王成立 寧夏固原市原州區(qū)水務(wù)局水土保持工作站
修建在黃土高原的淤地壩需要不定期進(jìn)行險(xiǎn)情排除和加固,在保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)也促進(jìn)了所在地的各類(lèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。這是目前保沙效果最理想的壩系設(shè)計(jì),有著極強(qiáng)的不可替代性。然而,淤地壩隨著時(shí)間的流逝逐漸落后于當(dāng)下的保沙標(biāo)準(zhǔn),也無(wú)法通過(guò)歷史的考驗(yàn)。即使定期維修,也無(wú)法扭轉(zhuǎn)淤地壩逐漸老化的事實(shí),汛期就是它所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。淤地壩根據(jù)所在位置和規(guī)模的不同,通常分為三種類(lèi)型,分別為骨干型、病險(xiǎn)型和中型。其中病險(xiǎn)型淤地壩所處環(huán)境最為苛刻,各種問(wèn)題層出不窮,存在著巨大的安全隱患。一旦險(xiǎn)情去除和加固工作不到位,就有可能出現(xiàn)決堤的風(fēng)險(xiǎn),從而對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆詈娃r(nóng)作物生產(chǎn)形成極大威脅。
黃土高原是目前地球已知地形地貌中占地面積最廣的黃土地帶,覆蓋中國(guó)七大省區(qū),占地面積相當(dāng)可觀,高原和平原是其最常見(jiàn)的地貌特征,所在氣候區(qū)類(lèi)型為干旱型大陸性季風(fēng)氣候,因此擁有著不利于植物生長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境,也就導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。但惡劣的生態(tài)環(huán)境也為我國(guó)的化工和能源產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展機(jī)會(huì)。土壤顆粒直徑小且均勻,較松軟,透水透氣性能極佳,松散不易板結(jié),土質(zhì)分布廣泛縱深,礦物質(zhì)豐富,不僅有利農(nóng)作物生長(zhǎng),還為淤地壩的建設(shè)提供了良好原材料。悠久的農(nóng)耕歷史孕育了源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的黃土文化,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),助力當(dāng)?shù)厝嗣裰赂槐夹】?。黃土高原多溝壑的特殊地形也使水土流失成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重大障礙,因此淤地壩的建設(shè)就顯得尤為重要,利用治溝工程改善丘陵溝壑所帶來(lái)的負(fù)面影響,助力高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)平穩(wěn)發(fā)展。
我國(guó)幾十年前就已經(jīng)有了建設(shè)淤地壩的資料。經(jīng)過(guò)查閱分析《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》[1],截至2020年,目前在黃土高原地區(qū)建設(shè)的淤地壩數(shù)將超過(guò)十六萬(wàn)座,其中骨干壩數(shù)量占據(jù)了將近五分之一的比重,超過(guò)三萬(wàn)座。這些淤地壩將以骨干壩為骨架,以中小型水利工程為單元,以小型淤地壩為配合形式,建立具有“排水、攔截和蓄水”功效于一體的溝道體系壩,以提高生態(tài)保護(hù)功效,并幫助地方政府形成大規(guī)模效率收益[2]。
淤地壩常見(jiàn)的危險(xiǎn)情況有兩種類(lèi)型:一種是大壩本身的危險(xiǎn),如大壩裂縫、出現(xiàn)沖溝、陷洞、決口、坡腳滲漏、滑坡、蓄洪容量偏低等情況,臥管部分破壞或大面積受損、涵管尾水部分損壞或斷裂、陡坡處的出口和明渠遭到損壞、溢洪道受損、重點(diǎn)排水結(jié)構(gòu)周邊出現(xiàn)山體滑坡等也是常見(jiàn)險(xiǎn)情。另一種則是外部危險(xiǎn),常出現(xiàn)在連環(huán)壩和三種類(lèi)型的危險(xiǎn)壩上。小型河流壩系工程的建設(shè)環(huán)節(jié),通常在滯洪設(shè)計(jì)中出現(xiàn)片面,如連環(huán)壩中防洪工程中,上下游壩的建設(shè)僅將控制流域的汛期水流量考慮在內(nèi),但當(dāng)上游大壩的泥沙庫(kù)容高于設(shè)計(jì)值時(shí),上游和下游的淤地壩則都成了險(xiǎn)壩。人員密集的學(xué)校、工廠、主干線和居住區(qū)都在三類(lèi)病險(xiǎn)淤地壩的下游區(qū)域,一旦出現(xiàn)潰堤,將為人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大威脅
淤地壩能夠起到遏制黃土高原水土流失的作用,為退耕還林成果的鞏固以及生態(tài)環(huán)境的改善做出了巨大貢獻(xiàn)。目前,消除和加強(qiáng)危險(xiǎn)流域大中型水庫(kù)工作已基本完成,但事實(shí)上,大多數(shù)淤地壩需要在汛期蓄水?dāng)r截沉積物,這與小型水庫(kù)的作用十分相似。由于淤地壩在修建過(guò)程中與小型水庫(kù)建設(shè)方式仍有出入,工程量不足、投資太小、施工標(biāo)準(zhǔn)低,這些都導(dǎo)致了淤地壩實(shí)際施工成效的差強(qiáng)人意,并且后期除險(xiǎn)維護(hù)管理工作的缺位,使得淤地壩攔阻流失水土的功能大大降低。部分淤地壩施工早、設(shè)計(jì)差、工程質(zhì)量低、壩體設(shè)施差、病險(xiǎn)壩占比大,急需采取風(fēng)險(xiǎn)處置措施。大部分淤地壩為當(dāng)?shù)厝嗣褡园l(fā)修建,缺乏專(zhuān)業(yè)建設(shè)工藝和后期管理方法,壩體密實(shí)度低,塌陷裂縫多見(jiàn),施工質(zhì)量不高。常見(jiàn)的問(wèn)題包括以下類(lèi)型:首先部分淤地壩選址不合理,下游地區(qū)存在居民區(qū)、主干道和電信設(shè)施,汛期面臨較大壓力,承擔(dān)極大責(zé)任;其次相比于水庫(kù)、江河流域,各級(jí)政府均缺乏對(duì)淤地壩運(yùn)轉(zhuǎn)情況檢測(cè)的認(rèn)識(shí),無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估問(wèn)題出現(xiàn)帶來(lái)的嚴(yán)重影響,缺乏具體的應(yīng)急預(yù)案,應(yīng)急物資配備不足,應(yīng)急小組未組建等;再次無(wú)法實(shí)現(xiàn)常態(tài)化管理防護(hù)。壩體施工水平低,壩體薄,壩體斜坡角度過(guò)大且壩體高度不足;個(gè)別地方?jīng)]有設(shè)置溢洪道,防洪及泄洪能力欠缺;壩體相關(guān)排水管破裂、出現(xiàn)裂縫;淤地壩堰體未覆蓋,斜坡坍塌,淤塞;最后防汛壓力大。日常管理防護(hù)經(jīng)費(fèi)短缺,使淤地壩管護(hù)工作難以落實(shí),即使有些壩體出現(xiàn)損壞也難以第一時(shí)間維修,安全隱患逐漸加劇。一旦汛期來(lái)臨,可能帶來(lái)難以估量的后果。目前,小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作被提上了國(guó)家水利會(huì)議的議程,希望國(guó)家在加強(qiáng)小水體水庫(kù)安全的計(jì)劃中列入淤地壩的管護(hù)工作,并推動(dòng)順利組織實(shí)施,確保其正常運(yùn)行。截至目前,大中小水庫(kù)的加固工作已基本完成,小型水庫(kù)的相關(guān)工作也將進(jìn)一步開(kāi)展[3]。
在加強(qiáng)淤地壩除險(xiǎn)加固工程所采取的措施中,除了興建個(gè)別設(shè)有壕溝的淤地壩外,還包括小型集水區(qū)大壩的建設(shè),重要的是要制定淤地壩科學(xué)合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),為了最大化現(xiàn)有資源的利用率布置泄洪道,高效運(yùn)用當(dāng)下工程庫(kù)容和壩體高度,有效計(jì)算壩系泄洪和調(diào)洪量,是思考如何幫助淤地壩除險(xiǎn)、提高防洪效率的重要課題。
在任何建筑工程中,設(shè)計(jì)都占據(jù)著重要地位,淤地壩不同于常見(jiàn)的建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),需要參考的內(nèi)外部環(huán)境因素眾多,不能夠掉以輕心。但縱觀當(dāng)下淤地壩建設(shè)流程,不難看出,許多大壩并沒(méi)有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選址,也沒(méi)有對(duì)壩體坡度進(jìn)行穩(wěn)定性分析,導(dǎo)致坡度并不能提供安全保障,經(jīng)濟(jì)投入較大的偏緩也存在著諸多問(wèn)題,更別說(shuō)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行淤地壩可行設(shè)計(jì)了。
壩體裂縫常見(jiàn)橫向和縱向兩種類(lèi)型。在水的作用下迎水坡常出現(xiàn)縱向裂縫,淤地壩間則常出現(xiàn)橫向裂縫,由于在淤地壩運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)淤地壩裂縫需再次進(jìn)行經(jīng)濟(jì)投入,因此常被人為忽視,無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和修復(fù),存在極大安全隱患。
淤地壩多為黃土高原地區(qū)人民自行修建,缺乏相關(guān)建設(shè)技術(shù),施工標(biāo)準(zhǔn)低,各類(lèi)隱患凸顯,因此施工質(zhì)量難以保證。如果后期使用中缺乏常態(tài)檢測(cè)修復(fù),便不能保證淤地壩發(fā)揮應(yīng)有作用。
新增淤地壩投入成本,既不能有效利用現(xiàn)有的大壩資源,又缺乏維護(hù)資金,導(dǎo)致日常運(yùn)行和維護(hù)不到位,問(wèn)題加劇,大規(guī)模建設(shè)也會(huì)有損水源??购榱Χ炔粔?,淤地壩險(xiǎn)情無(wú)法及時(shí)排除,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)收益難以見(jiàn)到。
大壩高度的適當(dāng)增加將大大提高蓄水能力,加強(qiáng)防汛能力。淤地壩淤泥灌注后應(yīng)從當(dāng)下出發(fā),考慮到長(zhǎng)遠(yuǎn)的生產(chǎn)需求。一般地,壩地在用于耕種時(shí)并不進(jìn)行蓄水作業(yè),可以通過(guò)全面規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì),確定標(biāo)準(zhǔn)壩高,分期進(jìn)行壩體高度的提升。壩前加高可以顯著減少施工壓力。根據(jù)攔泥量和蓄洪容積要求設(shè)計(jì),用于制動(dòng)和延遲洪水。在實(shí)踐中確定了土壩的三種抬高方法,即騎馬式、壩前式和后抬式。提升方式在碾壓和水力兩種方法中任選其一。沙性粉質(zhì)土壤透水性能強(qiáng)且容易固結(jié),當(dāng)壩前為這種土壤時(shí)可以不覆蓋重質(zhì)體。另一方面,當(dāng)壩前土粘粒含量超過(guò)百分之二十,滲水性能偏低且較松散,就需要對(duì)重質(zhì)土體的厚度和長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。如果地形條件不適合從壩前的儲(chǔ)水處增加高度,那么就必須安裝蓋重體并對(duì)防滑穩(wěn)定性能進(jìn)行計(jì)算,也可采用騎馬式或利用壩后進(jìn)行貼坡,但由于大壩的高度有限,貼坡需要大量的土方投入,經(jīng)濟(jì)效能差,而騎馬式則利用老坡體作為平穩(wěn)過(guò)渡,在舊大壩基礎(chǔ)上提高,這就需要分析新舊壩的接觸面和舊壩表面的防滑性能[4]。
黃土高原土壤較松散,在流水的長(zhǎng)期侵蝕下就容易形成侵蝕溝。傳統(tǒng)耕種方法是繞開(kāi)侵蝕溝,用植物覆蓋的方式對(duì)溝體進(jìn)行填充,避免水流集中造成侵蝕情況進(jìn)一步惡化。淤地壩不僅防止水土流失,農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分也是由它提供,可以將不適宜耕種的土地轉(zhuǎn)化為良田。只有后續(xù)跟上科學(xué)的防護(hù)手段,才能保證在洪峰過(guò)境后仍然保證農(nóng)作物不受到較大損傷,因此淤地壩增減排水系統(tǒng)是不可忽視的。
在中型和大型淤地壩附近生活的居民,雨季期間可能隨時(shí)都生活在坍塌、泥石流和洪水的威脅之下,基于此,必須特別注意加強(qiáng)溢漏,修建泄洪道,提高水土綜合治理能力。相關(guān)部門(mén)也應(yīng)進(jìn)一步提升居民的安全意識(shí),及時(shí)向有關(guān)部門(mén)報(bào)告問(wèn)題,提高問(wèn)題解決效率,確保淤地壩發(fā)揮出最大作用。
如果土地條件允許可以追加投資,減少在建工程受到的限制。如果土壤和地質(zhì)條件能夠保證開(kāi)挖量較小,則可通過(guò)少量開(kāi)挖工作延長(zhǎng)拓寬原有泄洪道。也可考慮在投資較少的情況下增加泄洪道,但泄洪流量不宜過(guò)量增加,以免增加下游河流的負(fù)荷。在不降低堰頂上升的情況下提高防洪標(biāo)準(zhǔn)也是增加泄洪量、提升防洪能力的有力措施。例如,相比于易出現(xiàn)問(wèn)題的壩體單純加高,可以考慮將壩體加高與增設(shè)泄洪道相結(jié)合的方式。進(jìn)行庫(kù)區(qū)移民或進(jìn)行其他建筑物的重建是更加穩(wěn)妥的方法。既能提高淤地壩防洪能力,又無(wú)須增加泄洪道。
此外,泄洪道的設(shè)計(jì)要保證其出口處遠(yuǎn)離壩體。如過(guò)于靠近壩體,水流較急會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的共振現(xiàn)象,原有的砌護(hù)厚度和高度都無(wú)法保證壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,會(huì)導(dǎo)致泄洪道的劇烈振動(dòng)。一些泄洪道采用低質(zhì)量砂漿或混凝土砌體進(jìn)行保護(hù),也會(huì)嚴(yán)重影響整體工程質(zhì)量。如果輸入段未得到有效保護(hù),底部缺乏反濾排水系統(tǒng),則極易坍塌。由于水流在曲線流態(tài)和流勢(shì)中易出現(xiàn)劇烈變化,很容易造成兩側(cè)水面的差異,泄洪中沖蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,當(dāng)泄洪道出現(xiàn)曲線時(shí),凹岸的水面受阻,下游銜接處會(huì)產(chǎn)生折沖水流,這顯著降低了泄洪道的泄流能力[5]。
淤地壩可以在水土流失嚴(yán)重的任何地形地貌中起到良好作用,為改善人民生活品質(zhì)、增加糧食產(chǎn)量和減少洪澇災(zāi)害創(chuàng)造了極大價(jià)值,顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益,是值得長(zhǎng)期關(guān)注的民生工程。通過(guò)對(duì)淤地壩工程的分析判斷,在可持續(xù)發(fā)展的政策下,也能夠提高生態(tài)效益。在修筑農(nóng)田、生態(tài)恢復(fù)的同時(shí),淤地壩也可以提升社會(huì)效益,成為黃土高原的靚麗風(fēng)景。