淤地坝坝面过水试验研究

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1、淤地坝坝面过水试验研究崔亦昊谢定松杨凯虹中国水利水电科学研究院，北京，100044摘要：在大量调查研究的基础上，提出了应用土工膜衬护、直接在淤地坝坝面开设溢洪道的坝面过水技术方案，并以宋家沟试验淤地坝为依托工程，进行了现场大型试验。试验研究了平底式与阶梯式两种过水方案。试验结果表明：同样条件下，平底式末端最高流速达10.7m/s，而阶梯式则为3.1m/s，说明阶梯式具有明显的消能作用；在上述流速下，两种方案的结构整体稳定，说明土工膜的铺设结构形式与固定方法是合适的；从耐磨抗冲刷性能看，1mm厚的HDPE土工膜具有较高的抗泥沙的耐磨性，而0.6mm厚土工膜抗碎石的耐磨性较差，表明土工膜的厚

2、度太薄；从施工难度、土工膜用量和成本等来比较，平底方案具有较大的优越性。两种结构型式土工膜衬护衬护的溢洪道稍加完善，均可在中小型淤地坝工程中试验应用，而平底衬护型式更为适宜。关键词：淤地坝；坝面过水；溢洪道；土工膜；过水土坝1前言淤地坝是黄土高原地区一种行之有效的水土保持工程措施，同时具有“淤地造田，提高粮食产量”、“合理利用水资源，解决人畜饮水”等多方面的作用和效益，上个世纪，在国家资助下，黄土高原、特别是多沙粗沙地区兴建了大量的淤地坝。但是，当前淤地坝建设中一个重要的问题就是淤地坝的安全度汛问题。首先，根据对现有淤地坝工程调查和统计情况来看，大多数淤地坝工程无溢洪道，有的虽有溢洪道，

3、但泄洪能力不足，淤地坝自身安全得不到保障；许多已建坝库淤积迅速，使滞洪库容大减，有的已经淤满，丧失了防洪能力；其次，大多数淤地坝工程当地地质地形条件差，开设溢洪道困难，修建淤地坝的地区一般沟狭坡陡、上覆土层深厚，加之此类地区洪水一般峰高、量小，如开设很大的岸边溢洪道，则工程量和投资很大，地方上难以承受；此外，该类地区多数沟道没有岩石出露，缺乏修筑溢洪道的必要当地材料。因此，大多数淤地坝工程未设安全泄洪设施，俗称为“闷葫芦”，对淤地坝的安全极为不利。为保证淤地坝的安全，考虑到中小型淤地坝工程投资有限，绝大多数淤地坝均为土坝，非常有必要开发一种简易而较为安全的泄洪技术如坝面过水技术。土石坝坝

4、面过水技术的实质就是修建泄洪与挡水建筑物结合起来的过水土坝，我国是世界上最早开始兴建过水土坝的国家之一。但由于对过水土坝安全性的担忧，土坝坝面过水技术一直未能大量推广应用。从我国及世界各国已经兴建的过水土坝工程实例来看，有以下几个特点：土坝坝面过水有全断面过水和局部过水两种形式，以局部过水为多数；坝面防护材料有钢筋混凝土、素混凝土、铅丝石笼、沥青混凝土、沥青浆砌石、灰土、生物植被护面等；过水横断面有梯形和矩形等形式，纵断面有平底式和阶梯式等型式；已建过水土坝以坝高20m以下的居多，少数坝高超过20m520，单宽流量一般为10m3/s-m以内，最大流速大多不超过10m/s。1981～198

5、6年，美国垦务局USBR(BureauofReclamation)利用CottonwoodDam5＃坝完成了一项柔性衬砌（土工膜）非常溢洪道试验，比较成功。受该试验研究成果启发，拟在淤地坝工程中借鉴该成果，研究在淤地坝坝面开设溢洪道、利用土工膜进行衬护的坝面过水技术。为此，利用中国水利水电科学研究院投资兴建的宋家沟淤地坝试验示范工程现场条件，开展了本项试验。2试验方案与准备2.1试验基本条件现场试验利用宋家沟淤地坝库内土坡修建土工膜衬护的试验溢洪道。试验溢洪道断面为梯形，底宽0.5m，深0.5m，边坡坡比为1∶1.5；首末端垂直高差13.9m，49.2m长，底坡为1∶3.4。基土的性质见

6、表1。表1土料指标比重黏粒含量（%）粉粒含量（%）砂粒含量（%）液限（%）2.71~2.7320~2230~6019~5026.0~27.8塑限(%)塑性指数（%）崩解速度/min渗透系数/cm/s土的分类[1]14.0~15.011.5~12.82110-5CLY，低液限黏土（黄土）试验水源为根据现场地形条件修建的一个尽可能大的蓄水池，长和宽均为10m左右，深1.7m。蓄水池与试验溢洪道连接侧设闸门以控制泄水。蓄水池由两台水泵（50m3/hr、50m扬程）持续供水。由于供水能力有限，试验前先向蓄水池充满水，试验中两台水泵继续供水，水池内水面降至闸门底部时，关闭闸门，暂停试验；待水池内充

7、水至预定水深时，再次开启闸门，继续试验。试验方案共两种，方案1为纵向平底式，试验方案2采用为阶梯式底部，以下分别简称为平底方案和阶梯方案。衬护土工膜也为两种，平底方案采用1.0mm的HDPE聚乙烯土工膜，阶梯方案采用0.6mm的HDPE聚乙烯土工膜，其物理指标见表2。表2HDPE土工膜性能指标表指标方向1.0mm土工膜0.6mm土工膜拉伸强度（MPa）纵向22.020.8横向19.021.2伸长度（％）纵向792786.5横向805