淤地坝技术在庞前沟骨干坝工程中的应用

时晓东

（陕西省礼泉县水土保持工作站,陕西 礼泉 713200）

0 引言

淤地坝建设是治理黄土高原地区水土流失、改善黄河生态环境的重要方式。中共中央、国务院2021 年10 月制定的《黄河流域生态保护和高质量发展规划刚要》,明确提出要突出抓好黄土高原水土保持,加大水土流失治理力度,以减少入河入库泥沙为重点,积极推进小流域治理、淤地坝建设等水土保持重点工程[1]。因此,做好黄河流域淤地坝工程设计研究具有十分重要的现实意义。

1 工程概况

车房沟小流域位于陕西省铜川市东北18 km,流域总面积99.13 km2,系北洛河二级支流、黄河四级支流。地形地貌属黄土残塬丘陵沟壑区,地势西南高东北低,地形差异明显。全流域主沟道长12.66 km,沟道断面主要为“U”型,平均比降7.1‰,沟壑密度2.54 km/km2。海拔高程在870.5 m~1233.9 m之间,相对高差363.4 m,水土流失面积86.02 km2。为了减少流域内水土流失,减少入黄泥沙,改善当地群众生产条件,急需在该流域合理布设淤地坝工程。在充分勘查、调研、论证基础上,2007 年12 月陕西省发改委对可行性研究报告予以批复,确定该坝系新修建骨干坝9 座、中型坝4 座,工程总库容1032.60 万m2。

庞前沟骨干坝是车房沟小流域坝系工程9 座骨干坝之一,位于主沟道上游支沟庞前沟沟口,坝控面积7.65 km2,按照“先支毛沟后干沟、先上游后下游”的流域治理部署,先行组织实施。庞前沟骨干坝坝高24 m,坝顶长118 m,上游坝坡比为1∶2.5；下游坝坡比为1∶2.0；马道宽1.5 m。该坝总库容为127.35万m2,坝顶高程为1005.0m,其中拦泥库容52.15 万m2,相应的拦泥高程996.60 m,滞洪库容75.20 万m2,校核洪水位为1003.2 m。工程总投资209.39 万元,建设工期10个月[2]。

2 坝型及施工方式选定

2.1 坝型选择

为了优化工程设计,拟定了均质土坝、砂石筑砌坝两种方案进行比选。

经过现场查勘,庞前沟骨干坝坝址上下游两岸土料储量丰富,土层深厚,土料质地良好,属中粉质壤土,非常适宜筑坝,且取土便利。相比较砂石坝方案,土坝方案可以节约投资98 万元,减少工期45 日。根据坝址处的地形地质条件,按照“因地制宜、就地取材、费省效宏、优质高效”的原则,确定建设坝型为均质土坝。

2.2 筑坝材料

我国黄土高原区坝体修筑材料一般采用黄土,经过试验测定,当地土质为中粉质壤土,土壤质地良好,其渗透系数垂直Kt=1.04×10-5cm/s~1.72×10-5cm/s,水平Kt=0.56×10-5cm/s~1.40×10-5cm/s,天然含水率在13.8%~16.3%之间。坝体干容重最优含水量控制,经测定,土壤击实后最大干容重为1.7 t/m3,筑坝压实度按要求不小于96%,因此,填土干容重按1.64 t/m3控制。综合以上数据分析,坝址两岸土料能满足碾压筑坝的要求。

2.3 施工方式选择

根据实测和了解,庞前沟沟道内无常流水,坝址两岸土坡稳定,结构密实,能满足建坝防渗要求,因此,在总结多年黄土高原区淤地坝建设经验基础上,基于工程安全和机械化施工提高效能目的,坝体施工采用机械碾压法筑坝,部分人工配合；设坝后堆石排水体；放水工程卧管采用浆砌石砌筑,涵管采用预制钢筋混凝土管,涵管的出口连接引水渠,引水

渠采用浆砌石砌筑[3]。

3 大坝枢纽组成及布设

庞前沟骨干坝控制流域面积7.65 km2,依据《淤地坝技术规范》（ST/T 804-2020）,根据该坝作用和运用条件以及对枢纽布设的要求,结合坝址地形条件,确定本工程枢纽设土坝和放水建筑物两大部分。

3.1 坝体设计

3.1.1 坝高～库容、面积关系的确立

利用库区1∶10000地形图,用求积仪法量取汇水面积S,水位分级为5m,按下式计算各级水位下的库容。

式中：V为某一级水位下的库容,万m3；Si为第i级水位对应的淤地面积,万m3；Zi为水位分级高差,m；Vi为分级水位所增加库容,万m3。

经计算,该坝坝高-库容、面积关系曲线数据见表1。

表1 水位-库容、面积曲线表

3.1.2 库容计算

依据《水土保持治沟骨干工程技术规范》,淤地坝总库容由拦泥库容和滞洪库容两部分组成。拦泥库容为设计淤积年限内的淤积总量,滞洪库容在不设溢洪道时为一次校核洪水总量。

拦泥库容按照下式计算：VL=N·WS/γ

式中：VL为拦泥库容,万m3；WS为多年平均输沙量,万m3/ a,3.52万t/a；N为设计淤积年限,a,20年；γ为淤积泥沙干容重,γ=1.35 t/m3。

滞洪库容按一次校核洪水总量确定,即VZ=W300=75.20万m3。

工程设计总库容：V总=VL+VZ=52.15+75.20=127.35万m3。

3.2 坝体断面尺寸确定

3.2.1 坝顶宽度按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》,结合实际计算,庞前沟骨干坝坝高24 m,坝顶宽取4 m。

3.2.2 坝坡

淤地坝上下游坡比根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》推荐值,并通过以下坝体渗流稳定计算分析成果综合确定。上游坝坡比为1∶2.5；下游坝坡比为1∶2.0。

3.2.3 坝坡排水及坝体排水

为提高工程运行期防御暴雨洪水的安全性,防止坝面遭受来自坡面及坝面的暴雨径流冲刷,设计方案在马道内侧分别设置纵向排水沟,且沿坝体下游坡面设置岸坡排水沟,纵向及岸坡排水沟相互连通,使雨水顺畅排向坝脚外。排水沟断面尺寸取0.3 m×0.3 m,厚0.25 m,采用M7.5 浆砌石砌筑。

为了降低坝体浸润线,防止坝坡土的渗透破坏和冻胀,增加下游坝坡稳定性,方案拟在下游坝脚处设一棱式排水体。排水体高4.0 m,顶宽2.0 m,内坡比1∶1.25,外坡比1∶1.5。与坝体及坝基的接触面设排水棱体,排水体从内层至表面外层分别由卵石层、砾石层及砂层组成,最内层卵石厚0.2 m,其上的砾石厚0.15 m,最外层的砂厚0.15 m,干砌石块层厚0.3 m。

3.2.4 坝基与岸坡结合

①清基：在土坝填筑前,应清除坝基范围内的草皮、树根、腐植土、淤泥及乱石,清除厚度不小于0.5 m；河床部位的第四系冲积洪积壤土夹卵石、结核及坝肩松软的植被层土体必须清除,同时应清除坝基河床局部地段分布淤泥质壤土后方可作为坝基基础。基础开挖后要求轮廓平顺,避免地形突变,如开挖后发现松软地基,应按标准进行处理。

②结合槽：为防止坝体与坝基及两岸坡结合处形成集中渗流,保证坝体与基础紧密结合,增强稳定性。因此,沿沟道方向设三道结合槽,结合槽均采用梯形断面,其中以坝轴线处为主,结合槽底宽2 m,深2 m,边坡1∶1；坝轴线两侧结合槽底宽1 m,深1 m,边坡1∶1。

③坝与岸坡结合：坝体与两岸结合处,岸坡要开挖成平顺的正坡,坝址两岸的土质边坡不陡于1∶1.5,石质边坡不陡于1∶0.5,实际两岸坝顶高程以下土质边坡削坡至1∶1.5,坝顶高程以上土质边坡削坡至1∶0.75,以防止高边坡滑塌。同时在坝区种植低成本的植物,固土护坡,绿化美化生态环境。

3.2.5 大坝稳定分析

（1）计算方法及计算工况

本工程渗流计算方法采用黄河勘测规划设计有限公司与河海大学共同研制的“土石坝稳定分析系统HH—LOPE”进行电算。

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）要求,计算正常水位情况下的坝体稳定渗流,对于其它组合考虑到在设计洪水位和校核洪水位情况下,水位历时较短,难以形成稳定渗流,故不进行计算。

（2）计算断面及参数指标

计算断面选取河床最大断面,下游排水按排水体正常工作运用情况计算,坝体填筑土渗透系数采用土工试验推荐值,水平渗透系数为0.25×10-5cm/s,垂直渗透系数为0.16×10-5cm/s。

（3）计算结果分析

计算工况：上游淤泥高程为996.6 m,下游水位981 m,排水体正常工作情况下的渗流。计算结果见表2。

表2 坝体土渗透坡降计算成果

从表2可以看出,坝体土渗透坡降小于允许渗透坡降,证明坝体渗透正常,不会发生渗透破坏。通过渗流计算所得坝体的单宽渗透流量为0.2045 m3/（d·m）,坝体的总渗透流量为24.95 m3/d。

另据计算得知,正常水位情况下坝体稳定渗流浸润线逸出点高度为2.4 m,根据规范为了坝体安全确定坝后采用4.0 m高的棱式排水体。

4 放水建筑物布设

依据《水土保持治沟骨干工程技术规范》,根据实际地形地质条件,放水建筑物采用卧管式放水形式。卧管沿右岸坡布设,比降为1∶2.0,断面尺寸选用0.8 m×0.8 m（宽×高）浆砌石砌筑；因为预应力钢筒混凝土管具有承受内外压较高、接头密封性好、施工方便快捷等优点,涵管采用圆形钢筋混凝土预制管,管径0.8 m,管长81 m,比降1/100；涵管布设在沟边坚硬地基上,涵管出口接比降1/100 明渠,长度28 m,再接1∶5.5的陡坡段,长31.91 m,明渠与陡坡间的水平夹角为123°,陡坡断面采用0.8 m×1.0 m（宽×高）的浆砌石砌筑,陡坡后接消力池将下泄水流引入下游沟道排走。

5 结语

庞前沟淤地坝建成后,对坝控面积内的洪水泥沙就地拦蓄利用,可有效控制水土流失,明显改善流域生态环境；能有效拦蓄300 年一遇的洪水,拦蓄泥沙52.15 万m3,拦洪75.2万m3,新增坝地12.62 hm2。从而有效治理了上游沟道水土流失问题,改善了区域生态环境,增加了当地农林种植效益,提高水土资源利用率,同时减少入黄泥沙,减少了下游清淤工程量和费用,促进了黄河安全度汛,收益良多。在此基础上,应加快其余骨干坝的设计建设,以形成规模化治理链条和效应,创造更大的社会经济效益,为黄河流域高质量发展提供更好的支撑。