云 杰，楊 波

（榆林市淤地壩建設(shè)辦公室，陜西 榆林 719000）

1 概況

某攔沙壩庫區(qū)位于黃河一級支流無定河流域內(nèi)的黃河三級支溝(墩溝)上。庫尾回水長度約1.5 km，整個庫區(qū)屬侵蝕剝蝕型低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢總體呈南高北低。該支溝為季節(jié)性流水溝，庫區(qū)內(nèi)流向近南西向，河床縱比降約為15.9‰。流域面積48.11km2，水土流失面積47.6km2。流域多年平均降水量394.6mm、徑流深60 mm。該攔沙壩是流域中一座控制性中壩，壩高18.0 m，建筑物由壩體、放水工程和溢洪道三大件組成。該攔沙壩控制流域面積2.15 km2，匯流溝道長2.21 km，總庫容51.99萬m3，攔泥庫容31.85萬m3。洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計，300年校核，設(shè)計淤積年限為20年，可淤成壩地9.65 hm2，現(xiàn)已運行18年，淤地8 hm2。為了研究該攔沙壩的安全性和攔泥情況，現(xiàn)需對該攔沙壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以保障其安全運行。

2 地質(zhì)分析

該攔沙壩所處流域為黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)溝坡縱橫。庫區(qū)岸坡一般約20°～40°，局部較陡。壩址區(qū)高程1045 m～1140 m，河谷為“U”形谷，谷底寬約50 m左右，河床底寬25 m～40 m，較平緩。岸坡較陡，左岸坡坡度一般為40°～47°；右岸坡坡度為15°～50°，下陡上緩。壩址區(qū)未見泉水出露，地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，賦存于沖洪積砂礫石、殘坡積碎石土、及砂巖裂隙中。主要接收大氣降水補給，直接排泄于溝谷。

據(jù)坑槽探及物探剖面揭露，壩址河床覆蓋層厚度一般為1 m～5 m，巖性為砂壤土、砂礫石；左岸坡腳坡積物厚度0～6 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土，可見少量碎石土，左壩肩為黃土狀土，坡度約50°，厚度一般為2 m～10 m；右岸坡積物厚度2 m～11 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土。根據(jù)現(xiàn)場滲水試驗及室內(nèi)試驗，人工於積砂壤土滲透系數(shù)為3×10-4cm/s～8×10-4cm/s，底部土夾碎石、礫石滲透系數(shù)為1×10-2～1×10-3cm/s。由于砂泥巖地層風(fēng)化的差異性，砂巖強風(fēng)化帶厚度約為1 m～3 m，泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化帶厚度約為3 m～5 m，防滲水性好。庫區(qū)地震動峰值加速度為0.1 g，基本烈度為Ⅵ度。

3 防洪能力分析

3.1 基本情況

該攔沙壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為1019.00m，壩頂長116 m，高18 m。上游壩坡1∶2，下游壩坡在壩高10 m處設(shè)有馬道，寬1.5 m。馬道以下坡比1∶1.5，以上坡比1∶1.25，鋪底寬68.50 m。為增加壩體的穩(wěn)定性，防止?jié)B流，在壩軸線處布設(shè)有結(jié)合槽，斷面為梯形，底寬2.0 m，深2.0 m，邊坡1∶1。壩在下游壩坡與兩岸坡腳銜接處及馬道上修建漿砌石排水溝，斷面為0.3 m×0.3 m，底板厚0.3 m，側(cè)墻厚0.3 m，其結(jié)構(gòu)為M7.5漿砌石砌筑，M10砂漿勾縫。大壩建設(shè)時采用了機械回填碾壓法進(jìn)行了填筑。

3.2 庫容分析

該攔沙壩分滯洪庫容和淤積庫容。采用《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》[1]中公式計算庫容:

式中:Ws為多年平均懸移質(zhì)輸沙量，萬m3；Mo為侵蝕模數(shù)萬t/（km2·a），查得Mo=1.0 萬 t/（km2·a）；F為壩控流域面積，km2，F(xiàn)=2.15 km2；r為泥沙容重，取 1.35 t/m3；N為淤積年限，年。

經(jīng)計算，其20年運行淤積庫容為31.85萬m3。

要算滯洪庫容，先算溢洪情況，溢洪道采用矩形斷面的寬頂堰，計算下泄流量。查《黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項目可行性研究水文成果報告》得:Q3.3%=73 m3/s，W3.3%=12.64萬m3；Q0.33%=128 m3/s，W0.33%=27.95 萬 m3。

初步選定溢洪道斷面尺寸進(jìn)行調(diào)洪計算，步驟如下:

（1）由公式Q泄=Q校（1-V滯/W校），先假設(shè)V滯可求得Q泄值。

（2）由V總=V滯+V淤，根據(jù)水位庫容曲線由V總查得H總。則h滯=H總-h淤；

（3）將Q泄、h滯代入公式；可求得溢洪道堰寬B。

設(shè)計洪水和校核洪水條件下的調(diào)洪計算數(shù)值選取及計算結(jié)果分別見表1、表2。

表1 設(shè)計洪水條件下溢洪道調(diào)洪計算表

表2 校核洪水情況下溢洪道調(diào)洪計算表

由以上調(diào)洪計算結(jié)果，確定溢洪道底寬5.0 m，在設(shè)計洪水條件下，泄流量為13.8 m3/s，滯洪水深h滯=1.5 m，滯洪庫容10.26萬m3；在校核洪水條件下，泄流量為35.8 m3/s，滯洪水深h滯=2.86 m，滯洪庫容20.14萬m3。

3.3 暴雨洪水計算

溝道最大洪水采用水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水保技術(shù)規(guī)范中的推理公式:

式中:Qp為設(shè)計頻率為P的最大洪峰流量，m3/s；h為凈雨深，mm，在全面匯流時代表相應(yīng)于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰對應(yīng)的面平均凈雨；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；m為匯流參數(shù)；J為沿程L的平均比降（以小數(shù)計）。

由于子洲處于陜蒙接壤地區(qū)，項目區(qū)屬陜北分區(qū)（Ⅰ區(qū)），該區(qū)域具有暴雨強度大、歷時短，洪水陡漲暴落、洪峰尖瘦等特點，屬典型的“超滲產(chǎn)流”，因此采用“暴雨推求設(shè)計洪水”方法進(jìn)行推流。公式為:

式中:m為匯流參數(shù)；θ1為流域特征參數(shù)，θ1＝L/（JF）1/3；hR為凈雨量，mm，hR＞90 時采用 90。

查算出匯流參數(shù)m后，按式計算，計算并繪制Q～τ曲線，同時根據(jù)凈雨過程繪制Q～t曲線，兩條曲線的交點所對應(yīng)的縱坐標(biāo)120 m3/s 即為所求的洪峰流量Qp，橫坐標(biāo)0.6即為匯流歷時τ，見圖1。

圖1 攔沙壩Qm～τ和Qm～t曲線

根據(jù)降雨徑流關(guān)系，不同頻率洪水總量等于單位換算系數(shù)0.1乘上頻率為P的不同時段暴雨徑流深（凈雨深），再乘上壩址以上集水面積2.15 km2。不同頻率下的洪水計算情況見表3。

表3 不同頻率下的洪峰流量、洪水總量

3.4 輸沙量計算

根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范溝壑治理技術(shù)》[2]，年均輸沙量等于壩址以上集水面積2.15 km2乘上壩址所在區(qū)域多年平均侵蝕模數(shù)。根據(jù)項目區(qū)1954年～2007年系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖、試驗小流域水土流失測驗成果分析，該區(qū)域多年平均侵蝕模數(shù)0.74萬t/（km2·a）。經(jīng)計算，其年輸沙量為1.59萬m3/a，所以18年來，該壩已淤積泥沙28.64 萬 m3/a。

4 壩體穩(wěn)定分析

4.1 壩坡穩(wěn)定計算

考慮庫區(qū)淤積主要來自庫區(qū)殘坡積碎石土、風(fēng)積砂及黃土，因此壩前淤積參數(shù)取壩址區(qū)砂壤土、泥夾砂礫石、碎石指標(biāo)建議值的平均值。經(jīng)過實驗測算，壩體填土天然密度（濕密度）16.8 kN/m3，飽和密度19.8 kN/m3。壩前淤積天然密度（濕密度）14.5 kN/m3，飽和密度18.4 kN/m3。壩坡穩(wěn)定分析計算采用剛體極限平衡法，該攔砂壩為均質(zhì)土壩，危險滑面采用圓弧滑面進(jìn)行搜索。

計算穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定時，假定上游壩殼內(nèi)浸潤線與上游水位相同；壩體內(nèi)浸潤線依據(jù)滲流計算成果確定。根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范，壩體允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按照正常運用條件和非常運用條件應(yīng)分別采用1.25和1.15。壩坡穩(wěn)定分為兩種工況:工況一，正常運行條件下，上游設(shè)計洪水位1009.98 m高程、下游無水時的上下游壩坡；工況二，上游淤積高程1011.70 m，相應(yīng)上游水位1014.82 m、下游無水時的下游壩坡。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范，碾壓式土壩壩坡穩(wěn)定計算工況為:運用期下游壩坡穩(wěn)定。由于本工程壩址區(qū)地震烈度為VI度，可不進(jìn)行抗震穩(wěn)定驗算。

4.2 計算結(jié)果及分析

采用中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜編寫的“土石壩邊坡穩(wěn)定計算程序STAB2009”，該程序計算方法滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）的有關(guān)規(guī)定，符合《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289-2003）的要求。壩坡穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。某攔砂壩為均質(zhì)土壩，危險滑面采用圓弧滑面進(jìn)行搜索。計算穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定時，假定上游壩殼內(nèi)浸潤線與上游水位相同；壩體內(nèi)浸潤線依據(jù)滲流計算成果確定。

各工況上下游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為:工況一上游最小安全系數(shù)為1.881，下游最小安全系數(shù)為1.380，允許安全系數(shù)1.25。工況二下游最小安全系數(shù)為1.151，允許安全系數(shù)1.15。最危險滑弧分布見圖2、圖3。

圖2 正常運用條件下，上游設(shè)計洪水位1009.98 m高程、下游無水時的上下游壩坡最危險滑面分布圖

圖3 上游淤積高程1011.70 m，相應(yīng)上游水位1014.82 m、下游無水時的下游壩坡最危險滑面分布圖

由圖2、圖3可知，當(dāng)上游壩坡坡比1∶2，下游壩坡坡比1∶1.5時，各工況下的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于安全系數(shù)，在安全范圍內(nèi)，滿足安全規(guī)范要求。上游壩坡較下游壩坡緩且上游水壓力有抑制上游壩坡向下滑動的趨勢，因而上游穩(wěn)定安全系數(shù)較下游壩坡高。工況二壩前淤積厚度10.7 m，淤積阻止上游壩坡滑面向上游滑動，上游壩坡安全系數(shù)大大提高，因而此工況上游壩坡穩(wěn)定可不予計算；工況二上游水位較工況一上游水位升高4.72 m，壩體浸潤線進(jìn)一步抬高，因而下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較工況一有所減小，穩(wěn)定安全系數(shù)減小于1.151，基本滿足規(guī)范要求，該工況下游壩坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)該攔沙壩總庫容在50×104m3～100×104m3之間，洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計，經(jīng)綜合分析，該壩當(dāng)前安全穩(wěn)定，各項功能均滿足設(shè)計要求，能防御30年一遇洪水。

5 結(jié)語

某攔沙壩自建設(shè)以來，充分發(fā)揮了的攔沙淤地效益。分析攔沙壩運行以來的安全現(xiàn)狀，有利于發(fā)揮更好的效益和進(jìn)行除險加固，確保庫壩安全。經(jīng)過對大壩的防洪能力、攔沙狀況進(jìn)行分析，該攔沙壩安全可靠，仍可繼續(xù)發(fā)揮效益。因為其即將淤滿，所以要加強監(jiān)管，防微杜漸。