黄谷地中型拦沙坝大坝建设方案探析

刘碧尧

(佳县水利工作服务中心， 陕西 榆林 719299)

1 工程概况

规划的黄谷地拦沙坝位于陕西省佳县刘国具镇，坝址所在沟道为秃尾河流域一级支沟盐沟，坝控流域面积3.36 km2，河长2.92 km，平均比降18.8‰。属黄土丘陵沟壑区，多年平均侵蚀模数为1.8万t/(km2·a)。项目区属温带半干旱大陆性季风气候，年平均降水量402 mm，由于秃尾河内植被较差，河槽调蓄能力较弱，故洪水一般来势猛，历时短，具有暴涨暴落，峰高量小，峰型尖瘦，含沙量大等特点[1]。根据调查计算，坝控流域年输沙量为4.48万m3，20 a一遇洪水为89.0 m3/s。

2 地质工况分析

2.1 沟道工程情况

黄谷地拦沙坝工程上游0.8 km有白家下洼1#坝，工程等级为Ⅴ等，设计洪水标准为20 a一遇，校核标准为50 a一遇，该坝目前已淤满，黄谷地拦沙坝控制流域面积按包括上游淤地坝计算，确定为3.36 km2。

黄谷地拦沙坝下游1.2 km有杜家圪崂坝，该工程为20世纪60～70年代建成，坝顶高程928 m，比黄谷地拦沙坝坝底高程低2 m，工程等级为Ⅴ等，设计洪水标准为20 a一遇，校核标准为50 a一遇，该坝目前已经淤满耕种，后期建议对该坝进行除险加固，新建溢洪道，保证安全通过黄谷地下泄流量及区间洪水。

2.2 工程地质

工程区位于元古界吕梁期片岩、大理岩和古生界海相地层，为不活动或弱活动区。区内新老地层产状都较平缓，总体走向近SN，倾向W，倾角一般小于5°，构造简单，无大的活动断裂分布，属相对稳定的上升快体区。工程区地震动峰值加速度为a=0.05 g，地震动反应谱特征周期T=0.35 s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

2.3 岸坡稳定分析

库区岸坡分为黄土岸坡和基岩岸坡。库区黄土岸坡坡高40～100 m，大部分呈上缓下陡的边坡形态，上部缓坡坡度一般25°～35°，边坡稳定，下部陡坡坡度一般60°～80°，局部呈直立岸坡，稳定性较差，后期水库蓄水预计会产生一定规模的塌岸破坏，对拦沙坝影响不大。黄土岸坡段发育的2处 滑坡，现状基本稳定，后期拦沙坝淤积会进一步提高其稳定性，对拦沙坝安全运行基本无影响。

坝址左右岸高程960 m以下为岩质边坡，坡高约25 m，现状坡度约80°，近于直立。边坡岩体产状平缓，微倾向左岸坡里，边坡稳定性好。高程1080 m以上为黄土边坡，其中左岸总体坡高约35 m，现状坡度约50°～70°，右岸总体坡高约30 m，现状坡度约45°～75°。两岸边坡黄土垂直节理发育，分布有小型冲沟，整体边坡地形较破碎，左岸无滑坡或滑塌体发育，整体边坡基本稳定。右岸崩塌体发育，建议施工时清除 。

3 大坝设计

黄谷地拦沙坝枢纽工程由土坝、放水工程、泄洪工程三大件组成。依据《淤地坝技术规范》(SL/T 804—2020)和项目区条件[2]，设计大坝为均质土坝，本工程属中型拦沙坝，设计洪水重现期为20 a，校核洪水重现期为200 a，设计淤积年限为15 a。

3.1 坝址位置合理性分析

土坝坝轴线垂直沟道布设，坝顶长109 m，坝顶宽5 m，沟底高程为930 m，坝顶高程为967 m，最大坝高为37 m。上游坝坡1∶2.75，下游坝坡1∶2.50。下游坡脚设置棱式反滤体，高4 m，外坡比1∶1.50，内坡比1∶1.00。在岸坡布设纵向排水沟，总长218 m。

坝址避开了较大弯道、滑坡体、洞穴等，坝肩没有冲沟；坝址处沟道顺直，沟谷相对较窄，无跌水、泉眼、断层、滑坡体、洞穴等，筑坝工程量较小；坝址处两岸地质条件较好，适宜修建放水建筑物及溢洪道；坝址附近筑坝土料丰富，储量能够满足工程建设需要,下游无居民点、学校、工矿、交通等重要设施。

3.2 坝高确定

坝高由拦泥坝高、滞洪坝高、安全超高三部分组成[3]，即式(1)：

H=HL+HZ+H安

(1)

式中：H为总坝高，m；HL为拦泥坝高，m；HZ为滞洪坝高，m；H安为安全超高，m。

本次设计淤积年限按15 a设计，拦泥库容VL=67.20万m3，查水位～库容～面积曲线，拦泥坝高HL=31.27 m，设计拦泥高程为961.27 m。滞洪库容VZ=26.31万m3，查水位～库容～面积关系曲线得，滞洪坝高HZ=3.87 m，滞洪高程为965.14 m。按照规范SL/T 804—2020的有关规定，安全超高ΔH=1.86 m。 则坝高H=HL+HZ+ΔH=37 m。

相应的坝顶高程为967 m。碾压坝的沉降量取坝高的1%～3%。本工程坝体沉降量取坝高的2%，即37 m×2%=0.74 m。

3.3 坝体设计

该坝为均质土坝，坝高37 m，按照规范SL/T 804—2020的要求，坝顶宽度取5 m，坝顶高程967 m，坝顶长109 m。上游坝坡坡比为1∶2.75，下游坝坡坡比均为1∶2.50，下游坝坡每隔10 m高差布设一条宽1 m的马道。

为防止坝坡冲刷，下游岸坡与坝坡结合处分别布设C25混凝土排水沟，排水沟断面尺寸0.3 m×0.3 m，衬砌厚0.1 m，布设长度218.0 m。坝体上游坝坡及下游反滤体以上坝坡设置植草护坡，撒播种草1.48 hm2，草种选择紫花苜蓿，播种量为50 kg/hm2。

3.4 坝体防渗处理

为了防止后续大坝出现渗水，在大坝建设中，对坝坡坡角线加宽60～80 cm范围内进行0.5 m厚的清基。坝体与岸坡结合应采用斜坡平顺连接，岸坡整修成正坡，土坡不陡于1∶1.00，岩石岸坡不陡于1∶0.50。在坝体分段填筑中，为避免形成漏水的软弱通道，分段接头层与层之间应错开一定距离，同时分段条带应与坝轴线平行布置，各分段之间不应形成过大的高差。施工中若出现接缝必须认真处理，不能出现纵向接缝。对于坝身填土与构筑物的连接部分，采用小型机械或人工精心填筑夯实，夯实厚度不小于1.0 m。填土碾压时，要注意构筑物两侧均衡填料压实，以免对其产生过大的侧向压力，影响其安全。为保证坝体与基础紧密结合，坝体与沟底及岸坡结合处应布置结合槽或齿墙。土体部分采用结合槽，沿坝轴线和上下游距坝轴线1/3坝宽处各布设一道，结合槽断面为底宽1 m的梯形，深1 m，边坡1∶1.00。岩石坝基及岸坡，设置结合齿墙，齿墙底宽1.0 m，高度1.5 m。沿坝轴线和上、下游距坝轴线1/3坝宽处各布设一道，防渗齿墙延伸到土质与基岩基础交接处。

4 安全性分析

4.1 渗流分析

为了解坝体及坝基在稳定渗流期的渗漏量及渗透稳定性情况，选取最大断面进行渗流计算。各类岩土渗透系数详见表1。

表1 坝体填土及坝基透系数

根据规范SL/T 804—2020及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)，并结合本工程特点，渗流计算工况如下：

工况一：正常运用条件下，坝前无淤积，来一次设计洪水，上游水深19.47 m，下游无水时。

工况二：正常运用条件下，坝前淤积厚度27.93 m，来一次设计洪水水位与溢洪道底坎齐平，上游水深3.34 m，下游无水时。

工况三：非常运用条件Ⅰ，坝前无淤积，来一次校核洪水，上游水深26.62 m，下游无水时。

工况四：非常运用条件Ⅰ，坝前淤积厚度21.75 m，来一次校核洪水水位与溢洪道底坎齐平，上游水深9.52 m，下游无水时。

计算模型水力边界类型主要有已知水头边界、出逸边界两种：(1)已知水头边界包括坝体上下游水位淹没线以下的定水头边界。(2)下游坝坡地下水位高程以上为出逸边界[4]。

水库大坝渗流计算按照规范SL/T 804—2020相关的计算原理和有关规定，采用南京水利水电科学研究院编制的《二维渗流有限元计算程序UNSST2》进行计算。各工况最大渗透坡降及溢出点高度见表2。

表2 坝体渗流计算结果

由上表计算结果知，在各工况下渗透比降小于允许渗透比降，出逸点高程稍高，坝体和坝基均不会因为渗流而影响其稳定性。

根据以上渗流分析，为了增加下游坝坡的稳定性，同时排泄地基及坝体渗透水流，降低浸润线，防止渗透水流将坝身及基础的小颗粒带走，在下游坝坡趾部设置棱式排水体。结合坝坡渗流计算结果，确定拦沙坝反滤体高度取4 m，长26 m。反滤体砂层厚0.2 m，砾石层厚0.3 m，顶宽2.0 m。

4.2 坝坡稳定计算

依据规范SL/T 804—2020，采用简化毕肖普法对该拦沙坝进行稳定计算。如式(2)：

(2)

式中：K为抗滑稳定安全系数；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；W为土条重力，kN；V为垂直地震惯性力(向上为负，向下为正),kN；μ为作用于土条底面的空隙压力,kPa；b为土条宽度,m；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m；R为圆弧半径,m。

计算稳定渗流期坝坡稳定时，假定上游坝体内浸润线与上游水位相同；坝体内浸润线依据渗流计算成果确定。根据《技术规范》，坝体允许抗滑稳定安全系数按照正常运用条件、非常运用条件Ⅰ和非常运用条件Ⅱ应分别采用1.25、1.15、1.10。

坝坡抗滑稳定应计算以下工况：

(1)正常运用条件。 工况一：正常运用条件下，坝前无淤积，来一次设计洪水，上游水深19.47 m，下游无水时； 工况二：正常运用条件下，坝前淤积厚度27.93 m，来一次设计洪水水位与溢洪道底坎齐平，上游水深3.34 m，下游无水时。

(2)非常运用条件Ⅰ。 工况三：非常运用条件Ⅰ，坝前无淤积，来一次校核洪水，上游水深26.62 m，下游无水时； 工况四：非常运用条件Ⅰ，坝前淤积厚度21.75 m，来一次校核洪水水位与溢洪道底坎齐平，上游水深9.52 m，下游无水时。

(3)非常运用条件Ⅱ。 本拦沙坝工程所在地区地震基本烈度为Ⅵ度，稳定计算不考虑地震工况。

根据地勘报告，土体力学参数参见表3。 各工况上下游坝坡稳定计算最小安全系数成果见表4。

表3 土料击实后物理力学性质建议值

表4 坝坡稳定计算结果

从计算结果可见，工况二、工况四坝前淤积阻止上游坝坡滑面向上游滑动，上游坝坡安全系数大大提高，坝前淤积对上游坝坡稳定有利。4种工况上下游坝坡稳定安全系数均满足规范要求，采用1∶2.75、1∶2.50上下游坝坡稳定安全性是可靠的。

5 结 语

通过分析可知，黄谷地大型拦沙坝设置于佳县复胜湾村位置科学合理，坝体为均质土坝，坝顶长109 m，宽5 m，最大坝高为37 m。上游坝坡1∶2.75，下游坝坡1∶2.50。整个大坝建设方案科学合理，安全稳定，可以建设。工程建成后，可控制200 a一遇的洪水，使坝控范围内的洪水泥沙得到有效拦蓄和调节，充分利用水沙资源建设高产稳产坝地，对改善当地的生态环境和农民的生产生活条件，助力乡村振兴工作意义重大。为工程建设提供了科学依据。