榆林老虎峁溝骨干壩加固工程中的溢流壩設(shè)計分析

封 春，陳建國

(佳縣水土保持工作隊，陜西 佳縣 719200)

1 基本情況

1.1 壩址上下游溝道

老虎峁溝骨干壩位于佳縣縣城西南部烏鎮(zhèn)柴老莊村，該壩始建于1956年?？刂屏饔蛎娣e7.12 km2，由壩體、放水豎井(已報廢)兩大件組成。原土壩為均質(zhì)碾壓土壩，壩高18.3 m，壩頂至淤泥面2.3 m。壩體右岸有長900 m、寬7 m～15 m、深5 m～13 m的沖溝，已淤積庫容74.95萬m3，已淤地面積為9.01 hm2。壩址上游850 m處有米脂縣圪宗則溝骨干壩，壩址左岸有鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路，壩址下游800 m處有村莊、4 km處有當(dāng)川寺骨干壩，溝底有基巖。

1.2 水文

工程所在流域無降雨觀測點，參考《榆林地區(qū)實用水文手冊》資料。該流域年平均降水量395 mm，最大年降水量為641.4 mm，最小降水量138.3 mm，年蒸發(fā)量1200 mm，是年降水量的3.0倍，降雨量年內(nèi)分布不均勻，且降雨多集中在7月～9月份，多以大雨、暴雨形式出現(xiàn)，歷時短、強(qiáng)度大、災(zāi)害性強(qiáng)，降低了水資源的利用率。流域最大24小時降雨均值為58.0 mm，多年平均侵蝕模數(shù)為20000 t/(km2·a)。溝道有季節(jié)性常流水。

1.3 地質(zhì)地貌

工程所在流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)，由于地表土質(zhì)疏松，抗蝕性差，在外營力的侵蝕作用下，形成了以梁峁為主、溝谷深切、基巖裸露的地貌景觀。地貌主要由梁峁、溝坡、溝床三個單元組成，梁窄坡陡，梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，溝壑密度1.4 km/km2。流域地處鄂爾多斯臺地，西北高，東南低，相對高差為218.0 m。

2 工程設(shè)計

加固前老虎峁溝骨干壩由于工程結(jié)構(gòu)單一，無法對壩控面積內(nèi)的洪水泥沙有效攔蓄和調(diào)節(jié)，致使水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝罕姷纳?、生產(chǎn)。經(jīng)綜合分析研究，在原沖溝內(nèi)新建溢流壩，下泄校核洪水量，不考慮滯洪庫容。新建溢流壩工程由溢流壩和左岸沖沙閘組成，溢流壩與左岸沖沙閘在平面上呈一條直線并列布置。

為降低洪水位，減小工程投資，溢流壩軸線布置與河道呈90°正交。溢流壩頂高程970.00 m，最大壩高5.0 m，壩長16.0 m，清淤困難，故左岸設(shè)置一孔沖沙閘。經(jīng)實地勘測，現(xiàn)狀壩頂寬4.0 m，壩頂長123 m。按照《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289-2003)，加固后長峁溝中型壩壩高18.3 m，壩頂寬度4.0 m，壩頂高程為979.80 m，壩頂長132 m，見平面布置圖1。

圖1 溢流壩平面布置圖

2.1 庫容壩高的確定

2.1.1 庫容計算

總庫容V總由已淤積庫容VY、剩余攔泥庫容VL和滯洪庫容VZ三部分組成，即V總=VY+VL+VZ。

(1)該壩已淤壩高為16.0 m，按照三棱柱體積計算原理，計算確定已淤庫容為74.95萬m3。

(2)根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289-2003)，本工程總壩高小于20 m，結(jié)合實際情況，安全超高取2.3 m。

(3)滯洪庫容

該壩沒有加高條件，故無滯洪庫容，不進(jìn)行調(diào)洪計算。

(4)剩余攔泥庫容為0。

(5)工程設(shè)計總庫容為：V總=VY+VL+VZ=74.95+0+0=74.95萬m3。

2.1.2 壩高確定

總壩高H由現(xiàn)狀已淤壩高HY、攔泥壩高HL、滯洪壩高HZ和安全超高ΔH四部分組成，即：

H=HY+HL+HZ+ΔH

(1)已淤壩高由實際測量1∶1000的地形圖確定?，F(xiàn)狀淤泥高程977.50 m，查實測地形圖得原壩底高程961.50 m，已淤壩高HY=977.50-961.50=16 m。

(2)攔泥壩高為0。

(3)安全超高按《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289-2003)的有關(guān)規(guī)定取ΔH=2.3 m。

(4)滯洪壩高為0。

(5)工程設(shè)計壩高為：H=HY+HL+HZ+ΔH=16+0+0+2.3=18.3 m。

2.1.3 壩頂寬度

經(jīng)實地勘測，現(xiàn)狀壩頂寬4.0 m，壩頂長123 m。按照《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289-2003)，加固后長峁溝中型壩壩高18.3 m，壩頂寬度4.0 m，壩頂高程為979.80 m，壩頂長132 m。

2.2 溢流壩設(shè)計

2.2.1 泄流能力計算

過壩流量按WES堰面流量計算，WES溢流堰流量公式：

式中：Q為流量，m3/s；上游圪宗則溝骨干壩Q泄=13.5 m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；σm為淹沒系數(shù)；H為堰上全水頭，m；B為壩寬，溢流寬度為16.0 m。

因此，上游在P=0.5%時，設(shè)計洪峰流量Q=384.30 m3/s，設(shè)計洪水位為974.89 m。溢流壩長16.0 m，左岸設(shè)置一孔沖沙閘，孔口尺寸為1.5 m×1.5 m(寬×高)。

2.2.2 溢流壩的剖面設(shè)計

溢流壩采用曲線型非真空實用剖面，壩頂高程970.00 m，壩面采用WES型，設(shè)計定型水頭Hd=4.89 m，堰面曲線為X1.85=2×2.00.85Y，最大壩高5.00 m，最大壩底寬8.99 m。

1)堰上游側(cè)采用鉛直面。

2)堰頂O點上游曲線，采用三段復(fù)合圓弧相接。這樣做可以使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善了堰面壓強(qiáng)分布，減小負(fù)壓。

3)堰頂下游段堰面曲線采用冪曲線：X1.85=2×2.00.85Y。

4)直線段采用1∶1.56的直線連接上游曲線段和下游反弧段。

5)反弧段半徑R=5.0 m，反弧角度為33°。

溢流壩采用M7.5漿砌石砌筑，外包20 cm厚C25鋼筋砼。壩面外包混凝土表面層布設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)為Φ12@250。漿砌石壩面與外包鋼筋混凝土采用Φ12錨筋錨固，錨筋伸進(jìn)砌石33 cm，伸出至鋼筋混凝土表面層鋼筋網(wǎng)與其相接，縱橫間距均為0.5 m，呈梅花型布置。

溢流壩長16.0 m，為保持壩肩穩(wěn)定，兩岸設(shè)M7.5漿砌石翼墻，翼墻頂高程975.40 m。沖沙閘左側(cè)邊墩與巖石岸坡相接，岸坡高程滿足防洪要求。壩址處河床覆蓋層為強(qiáng)風(fēng)化基巖，本次設(shè)計將壩基嵌入新鮮基巖深度不小于0.5 m，以保持壩體穩(wěn)定。

圖2 溢流壩橫剖面圖

2.2.3 陡坡段設(shè)計

1)臨界水深

在水流狀態(tài)為緩流的明渠中，如果明渠底坡突然變成陡坡，將引起水面急劇降落，產(chǎn)生水跌，底坡突變斷面處的水深為臨界水深。泄槽起點水深為臨界水深hk：

式中：q為單寬流量，m3/s；α為流速分布不均勻系數(shù)，可取1.1；g為重力加速度，9.81 m/s2。

2)陡坡段正常水深h0

我們國家近十幾年來中小學(xué)校不斷推廣尤其在發(fā)達(dá)的沿海形成北京、上海、深圳、杭州、武漢等地創(chuàng)辦不同的社會實踐基地，深圳市寶安區(qū)有社會實踐基地但主要任務(wù)是接受來自深圳各個中學(xué)生來體驗陶瓷拉坯、陶瓷盤泥、陶瓷繪制、陶瓷燒成、陶瓷樣品觀賞推動這一片區(qū)對陶瓷發(fā)展拓寬將起到一定的作用。

由于h0

3)陡坡段水面線計算

陡坡段水平長為8.44 m，水面曲線采用能量平衡法逐段累計法計算，即：

式中：h1為斷面1-1的水深，m；v1為斷面1-1的平均流速，m/s；a1為斷面1-1的流速不均勻系數(shù)，取1.1；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；h2為斷面2-2的水深，m；v2為斷面2-2的平均流速，m/s；a2為斷面2-2的流速不均勻系數(shù)，取1.1；ΔL為兩斷面的距離，m；i為泄槽的坡度；j為平均水面坡降，j=(j1+j2)/2，任一斷面的水面坡降j=v2/(C2·R)=n2·Q2/(w2·R4/3)。

設(shè)計洪水情況下的水面曲線計算過程見表1。

表1 設(shè)計流量下溢流壩水面曲線計算結(jié)果表

設(shè)計情況下，當(dāng)陡坡段水深為1.87 m時，表中水面線長度為8.44 m，即說明陡坡段水平長度為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，故需要考慮摻氣增加的水深，陡坡側(cè)墻高度可按計算的水深加摻氣水深和安全超高之和計算。計算得摻氣水深為0.24 m。

4)陡坡邊墻高度設(shè)計

根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289-2003)，陡坡段邊墻高度應(yīng)按設(shè)計流量計算，高出水面線0.50 m。通過以上水力計算可知，陡坡各控制斷面的水深，據(jù)此進(jìn)行陡坡邊墻高度的設(shè)計。

5)確定側(cè)墻高度

側(cè)墻高度按下式計算：

H=h+hq+δ

式中：H為側(cè)墻高度；h為不摻氣時的水深；hq為摻氣水深；δ為安全超高，一般取值0.5 m～0.7 m。校核情況下不計。

設(shè)計情況下，泄槽末端側(cè)墻高：Ha=1.87+0.50+0.24=2.61 m。

為了使水流平緩進(jìn)入下游，溢流壩下設(shè)消力池消能。

2.2.4 消力池設(shè)計

陡坡段出口連接消力池消能。

消力池長度：LK=(3～5)h2。

消力池寬度：消力池寬度與陡坡段同寬，即寬取19.50 m。

消力池深度：d0=1.1h2-h0

則h2=3.68 m；消力池長度按3.5h2計算，Lk=3.5×3.68=12.88 m，取13.50 m；消力池寬度b0=19.50 m；消力池深度d0=1.1×3.68-2.13=1.92 m，取2.0 m；消力池側(cè)墻高:池深+尾水渠側(cè)墻高=2.0+3.90=5.90 m；則消力池長13.50 m，寬19.50 m，深2.0 m，上部為30 cm厚C25鋼筋砼，下部為50 cm厚M7.5漿砌塊石。

2.2.5 沖沙閘

工程僅在灌溉用水時攔蓄水流，為防止溢流壩蓄水后產(chǎn)生淤積，設(shè)沖沙閘，剖面圖見圖3。沖沙閘布置于溢流壩左岸，沖沙閘孔口尺寸為1.5 m×1.5 m?？紤]到閘門工作時間較短，可利用開啟時間進(jìn)行檢修，因此只設(shè)工作閘門。沖沙閘閘墩采用C25混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，閘底板采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，閘底板高程為965.50 m，啟閉機(jī)平臺高程為970.50 m，胸墻采用板梁式結(jié)構(gòu)，板厚為50 cm，左、右岸邊墩厚為1.0 m。

圖3 沖沙閘剖面圖

沖沙閘門采用鑄鐵閘門，閘門型號為PGZ 1.5 m×1.5 m，啟閉機(jī)選用QLSD-10 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，閘門止水采用橡膠止水形式。

3 結(jié)語

溢流壩既是擋水建筑物又是泄水建筑物，側(cè)重面依據(jù)具體工程而定。老虎峁溝骨干壩加固工程在原有沖溝里新建溢流壩主要是為了下泄校核洪水量，攔蓄泥沙，故工程配套設(shè)施有沖沙閘、消力池。工程可保護(hù)已淤壩地9.01 hm2，即135.15畝，壩地利用率按80%計算，則可利用壩地108.12畝，壩地畝產(chǎn)按400 kg計算，糧食單價為2.0元/kg，故壩地畝產(chǎn)效益為800元，扣除每畝種植投入種子、化肥、農(nóng)藥的成本150元，每年可凈收入7.03萬元，按20 a種植期計算，累計種植效益為140.56萬元。通過加固滿足了當(dāng)?shù)氐膶嶋H發(fā)展需求，達(dá)到控制溝道下切侵蝕，保護(hù)村莊、基本農(nóng)田、交通公路，改善周圍生態(tài)環(huán)境的目的。