黄土高原地区病险淤地坝除险加固探讨

王志坚

(山西省水土保持项目管理中心，山西 太原 030002)

黄土高原地区病险淤地坝除险加固探讨

王志坚

(山西省水土保持项目管理中心，山西 太原 030002)

[关键词]水土保持；淤地坝；除险加固；山西；黄土高原

[摘要]淤地坝是在黄土高原水土流失区各级沟道内修建的控制沟道侵蚀的一项重要工程措施，具有悠久的建设历史。但受投资规模的限制，加之过去普遍存在少花钱、多建坝、快拦泥、多淤地的思想，建成的淤地坝多为大坝和放水建筑物“两大件”，没有泄洪设施。随着经济社会的发展，人们对防灾抗灾减灾和安全生产工作提出了越来越高的要求，保障淤地坝安全运用变得越来越有必要。为搞好淤地坝安全运用，就病险淤地坝除险加固初步设计中的设计标准、溢洪道布设、坝系洪水组合、坝高和库容等问题进行了探讨。

淤地坝是在黄土高原水土流失区各级沟道内修建的控制沟道侵蚀、拦泥淤地、充分利用水沙资源、减少入黄泥沙、把荒沟变成良田、改善群众生产生活条件、增加粮食产量的水土保持沟道治理工程，是治理千沟万壑的一项重要工程措施，在黄土高原具有悠久的发展历史。

1山西省淤地坝建设现状

淤地坝建设在山西省已有400多年的历史，早在明朝万历年间，汾西县就有打坝造地的记载。新中国成立后，不少地方吸取前人经验，广泛开展了淤地坝建设，但大部分是小多成群，缺乏骨干性控制工程。真正大规模地建设淤地坝是20世纪80年代以后，黄委会在山西省持续实施了治沟骨干工程，山西省也在汾河水库上游同步实施了“拦沙保库，淤地坝先行”的治理项目。特别是自水利部把淤地坝作为三大“亮点”工程之一和山西省委、省政府把淤地坝作为六大“兴水战略”工程之一以来，山西省的淤地坝工程建设得到了长足发展，建成了一大批坝系工程。截至2014年底，山西省已在10市63县建设中型以上淤地坝2 014座，其中骨干坝1 183座、中型坝831座。这些淤地坝的建成并投入使用，促进了农村产业结构调整、农民脱贫致富，为退耕还林提供了保障，受到广大群众的欢迎，得到了各级领导的重视和充分肯定。

2中型以上病险淤地坝安全认定情况

大量中型以上淤地坝和坝系工程建设，使淤地坝安全运用状况有了一定改善，但由于淤地坝数量大，多位于交通不便地方，没有常设的管理机构，加之受投资规模的限制，以及少花钱、多建坝、快拦泥、多淤地的思想影响，这些淤地坝工程大多为大坝和放水建筑物“两大件”，没有泄洪设施。特别是经济社会发展对防灾抗灾减灾和安全生产工作提出了越来越高的要求，保障淤地坝的安全运用变得越来越有必要。为进一步搞好淤地坝的安全运用，2015年4月水利部下发了《关于开展中型以上病险淤地坝认定和除险加固初步设计工作的通知》。按照《黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定暂行办法》，经核查，山西省中型以上病险淤地坝共有1 020座，涉及9市48县，其中骨干坝729座、中型坝291座。在1 020座中型以上病险淤地坝中，急需除险加固的有863座，其中骨干坝628座、中型坝235座。在急需除险加固的863座病险坝中，大坝运行正常，工程管护良好，但淤地坝为大坝和放水建筑物“两大件”、无配套的泄洪建筑物，从安全角度考虑，需增设泄洪建筑物的有659座；坝体、放水建筑物、泄洪建筑物完整性发生变化或出现损毁，存在较严重安全隐患，须进行除险加固的有204座。

3除险加固设计中有关问题探讨

本次除险加固的病险淤地坝，既有支沟内的单独淤地坝工程，也有小流域坝系工程，如何科学合理地确定各坝的设计标准，依据现有条件布设溢洪道，做好坝系洪水组合和调洪计算，充分利用已有工程的坝高和库容，是除险加固设计中要研究和探讨的重要课题。

3.1设计标准

淤地坝设计标准根据建筑物级别来确定。以前山西省建设的淤地坝大多为“两大件”，在设计标准上基本按单坝考虑。库容在100万m3以上的骨干坝，主要建筑物级别按一级设计，防洪标准按30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核；库容在50万～100万m3的骨干坝，主要建筑物级别按二级设计，防洪标准按20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核；库容在10万～50万m3的中型淤地坝，主要建筑物级别按三级设计，防洪标准按20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。

本次对单独支沟中建设的骨干坝，以及位于支沟最上游、下游有骨干坝的中型淤地坝，仍按上述设计标准进行除险加固，它们符合有关规范和政策要求，可以保持原有设计标准。对单独支沟中建设的中型淤地坝，根据水利部《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)的要求，主要建筑物级别应按二级设计，防洪标准相应提高到20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核。

对坝系工程中需要除险加固的中型以上病险淤地坝，其设计标准不仅应符合上述原则，还应考虑与其相关的淤地坝设计标准。从安全角度考虑，在坝系中如有部分骨干坝主要建筑物级别按一级设计，防洪标准按30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核，那么与其串联的相关大中型淤地坝设计标准均应按此标准进行设计。否则，一旦发生校核洪水，那么这些串联在按一级标准设计的骨干坝之间的中型淤地坝及主要建筑物按二级设计的骨干坝，必将发生溃坝。对与此无关的骨干坝和中型淤地坝，其主要建筑物可以按二级设计，防洪标准按20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核。

3.2溢洪道的布设

溢洪道通常布设在开挖量最小、地质条件最好的有利地形上，进、出口附近的坝坡和岸坡应有足够的稳定性。一般采用陡坡式溢洪道，溢流段采用矩形断面；泄槽段采用矩形或梯形断面，但不得布置在弯道上，底坡不要出现变坡；泄槽下泄流速超过6 m/s时，用混凝土衬砌底板；泄槽边墙高度按设计洪水下泄流量计算，加上0.5 m安全超高，要满足下泄校核洪水流量的要求。

山西省煤炭资源丰富，有部分淤地坝处于采空区，黄土覆盖厚度不均一，部分病险淤地坝所在沟道黄土覆盖较浅、沟底基岩裸露；有的淤地坝坝体两岸坡度较陡，建设“两大件”淤地坝条件尚可，但要增设溢洪道改建成“三大件”，挖方工程量很大。为此，从确保安全运用、缩短高水位持续时间和减少工程量、降低工程投资角度考虑，对位于采空区的、沟道底部有基岩出露的、坝体两岸岸坡较陡的病险淤地坝，应修建深窄式溢洪道。当坝体两岸坡度较陡时，溢洪道布设时可适当靠近坝肩，但必须确保溢洪道附近的坝坡和岸坡有足够的稳定性，并在靠近坝体一侧采取可靠的防护措施。

3.3坝系洪水组合

坝系洪水组合既是坝系调洪计算的关键，也是确定工程规模、控制工程投资的重要依据。由于过去大中型淤地坝的建设思路是高坝大库、库容制胜，设计标准内的洪水全拦全蓄，而枢纽组成多为“两大件”，即使有个别骨干坝按“三大件”布设，其溢洪道设计也没有按坝系全面考虑洪水组合及调洪计算。因此，目前在有关淤地坝和骨干坝的国标、行标和省标中，没有一个按坝系工程系统考虑处于不同位置的大中型淤地坝的洪水组合及调洪计算，只考虑了该工程上游有骨干工程时的洪水组合。

就除险加固而言，对坝系工程洪水组合可按两种情况考虑。一是位于支沟上游，拟除险加固的骨干坝上游仅有中型淤地坝。由于中型淤地坝的设计标准较低，因此该骨干坝除险加固设计时可不考虑上游中型淤地坝的洪水组合，按其上游总面积进行单坝调洪计算。二是对位于除险加固骨干坝下游串联的大中型淤地坝，特别是中型淤地坝，当上游骨干坝泄洪后，下游串联的大中型淤地坝的洪水组合就是区间洪量和上游淤地坝下泄洪量之和。因此，串联的大中型淤地坝洪水组合均应按区间洪量和上游各坝在同一时段的下泄洪量共同组合计算，这样就不会出现因上游骨干坝泄洪而导致其下游中型淤地坝溃坝问题，最终形成较为稳定的沟道坝系工程的梯级开发利用和沟道排洪体系。

3.4坝高和库容

对新建淤地坝而言，坝高由拦泥坝高、滞洪坝高和安全超高三部分组成，其相应的坝顶高程为校核洪水位加安全超高。对旧坝除险加固而言，由于现有坝高已定，因此根据坝高-库容曲线，其总库容也不应发生变化。而滞洪坝高等于溢流堰堰上最大过水深度，在设计标准确定的情况下，由此反推的拦泥坝高比原设计拦泥坝高要高，也就是说，除险加固后的拦泥库容一般比原设计的拦泥库容要大。

目前需要除险加固的大多数淤地坝的淤积高程尚未达到设计淤积高程，一般不需要增加坝高，库容也基本保持原有库容。但因调洪计算时，必须先通过假设溢流堰底坎高程(即除险加固后的拦泥高程或溢洪道起调水位高程)进行调洪计算，直到假定的溢流堰底坎高程加上溢流堰堰上最大过水深度和安全超高，与原有坝顶高程相吻合为止，这一过程往往需要进行几次试算，且达到完全吻合的计算量也比较大，因此在进行除险加固设计时，允许除险加固后库容与原有库容有少许误差，通常这一误差不超过5 000 m3,此时对安全超高的影响不会超过10 cm。

对现有淤积高程已超过设计淤积高程的淤地坝，可能存在以现有淤积高程作为溢流堰底坎高程进行调洪计算，剩余库容不满足滞洪库容要求的情况，需要对该坝进行坝体加高，加高方案一般采取在上游现有淤面上加高坝体。

4结语

对黄土高原中型以上病险淤地坝统一进行除险加固在全国尚属首次。由于每座淤地坝存在的问题不一样，坝址地形条件也千差万别，在坝系中所处的位置也不相同，加之国标、行标和省标中没有规范和系统的设计办法，因此具体设计中还有许多问题需要研究探讨，这就要求我们在实践中不断研究新情况、解决新问题、总结新经验、探索好办法，丰富和完善坝系工程建设理论，推动坝系建设规范的编制，指导病险淤地坝除险加固初步设计，为淤地坝安全运用提供有力的技术支撑。

(责任编辑孙占锋)

[中图分类号]S157

[文献标识码]C

[文章编号]1000-0941(2016)05-0014-03

[作者简介]王志坚(1963—)，男，山西临猗县人，教授级高级工程师，硕士，长期从事水土保持项目设计和管理工作。

[收稿日期]2016-02-20