淤地坝除险加固采用封闭式溢洪道方案探讨

王泽鹏

(山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心，山西 太原030002)

山西省地处黄土高原东部，丘陵山地面积占到总土地面积的80%以上，水土流失十分严重。长期以来，广大山区群众在治理水土流失的实践中建造了淤地坝，在沟道内淤成了大量的土质肥沃、连年高产的沟坝地，为解决山区群众温饱和稳定脱贫发挥了重要作用。目前，山西全省已建成大中型淤地坝2 035座，在拦蓄洪水泥沙，减轻下游危害，淤泥造田，促进增地增产增收，拦蓄洪水径流，发展灌溉，补充地下水，以坝代路、改善交通状况等方面发挥了重要作用。但随着使用时间的延长，加之管理不善，有不少的淤地坝存在安全隐患，急需除险加固。

1 大中型淤地坝除险加固的必要性

按照《水利部办公厅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》(办水保〔2015〕90号)，2015年11月山西省组织各市县对中型以上淤地坝进行了认定，共认定中型以上病险淤地坝1 020座，并由认定单位出具了病险认定报告书，提出了加固方案。淤地坝病险的原因主要有：

(1)部分已经淤满。建于20世纪80年代的淤地坝，经过30多年的运行，有的已经淤满，为保证淤地坝正常运行，坝地正常发挥效益，这些淤地坝大多数需要增设溢洪道，防洪保收。

(2)设计理念落后。早期设计淤地坝主要考虑用大库容拦蓄泥沙和洪水，有条件的沟道均可建设淤地坝，淤地造田减少入黄泥沙，在合理的设计标准下安全运行即可，与现在的安全生产要求不相符。

(3)威胁下游安全。部分淤地坝建设后，改善了沟道的水流条件，群众认为是安全工程，并在淤地坝下游建设了重要设施，留下了安全隐患。为了确保人民群众生命财产安全，需要增设溢洪道，提高淤地坝的安全保证率。

2 现行淤地坝除险加固一般方案分析

近几年，山西省大量实施了黄土高原中型以上病险淤地坝除险加固工程，工程建设取得了明显效果。从设计方案看，90%以上的除险方案增设了溢洪道。工程建成后，整个沟道防洪能力提高，淤地坝运行更加安全，附近群众生产生活的安全进一步得到了保障。但受沟道条件限制，在布设溢洪道时存在以下几方面的问题：

(1)溢洪道布设条件不理想。由于部分布设淤地坝的沟道岸坡高陡，有的岸坡高达40～60 m，坝肩处一般有道路通过，修建溢洪道开挖量很大。以岸坡高为40 m的淤地坝为例，假设溢洪道深4.5 m，则基础需开挖5.5 m以上，总的开挖高度超过45 m。按照《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)要求土质边坡开挖不应陡于1∶1，每隔10 m设一条马道，马道宽1.5 m，假设溢洪道宽5 m，侧墙基础宽2 m，布设的溢洪道控制段离坝肩10 m，开挖水平宽度须超过60 m。若原岸坡边坡为1∶0.3，控制段按10 m长计算，仅溢洪道控制段土方开挖量就有约1.5万m3，一座淤地坝溢洪道土方开挖量需要2.5万m3以上。一些布设条件不理想的淤地坝的溢洪道土方开挖量则更大，该部分的费用甚至占到溢洪道总投资的40%以上。

(2)高陡边坡开挖完工后隐患比较多。溢洪道工程完工后，开挖形成的边坡坡面裸露，短期内很难形成植被护坡，岸坡存在坍塌隐患，影响着工程运行的安全。

(3)工程占地不好协调。淤地坝建成后，沟道水流条件改善，群众经过整理已经成为高产稳产的坝滩地。受项目区其他营利性工程建设赔偿比较高的影响，群众对淤地坝占地赔偿预期较高，工程占地很难协调，已经成为影响工程施工的主要因素。另外，溢洪道开挖土方无处堆放，也增加了占地矛盾。

(4)溢洪道影响交通。淤地坝建成后，大多淤地坝坝顶已经成为沟通两岸交通的道路，修建溢洪道后阻断了两岸交通，需要另外布设交通桥。

(5)防冻要求增加了工程量。按照《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118—2011)要求，多年冻土地区的基础底面下应设置由粗颗粒非冻胀性砂砾料构成的垫层。垫层厚度应根据多年冻土地基所采用的设计状态确定，且不应小于300 mm。对气候比较寒冷的地区，最大冻土深较大，为了防冻需要设置的垫层较厚，造成土方开挖及垫层工程量较大。

3 封闭式溢洪道可行性分析

鉴于增设溢洪道存在的问题，对部分布设正常溢洪道有困难的淤地坝在确定除险加固方案时可考虑布设封闭式溢洪道，可在一定程度上解决上述问题。

(1)减少工程开挖量。淤地坝布设在岸坡高陡的沟道内增设溢洪道时，土方开挖量较大，对坡面扰动较多，而且边坡马道排水不容易处理，对自然环境破坏十分严重。如采用封闭式溢洪道，开挖时做好临时支护，溢洪道完工后及时回填，则对边坡影响较小。

(2)解决砌石或混凝土防冻问题。山西省淤地坝主要分布在晋西北寒冷地区，部分地区最大冻土深甚至达到1.5 m以上，考虑砌石或混凝土防冻问题，需要增加垫层的厚度、宽度及长度等。如果采用封闭式溢洪道，溢洪道施工后土方回填，则垫层可以减小或者取消。

(3)改善受力条件。溢洪道由开敞式改为封闭式后，溢洪道箱涵为整体结构，全部埋于地下，两侧受力基本对称，受力条件得到改善，侧墙基础外伸长度可以适当减小，断面结构尺寸也可以适当减小，从而减少工程量。

(4)便于后续设计。溢洪道由开敞式改为封闭式后，溢洪道型式基本固定，可以根据不同的设计宽度和过水流量，将溢洪道断面尺寸分为几种模式固定下来，有利于形成标准图集，便于后续设计。也可以将溢洪道按标准模块预制，现场组装，可缩短工期，降低工程建设成本。

将开敞式溢洪道改为封闭式后，溢洪道过水过程中不能形成负压，所以在进口段要控制进水流量，在陡坡段适当加大过水断面。

4 封闭式溢洪道设计应注意的事项

(1)溢洪道箱涵的常用跨径为1.0～6.0 m，考虑到2 m以下跨径一般采用圆管涵，6 m以上跨径一般采用桥梁，封闭式溢洪道适用的跨径范围取2.0～6.0 m，一般不超过5 m为宜。

(2)考虑到填土高度大于6 m后，对地基承载力提出了更高的要求，且侧墙土压力较大，从顶板到侧墙弯矩变化较大，对顶板和侧墙的相交点受力不利。因此，封闭式溢洪道设计填土高度拟定为不超过6 m。

(3)封闭式溢洪道每隔5～8 m设沉陷缝。对于干湿交替的一般环境，钢筋混凝土的裂缝宽允许值为0.25 mm，对于Ⅰ类环境的钢筋混凝土构件，计算的最大裂缝宽度不应超过0.2 mm，因此沉陷缝宽度限制拟采用0.2 mm。结合以往施工经验，钢筋净保护层厚度取3.0 cm。

(4)涵洞与土体接触面应进行防水设计，涵洞的外层防水措施为在涵洞与土体接触部分均涂热沥青两道，每道厚度1.5 mm，涂后不再另抹砂浆。

(5)封闭式溢洪道净高不宜小于0.75 m。涵洞长15 ～30 m时，其净高不宜小于1.0 m；涵洞长30 ～60 m时，净高不宜小于1.25 m；涵洞长度大于60 m时，净高不宜小于1.5 m。将淤地坝开敞式溢洪道改为封闭式溢洪道时，应设定控制断面，严格控制溢洪道泄水流量，防止在水流通过陡坡段时局部形成负压，破坏溢洪道结构。

(6)溢洪道堰底靠上游端应设置齿墙，深宜取1.0 m，宽0.5 m；泄槽基础每隔10～15 m应设置齿墙，深0.8 m、宽0.4 m。受力分析时应考虑完建情况和设计运行情况及特殊组合(校核洪水)，并做好抗滑稳定计算等。

(7)封闭式溢洪道应避免大开挖工程，为保护基坑周边环境安全，对基坑采用临时性支挡、加固、保护与地下水控制措施。