壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)和洪水組合問題探討

王志堅(jiān)，李 冰，王 楠

(1.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013； 2.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710021)

淤地壩是黃土高原水土流失地區(qū)修建的控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少入黃泥沙、把荒溝變成良田、增加糧食產(chǎn)量、改善交通和群眾生產(chǎn)生活條件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，在山西已有400多年的建設(shè)歷史。早在明萬歷年間，汾西縣就有打壩淤地的記載。有記載的第一座人工建設(shè)的淤地壩在山西省柳林縣賈家垣村，由該村賈本春于清嘉慶十二年(公元1807年)建設(shè)[1]，該壩為青磚白灰結(jié)構(gòu)，長11.3 m、寬5 m、高12 m。

1 山西淤地壩建設(shè)發(fā)展歷程

新中國成立后，山西淤地壩建設(shè)經(jīng)歷了4個(gè)階段：

第一階段：1985年以前，集體組織建設(shè)。新中國成立初期，不少地方的群眾吸取前人經(jīng)驗(yàn)，在集體組織下，廣泛開展了淤地壩建設(shè)。該階段內(nèi)所建淤地壩大多為中小型的，小多成群，缺少骨干性控制工程，缺少統(tǒng)一規(guī)劃和科學(xué)設(shè)計(jì)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，目前大多數(shù)已經(jīng)淤滿。這一時(shí)期，山西省水利部門在呂梁山區(qū)開展了淤地壩、水墜壩試驗(yàn)研究。

第二階段：1986—2002年，骨干壩試點(diǎn)建設(shè)。通過總結(jié)第一階段淤地壩建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，特別是“小多成群無骨干”、一遇較大暴雨就出現(xiàn)垮壩的問題，水利部在黃土高原地區(qū)實(shí)施了治溝骨干工程，山西省也在汾河水庫上游實(shí)施了“攔沙保庫，淤地壩先行”的治理項(xiàng)目。經(jīng)過科學(xué)規(guī)劃，在溝道適當(dāng)位置增建骨干壩，攔截上游洪水，保證下游中小型淤地壩安全，提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)，扭轉(zhuǎn)了多次洪水淤積，一次較大洪水連鎖垮壩、洪水泥沙俱下的所謂“零存整取”現(xiàn)象。

第三階段：2003—2014年，溝道壩系工程建設(shè)。為進(jìn)一步保證淤地壩的運(yùn)行安全和充分發(fā)揮整體效益，在全面總結(jié)淤地壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)試驗(yàn)和研究，山西省委、省政府把淤地壩作為 “六大興水戰(zhàn)略工程”之一，水利部把淤地壩作為水利工程的“三大亮點(diǎn)”之一，科學(xué)總結(jié)出“以支流為骨架、小流域?yàn)閱卧?，大型淤地壩控制，中小型淤地壩合理配置、?lián)合運(yùn)用”的溝道壩系建設(shè)技術(shù)路線，初步建成了一批防洪標(biāo)準(zhǔn)高、綜合效益好的典型壩系。截至2014年底，山西已在10市63縣建成中型以上淤地壩2 014座，其中大型淤地壩1 183座、中型壩831座。這些淤地壩工程，充分發(fā)揮了滯洪緩洪、攔泥增地、改善交通、減少入黃泥沙等多種功能，促進(jìn)了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為退耕還林提供了支撐和保障，受到群眾歡迎，得到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的重視和肯定。這一時(shí)期，受投資規(guī)模的限制，加之普遍存在少花錢、多建壩、快攔泥、多淤地的思想，建設(shè)的大中型淤地壩多為大壩和放水建筑物“兩大件”，沒有泄洪設(shè)施。

第四階段：2015年至今，鞏固提高除險(xiǎn)加固。大量骨干壩和壩系工程建設(shè)，使淤地壩安全運(yùn)用狀況有了改善，但因淤地壩沒有常設(shè)的管理機(jī)構(gòu)，而且量大面廣、交通不便，大多數(shù)還是“兩大件”工程，致使保障淤地壩安全運(yùn)用的任務(wù)十分艱巨。特別是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和安全生產(chǎn)提出了越來越高的要求。為了進(jìn)一步搞好淤地壩的安全運(yùn)用，2015年水利部決定開展中型以上病險(xiǎn)淤地壩認(rèn)定和除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)工作。根據(jù)水利部制定的黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩認(rèn)定暫行辦法，經(jīng)核查山西省中型以上病險(xiǎn)淤地壩涉及9市48縣，共有1 020座，其中大型淤地壩729座、中型壩291座。在這些病險(xiǎn)淤地壩中，樞紐組成為大壩和放水建筑物“兩大件”，需要增設(shè)溢洪道的有941座，占總數(shù)的92.3%；下游影響范圍內(nèi)有村莊、學(xué)校、工礦、道路等重要設(shè)施，潰壩后可能對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大危害，迫切需要除險(xiǎn)加固的病險(xiǎn)淤地壩863座，占總數(shù)的84.6%。

由于2014年以前建設(shè)的淤地壩樞紐組成為“兩大件”，不存在洪水組合，雖單壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合規(guī)范要求，但在小流域壩系工程除險(xiǎn)加固中，因大型淤地壩按“三大件”設(shè)計(jì)，若某一大型淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1級(jí)，那么與之相關(guān)的淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也須相應(yīng)提高到1級(jí)，并按此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壩系洪水組合和調(diào)洪計(jì)算。因此，如何科學(xué)合理確定各壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、做好壩系洪水組合和調(diào)洪計(jì)算，是除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究的課題。

2 臨縣萬安溝小流域壩系工程基本情況

臨縣萬安溝小流域位于黃土丘陵溝壑區(qū)，總面積53 km2，其中水土流失面積52.2 km2，多年平均土壤侵蝕模數(shù)1.43萬 t/(km2·a)[2]。萬安溝小流域壩系工程于2004年9月開工，2006年11月完工[1]。建設(shè)規(guī)模為大型淤地壩12座，其中大(1)型淤地壩1座、大(2)型淤地壩11座，中型壩18座。壩系工程控制面積44.6 km2，總庫容1 416.4萬m3，攔泥庫容991.1萬m3，可淤地面積141.6 hm2。萬安溝小流域壩系工程布局見圖1，各壩情況見表1。

圖1 臨縣萬安溝小流域壩系工程總體布局

3 防洪標(biāo)準(zhǔn)

淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物等別來確定[3]，淤地壩工程等別、主要永久性建筑物級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)見表2。2014年以前，山西建設(shè)的淤地壩大多是“兩大件”，在防洪標(biāo)準(zhǔn)上基本都按單壩考慮。對(duì)庫容在100萬m3以上的大(1)型淤地壩，主要建筑物按1級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核；對(duì)庫容在50萬～100萬m3的大(2)型淤地壩，主要建筑物按2級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核；對(duì)庫容在10萬～50萬m3的中型淤地壩，主要建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a一遇洪水校核。從表1中可以看出，萬安溝小流域壩系中單壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)均符合要求。

壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)確定原則：對(duì)單獨(dú)支溝中建設(shè)的大型淤地壩，以及位于支溝最上游、其下游有大型淤地壩的中型淤地壩，仍按上述防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，符合規(guī)范和政策要求，可以保持原有防洪標(biāo)準(zhǔn)不變；對(duì)單獨(dú)支溝建設(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(hào))的要求，在骨干壩控制區(qū)域外一般不得建設(shè)中型淤地壩，確需建設(shè)的必須按骨干壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，必須提高一個(gè)級(jí)別，按大(2)型淤地壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)大中型淤地壩下游影響范圍內(nèi)有重要設(shè)施，一旦發(fā)生潰壩會(huì)造成重大損失的，根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—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(jí)、3級(jí)主要永久性水工建筑物，經(jīng)過論證，可提高一級(jí)”的要求[3]，永久性水工建筑物可提高一級(jí)，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高一個(gè)檔次。對(duì)壩系工程中需要除險(xiǎn)加固的病險(xiǎn)淤地壩，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)既要符合上述原則，同時(shí)還要考慮與其相關(guān)的大型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)。從安全角度考慮，壩系中如有部分大(1)型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核，那么其下游串聯(lián)的大中型淤地壩設(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，設(shè)計(jì)壩下游串聯(lián)的大中型淤地壩將有發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)并造成巨大損失。而從水文、調(diào)洪計(jì)算角度考慮，設(shè)計(jì)壩上游相關(guān)聯(lián)的大中型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)同步考慮，否則，無法進(jìn)行洪水組合和調(diào)洪計(jì)算。因此，壩系除險(xiǎn)加固中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高的淤地壩，對(duì)與其相關(guān)聯(lián)的上下游淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都有影響，應(yīng)采用一致的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

表1 萬安溝小流域壩系中型以上淤地壩基本情況

表2 淤地壩工程等別及主要永久性建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

按照上述原則，對(duì)萬安溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析：

一是先確定壩系中哪些淤地壩需要提高防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)淤地壩下游影響范圍內(nèi)有重要設(shè)施的，永久性水工建筑物可提高一個(gè)級(jí)別，防洪標(biāo)準(zhǔn)也需相應(yīng)提高的原則，從表1中可以看出，除險(xiǎn)加固時(shí)需要提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的大型淤地壩有郭家溝、算溝2座大(2)型淤地壩，其防洪標(biāo)準(zhǔn)由大(2)型的20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核，提高到大(1)型的30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核；需要提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的中型淤地壩有唐家溝、李家溝、喬家溝2#、東峪溝4座中型淤地壩，其防洪標(biāo)準(zhǔn)由中型淤地壩的20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a一遇洪水校核，提高到大(2)型的20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核。

二是根據(jù)這些新確定的淤地壩除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合壩系工程中原有防洪標(biāo)準(zhǔn)，逐壩分析防洪標(biāo)準(zhǔn)最高的大(1)型淤地壩影響范圍。除支溝上游的中型壩仍按中型淤地壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險(xiǎn)加固外，其余受影響的大(2)型淤地壩均應(yīng)提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核。萬安溝壩系除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)提高后，按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、300 a一遇洪水校核的有郭家溝、算溝及殷唐溝3座大(1)型淤地壩。從圖1中可以看出，算溝大(1)型淤地壩對(duì)其他大(2)型淤地壩沒有影響，而郭家溝和殷唐溝2座大(1)型淤地壩的下游是化林溝大(2)型淤地壩。因此，應(yīng)將原防洪標(biāo)準(zhǔn)為大(2)型的化林溝淤地壩提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。在化林溝大(1)型淤地壩的影響范圍內(nèi)，自下而上，上游還有杜家溝、背荒溝、碾焉溝1#、碾焉溝2#四座大(2)型淤地壩，以及防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(2)型的唐家溝、李家溝2座中型淤地壩，這6座淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)都應(yīng)提高到大(1)型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)化林溝及算溝大(1)型淤地壩上游的碾焉溝、背荒溝、談華溝、小五甲、舊家山、雨崖溝、后白塄咀、前圪咀溝、前李家溝1#及前李家溝2#這10座中型淤地壩仍按原防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

三是對(duì)單獨(dú)支溝的張家溝、圪燎溝中型淤地壩，其防洪標(biāo)準(zhǔn)由中型淤地壩的20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a一遇洪水校核，提高到大(2)型淤地壩20 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核。

由此確定的萬安溝壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)與原防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況見表3。從表3中可以看出，萬安溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)有13座淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)需要提高，其中防洪標(biāo)準(zhǔn)由大(2)型淤地壩提高到大(1)型淤地壩的有7座，由中型淤地壩提高到大(1)型淤地壩的有2座，由中型淤地壩提高到大(2)型淤地壩的有4座。

表3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)

4 壩系工程洪水組合

壩系洪水組合是壩系調(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)。2014年以前建設(shè)的大中型淤地壩樞紐組成大多數(shù)是“兩大件”，建設(shè)思路是高壩大庫、庫容制勝，校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水全攔全蓄，之后通過放水建筑物緩慢排放。即使有個(gè)別大型淤地壩按“三大件”設(shè)計(jì)，其洪水計(jì)算也僅考慮了設(shè)計(jì)壩控制的區(qū)間面積(含區(qū)間中型淤地壩控制面積)，對(duì)設(shè)計(jì)壩上游的大型淤地壩控制面積沒有考慮，設(shè)計(jì)溢洪道時(shí)也沒有按壩系洪水組合進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。在現(xiàn)有淤地壩和骨干壩的規(guī)范中，也沒有按壩系工程系統(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。如：過去在計(jì)算化林溝大(2)型淤地壩洪水時(shí)，僅考慮了殷唐溝、杜家溝、郭家溝3座大型淤地壩下游到化林溝淤地壩之間的流域面積(含后白塄咀、小五甲、舊家山及前圪咀溝4座中型淤地壩控制面積)洪水，因“兩大件”淤地壩設(shè)計(jì)放水流量很小，而沒有考慮這3座大型淤地壩對(duì)下游化林溝淤地壩的影響。除險(xiǎn)加固增設(shè)溢洪道后，就必須考慮這3座大型淤地壩下泄洪水對(duì)下游化林溝淤地壩洪水計(jì)算的影響。

壩系除險(xiǎn)加固時(shí)，洪水組合可按三種情況考慮[4]：

一是位于支溝上游，設(shè)計(jì)的大型淤地壩上游僅有中型淤地壩，且下游影響范圍內(nèi)無重要設(shè)施，由于中型淤地壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，設(shè)計(jì)壩除險(xiǎn)加固時(shí)可不考慮上游中型淤地壩的洪水組合，按設(shè)計(jì)壩上游控制總面積進(jìn)行單壩調(diào)洪計(jì)算。如萬安溝壩系中的碾焉溝1#、背荒溝、算溝大(1)型淤地壩，以及除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)提高了的喬家溝2#大(2)型淤地壩。

二是位于支溝上游，設(shè)計(jì)的大型淤地壩上游僅有中型淤地壩，而下游影響范圍內(nèi)有重要設(shè)施，該中型淤地壩應(yīng)按大(2)型淤地壩進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)設(shè)計(jì)壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按區(qū)間洪水和上游提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)的中型淤地壩洪水組合進(jìn)行壩系調(diào)洪計(jì)算。如萬安溝壩系中的殷唐溝大(1)型淤地壩，在洪水計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(1)型淤地壩的唐家溝、李家溝淤地壩下泄洪水與控制區(qū)間面積(含雨崖溝中型淤地壩控制面積)的洪水組合。喬家溝大(2)型淤地壩的洪水計(jì)算，應(yīng)考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到大(2)型淤地壩的喬家溝2#、東峪溝2座淤地壩下泄洪水與控制區(qū)間面積的洪水組合。

三是對(duì)位于設(shè)計(jì)的大型淤地壩下游相串聯(lián)的大中型淤地壩，其下游相串聯(lián)的大中型淤地壩的洪水組合就是區(qū)間洪水和上游淤地壩下泄洪水的和。因此，相串聯(lián)的下游大中型淤地壩洪水組合均應(yīng)按區(qū)間洪水和上游各壩下泄洪水組合計(jì)算，這樣就不會(huì)發(fā)生因上游大型淤地壩泄洪而導(dǎo)致相串聯(lián)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(jí)開發(fā)利用和排洪體系。在分析洪水組合時(shí)，應(yīng)自下而上逐壩分析。如萬安溝壩系中的化林溝大(1)型淤地壩，在洪水組合時(shí)，應(yīng)考慮殷唐溝、杜家溝、郭家溝3座大(1)型淤地壩下泄洪水與控制區(qū)間面積的洪水組合，對(duì)后白塄咀、小五甲、舊家山及前圪咀溝4座中型淤地壩因防洪標(biāo)準(zhǔn)低，控制面積按區(qū)間面積計(jì)入?yún)^(qū)間洪水。以此類推，再分析杜家溝、殷唐溝淤地壩的洪水組合，一直分析到最上游的碾焉溝1#淤地壩。按上述原則，逐壩分析萬安溝壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)大型淤地壩洪水組合情況見表4。

表4 壩系工程洪水組合情況

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，洪水組合和調(diào)洪計(jì)算應(yīng)自上而下逐壩進(jìn)行。洪水組合計(jì)算包括組合洪峰流量和組合洪量計(jì)算兩個(gè)方面。

5 結(jié) 語

本研究就黃土高原壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)的防洪標(biāo)準(zhǔn)、壩系洪水組合進(jìn)行了一些探討，但還存在一些問題值得研究：在防洪標(biāo)準(zhǔn)中，一些大中型壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)已超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，特別是有的中型壩將要按1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；在壩系洪水組合計(jì)算中，僅考慮了壩系洪水空間上的組合，沒有考慮流域形狀、溝道情況對(duì)洪水在匯流時(shí)間上的影響。這些問題需要在實(shí)踐中不斷研究、不斷探索，豐富和完善壩系工程建設(shè)理論，推動(dòng)壩系工程建設(shè)規(guī)范的編制，更好地指導(dǎo)壩系工程設(shè)計(jì)，為淤地壩和壩系工程安全運(yùn)行提供有力的技術(shù)支撐。