.6 m、深1.8 m 和3.0 m×2.1m、深2.5 m 的洞穴，右岸涵卧管已毁坏，左岸土质溢洪道窄而浅，存在严重的安全隐患，需进行除险加固。根据可行性研究报告，新庄坝需加高坝体7 m 才可满足设计要求。经实地勘测，1998 年当地群众自发在该坝址上游549 m 处建有1座腰坝，坝高10 m，现基本淤满。可行性研究报告的库容曲线是在万分之一地形图上量取的，而该腰坝在万分之一地形图上没有显示，因此在地图上量出的库容值偏大。经计算，新庄淤地坝现需加高坝体16 m，从泥面起算为24 m。为了确保新庄淤地坝加高加固工程科学进行，需对沟道洪水和泥沙进行分析，以确定库容和大坝加高的尺寸。

3 洪水泥沙分析

3.1 洪水分析

新庄淤地坝所在流域地质构造属鄂尔多斯台向斜，由西北向东南倾斜，流域主沟道及较大支沟中下游有几米到上百米的基岩出露，上部页岩较多，底部为泥砂岩层，在流域上游部分沟道出露红色黏土层。该坝址处地表覆盖层为第四纪的黄土层，厚约50～100 m。坝址处左岸有岩石出露，右岸为轻粉质壤土，土料储量能够满足本次加高的需要，坝址左岸下游有旧土质溢洪道，便于放水建筑物出口的衔接。利用实测沟道纵横断面资料计算水位-库容、水位-面积关系值，详见表1。

表1 新庄骨干坝水位-库容、水位-面积关系

新庄骨干坝位于刘落则沟中游左支沟，控制流域面积4.45 km2，洪水由暴雨产生，年最大洪峰主要发生在7—9 月，洪水历时一般在12 h 内，峰顶滞时0.5～2 h，由于流域内山高坡陡，垦殖指数高，植被较差，沟道内没有滞洪物，暴雨形成的产流较快，洪水一般来势凶猛，历时短，暴涨暴落，峰高量小，含沙量大，水峰沙峰相随。计算洪水时按工程实际控制面积计算。设计洪峰流量采用《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289—2003）推荐的经验公式中汇水面积相关法进行计算[2]，其计算公式为：

式中：QN为重现期N的洪峰流量（m3/s）；n为经验指数，取0.68；F为流域面积（km2），取4.45 km2；CN为重现期N的地理参数，取值见表2。

从《榆林地区实用水文手册图集》中查得该流域位于Ⅰ区[3]，根据该区的地理参数和经验指数计算该坝址以上不同频率的洪峰流量，详见表2。

表2 洪峰流量计算成果

洪量径流系数采用榆林市水务局编写的《榆林市治沟骨干工程及淤地坝扩大初步设计编制提纲及编制依据》中表六的数值，该流域中心年最大24 h暴雨均值为60 mm，基于皮尔逊Ⅲ型曲线Kp值表、变差系数Cv=0.68、Cs/Cv=3.5，计算不同频率的暴雨量，计算成果详见表3[4]。

表3 不同频率下的洪水总量

3.2 输沙分析

左支沟是典型的降水补给型河沟，洪枯水流量悬殊较大，具有陡涨陡落的特点，水位涨落最大变幅为2.19 m，多年平均径流量0.429亿m3。从地域分布上看，沟道泥沙来源主要集中在上中游。含沙量和输沙模数从上游到中游呈递减的趋势，每年汛期6—9 月水量和沙量比较集中，分别占全年的65%和97%。年来沙的基本规律是来沙量随着来水量的增加而加大，水沙比例基本一致，一般沙峰较水峰同步或滞后。基于《陕西省无定河流域佳县脑畔圪塔小流域坝系可行性研究报告》中确定的流域多年平均侵蚀模数为2.0 万t（/km2·a）[5]、控制流域面积为4.45 km2、泥沙容重取1.35 t/m3，根据多年平均输沙量为控制流域面积乘以多年平均侵蚀模数再除以泥沙容重，经计算，得出新庄淤地坝控制流域年输沙量为6.59万m3。

4 地基分析

4.1 地质分析

库区出露的地层为侏罗系中统榆林组（J2y）及第四系上更新统（Q3）和全新统（Q4）。

（1）第四系全新统（Q4）。残坡积碎石土及壤土（Q4dl+el）分布于两岸山顶及山坡，厚度不一；冲洪积砂及砂砾石（Q4pl+al）分布于谷底，厚度一般小于5 m。

（2）第四系上更新统（Q3）。浅黄色、灰黄色砂壤土、壤土，质地疏松，具有大孔隙，柱状节理发育，含少量钙质结核，主要分布于两岸山坡及山顶，覆盖于侏罗系中统延安组之上，厚10～100 m不等。

（3）侏罗系中统榆林组（J2y）。灰绿色长石砂岩与页岩互层，表层强风化。

4.2 地质构造

坝址区为单斜岩层，倾向西北，倾角一般为3°～5°，整个库区未发现断层。岩层中主要发育2 组节理，其中L1，31°∠40°，节理面平直光滑，微张，无充填，延伸长度3～7 m；L2，80°∠78°，节理面平直粗糙，闭合，延伸长度2～4 m。工程区50 a超越概率10%一般场地条件下地震动峰值加速度＜0.05 g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

4.3 水文地质条件

坝址区未见有水出露，地下水主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，赋存于冲洪积砂砾石、残坡积碎石土及砂岩裂隙中，主要接收大气降水补给，直接排泄于沟谷。

4.4 覆盖层与风化带厚度

坝址河床覆盖层岩性为砂砾石及砂壤土，厚度0～5 m；左右岸坡分布有0～15 m 厚的残坡积物，主要为棕黄色的残坡积砂壤土、壤土，可见少量碎石土。根据浅井和洛阳铲揭露情况，坝址区基岩强风化层厚度约为2～3 m。

4.5 坝基承载力

坝基以泥岩与砂岩互层、中细砂、含泥砂砾石和黄土为主。根据试验资料及工程类比，建议坝基强风化页岩、砂岩承载力取300～400 kPa，中细砂承载力取100～150 kPa，砂砾石承载力取200～300 kPa，黄土承载力取100～110 kPa。

5 坝体加固方案分析

根据新庄淤地坝的病险情况和沟道内洪水、输沙和地基情况，对新庄淤地坝进行除险加固分析。

5.1 坝型选择

经现场查勘，新庄骨干坝坝址右岸土料丰富，坝址左岸有岩石出露，右岸土料储量和土性指标均满足筑坝要求，取土条件便利；坝基、坝肩结构完整，无软弱带和裂隙发育，两岸边坡无冲沟，无倾向下游的滑动面，适宜布设放水工程；坝基可开挖结合槽，遇石基做截渗齿墙。此次除险加固是在原坝的基础上进行的，为了节约资金和资源，根据原坝建设情况和坝址处的地形地质条件以及土料丰富的情形，确定加固坝仍为均质土坝。本次加高采用坝前式加高，放水建筑物采用涵卧管，设在左岸，涵洞出口接明渠后自原溢洪道泄至下游河槽。该流域沟道内无常流水，施工方法采用机械碾压筑坝。

5.2 坝高确定

新庄骨干坝的规模在100 万～500 万m3，工程等级为四级，设计洪水标准为30 a，设计淤积年限为20 a。其拦泥库容为多年平均输沙量乘以设计淤积年限，即6.59×20=131.8 万m3，查水位-库容曲线得拦泥坝高为18.42 m，现泥面高程为987.00 m，则本次设计淤积高程为1 005.42 m。滞洪坝高由滞洪库容查水位-库容曲线确定，按一次校核洪水总量确定滞洪库容为57.83 万m3；查水位-库容曲线，得滞洪坝高为4.17 m，滞洪水位高程为1 009.59 m。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1.41 m[6]。

综上，工程设计总库容为131.8+57.83=189.63（万m3）。相对于泥面以上的总库容189.63万m3，目前该坝已淤库容为118.76（万m3），则该坝总库容为189.63+118.76=308.39（万m）3。工程设计坝高为18.42+4.17+1.41=24 m，则本次加高淤泥面以上坝高为24 m，相对于下游最大坝高为47 m。坝顶高程1 011.00 m，拦泥高程1 005.42 m，校核洪水位1 009.59 m。

5.3 坝体断面尺寸确定

新庄骨干坝坝顶宽度取4.0 m，坝顶高程为1 011.0 m。上游坡比为1∶2.0；下游坝坡在旧坝顶处设1 条马道，宽1.5 m，高程为995.00 m，马道以上坡比为1∶1.5、以下旧坝坡比为1∶2.0。为保证坝体与坝基紧密结合、防止出现渗流，在坝轴线左岸坡上设1 道齿墙，底宽0.8 m，深入石基0.5 m，高1.0 m；在坝轴线右岸坡上设1 道结合槽，采用梯形断面，底宽1.5 m，深1.5 m，边坡1∶1.0。

5.4 大坝安全与稳定性分析

5.4.1 安全评价

新庄淤地坝始建于1975 年，原坝高31 m，坝顶平均宽25 m，外坡比1∶2.0，采用水坠法施工，已建成30 a。在30 a的运行过程中，没有出现渗漏、流泥等破坏坝体的现象，因此现坝体整体保存完好，坝体已经稳定。虽然在坝外坡有一些小坑穴，那是由于疏于管护、降雨逐年冲刷造成的，只要本次对此进行整治，对坝体的整体安全没有影响。而本次是在原坝体和淤泥面的基础上加高的，虽然加高后的坝较高，但由于原坝是稳定的，所以大坝整体也是稳定和安全的。

5.4.2 坝坡稳定性分析

新庄骨干坝相对于下游最大坝高为47 m，总库容308.39 万m3，其运用方式为拦洪淤地。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289-2003）要求，结合已建工程的经验，进行运用期下游的坝坡稳定性验算。现采用《土坡稳定数图解法》进行简化计算。

根据有关试验指标，采用类比的方法选取C=1.1 t/m2，Φ=23°，γ=1.8 t/m3。

下游坝坡平均坡率计算公式为：

式中：m为下游坝坡平均坡率；Hi为平均断面高（m），取47 m；mi为坡比之和，取1.88。

经计算，得m=1.88。因为tgα=1/m=0.532，故坡角α=28°1′。

安全系数K值由试算确定，假定K=1.25，C、Φ折减后计算公式为：

式中：CK为折减后抗剪强度指标（t/m2）；C为折减前抗剪强度指标（t/m2）；K为安全系数；ΦK为折减后摩擦角（°）；Φ为折减前摩擦角（°）；N为抗剪强度比值系数；γ为土体的剪胀角（°）；H为高度（m）。

经计算，得CK=0.88 t/m2，ΦK=18.4°，N=0.01。查《小型水利手册》，得坡角α=28°，与拟定的坡角接近，所以该坝坡的安全系数K=1.25＞1.05，该坝坡安全。

6 结论及建议

6.1 结论

新庄骨干工程的加固建设既是坝系建设中的需要，更是控制和防治水土流失、合理利用水沙资源、促进流域内退耕还林还草、带动当地农业经济发展的需要。针对新庄坝存在的病险问题，通过对沟道洪水和泥沙的论述探讨，提出经济科学的坝体加固方案。工程完工后，可拦截泥沙131.8 万m3，淤地12.1 hm2，拦泥淤地作用较为显著，而且还可保护下游村庄、道路的安全。