黄土高原水土保持骨干坝设计中存在的问题与建议

王英顺，王 楠，樊 冰

(1.黄河上中游管理局，陕西西安710021;2.黄河职工疗养院，陕西 临潼710600;3.黄河上中游管理局 规划设计研究院，陕西西安710021)

近年来，受全球气候变化影响，黄土高原地区呈现局地暴雨频发、因灾损失加剧的趋势。淤地坝分布在黄土高原的千沟万壑，建设与管理方式多样，运行情况复杂。2010年水利部印发了《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》(水保［2010］455号)(以下简称《意见》)，对淤地坝的建设管理提出了明确的要求，尤其是随着国家关于加快水利改革发展决定的贯彻落实和新水土保持法的颁布实施，各地淤地坝工程建设科学、安全发展的意识显著提高。因此，水土保持骨干坝设计中如何实现枢纽布局与工程设计的科学合理，是当前应该抓紧解决的关键问题。

1 水土保持骨干坝枢纽组成的新要求

2010年《意见》明确了水土保持骨干坝应由坝体、放水工程、溢洪道“三大件”组成;未经论证，不得建设没有溢洪道的“两大件”骨干坝;对现有已建成的“两大件”骨干坝，要逐坝进行论证，需设置溢洪道的，要抓紧按照“三大件”的标准进行改建加固。

2011年以来，各地认真贯彻落实水利部《意见》精神，在新建淤地坝工程设计中全面实施了“三大件”标准。但是，受长期以来“两大件”工程规划与设计思维模式的制约，在放水工程与溢洪道的设计中存在薄弱环节，需要在今后的工程规划设计中予以解决，以促进水土保持骨干坝规划设计技术的不断完善。

2 水土保持骨干坝设计中存在的主要问题

随着水土保持骨干坝枢纽组成“三大件”工程的全面实施，在工程设计环节出现了一些新问题，主要表现在放水工程规模偏大、溢洪道结构设计采用的洪水标准偏高、坝体稳定计算工况设定不符合实际等。

2.1 放水工程规模偏大

骨干坝枢纽组成提升为“三大件”后，有相当一部分设计人员在设计放水工程时延续了“两大件”时期的设计思路，致使放水工程的规模偏大、投资偏多、运行管理不便。

2.2 溢洪道结构设计采用的洪水标准偏高

骨干坝枢纽组成提升为“三大件”后，在溢洪道布设时，通常是将溢洪道进口高程设计得与设计淤积高度相同，即溢洪道应按照设计洪水进行结构尺寸设计，并按照校核洪水进行结构尺寸校核，但有相当一部分设计人员直接采用校核洪水进行溢洪道及其消能设施的结构尺寸设计。这样就会导致工程结构尺寸偏大、投资偏高，也会给工程运行带来一定的安全隐患。

2.3 坝体稳定计算中的条件设定不符合实际

坝体稳定计算是坝体断面设计的一个重要环节。稳定计算的前提是要进行坝体渗流计算，以确定坝体土料的物理力学参数，而渗流计算的前提是设定坝体的运行条件——正常水位和非正常水位。然而，在“三大件”条件下，骨干坝的正常水位和非正常水位如何确定，目前尚无定论。部分设计人员提出将正常运用条件设定为死水位+一次设计洪水总量对应的水位，将非正常运用条件设定为设计淤积高程+一次设计或校核洪水总量对应的水位，显然这种设定方法值得商榷。

3 几点建议

3.1 “三大件”条件下的放水工程设计思路

3.1.1 现行规范对放水工程设计的规定

《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)(以下简称《规范》)对放水工程的设计做了如下规定:放水工程的泄水量一般按坝地防洪保收的要求确定，如有灌溉任务，还应考虑来水量和需水量的要求;放水流量一般按3～5天排完10年一遇洪水总量，或按4～7天排完一次设计洪水总量计算。

3.1.2 对现行规范规定的解读

2003—2010年，各地在工程设计中普遍采用《规范》规定的设计思路确定放水工程的规模。由于这一时期修建的骨干坝普遍采用了“两大件”的枢纽组成形式，放水工程的主要任务是防洪保收，兼顾灌溉和放空坝内蓄水，本身并没有泄洪任务，因此规范做出了“放水流量一般按3～5天排完10年一遇洪水总量计算”的规定。另外，“两大件”工程没有溢洪道，在流域出现连续暴雨洪水的情况下，其防御洪水的能力较差。为了缩短坝内蓄水的泄放时限，为迎接二次洪峰的到来尽量多地腾出库容，现行标准还做出了放水工程的放水流量也可“按4～7天排完一次设计洪水总量计算”的规定，目的在于尽量提高骨干坝防御连续暴雨洪水的能力。

3.1.3 “三大件”条件下的放水工程设计思路

根据“三大件”要求，骨干坝枢纽组成建筑物的分工更加明确和具体，由溢洪道承担泄洪任务，而放水工程的作用主要是在蓄水达到设计淤积高程之前，坝地种植作物的防洪保收，兼顾灌溉和放空坝内蓄水。溢洪道的配置使得放水工程不必为迎接二次洪峰尽快放空库容而加大放水工程的放水流量标准，即可以在规范规定的范围内适当降低放水工程的设计流量。为此，建议在骨干坝枢纽组成为“三大件”的条件下，放水工程的设计流量应按3～5天排完10年一遇洪水总量来确定。

3.1.4 设计思路调整的意义

单从数量上来讲，也许有人认为这种思路调整的差别不大，但是在工程设计与运行管理中确实有着十分重要的意义:一是在设计层面上，进一步明确了骨干坝放水工程的作用是保证坝地达到设计淤积高程之前种植作物的防洪保收，而枢纽工程的防洪保安则是由溢洪道来承担的;二是在应用层面上，适当调低放水工程的设计流量可以减小卧管放水孔的直径和卧管的开启台数，有利于骨干坝的运行管护。如内蒙古准格尔旗尔架麻小流域乌兔右沟骨干坝控制流域面积3.08 km2，设计坝高31.5 m，枢纽由“三大件”组成，设计洪水和校核洪水分别为30年和300年一遇，设计和校核洪水总量分别为19.55万m3和43.99万m3。按4日内排完30年一遇的一次洪水总量计算，所需卧管放水孔直径为31 cm，需同时开启3台放水孔放水;若按4日内排完10年一遇的一次洪水总量计算，在同样条件下，所需卧管放水孔直径为24 cm，从而大大改善卧管开启的运行条件。

有工程运行管理经验的人员都知道，按照骨干坝的运用要求，为了保证放水涵洞中水的无压流状态，在坝内无水的情况下，卧管放水孔是不能处在打开状态的。只有坝内蓄水后，才能由上及下，按照设计要求的开启孔数打开放水。在水压力和水流吸力的共同作用下，在水下开启卧管盖板的难度相当大，因而减小放水孔的直径对方便管护人员的运行管理具有十分重要的意义。

3.2 溢洪道设计

3.2.1 溢洪道的设计洪水与校核洪水

有些骨干坝在设计时采用校核洪水进行溢洪道设计，这显然是不合适的。按照《规范》，骨干坝库容在50万～100万m3的，设计和校核洪水标准分别为20～30年一遇和200～300年一遇;库容在100万～500万m3的，设计和校核洪水标准分别为30～50年一遇和300～500年一遇。在黄土高原地区，一般校核洪水的洪水总量为设计洪水总量的2倍左右。采用校核洪水进行溢洪道设计，会造成溢洪道的结构尺寸偏大、投资偏高、经济合理性欠佳等。

《规范》明确规定，溢洪道“泄槽边墙高度应按设计流量计算，高出水面线0.5 m，并满足下泄校核流量的要求”。因此，在进行溢洪道设计时，应分别进行设计和校核洪水的调洪演算和水面曲线的推求，采用设计洪水进行溢洪道泄槽高度的设计，采用校核洪水进行溢洪道泄槽高度的复核，最终确定溢洪道泄槽的结构尺寸。由于二者分别为正常和非正常运用情况，其结构尺寸的取值和安全超高的要求不同(设计洪水条件下需加0.5 m的安全超高，校核洪水条件下没有安全超高的要求，但侧墙高度必须大于等于校核洪水的水面高度)，必须通过设计和校核两个环节才能合理确定溢洪道的泄槽高度。还以内蒙古准格尔旗尔架麻小流域乌兔右沟骨干坝为例，按校核洪水设计的溢洪道泄槽起始断面、陡坡起始断面和陡坡末端的边墙高度分别为1.90、1.74 和0.92 m，按设计洪水设计的溢洪道泄槽边墙高度分别为 1.40、1.24 和0.72 m。

3.2.2 溢洪道消能设施的设计洪水标准

有些骨干坝在溢洪道设计时，包括消能设施的结构尺寸均采用校核洪水进行设计。黄土高原地区许多沟道没有基岩出露，因此溢洪道需要修建在黄土或沙砾等软基上，并且普遍采用溢洪道陡坡末端消力池消能。在这种情况下采用校核洪水进行溢洪道消能设计，计算出的消力池结构尺寸往往很大。如陕西省神木县暖水沟小流域东沟岔骨干坝，控制流域面积3.57 km2，设计坝高32.0 m，枢纽由坝体、放水工程和溢洪道“三大件”组成，设计洪水和校核洪水分别为30年和300年一遇，设计和校核洪水总量分别为25.04万和56.57万m3，按校核洪水计算出的尾水消力池长、宽、深分别为 21.50、8.10、4.68 m，按30年一遇设计洪水计算出的消力池长、宽、深分别为11.50、8.00、2.70 m。

根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2000)的规定，“溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准:一级建筑物按100年一遇洪水设计;二级建筑物按50年一遇洪水设计;三级建筑物按30年一遇洪水设计”。显然，作为以库容50万～100万m3的五级建筑物为主(少量100万m3以上的骨干坝的溢洪道为四级建筑物)的水土保持骨干坝的溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准是不高于30年一遇的。因此，采用200或300年一遇的校核洪水标准进行溢洪道消能防冲设计，势必会造成工程规模的不必要扩大和工程投资的浪费，既不经济又不合理。同时，《溢洪道设计规范》还提出，“对超过消能防冲设计标准的洪水，允许消能防冲建筑物出现部分破坏，但不应危及大坝及其他主要建筑物的安全，且易于修复，不得长期影响枢纽运行”;“消能防冲建筑物的校核洪水标准可低于溢洪道的校核洪水标准，应根据枢纽布置及泄洪对枢纽安全的影响程度具体选定。但消能防冲建筑物的局部破坏危及大坝及挡水建筑物安全时，应采用与大坝及挡水建筑物相同的校核洪水标准进行校核”。

综上，笔者建议，水土保持骨干坝溢洪道的消能防冲建筑物应按枢纽的设计洪水标准进行设计，并按允许消能防冲建筑物出现部分不危及大坝安全的局部破坏校核溢洪道消能防冲建筑物的安全性。

3.3 坝体稳定计算条件的设定

3.3.1 正常运用条件下坝前水位的设定

一直以来，淤地坝正常运用条件下坝前水位的确定是一件悬而未决的事情。这是因为，各类淤地坝的设计运行条件为“滞洪排清”，并且要求即便是设计洪水也要在4～7天内通过放水工程排泄到下游，保持空库运行。因此，严格地讲，淤地坝并不存在正常运行条件下的蓄水问题，也就没有正常运行条件下的坝前水位的问题。在水土保持骨干坝“两大件”为主的工程设计中，对下游有灌溉要求的工程，可以根据上游来水量与下游灌溉用水量分析确定正常运用条件下的坝前水位，并以此作为坝体渗流计算的条件。

在“三大件”枢纽结构中，坝前正常水位的设定一般分为以下两种情况，设计人员应根据工程具体情况合理选用。一是没有蓄水要求的工程。此类工程按照运行要求，坝内不蓄水，卧管最低进水口以下的来水无法排泄出去，往往会形成稳定的渗流，因此可以将卧管最低进水口高程设定为正常运用条件下的坝前水位。二是有蓄水要求的工程。此类工程往往上游沟道有长流水，下游又有沟台川地或坝库两岸附近有川台地，正常运用条件下坝前水位的设定应根据上游来水量与下游灌溉用水量分析确定，但其最高水位不应高于设计淤积高程，即溢洪道宽顶堰的堰顶高程。

3.3.2 非正常运用条件下坝前水位的设定

关于非正常运用条件下坝前水位的设定，有人提出采用坝体设计洪水位或校核洪水位作为非正常运用条件下的坝前水位。这种设定是否合理呢?我们先来分析一下黄土高原地区暴雨洪水特征和水土保持骨干坝的控制面积。大量的实测资料表明，黄土高原地区暴雨洪水具有历时短、强度大、峰高量小的特点，洪水过程线表现为尖瘦型，加之水土保持骨干坝控制流域面积较小，一般为3～5 km2，使得洪水的陡涨陡落表现得更加明显。在“三大件”枢纽结构条件下，暴雨产生的洪水会使坝内洪水位快速上涨，当洪水位超过溢洪道堰顶高程后，溢洪道开始泄洪，并随着水位的快速上涨很快达到泄水流量的峰值。一般来说，坝前水位在数小时内完成涨落过程，而这期间坝体并不能形成稳定的渗流状态。因此，不宜采用设计或校核洪水位作为非正常运用条件下的坝前水位。

笔者建议将非正常运用条件下的坝前水位设定为溢洪道的堰顶高程，理由如下:一是在“三大件”枢纽结构条件下，由于溢洪道均为开敞式溢洪道，在溢洪道堰顶高程以上不能形成稳定水位和渗流关系，但按照放水工程运用要求，卧管在洪水到来之前是处于关闭状态的，如不能及时打开卧管放水孔放水，就可能形成与该水位对应的渗流状态。二是在洪水位达到溢洪道堰顶高程之前，暴雨洪水中携带的大量柴草等漂浮物在水流和风力等因素的共同作用下，可能造成放水工程进水口堵塞而不能正常放水。2010年汛期，笔者参与了甘肃省平凉市“7·22”暴雨洪水对淤地坝的影响调查，平凉市灵台县景家沟骨干坝在暴雨洪水中就出现过因柴草等漂浮物堵塞卧管进水口，导致放水工程无法放水的险情，好在当时暴雨洪水量不是很大，坝前水位不是很高，才未造成工程损坏。

事实说明，即便是有完好的放水工程，也可能会因为漂浮物等，造成放水工程的应用不正常，而这种情况的最不利组合出现在洪水位达到骨干坝溢洪道的堰顶高程处时，因此将溢洪道堰顶高程作为非正常运用条件下坝前水位是合理的。

(注:大中型淤地坝称为骨干坝，又称治理骨干工程)