高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系研究

張金良 蘇茂林 李超群

摘 要：黃河泥沙問題突出，建設(shè)淤地壩、防治水土流失是解決黃河泥沙問題的重要措施，但現(xiàn)有淤地壩存在潰決風(fēng)險(xiǎn)高、管護(hù)壓力大、攔沙不充分等問題。為了突破淤地壩壩身過流難題、充分發(fā)揮淤地壩的生態(tài)保護(hù)修復(fù)效益，創(chuàng)新性地提出了高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩設(shè)計(jì)運(yùn)用理念，基于小流域水文計(jì)算新方法、淤地壩新壩型結(jié)構(gòu)、黃土固化新材料、設(shè)計(jì)施工新技術(shù)等，構(gòu)建了高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系。與傳統(tǒng)淤地壩的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表明，高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩可以實(shí)現(xiàn)防潰決、免管護(hù)、多攔沙、降造價(jià)的目標(biāo)，能更好地發(fā)揮淤地壩的綜合效益，支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：淤地壩;壩頂溢流;防沖刷保護(hù)層;壩工結(jié)構(gòu);黃土固化劑;黃河流域

中圖分類號(hào)：TV641.2+3;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.025

Abstract：The sediment problem of the Yellow River is prominent， while constructing check dams to prevent soil erosion is an important measure to solve this serious problem. However， the existing check dams have many problems， such as high risk of dam break， high stress of management and protection， high insufficiency of sediment retention and so on. In this study， in order to break through the issue of flowing over dam body and give full play to the ecological protection and restoration benefits of check dam， the design and operation concept for the high-standard and no management and protection check dam was presented innovatively， and an theoretical and technical system was proposed based on new hydrological calculation method， new dam type structure， new loess solidification material and the new design and construction technology for check dam. Compared with the traditional check dam in technology and economy， the high-standard and no management and protection check dam can prevent dam breaking， avoid management and protection， intercept more sediment， and reduce the cost of construction， thus play the function of check dam better and support ecological conservation and high-quality development of the Yellow River Basin.

Key words： check dam; flow over dam top; protective layer against erosion; dam structure; loess stabilizer; Yellow River Basin

1 研究背景

黃河泥沙問題突出，是世界上最為復(fù)雜難治的河流之一。黃河泥沙問題表象在黃河，根子在流域，建設(shè)淤地壩、防治水土流失是解決泥沙問題的重要措施。2015年2月13日，習(xí)近平總書記在梁家河考察調(diào)研時(shí)指出，淤地壩是流域綜合治理的一種有效形式，要因地制宜推行。2019年9月18日，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上指出，中游要突出抓好水土保持，有條件的地方要大力建設(shè)淤地壩。2020年1月3日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第六次會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展要實(shí)施水土流失治理等工程，推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)。

從明代隆慶三年（1569年）

陜西子洲縣天然聚湫形成黃土洼天然淤地壩至今，淤地壩的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)到系統(tǒng)科學(xué)、由單壩到壩系、由自然形成到強(qiáng)化管護(hù)的發(fā)展歷程，在淤地造田、滯洪攔沙等方面發(fā)揮了重要的作用[1-4]。人民治黃以來，建設(shè)淤地壩約5.88萬座，淤地10.3萬hm2，攔減入黃泥沙95.4億t，2000年以來年均減沙量在3億t以上，對(duì)黃土高原保護(hù)修復(fù)發(fā)揮了巨大作用[5]。然而，由于淤地壩為均質(zhì)土壩，遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水（局部暴雨洪水）時(shí)壩身潰決并在下游產(chǎn)生洪水災(zāi)害，成為制約淤地壩功能發(fā)揮的技術(shù)瓶頸。現(xiàn)有淤地壩存在潰決風(fēng)險(xiǎn)高、管護(hù)壓力大、攔沙不充分等問題，綜合效益無法得到充分發(fā)揮[6-10]。傳統(tǒng)淤地壩設(shè)置了攔洪（滯洪）庫容，為確保在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水下不潰壩，需增設(shè)漿砌石或混凝土溢洪道，但其造價(jià)昂貴[11-12]。陳祖煜團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型復(fù)合PET材料以及柔性溢洪道布置形式，用其對(duì)淤地壩壩身進(jìn)行保護(hù)，可抵抗最快流速為5.26 m/s的過流沖刷，在低造價(jià)情況下可部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)溢洪道，延緩?fù)翂芜^流潰決[13]。然而，溢洪道并不能從本質(zhì)上解決壩身過流的難題，仍然存在壩身過流導(dǎo)致潰壩的問題。因此，需要開展高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩研發(fā)，突破淤地壩壩身過流難題，充分發(fā)揮淤地壩的生態(tài)保護(hù)修復(fù)效益，進(jìn)而推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。為此，本文針對(duì)淤地壩的現(xiàn)狀問題，提出了適宜于小流域高含沙洪水計(jì)算的新方法、壩頂溢流的新壩型等設(shè)計(jì)運(yùn)用理念，構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系，并與傳統(tǒng)淤地壩進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分析高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)、推廣價(jià)值和對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)的作用。

2 傳統(tǒng)淤地壩存在的問題

根據(jù)淤地壩“三大件”（壩體、溢洪道、泄水洞）的組合關(guān)系，可將傳統(tǒng)淤地壩分為三種形式，即壩體+溢洪道+泄水洞、壩體+溢洪道、壩體+泄水洞。由于壩身是均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)，一旦遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水就有漫壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)，因此傳統(tǒng)淤地壩設(shè)計(jì)理念中，壩身不能過流一直是技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致了潰決風(fēng)險(xiǎn)高、管護(hù)壓力大、攔沙不充分等三大問題。

（1）潰決風(fēng)險(xiǎn)高。淤地壩壩體為均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)，壩體本身不能過流，且絕大多數(shù)淤地壩未設(shè)溢洪道等泄洪設(shè)施或泄洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，一旦遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，淤地壩易潰易決，甚至可能發(fā)生壩系的連鎖潰壩、淤積泥沙的“零存多取”現(xiàn)象（已達(dá)使用壽命的淤地壩潰壩后，原攔蓄的泥沙有10%～20%被瀉放出來），對(duì)下游村莊、集鎮(zhèn)、農(nóng)田、基礎(chǔ)設(shè)施等的水沙危害嚴(yán)重。如：2013年7月，陜西延河遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，有1 309座淤地壩不同程度受損;2016年8月，內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗西柳溝和罕臺(tái)川小流域遭遇特大暴雨，使淤地壩嚴(yán)重水毀，其中有19座淤地壩發(fā)生決口。

（2）管護(hù)壓力大。黃河流域淤地壩現(xiàn)存數(shù)量約5.88萬座，主要分布在黃土高原地區(qū)各級(jí)支溝，位置分散，汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)高，成為各級(jí)防汛部門的心頭之患。為了管控水沙災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、確保下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，水利部和黃河防汛抗旱總指揮部多次發(fā)文，要求加強(qiáng)淤地壩管護(hù)，切實(shí)落實(shí)淤地壩防汛“三個(gè)責(zé)任人”的責(zé)任，編制淤地壩防汛預(yù)案。水利部水?！?019〕109號(hào)文件要求，“所有骨干壩和下游有重要設(shè)施的中型壩都要逐壩落實(shí)工程防汛行政、巡查、技術(shù)‘三個(gè)責(zé)任人責(zé)任……，必須做到‘一壩一人巡查”;黃河防汛抗旱總指揮部辦公室黃河防總辦〔2020〕2號(hào)文件要求，大型淤地壩和下游有重要設(shè)施的中型淤地壩“一壩一預(yù)案”，其他淤地壩必須以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位合并編制防汛預(yù)案。面對(duì)數(shù)量眾多的淤地壩，十幾萬人次的管護(hù)和支出，對(duì)地方政府形成不小的壓力。

（3）攔沙不充分。傳統(tǒng)淤地壩在設(shè)計(jì)泥沙淤積高程基礎(chǔ)上，按照攔蓄校核標(biāo)準(zhǔn)洪水并考慮安全超高確定壩體高度，通過設(shè)置滯洪庫容來滯蓄校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水，以保證不漫壩、防潰決來達(dá)到防洪安全。然而，該部分滯洪庫容僅可用來防洪，不可用來攔沙，且必須在汛前將庫容騰空以迎接汛期暴雨洪水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃土高原地區(qū)現(xiàn)存骨干壩5 621座，總庫容56億m3，滯洪庫容約占40%，即僅骨干壩就有大約22.4億m3的滯洪庫容長期空置，無法發(fā)揮攔沙作用。

3 高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系

3.1 設(shè)計(jì)理念

高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系，就是按照水沙關(guān)系極其不協(xié)調(diào)的洪水泥沙就地?cái)r蓄原則，創(chuàng)新淤地壩壩型設(shè)計(jì)和運(yùn)用理念，突破小流域高含沙可能最大洪水估算方法，研發(fā)適用于黃土高原地區(qū)的黃土固化劑，構(gòu)建淤地壩設(shè)計(jì)施工新技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)淤地壩防潰決、保安全、免管護(hù)、多攔沙、低造價(jià)等目標(biāo)。

（1）對(duì)協(xié)調(diào)度極差的水沙就地?cái)r蓄。黃河復(fù)雜難治的根本癥結(jié)在于水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，這也是黃河區(qū)別于其他江河的根本特點(diǎn)。為深入研究水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)問題，張金良等提出了水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度的概念[14]，以反映水沙關(guān)系協(xié)調(diào)程度。水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度可用下式計(jì)算：

式中：Cun（i）為研究河段i（i為河段編號(hào)）來水來沙的水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度，Cun（i）≤1表示水沙關(guān)系相對(duì)協(xié)調(diào)，Cun（i）>1表示水沙關(guān)系相對(duì)不協(xié)調(diào)，值越大表明不協(xié)調(diào)程度越高;φi為河段i實(shí)際來沙系數(shù);φT為河段臨界來沙系數(shù)，一般取黃河下游河道達(dá)到?jīng)_淤基本平衡的小黑武（小浪底、黑石關(guān)、武陟水文站）來沙系數(shù)0.01 kg·s/m6作為臨界來沙系數(shù)。

以無定河和黃河河龍區(qū)間為例，分析水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度的空間分布規(guī)律，見圖1和圖2。由圖1、圖2可以看出，流域面積越小且河流分級(jí)[15]越低的支溝，水沙關(guān)系越不協(xié)調(diào)（比黃河下游水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度更低），越需要淤地壩進(jìn)行攔蓄控制。因此，高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩就是要就地?cái)r蓄協(xié)調(diào)度極差的水沙，從源頭上降低入黃水沙關(guān)系的不協(xié)調(diào)程度。

（2）按可能最大洪水進(jìn)行水文計(jì)算。一般認(rèn)為，在全流域范圍內(nèi)降雨是等概率隨機(jī)發(fā)生的，但由于支流流域面積存在差異，因此不同支流（或子流域）洪水發(fā)生概率具有空間不一致性，較大流域與其子流域遭遇降雨的范圍不同，導(dǎo)致相同降雨概率條件下較大流域發(fā)生同量級(jí)洪水的概率遠(yuǎn)小于子流域的。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）[11]和《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289—2003）[12]，淤地壩傳統(tǒng)水文計(jì)算主要采用頻率法或經(jīng)驗(yàn)公式法，基于較大流域?qū)崪y(cè)資料或由較大流域?qū)崪y(cè)資料擬定的經(jīng)驗(yàn)公式、圖集等來計(jì)算淤地壩設(shè)計(jì)洪水，其基本假定是較大流域的洪水發(fā)生概率（頻率）與子流域基本一致。淤地壩地處小流域，易遭遇極端局部暴雨，采用傳統(tǒng)水文計(jì)算方法即頻率法或者經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水可能導(dǎo)致兩種后果，一是設(shè)計(jì)洪水發(fā)生頻率偏低，二是設(shè)計(jì)洪水量級(jí)偏小，從而使淤地壩客觀上極易遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水并導(dǎo)致漫壩潰決。高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩采用可能最大洪水（PMF）進(jìn)行洪水泥沙估算，以應(yīng)對(duì)小流域極易發(fā)生的接近物理上限的暴雨洪水，壩體建設(shè)采用可過流壩型結(jié)構(gòu)，不需滯洪庫容。根據(jù)黃土高原地區(qū)暴雨特性及產(chǎn)洪產(chǎn)沙規(guī)律，特別是考慮小流域800 kg/m3量級(jí)高含沙洪水對(duì)壩身沖刷的影響，筆者提出小流域高含沙PMF估算方法，用于高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩水文計(jì)算，使水文計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)合理。

3.2 新型壩工結(jié)構(gòu)

受均質(zhì)土壩特性制約，傳統(tǒng)淤地壩壩身不可過流運(yùn)用，限制了淤地壩綜合作用的發(fā)揮。高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩建設(shè)，采用新型壩工結(jié)構(gòu)（見圖3），通過在土壩壩體上設(shè)置防沖刷保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)壩頂溢流運(yùn)用且防潰決、免管護(hù)、多攔沙。

從造價(jià)經(jīng)濟(jì)性考慮，淤地壩防沖刷保護(hù)層可采用以下幾種形式：①混凝土，適用于較大壩高且附近有砂石骨料地區(qū);②漿砌石，適用于附近有較豐富石料地區(qū);③黃土固化層，適用于砂石骨料缺乏地區(qū)。因地制宜設(shè)計(jì)壩身泄流的消能方式，可采用壩身臺(tái)階式消能或消力池消能等。

3.3 黃土固化新材料

采用傳統(tǒng)混凝土制作防沖刷保護(hù)層需要砂石骨料，而黃土高原地區(qū)缺乏砂石骨料，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸砂石骨料的成本太高，若就地取材，以當(dāng)?shù)攸S土為原料進(jìn)行固化，建設(shè)淤地壩防沖刷保護(hù)層，則可大大降低建設(shè)成本。黃土高原地區(qū)的黃土一般為中粉質(zhì)壤土，通過對(duì)陜西延川縣黃土的試驗(yàn)檢測(cè)可知，其黏粒含量達(dá)20%、粉粒含量不足80%，用水泥等傳統(tǒng)膠凝材料對(duì)這種中粉質(zhì)壤土進(jìn)行固化，強(qiáng)度較低，不能抵抗洪水沖刷。

本研究經(jīng)過數(shù)千組次試驗(yàn)，成功研制了一種新型黃土固化劑，用其固化的黃土具有較高的強(qiáng)度和良好的耐久性，解決了水泥等傳統(tǒng)固化材料不能用于固化黃土的難題。試驗(yàn)表明，黃土、固化劑、細(xì)砂按照6∶3∶1的比例摻和后，28 d無限側(cè)抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到11 MPa，首次吸水后的吸水率隨齡期增長變化不大，30次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率為23.3%，見圖4～圖6?？梢姡闷涔袒狞S土制作淤地壩防沖刷保護(hù)層，具有較好的耐久性和抗沖刷性能，可以滿足高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩過流沖刷防護(hù)要求。

3.4 設(shè)計(jì)施工新技術(shù)

根據(jù)淤地壩成壩條件和防沖刷要求，高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩的設(shè)計(jì)施工采用3種新技術(shù)。

（1）防沖刷保護(hù)層全覆蓋防護(hù)技術(shù)。當(dāng)?shù)責(zé)o砂石骨料時(shí)，可因地制宜，選用黃土摻和固化劑作為填筑料，在壩頂和下游壩坡采用防沖刷保護(hù)層覆蓋（如圖7所示），適用于壩高在20 m以下的中低壩。施工時(shí)，防沖刷保護(hù)層與壩體同步碾壓，采用路拌法施工，機(jī)械化程度高，施工速度快。

（2）防沖刷保護(hù)層局部覆蓋防護(hù)技術(shù)。壩軸線較長時(shí)，可因地制宜，在壩頂和下游壩坡局部（壩頂過流部位）設(shè)置防沖刷保護(hù)層（如圖8所示），以降低工程造價(jià)。施工時(shí)，先填筑壩體，后采用小型振動(dòng)碾斜坡碾壓進(jìn)行防沖刷保護(hù)層施工。

（3）預(yù)制臺(tái)階式聯(lián)鎖塊全覆蓋防護(hù)技術(shù)。在確保安全的前提下，壩頂采用防沖刷保護(hù)層，下游壩坡采用預(yù)制臺(tái)階式聯(lián)鎖塊鋪設(shè)防沖刷保護(hù)層（如圖9所示），適用于壩高為20～30 m的較高壩。施工時(shí)，工廠預(yù)制聯(lián)鎖塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地要求低，現(xiàn)場(chǎng)人工結(jié)合小型設(shè)備鋪設(shè)，施工速度快。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以陜西省延川縣高家圪臺(tái)中型壩為例，按相同攔沙年限和相同設(shè)計(jì)壩高兩種對(duì)比思路，對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩（防沖刷保護(hù)層全覆蓋防護(hù)）與傳統(tǒng)淤地壩進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見表1。

由表1可以看出，高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩相對(duì)于傳統(tǒng)淤地壩，在相同的設(shè)計(jì)攔沙年限條件下可以大幅度降低工程費(fèi)用，在相同設(shè)計(jì)壩高的條件下可以更加充分發(fā)揮攔沙作用，解決潰決風(fēng)險(xiǎn)高、管護(hù)壓力大、攔沙不充分等問題，達(dá)到防潰決、免管護(hù)、多攔沙、降造價(jià)等效果。

5 結(jié) 語

黃河流域水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。淤地壩在黃河流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)中發(fā)揮了巨大作用，但受限于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，目前淤地壩存在潰決風(fēng)險(xiǎn)高、管護(hù)壓力大、攔沙不充分等問題。創(chuàng)新淤地壩設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系，基于淤地壩水文計(jì)算新方法、新型壩工結(jié)構(gòu)、黃土固化新材料、設(shè)計(jì)施工新技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)淤地壩防潰決、保安全、免管護(hù)、多攔沙、降造價(jià)等目標(biāo)。高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩可以更好地發(fā)揮淤地壩的綜合效益，應(yīng)在黃土高原地區(qū)大力推廣應(yīng)用，以支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

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