坝系工程除险加固防洪标准与洪水组合探讨——以吉县高楼沟小流域为例

邓鹏程

（吉县水利局）

淤地坝是黄土高原地区修建的控制沟道侵蚀、拦泥淤地、减少入黄泥沙、变荒沟为良田的一项极为重要、不可替代的水土保持沟道治理工程，也是小流域水土流失综合治理的最后一道防线，对于增加粮食产量、保证粮食安全以及改善当地交通与农民群众的生产生活条件，具有十分重要的意义。吉县地处黄河中游东岸，水土流失严重，是黄土高原水土保持重点区。多年来，修建了数量较多的淤地坝，但有部分带病运行，影响当地的工农业生产与人民群众生命财产安全，开展除险加固势在必行。据调查统计，全县有中型以上的病险淤地坝40 座，其中31 座已进行除险加固，计划在2020年底对剩余的病险淤地坝全部进行加固处理。

1 高楼沟小流域坝系工程基本情况

吉县高楼沟小流域，属黄土残塬沟壑地貌。流域总面积24.27 km2，其中水土流失面积20.26 km2，占83.48%，年均土壤侵蚀模数7 370 t/km2，水土流失严重。高楼沟小流域坝系工程于2005年9月开工，2008年12月完工，共建设骨干坝4 座，中型淤地坝4 座，淤地坝工程分布见图1。坝控流域面积20.26 km2，总库容415.52 万m3，其中拦泥库容237.55 万m3，可淤地41.13 hm2。目前，该小流域坝系工程存在病险，需要加固处理。

图1 高楼沟小流域淤地坝分布

2 坝系除险加固工程防洪标准分析确定

淤地坝防洪标准，一般根据建筑物等别来确定。淤地坝工程等别、主要永久性建筑物级别及防洪标准。在2014年以前，由于吉县建设的淤地坝大都是“两大件”，故在设计上防洪标准基本都按单坝考虑。骨干坝均是库容50-100 万m3的大2 型淤地坝，主要建筑物按2 级考虑，防洪标准均按20 a 一遇洪水设计，200 a 一遇洪水校核；但对库容在10-50 万m3的中型淤地坝来说，主要建筑物均按3 级考虑，防洪标准按20 a 一遇洪水设计，50 a 一遇洪水校核。表1是淤地坝工程等别与主要建筑物设计标准，对照表1规定，高楼沟小流域坝系中单坝的防洪标准均符合要求。但是，对于坝系来讲，单依此标准就存在一定问题。

表1 淤地坝工程等别及主要永久性建筑物设计标准表

一般坝系工程在除险加固时，防洪标准按下述原则确定：对小流域单独支沟中建设的大型淤地坝，以及位于小流域支沟最上游且其下游有大型淤地坝的中型淤地坝，按表1防洪标准进行除险加固设计，符合相关规范要求，可以保持原有防洪标准不变。而对于小流域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，“在骨干坝控制区域外，一般不得建设中型淤地坝，确需建设的，必须按骨干坝标准进行设计，以提高工程建设标准”，必须提高一个级别，按大2 型淤地坝标准进行设计；对大中型淤地坝下游影响范围内有重要设施，一旦发生溃坝会造成重大损失的，根据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014）中“失事后损失巨大或影响十分严重的淤地坝工程2 级、3 级主要永久性水工建筑物，经过论证，可提高一级”的要求，永久性水工建筑物可提高一级，相应防洪标准提高一个档次。

对坝系工程中需要加固除险的病险淤地坝，其设计标准，既要符合上述原则及规定，同时还要考虑与其相关大型淤地坝的防洪标准。从防洪安全角度考虑，坝系中如有部分大1 型淤地坝，防洪标准按30 a 一遇洪水设计，300 a 一遇洪水校核，那么，其下游串联的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，设计淤地坝下游串联的大中型淤地坝将有发生溃坝并造成巨大损失的风险。而从水文、调洪计算角度考虑，设计淤地坝上游相关联的大中型淤地坝防洪标准，也应同步考虑，否则，无法进行洪水有效组合与调洪计算。因此，在坝系除险加固中，设计标准高的淤地坝，对与其相关联的上下游淤地坝设计标准均有影响，应采用一致的防洪标准。

按照上述原则与分析，结合坝系工程设计的原有防洪标准，现对高楼沟小流域坝系工程除险加固的防洪标准进行逐坝分析如下：

（1）东庄、曹家河、前坪、店坡梁4 座骨干坝，依据原防洪设计标准，按大2 型淤地坝20 a 一遇洪水设计，200 a 一遇洪水校核；

（2）北庄头中型淤地坝上游布设有店坡梁和前坪骨干坝，该中型淤地坝应由原防洪标准20 a 一遇洪水设计，50 a 一遇洪水校核，提高到大2 型淤地坝20 a 一遇洪水设计，200 a 一遇洪水校核标准；

（3）处于骨干坝上游单独支沟内的婆美、刘真、池垣3 座中型淤地坝，按原标准20 a 一遇洪水设计，50 a 一遇洪水校核，进行除险加固设计。

由此确定的高楼沟小流域坝系工程，除险加固设计防洪标准与原防洪标准情况对比见表2。从表2中可以看出，高楼沟小流域坝系工程除险加固时有1 座淤地坝（北庄头）的防洪标准需要提高。

表2 高楼沟小流域坝系除险加固设计时的防洪标准确定表

3 坝系除险加固工程设计洪水组合探讨

坝系除险加固工程设计时，考虑洪水组合是坝系调洪计算的关键，同时也是确定工程规模、控制工程投资的重要依据。2014年以前建设的大中型淤地坝，枢纽组成大多数是“两大件”，建设思路是高坝大库、库容制胜，校核标准内的洪水全拦全蓄，随后通过放水建筑物缓慢排放。既使有个别大型淤地坝按“三大件”布局，其设计洪水计算也仅仅考虑了设计淤地坝控制的区间面积（含区间中型淤地坝控制面积），对设计淤地坝上游的大型淤地坝控制面积没有考虑；设计溢洪道时，也没有按坝系洪水组合进行调洪计算分析。并且，在现有淤地坝相关规范中，也没有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规定。为此，依照高楼沟小流域坝系除险加固设计实际，对此问题进行探讨。

根据近十多年来的淤地坝建设实践，小流域坝系除险加固时，洪水组合可按以下两种情况考虑：

一是位于小流域支沟上游，设计除险加固的大型淤地坝上游仅有中型淤地坝，且下游影响范围内无重要设施。在这种情况下，由于原中型淤地坝的设计标准较低，设计大型淤地坝除险加固时，可不考虑上游中型淤地坝的洪水组合，按其坝控面积进行调洪计算。如高楼沟坝系中的东庄骨干坝，调洪计算只考虑东庄坝区间洪水和曹家河坝下泄洪水，不考虑婆美、刘真、池垣坝的影响。

二是骨干坝中间串联的中型淤地坝除险加固。对于这种情况，需按骨干坝设计标准进行调洪计算。

按上述情况，高楼沟小流域坝系工程除险加固时，大型淤地坝的洪水组合情况应按表3考虑。

坝系工程除险加固设计时，洪水组合和调洪计算，应自上而下逐坝进行。洪水组合计算，包括组合洪峰流量和组合洪量计算两个方面。

4 结语

本文依吉县高楼沟小流域坝系除险加固实际，对其设计洪水标准与洪水组合进行了一些探讨，但还存在着一些问题值得研究讨论：一是在防洪标准中，一些大中型坝的设计标准已经超出现行规范规定的防洪标准，特别是有的中型淤地坝将要按1 级标准设计；二是在坝系洪水组合计算中，仅考虑了坝系洪水空间上的组合，但没有考虑到流域形状、沟道情况对洪水在汇流时间上的影响。这些问题，需要我们在淤地坝建设与除险加固实践中，不断进行研究探索，以丰富和完善淤地坝工程设计与建设理论，推动坝系工程建设规范的制定，以便更加科学地指导坝系工程设计，为淤地坝和坝系工程安全运用提供有力的技术支撑。

表3 高楼沟坝系工程除险加固洪水组合情况研究表