大羊泉淤地壩除險加固的必要性與設(shè)計淺析

白美華

（神池縣水利水保站，山西 神池 036100）

1 大羊泉淤地壩基本情況

1.1 大壩原設(shè)計情況

大羊泉淤地壩位于神池縣大羊泉村東，1998年建成投產(chǎn)。屬黃河水系。控制面積3.4 km2，壩型為均質(zhì)土壩，樞紐組成為大壩和放水建筑物“兩大件”，放水建筑物布置在大壩左岸，主要構(gòu)筑物包括臥管、涵洞和明渠。洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇設(shè)計，200年一遇校核，設(shè)計淤積年限15年；設(shè)計壩高17.4 m，壩頂高程1 594.9 m，溝底高程1 577.5 m，設(shè)計總庫容為51.6萬m3，設(shè)計攔泥庫容27萬m3，設(shè)計淤積壩高11.88 m，相應(yīng)高程為1 589.38 m，可淤地面積3.19 hm2。壩頂寬 4 m，壩頂長 90 m，上游壩坡坡比 1∶2，下游壩坡坡比1∶1.5。放水建筑物臥管斷面尺寸為0.5 m×0.5m，臺階高0.4 m，總高度24 m，放水孔每臺布置，孔徑為21 cm；涵洞長60 m，斷面為0.8 m×1.2 m，Q加＝0.48 m3/s。

該壩壩址下游3.5 km處主溝內(nèi)有陳家窯骨干淤地壩，形成壩系。陳家窯壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計，200年一遇校核，壩下游有小大線鄉(xiāng)道和人畜飲水井。

1.2 大壩現(xiàn)狀情況

經(jīng)實地勘測，大壩下游溝底高程為1 569.08 m，臥管頂高程1 595.55 m，第一放水孔高程為1 571.55 m，現(xiàn)有壩高為17.4 m，現(xiàn)淤面高程1 581.58 m（未達(dá)到淤積壩高1 589.38 m），現(xiàn)淤積庫容為2.73萬m3，壩頂高程為1 594.9 m，淤面至壩頂高13.32 m。壩頂平均寬度4 m，壩頂有交通要求，上游壩坡平均坡比1∶2，下游壩坡平均坡比1∶1.5。該壩放水建筑物臥管與輸水涵洞完好。

2 除險加固必要性分析

經(jīng)現(xiàn)狀分析大羊泉淤地壩樞紐組成為壩體和臥管涵洞“兩大件”，與下游主溝陳家窯淤地壩形成壩系，且沒有泄洪設(shè)施，抗洪泄洪能力不足，不滿足水利部《關(guān)于進(jìn)一步加強淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運行的若干意見》（水保〔2010〕455號）的要求。

該壩缺少日常管護(hù)，邊坡及壩坡有沖溝，影響工程安全運行，潰壩后會對下游人民生命財產(chǎn)安全造成較大的危害，根據(jù)《水土保持工程技術(shù)規(guī)范》（GB51018—2014）中“失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的淤地壩工程2級、3級主要永久性水工建筑物，經(jīng)過論證，可提高一級”的要求，急需增加泄洪設(shè)施及維修壩坡和邊坡沖溝，進(jìn)行除險加固，消除安全隱患。

3 大壩除險加固方案

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

3.1.1 設(shè)計暴雨量

設(shè)計暴雨量采用以下公式計算：

式中：H24p——頻率為P的24 h暴雨量，mm；

Kp——頻率為P的皮III型曲線模比系數(shù)；

H24——最大24 h暴雨均值。

查省《規(guī)范》得：H24=60 mm，又由Cv=0.58，Cs=3.5Cv，由此查得：P=5%時，Kp=2.16，P=0.5%時，Kp=3.51，則：H24，5%=2.16×60=129.6 （mm）H24，0.5%=3.51×60=210.6（mm）

3.1.2 設(shè)計洪峰流量

設(shè)計洪峰流量采用以下公式計算：

式中：Qp——頻率為P的洪峰流量，m3/s；

C1——洪峰地理參數(shù)；

F——產(chǎn)流面積，km2。

因壩控區(qū)間為黃土丘陵溝壑區(qū)，查晉Q834～85《規(guī)范》表得：C1=0.17，控制面積：F=3.4 km2，則：Q5%=0.17×129.6×3.42/3=49.82 m3/s；Q0.5%=0.17×210.6×3.42/3=80.95 m3/s。

3.1.3 設(shè)計洪水總量

設(shè)計洪水總量采用以下公式計算：

式中：Wp——頻率為P的洪水總量，萬m3；

K——小面積洪水折減系數(shù)；

Rp——設(shè)計暴雨的一次洪水模數(shù)，萬m3/km2。

查晉 Q834～85《規(guī)范》附表得：K=1，當(dāng)P=5%時，Rp=4.07，P=0.5%時，Rp=10.8，控制面積：F=3.4 km2，則：W5%=1×4.07×3.4=13.838萬m3；W0.5%=1×10.8×3.4=36.72 萬 m3。

3.1.4 調(diào)洪演算

（1）粗調(diào)

粗調(diào)計算采用以下公式：

假設(shè)溢洪道地板高程為1 590.47 m，溢洪道以下為淤積庫容，淤積庫容為33.29萬m3。起調(diào)水位相應(yīng)的壩高為12.97 m，粗調(diào)結(jié)果見表1。

表1 調(diào)洪演算結(jié)果表

經(jīng)過調(diào)洪演算，選用溢洪道底高程1 590.47，底寬B=5.0 m。

（2）詳調(diào)

根據(jù)某一時段內(nèi)進(jìn)庫水量與出庫水量之差，求得該時段內(nèi)庫水量增減的變化過程，采用基本公式如下：

詳調(diào)結(jié)果見表2。

查原設(shè)計壩高～庫容曲線，已淤積庫容為2.73萬m3，現(xiàn)狀剩余攔泥庫容為30.56萬m3。調(diào)洪演算總庫容為51.60萬m3，與原設(shè)計51.6萬m3相近，說明假定的攔泥庫容33.29萬m3可行，現(xiàn)有壩高17.4 m，滿足設(shè)計要求，故壩體不需要加高。

表2 調(diào)洪演算結(jié)果表

3.2 壩坡復(fù)核

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB51018-2014），對于碾壓壩不同壩高應(yīng)分別采取不同的上下游坡比，設(shè)計如表3所示。

表3 碾壓壩不同壩高

現(xiàn)狀壩上游壩坡平均坡比1∶2，下游壩坡平均坡比 1∶1.5，滿足規(guī)范要求。

3.3 除險加固方案

經(jīng)過上述分析，該壩壩體滿足設(shè)計要求，不需加高；上下游壩坡滿足規(guī)范要求。為滿足抗洪泄洪要求，本次除險加固只增設(shè)溢洪道泄洪建筑物。

4 除險加固初步設(shè)計

本次除險加固后樞紐組成為大壩、放水建筑物、溢洪道“三大件”，放水建筑物為臥管式、布置在大壩左岸，主要構(gòu)筑物包括臥管、涵洞和明渠；增設(shè)溢洪道為寬頂堰陡坡式，布置在大壩右岸。

4.1 溢洪道設(shè)計

據(jù)實地勘察計算，溢洪道布置在大壩的右岸，采用開敞式，總長度127.92 m，最大下泄量36.5 m3/s，由進(jìn)口段，泄槽，消能設(shè)施三部分組成。

4.2 溢洪道斷面及結(jié)構(gòu)尺寸

4.2.1 引水渠

引水渠采用土質(zhì)梯形斷面，邊坡比為1∶1，底高程為1 590.47m，最大泄洪水深2.87m，引水渠長度26 m，底寬為5m，下泄流量為36.50m3/s，墻高為水深加0.5m的安全超高，墻高取3.4 m。

4.2.2 漸變段

漸變段為扭面，與溢流堰側(cè)墻用縫分開。采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，水深2.87 m，墻高為水深加0.5 m安全超高，墻高取3.4 m，進(jìn)出口底寬為5 m，漸變段長度按下式計算：

式中：H——堰上最大溢流水深，取2.87 m，L≥2H=2×2.87=5.74 m，根據(jù)地形條件取漸變段長度為6 m。

4.2.3 溢流堰

壩頂有交通要求，本次溢流堰采用寬頂堰箱涵結(jié)構(gòu)，根據(jù)《規(guī)范》取堰上水深的3～6倍，由此計算溢流長度為：

L溢=（3～6）×2.87=8.61 ～17.22 m。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況確定溢流堰長取10 m。

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，溢流堰寬5 m，墻高為水深加0.5 m安全超高，取3.4 m。底板高程為1 590.47 m，消力池底板高程為1 567.3 m，跌差為23.17 m，底坡比選用1∶3.32，則水平長度為76.92 m，斜長為80.34 m。

4.2.4 泄槽

泄槽為矩形斷面，水平長度76.92m，斜長80.34m，底坡1∶3.32，過水底寬5 m，兩側(cè)翼墻采用懸臂式擋土墻形式，墻頂寬0.4 m，墻踵根部高0.3 m，懸挑長0.5 m，墻踵側(cè)加腋，腋寬0.3 m，高0.3 m，墻趾根部高0.3 m，懸挑長0.5 m，進(jìn)口側(cè)墻高1.9 m，10 m處側(cè)墻高0.9 m，出口側(cè)墻高0.8 m。

4.2.5 消力池

消力池為矩形斷面，長9 m，寬5 m，厚0.4 m，側(cè)墻凈高3.7 m，墻頂寬0.4 m，側(cè)墻墻踵懸挑長各為0.5 m，高0.4 m，背坡家腋尺寸為0.3×0.3 m。在進(jìn)口設(shè)置一道齒墻，齒墻寬0.5 m，埋深1 m，消力池出口擋墻高2.5m，底部設(shè)置一道齒墻，齒墻寬0.5 m，埋深1 m。消力池底板設(shè)置排水孔，孔排距均為2 m，呈梅花型布置，消力池下鋪設(shè)0.3 m反濾層，反濾層自上而下由卵石、碎石、砂層層鋪筑。

5 結(jié)語

通過對大羊泉淤地壩的除險加固，提高了原工程的防洪能力，有效控制了區(qū)域水土流失，保障了下游水利工程及交通設(shè)施安全，改善了人民群眾生產(chǎn)生活條件。病險淤地壩除險加固工作要最大限度發(fā)揮好技術(shù)優(yōu)勢，使得除險加固方案在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，確保質(zhì)量和加固成效，促進(jìn)淤地壩的可持續(xù)利用和發(fā)展。對當(dāng)前開展的淤地壩病險壩除險加固工作具有借鑒意義。