黃土高原地區(qū)病險淤地壩除險加固探討

王志堅(jiān)

(山西省水土保持項(xiàng)目管理中心，山西 太原 030002)

黃土高原地區(qū)病險淤地壩除險加固探討

王志堅(jiān)

(山西省水土保持項(xiàng)目管理中心，山西 太原 030002)

[關(guān)鍵詞]水土保持；淤地壩；除險加固；山西；黃土高原

[摘要]淤地壩是在黃土高原水土流失區(qū)各級溝道內(nèi)修建的控制溝道侵蝕的一項(xiàng)重要工程措施，具有悠久的建設(shè)歷史。但受投資規(guī)模的限制，加之過去普遍存在少花錢、多建壩、快攔泥、多淤地的思想，建成的淤地壩多為大壩和放水建筑物“兩大件”，沒有泄洪設(shè)施。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對防災(zāi)抗災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)工作提出了越來越高的要求，保障淤地壩安全運(yùn)用變得越來越有必要。為搞好淤地壩安全運(yùn)用，就病險淤地壩除險加固初步設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、溢洪道布設(shè)、壩系洪水組合、壩高和庫容等問題進(jìn)行了探討。

淤地壩是在黃土高原水土流失區(qū)各級溝道內(nèi)修建的控制溝道侵蝕、攔泥淤地、充分利用水沙資源、減少入黃泥沙、把荒溝變成良田、改善群眾生產(chǎn)生活條件、增加糧食產(chǎn)量的水土保持溝道治理工程，是治理千溝萬壑的一項(xiàng)重要工程措施，在黃土高原具有悠久的發(fā)展歷史。

1山西省淤地壩建設(shè)現(xiàn)狀

淤地壩建設(shè)在山西省已有400多年的歷史，早在明朝萬歷年間，汾西縣就有打壩造地的記載。新中國成立后，不少地方吸取前人經(jīng)驗(yàn)，廣泛開展了淤地壩建設(shè)，但大部分是小多成群，缺乏骨干性控制工程。真正大規(guī)模地建設(shè)淤地壩是20世紀(jì)80年代以后，黃委會在山西省持續(xù)實(shí)施了治溝骨干工程，山西省也在汾河水庫上游同步實(shí)施了“攔沙保庫，淤地壩先行”的治理項(xiàng)目。特別是自水利部把淤地壩作為三大“亮點(diǎn)”工程之一和山西省委、省政府把淤地壩作為六大“興水戰(zhàn)略”工程之一以來，山西省的淤地壩工程建設(shè)得到了長足發(fā)展，建成了一大批壩系工程。截至2014年底，山西省已在10市63縣建設(shè)中型以上淤地壩2 014座，其中骨干壩1 183座、中型壩831座。這些淤地壩的建成并投入使用，促進(jìn)了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)民脫貧致富，為退耕還林提供了保障，受到廣大群眾的歡迎，得到了各級領(lǐng)導(dǎo)的重視和充分肯定。

2中型以上病險淤地壩安全認(rèn)定情況

大量中型以上淤地壩和壩系工程建設(shè)，使淤地壩安全運(yùn)用狀況有了一定改善，但由于淤地壩數(shù)量大，多位于交通不便地方，沒有常設(shè)的管理機(jī)構(gòu)，加之受投資規(guī)模的限制，以及少花錢、多建壩、快攔泥、多淤地的思想影響，這些淤地壩工程大多為大壩和放水建筑物“兩大件”，沒有泄洪設(shè)施。特別是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對防災(zāi)抗災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)工作提出了越來越高的要求，保障淤地壩的安全運(yùn)用變得越來越有必要。為進(jìn)一步搞好淤地壩的安全運(yùn)用，2015年4月水利部下發(fā)了《關(guān)于開展中型以上病險淤地壩認(rèn)定和除險加固初步設(shè)計(jì)工作的通知》。按照《黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認(rèn)定暫行辦法》，經(jīng)核查，山西省中型以上病險淤地壩共有1 020座，涉及9市48縣，其中骨干壩729座、中型壩291座。在1 020座中型以上病險淤地壩中，急需除險加固的有863座，其中骨干壩628座、中型壩235座。在急需除險加固的863座病險壩中，大壩運(yùn)行正常，工程管護(hù)良好，但淤地壩為大壩和放水建筑物“兩大件”、無配套的泄洪建筑物，從安全角度考慮，需增設(shè)泄洪建筑物的有659座；壩體、放水建筑物、泄洪建筑物完整性發(fā)生變化或出現(xiàn)損毀，存在較嚴(yán)重安全隱患，須進(jìn)行除險加固的有204座。

3除險加固設(shè)計(jì)中有關(guān)問題探討

本次除險加固的病險淤地壩，既有支溝內(nèi)的單獨(dú)淤地壩工程，也有小流域壩系工程，如何科學(xué)合理地確定各壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)現(xiàn)有條件布設(shè)溢洪道，做好壩系洪水組合和調(diào)洪計(jì)算，充分利用已有工程的壩高和庫容，是除險加固設(shè)計(jì)中要研究和探討的重要課題。

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物級別來確定。以前山西省建設(shè)的淤地壩大多為“兩大件”，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上基本按單壩考慮。庫容在100萬m3以上的骨干壩，主要建筑物級別按一級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、300年一遇洪水校核；庫容在50萬～100萬m3的骨干壩，主要建筑物級別按二級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核；庫容在10萬～50萬m3的中型淤地壩，主要建筑物級別按三級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、50年一遇洪水校核。

本次對單獨(dú)支溝中建設(shè)的骨干壩，以及位于支溝最上游、下游有骨干壩的中型淤地壩，仍按上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險加固，它們符合有關(guān)規(guī)范和政策要求，可以保持原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對單獨(dú)支溝中建設(shè)的中型淤地壩，根據(jù)水利部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運(yùn)行的若干意見》(水?！?010〕455號)的要求，主要建筑物級別應(yīng)按二級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高到20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核。

對壩系工程中需要除險加固的中型以上病險淤地壩，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不僅應(yīng)符合上述原則，還應(yīng)考慮與其相關(guān)的淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從安全角度考慮，在壩系中如有部分骨干壩主要建筑物級別按一級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、300年一遇洪水校核，那么與其串聯(lián)的相關(guān)大中型淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。否則，一旦發(fā)生校核洪水，那么這些串聯(lián)在按一級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩之間的中型淤地壩及主要建筑物按二級設(shè)計(jì)的骨干壩，必將發(fā)生潰壩。對與此無關(guān)的骨干壩和中型淤地壩，其主要建筑物可以按二級設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核。

3.2溢洪道的布設(shè)

溢洪道通常布設(shè)在開挖量最小、地質(zhì)條件最好的有利地形上，進(jìn)、出口附近的壩坡和岸坡應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性。一般采用陡坡式溢洪道，溢流段采用矩形斷面；泄槽段采用矩形或梯形斷面，但不得布置在彎道上，底坡不要出現(xiàn)變坡；泄槽下泄流速超過6 m/s時，用混凝土襯砌底板；泄槽邊墻高度按設(shè)計(jì)洪水下泄流量計(jì)算，加上0.5 m安全超高，要滿足下泄校核洪水流量的要求。

山西省煤炭資源豐富，有部分淤地壩處于采空區(qū)，黃土覆蓋厚度不均一，部分病險淤地壩所在溝道黃土覆蓋較淺、溝底基巖裸露；有的淤地壩壩體兩岸坡度較陡，建設(shè)“兩大件”淤地壩條件尚可，但要增設(shè)溢洪道改建成“三大件”，挖方工程量很大。為此，從確保安全運(yùn)用、縮短高水位持續(xù)時間和減少工程量、降低工程投資角度考慮，對位于采空區(qū)的、溝道底部有基巖出露的、壩體兩岸岸坡較陡的病險淤地壩，應(yīng)修建深窄式溢洪道。當(dāng)壩體兩岸坡度較陡時，溢洪道布設(shè)時可適當(dāng)靠近壩肩，但必須確保溢洪道附近的壩坡和岸坡有足夠的穩(wěn)定性，并在靠近壩體一側(cè)采取可靠的防護(hù)措施。

3.3壩系洪水組合

壩系洪水組合既是壩系調(diào)洪計(jì)算的關(guān)鍵，也是確定工程規(guī)模、控制工程投資的重要依據(jù)。由于過去大中型淤地壩的建設(shè)思路是高壩大庫、庫容制勝，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水全攔全蓄，而樞紐組成多為“兩大件”，即使有個別骨干壩按“三大件”布設(shè)，其溢洪道設(shè)計(jì)也沒有按壩系全面考慮洪水組合及調(diào)洪計(jì)算。因此，目前在有關(guān)淤地壩和骨干壩的國標(biāo)、行標(biāo)和省標(biāo)中，沒有一個按壩系工程系統(tǒng)考慮處于不同位置的大中型淤地壩的洪水組合及調(diào)洪計(jì)算，只考慮了該工程上游有骨干工程時的洪水組合。

就除險加固而言，對壩系工程洪水組合可按兩種情況考慮。一是位于支溝上游，擬除險加固的骨干壩上游僅有中型淤地壩。由于中型淤地壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，因此該骨干壩除險加固設(shè)計(jì)時可不考慮上游中型淤地壩的洪水組合，按其上游總面積進(jìn)行單壩調(diào)洪計(jì)算。二是對位于除險加固骨干壩下游串聯(lián)的大中型淤地壩，特別是中型淤地壩，當(dāng)上游骨干壩泄洪后，下游串聯(lián)的大中型淤地壩的洪水組合就是區(qū)間洪量和上游淤地壩下泄洪量之和。因此，串聯(lián)的大中型淤地壩洪水組合均應(yīng)按區(qū)間洪量和上游各壩在同一時段的下泄洪量共同組合計(jì)算，這樣就不會出現(xiàn)因上游骨干壩泄洪而導(dǎo)致其下游中型淤地壩潰壩問題，最終形成較為穩(wěn)定的溝道壩系工程的梯級開發(fā)利用和溝道排洪體系。

3.4壩高和庫容

對新建淤地壩而言，壩高由攔泥壩高、滯洪壩高和安全超高三部分組成，其相應(yīng)的壩頂高程為校核洪水位加安全超高。對舊壩除險加固而言，由于現(xiàn)有壩高已定，因此根據(jù)壩高-庫容曲線，其總庫容也不應(yīng)發(fā)生變化。而滯洪壩高等于溢流堰堰上最大過水深度，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定的情況下，由此反推的攔泥壩高比原設(shè)計(jì)攔泥壩高要高，也就是說，除險加固后的攔泥庫容一般比原設(shè)計(jì)的攔泥庫容要大。

目前需要除險加固的大多數(shù)淤地壩的淤積高程尚未達(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程，一般不需要增加壩高，庫容也基本保持原有庫容。但因調(diào)洪計(jì)算時，必須先通過假設(shè)溢流堰底坎高程(即除險加固后的攔泥高程或溢洪道起調(diào)水位高程)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，直到假定的溢流堰底坎高程加上溢流堰堰上最大過水深度和安全超高，與原有壩頂高程相吻合為止，這一過程往往需要進(jìn)行幾次試算，且達(dá)到完全吻合的計(jì)算量也比較大，因此在進(jìn)行除險加固設(shè)計(jì)時，允許除險加固后庫容與原有庫容有少許誤差，通常這一誤差不超過5 000 m3,此時對安全超高的影響不會超過10 cm。

對現(xiàn)有淤積高程已超過設(shè)計(jì)淤積高程的淤地壩，可能存在以現(xiàn)有淤積高程作為溢流堰底坎高程進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，剩余庫容不滿足滯洪庫容要求的情況，需要對該壩進(jìn)行壩體加高，加高方案一般采取在上游現(xiàn)有淤面上加高壩體。

4結(jié)語

對黃土高原中型以上病險淤地壩統(tǒng)一進(jìn)行除險加固在全國尚屬首次。由于每座淤地壩存在的問題不一樣，壩址地形條件也千差萬別，在壩系中所處的位置也不相同，加之國標(biāo)、行標(biāo)和省標(biāo)中沒有規(guī)范和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)辦法，因此具體設(shè)計(jì)中還有許多問題需要研究探討，這就要求我們在實(shí)踐中不斷研究新情況、解決新問題、總結(jié)新經(jīng)驗(yàn)、探索好辦法，豐富和完善壩系工程建設(shè)理論，推動壩系建設(shè)規(guī)范的編制，指導(dǎo)病險淤地壩除險加固初步設(shè)計(jì)，為淤地壩安全運(yùn)用提供有力的技術(shù)支撐。

(責(zé)任編輯孫占鋒)

[中圖分類號]S157

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]C

[文章編號]1000-0941(2016)05-0014-03

[作者簡介]王志堅(jiān)(1963—)，男，山西臨猗縣人，教授級高級工程師，碩士，長期從事水土保持項(xiàng)目設(shè)計(jì)和管理工作。

[收稿日期]2016-02-20