淤地壩系安全運行保障技術(shù)探析

馬建業(yè), 張 揚,，袁水龍

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

淤地壩作為黃土高原治理水土流失的重要工程措施，在攔蓄徑流泥沙、調(diào)峰消能和利用水沙資源等方面發(fā)揮了積極作用。據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過50多年的建設(shè)，黃土高原地區(qū)已經(jīng)建成淤地壩10萬余座，淤地面積達38萬hm2 [1]。然而，隨著淤地壩運行時間的增加，部分淤地壩存在滯洪庫容不足的現(xiàn)象，加之初期設(shè)計有缺陷、施工質(zhì)量不高、管理措施不到位等多方面因素影響，在遇到連續(xù)強降雨導(dǎo)致發(fā)生極端洪水事件時，會嚴重增加淤地壩的安全運行風(fēng)險[2]。因此，如何實現(xiàn)淤地壩工程的安全運行成為亟待解決的問題。雖然部分學(xué)者針對病險淤地壩除險加固措施及運行管理體制已經(jīng)進行了相關(guān)分析[3-4]，但是隨著淤地壩的發(fā)展和生產(chǎn)建設(shè)的需要，一條溝內(nèi)可能會修建多座淤地壩，逐步在小流域溝道中形成壩系，由單壩相對平衡逐步發(fā)展成為壩系相對平衡[5]，而不同的壩系配置會影響流域的防洪標準。為此，研究者們在壩系調(diào)控效益及穩(wěn)定性、運行管理措施方面做了一些工作[6-7]，但是壩系安全運行保障等方面仍有不少技術(shù)問題亟待解決，尚未形成完整的技術(shù)體系，不能滿足對區(qū)域生態(tài)建設(shè)工程與經(jīng)濟發(fā)展的科技支撐。而淤地壩系安全運行保障技術(shù)是一種集風(fēng)險診斷、安全運行、布局配置為一體的技術(shù)體系，該技術(shù)體系的構(gòu)建對于提高流域壩系安全運行管理水平具有重要的指導(dǎo)意義。

1 淤地壩系發(fā)展存在的問題

經(jīng)過幾十年的運行，黃土高原地區(qū)相當(dāng)一部分淤地壩，經(jīng)過多年淤積已喪失了繼續(xù)攔泥和防洪的能力，并且由于年久失修、設(shè)施老化，淤地壩工程基礎(chǔ)功能逐漸減弱甚至喪失，許多工程存在病險安全隱患，潰壩風(fēng)險日益增大，若不及時除險加固，一旦失事，可能會威脅下游區(qū)域人民的生命財產(chǎn)安全[8]。經(jīng)調(diào)查，目前黃土高原地區(qū)有中型以上病險淤地壩5 282座，其中骨干壩3 025座、中型淤地壩2 257座，存在較大的安全隱患。有研究表明，淤地壩存在的問題主要集中于建設(shè)期和后期運行管理中：建設(shè)期由于工程設(shè)計質(zhì)量不高、建設(shè)主體不明確、施工不規(guī)范、資金不到位等[9-10]，造成部分淤地壩工程質(zhì)量偏低；而后期運行管理過程中則存在專項經(jīng)費缺乏，未形成有效的管護機制，淤地壩除險加固矛盾突出等問題，極大地縮短了淤地壩使用年限。為確保淤地壩系安全運行和功能的正常發(fā)揮，提出系統(tǒng)可行的運行保障技術(shù)體系十分必要。

2 安全運行保障技術(shù)內(nèi)容

淤地壩系安全運行保障技術(shù)主要是通過辨識淤地壩系病險類型及風(fēng)險動態(tài)特征，建立病險淤地壩的快速診斷方法，提出淤地壩降等報廢和除險加固辦法；闡明環(huán)境變化條件下淤地壩運行特征和庫壩轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究有利于蓄洪與泄洪的淤地壩系級聯(lián)新型設(shè)計，促進壩系上下聯(lián)合運用，提出淤地壩系的安全運行措施。該技術(shù)主要有三個方面，分別為淤地壩系風(fēng)險診斷技術(shù)、安全運行技術(shù)和壩系優(yōu)化布局配置技術(shù)。

2.1 淤地壩系風(fēng)險診斷技術(shù)

淤地壩系風(fēng)險診斷技術(shù)主要是通過層次分析確定影響壩系安全運行的各影響因素如滯洪庫容、剩余庫容、壩高等因子的權(quán)重，篩選對壩系安全運行影響較大的因子，建立小流域壩系安全性評價指標體系，對小流域壩系穩(wěn)定性和安全性進行綜合評價和診斷的一種技術(shù)體系[11]，該體系由安全影響因素分析、病險壩診斷和穩(wěn)定性評價3方面組成。研究表明，黃土高原地區(qū)影響淤地壩系安全的因素主要歸納為4類：淤地壩投入運行時間較長(滯洪庫容不足、泄水建筑物損壞)，淤地壩系設(shè)計不合理(串聯(lián)淤地壩較多)，淤地壩建設(shè)質(zhì)量較低(淤地壩設(shè)計標準較低、攔泥庫容較小)，缺乏管護措施[2]。在遇到不同重現(xiàn)期超標洪水的情況下，有發(fā)生壩體潰決的風(fēng)險，對下游居民的生命財產(chǎn)安全造成威脅。而無論淤地壩系是處于初建階段、改(擴)建階段、調(diào)整階段還是相對穩(wěn)定階段，引起淤地壩水毀的主要原因均是暴雨洪水[11]。

根據(jù)《黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認定暫行辦法》要求，凡是下游有居民點、學(xué)校、工礦、交通等重要設(shè)施，對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅的中型以上淤地壩皆為病險壩。因此，在病險淤地壩認定前，應(yīng)先對壩體穩(wěn)定性進行評價。該技術(shù)體系將壩系控制單元方法理論引入到壩系防洪安全研究中，以各壩系控制面積為標準將淤地壩劃分為骨干壩、中型壩、小型壩等不同等級壩系單元；分別對不同規(guī)格的壩體滲流與安全穩(wěn)定性及控制性壩的蓄洪標準進行分析。結(jié)合上游淤地壩配置數(shù)量、庫容和布局分析壩系的防洪標準，識別淤地壩體系中的關(guān)鍵淤地壩；構(gòu)建風(fēng)險指標評價體系，確定壩系中各級關(guān)鍵淤地壩的風(fēng)險指數(shù)，評價流域壩系的防洪能力，分析壩系的穩(wěn)定性。按風(fēng)險值由高到低，可將其穩(wěn)定性劃分為Ⅰ～Ⅴ五個風(fēng)險等級，分別為極危險狀態(tài)、危險狀態(tài)、一般危險狀態(tài)、一般安全狀態(tài)及安全狀態(tài)[12]。同時對病險淤地壩產(chǎn)生的原因、表現(xiàn)形式及潛在危害進行分析，識別防洪能力較差的病險淤地壩，建立病險淤地壩的快速診斷模型。通過淤地壩系風(fēng)險診斷技術(shù)體系，楊瑞等[11]完成了王茂溝流域23座淤地壩的風(fēng)險評價，表明大部分淤地壩接近安全狀態(tài)，只有在30年和100年一遇的洪水情況下可能處于危險狀態(tài)，并識別出存在安全隱患的淤地壩，表明該技術(shù)體系在黃土高原地區(qū)具有較大的可行性[13]。

2.2 淤地壩系安全運行技術(shù)

淤地壩安全運行技術(shù)主要包括除險加固、降等銷號和新型設(shè)計3個方面，通過對病險壩的修復(fù)和消除、增加流域中符合新型設(shè)計理念的淤地壩數(shù)量，使得流域壩系處于安全系數(shù)達標的狀態(tài)，這是保障流域淤地壩系安全運行的基礎(chǔ)。

雖然淤地壩系的大規(guī)模建設(shè)可以較大程度地保障淤地壩的安全運行，但是由于淤地壩建設(shè)過程中，壩體數(shù)量較多、資金投入有限及管理不當(dāng)，多數(shù)淤地壩只有大壩和放水建筑物“兩大件”，泄洪設(shè)施不完善，并且壩體選址不科學(xué)、淤積年限過長、壩體出現(xiàn)裂縫等均會導(dǎo)致病險淤地壩產(chǎn)生[14]。在遭遇極端降水條件下，會對下游區(qū)域產(chǎn)生風(fēng)險、造成災(zāi)害，并且隨著國家對防災(zāi)抗災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)的要求越來越高，需要對這些存在安全隱患的病險淤地壩進行除險加固和降等銷號[15]。目前淤地壩的除險加固措施主要有：①對于下游有村莊等重要設(shè)施的淤地壩，其主要加固措施為增設(shè)溢洪道或泄洪涵洞，提高工程的防洪標準；②對于已達到或超過設(shè)計淤積高程的淤地壩工程，主要措施為加高；③對于由于放水建筑物損毀不能運行的工程，常規(guī)方法是拆除已毀壞的混凝土，夯實地基后重新澆筑混凝土；④壩體有裂縫的工程，應(yīng)首先通過裂縫開挖、灌白灰水等方式查找形成裂縫的原因并探明裂縫深度，然后分段開挖進行灌漿處理，通過灌漿使裂縫兩側(cè)土體與泥漿形成一個整體，能確保壩體的穩(wěn)定。其中，增設(shè)溢洪道是淤地壩除險加固的主要建設(shè)內(nèi)容[16]。而對于通過風(fēng)險評價技術(shù)評估得到存在問題并且修復(fù)存在較大困難的淤地壩，則采用降等銷號的措施，以保證流域整體壩系的功能發(fā)揮和安全穩(wěn)定運行。

淤地壩進行新型設(shè)計則是在綜合考慮流域的布壩密度、壩系配置比例、骨干壩控制面積、壩系建設(shè)時序、壩系穩(wěn)定階段等優(yōu)化布局與配置的基礎(chǔ)上，以淤地壩在流域中所發(fā)揮的功能來決定淤地壩的設(shè)計。其不僅考慮到單壩的壩址和壩高，還要考慮上游壩體對下游的攔水?dāng)r沙效應(yīng)。通過對壩系中不同級別類型的壩庫群的綜合利用，達到抵御大暴雨洪水，保證壩系的整體安全并盡可能多地攔蓄泥沙的目的，從而優(yōu)選出最適合、具有壩系連鎖效應(yīng)的新型淤地壩設(shè)計方案。

2.3 淤地壩系布局配置技術(shù)

在黃土高原生態(tài)建設(shè)過程中，植被覆蓋度明顯增加，區(qū)域水文情勢會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致不同階段的生態(tài)建設(shè)需求存在差異，部分流域壩系的建設(shè)規(guī)模、空間布局、建壩時序等重大決策也應(yīng)隨之發(fā)生調(diào)整，單壩的設(shè)計和建設(shè)標準有所不同。如高照良[17]在延河流域原有壩系基礎(chǔ)上對其重新進行了規(guī)劃，在減少了一定數(shù)量的淤地壩后，延河流域的生態(tài)建設(shè)和人均耕地需求仍能得到保障。因此，探尋不同情勢下的壩系優(yōu)化布局配置技術(shù)，可有效提高淤地壩安全運行效果、促進壩系效益發(fā)揮、減少資金投入。淤地壩系布局配置技術(shù)主要包括壩系安全布局技術(shù)、壩系配置模式技術(shù)和壩系運行管理技術(shù)。

壩系安全布局技術(shù)主要是通過小流域單元控制理論和高精度的DEM，劃分壩系單元，分析溝道特點，確定骨干壩、中小型淤地壩的布設(shè)位置，獲取相關(guān)施工參數(shù)，從安全效應(yīng)、防洪效應(yīng)和資金投入等方面綜合評價淤地壩空間布局，提出壩系安全布局技術(shù)。如姜彤等[18]基于壩系安全布局技術(shù)，結(jié)合張家溝流域的溝道特點和侵蝕特征，比選得到了該流域骨干壩布局的適宜數(shù)量。而壩系配置模式技術(shù)則是針對不同級別的淤地壩的合理配置技術(shù)體系，可實現(xiàn)骨干壩與中小型淤地壩之間、干支溝淤地壩之間的相互配合、聯(lián)合運作，進而達到分節(jié)分片控制，節(jié)節(jié)攔蓄的目的，能充分發(fā)揮壩系蓄洪、攔沙、淤地、生產(chǎn)等綜合功能和效益。如馬軼等[19]在綜合分析生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的基礎(chǔ)上，在好水川流域構(gòu)建了壩系水資源優(yōu)化配置的技術(shù)模型。冉大川等[20]分析了大理河流域大、中、小型3類淤地壩不同配置比例下的流域減沙效益，認為大型淤地壩減沙量是中型淤地壩的5.5倍，是小型淤地壩的 15倍，提出未來三種淤地壩比例為1∶3∶7的條件下，壩系減沙量可達最大，為最優(yōu)配置模式。

壩系運行管理技術(shù)作為淤地壩安全運行的有力保障，關(guān)鍵在于探究淤地壩產(chǎn)權(quán)制度改革和運行管理模式，逐步建立起適應(yīng)市場經(jīng)濟規(guī)律、責(zé)權(quán)相統(tǒng)一的運行管護機制[21]。淤地壩運行過程中的問題多數(shù)是因為后期管護不到位，造成安全隱患加劇，而通過有效的淤地壩系運行管理機制，可以延長淤地壩的使用年限，有利于壩系工程更好地發(fā)揮生態(tài)、經(jīng)濟和社會功能。一般而言，不同級別的淤地壩運行管理模式存在差異，如在壩系聯(lián)合運用管理過程中應(yīng)遵循“上壩攔洪，下壩種地” “支溝攔洪，干溝種地”“舊壩加高加固，改變運行方式”的運行管理模式[22]。通過深翻、開挖溝壕、排水治堿、種植耐堿作物等措施改良土壤[23]。推行淤地壩產(chǎn)權(quán)制度改革，依照“誰受益、誰管護”的基本原則，實行崗位責(zé)任制，將淤地壩管理落實到每個責(zé)任人，定期對淤地壩壩體、溢洪道、放水設(shè)施進行維護。加強淤地壩工程建設(shè)的質(zhì)量審批和驗收標準，以保障工程質(zhì)量[24]。設(shè)立淤地壩管理基金，為淤地壩管理和維修提供資金保證[25]。如在韭園溝流域已經(jīng)形成了3種經(jīng)濟效果顯著的壩系管理模式，分別為：①由群眾參股的股份合作制；②將淤地壩以市場價的形式租賃給群眾，并在規(guī)定年限內(nèi)還清租金的租賃經(jīng)營模式；③將壩地抵押給群眾以換取維修泄洪設(shè)施的資金抵押承包制[26]。

3 還需要解決的問題

雖然經(jīng)過了多年的探索，研究人員提出了安全運行與管理的淤地壩安全運行保障技術(shù)，但是該技術(shù)還存在較多的問題：①關(guān)鍵筑壩技術(shù)，如不同級別的淤地壩筑壩材料和筑壩工藝的選擇標準、快速筑壩技術(shù)的應(yīng)用等；②安全關(guān)鍵技術(shù)，舊壩的修復(fù)和新壩修建過程中，地質(zhì)地貌條件及地質(zhì)災(zāi)害對淤地壩安全運行的影響及相應(yīng)的防治技術(shù)還有待解決；③運行管理與產(chǎn)權(quán)制度，壩系后期運行管理過程中如何實施產(chǎn)權(quán)制度改革、實行責(zé)任到人，以及如何為壩系維修和管理過程中提供可持續(xù)的資金仍然是目前研究的難點；④淤地壩淤積對小流域地下水位的變化影響及淤積后地質(zhì)災(zāi)害影響分析，現(xiàn)階段淤地壩建設(shè)過程中一般優(yōu)先考慮地形和洪水因素，而淤地壩效益評價方面主要為對農(nóng)作物產(chǎn)量及對地表環(huán)境的影響，較少涉及對地下水位的影響評估。淤地壩建設(shè)和淤積改變了流域原有地貌，隨著土層淤積厚度的增加，地下含水層承受的壓力不斷增大，可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，但有關(guān)淤地壩系建設(shè)對地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用還未見相關(guān)的研究報道[25]。因此，這些研究難點不僅是淤地壩安全運行保障技術(shù)需要解決的問題，也是淤地壩研究方面的難點。

4 結(jié) 語

淤地壩安全運行保障技術(shù)是通過風(fēng)險診斷技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題，通過壩系安全運行技術(shù)解決問題，以壩系布局配置技術(shù)保障淤地壩系后期的安全運行，是一種科學(xué)、系統(tǒng)、可行的壩系安全運行與管理的綜合調(diào)控技術(shù)理論體系，對黃土高原淤地壩系的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。但是目前壩系研究多停留在對三大子技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問題的深入探討，使得各子技術(shù)在實踐中的應(yīng)用較少，但還未有以發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—預(yù)防問題的思路對3大子技術(shù)進行有機整合。目前淤地壩安全運行保障技術(shù)還主要專注于理論體系的建設(shè)階段，需要進一步加強其在實踐中的指導(dǎo)作用。