淤地坝坝系工程除险加固施工时序安排探讨

王志坚，桂莉莉，张晓静

(1.山西农业大学 水土保持科学研究所，山西 太原 030013； 2.山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030013)

2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调：治理黄河，重在保护，要在治理。黄河生态系统是一个有机整体，要充分考虑上、中、下游的差异。中游要突出抓好水土保持和污染治理。水土保持不是简单挖几个坑种几棵树，黄土高原降雨量少，能不能种树，种什么树合适，要搞清楚再干。有条件的地方要大力建设旱作梯田、淤地坝等，有的地方则要以自然恢复为主，减少人为干扰，逐步改善局部小气候。习近平总书记的重要讲话，为黄河流域生态保护和高质量发展指明了方向，提出了具体的治理要求，黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，黄河中游淤地坝建设成为生态保护和高质量发展的一项重要治理工程。

1 淤地坝建设发展历程

早在400多年前就有黄河流域淤地坝的记载。最早的淤地坝是自然形成的，明隆庆三年(公元1569年)，陕西子洲县黄土洼，因自然滑坡、坍塌，形成天然聚湫，后经人工修整形成高60 m、淤地810亩(15亩=1 hm2)的淤地坝。有记载的人工筑坝始于明代万历年间(公元1573—1619年)，在山西省汾西县[1]。新中国成立后，黄河流域淤地坝建设经历了4个阶段：

第一阶段：1985年以前，县(社、队)集体组织建设。这一阶段建设的淤地坝大多为中小型淤地坝，小多成群，缺少骨干性控制工程。由于缺少统一规划和科学设计，标准低，目前大多数已经淤满。

第二阶段：1986—2002年，骨干坝试点建设。在总结第一阶段淤地坝建设的经验教训，特别是小多成群无骨干，遇到较大暴雨出现垮坝的问题后，水利部在黄河流域实施了治沟骨干工程，经过科学规划，在沟道适当位置增建骨干坝，提高防洪标准，拦截上游洪水，保证下游中小型淤地坝安全。

第三阶段：2003—2014年，沟道坝系工程建设。在全面总结淤地坝建设经验的基础上，经过反复试验研究，科学总结出“以支流为骨架，以小流域为单元，大型淤地坝控制，中小型淤地坝合理配置、联合运用”的沟道坝系工程建设技术路线，初步建成了一批防洪标准高、综合效益好的典型坝系。如山西省离石市阳坡、陕西省宝塔区碾庄沟、内蒙古自治区准格尔旗川掌沟、甘肃省定西县花岔、宁夏回族自治区西吉县聂家河等一批防洪标准高、综合效益好的典型坝系，促进了农村产业结构调整和社会经济发展，为退耕还林和生态建设提供了支撑保障，受到群众欢迎，得到各级领导的重视和肯定。

第四阶段：2015年以来，除险加固和高质量发展阶段。坝系工程建设使淤地坝安全运用状况有了改善，但因淤地坝量大面广、交通不便，加之没有常设管理机构，而且多数淤地坝还是“两大件”工程，故淤地坝安全运用任务十分艰巨。为了搞好淤地坝安全运用，2015年，水利部决定开展中型以上病险淤地坝除险加固工作。根据水利部制定的黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定暂行办法，经核查，确定列入本次病险淤地坝除险加固工程的淤地坝共计5 282座，其中大型坝3 025座、中型坝2 257座。这些病险淤地坝中，枢纽组成为大坝和放水建筑物“两大件”和需加固溢洪道的淤地坝有4 200座，占需除险加固总数的79.5%，其中大型坝2 628座、中型坝1 572座，可见淤地坝除险加固的主要任务是增设和加固溢洪道。

2 临县万安沟小流域坝系工程基本情况

除险加固把“两大件”淤地坝改造为“三大件”淤地坝和加固溢洪道时，对单独支沟的淤地坝，在工程设计方面基本不存在问题。但在坝系工程除险加固时需要考虑的问题很多，既有坝系工程中各坝的设计标准、洪水组合、高淤积工况下水力计算问题，也有除险加固工程实施时的安排时序问题。对设计标准、洪水组合、高淤积工况下水力计算问题，有关专家做了大量研究，提出了设计标准确定原则[2]、洪水组合和高淤积工况下水力计算方法[3]，并在实践中得到推广应用。下面以临县万安沟小流域坝系工程为例，根据大中型淤地坝在坝系中的位置，通过建立“坝系相互影响关系图”，来解决坝系工程除险加固时，受资金配置、施工力量等因素影响，不可能同时施工的时序安排问题。

临县万安沟位于县城以北的临泉镇境内，属黄土丘陵沟壑区第一副区，是黄河流域湫水河的一条小支流。万安沟小流域总面积53 km2，其中水土流失面积52.2 km2，平均土壤侵蚀模数14 300 t/(km2·a)。该小流域坝系工程于2004年9月开工，2006年11月完工[4]。建设规模为大中型淤地坝30座，坝系控制水土流失面积44.6 km2，其中大型坝12座、中型坝18座。总库容1 416.4万m3，其中拦泥库容991.1万m3，可淤地面积141.6 hm2。小流域坝系工程布局见图1。

图1 临县万安沟小流域坝系工程总体布局

除险加固时，根据大中型淤地坝在坝系中的位置，并考虑与其相关的淤地坝设计标准、洪水组合和调洪计算，确定万安沟小流域坝系工程除险加固设计防洪标准为：大(1)型淤地坝10座，大(2)型淤地坝8座，中型淤地坝12座[5]。万安沟小流域坝系中型以上淤地坝除险加固基本情况见表1。从表1中可以看出，该流域坝系工程除险加固时有13座淤地坝的防洪标准需要提高，其中有7座大(2)型淤地坝提高到大(1)型淤地坝，有2座中型淤地坝提高到大(1)型淤地坝，有4座中型淤地坝提高到大(2)型淤地坝。

表1 万安沟小流域坝系中型以上淤地坝除险加固基本情况

万安沟小流域坝系中型以上淤地坝除险加固前后防洪标准对比情况见图2。

图2 万安沟小流域坝系工程除险加固设计防洪标准与原设计防洪标准对比

3 建立坝系相互影响关系图

坝系相互影响关系图就是通过分析坝系中各坝之间的相互影响关系，从流域内干、支沟最上游的淤地坝开始分析，假定其为第1层级，运行中出现安全问题，把其可能影响的下游坝作为第2层级；再假定第2层级运行中出现安全问题，把其可能影响的下游坝作为第3层级……以此类推，直到分析完整个坝系。某座淤地坝上游有多个层级时，按最低层级考虑。

按照上述影响关系，万安沟小流域坝系工程可分为5个层级：第1层级的淤地坝有19座，其中大型淤地坝3座(G6、G11、G12)，中型淤地坝16座(Z1—Z11、Z13、Z14、Z16—Z18)。第2层级的淤地坝有6座，其中大型淤地坝4座(G1、G3、G5、G10)，中型坝2座(Z12、Z15)。第3层级的淤地坝有3座，均为大型淤地坝(G2、G8、G9)。第4层级的淤地坝有1座，为大型淤地坝(G4)。第5层级的淤地坝有1座，为大型淤地坝(G7)。万安沟小流域坝系工程相互影响关系见图3。

图3 万安沟小流域坝系相互影响关系

4 安排原则

坝系工程除险加固时，受资金配置、施工力量等因素影响，不可能同时开工建设，在施工时序安排上，遵循轻重缓急原则，按照如下顺序安排：

一是坚持“以人为本”原则，优先安排大坝下游影响范围内有村庄、学校、工矿、道路等重要设施的淤地坝，影响人口越多，越需尽早安排施工。在万安沟小流域坝系工程优先安排的淤地坝有6座，分别是G6、G9，Z4、Z5、Z12、Z13。

二是安排受影响因素最多的淤地坝。依据坝系相互影响关系图自下而上逐层级安排实施，一般是上游有多个串、并联的淤地坝先安排。万安沟小流域坝系工程中安排时序从第5层级开始，依次为第5层级的G7，第4层级的G4，第3层级的G2、G8，第2层级的G1、G3、G5、G10、Z15，第1层级的G11、G12、Z1—Z3、Z6—Z11、Z14、Z16—Z18。

三是处于坝系相互影响关系图同一层级的淤地坝，优先安排防洪库容相对较小的大型淤地坝，其次是安排上游已实施除险加固的淤地坝，再次是安排中型淤地坝。为了直观描述防洪能力，采用已淤积库容占总库容的百分比来确定，值越大，说明剩余库容的防洪调节能力越小，越需要尽早安排。如第2层级的安排时序为大型淤地坝G10、G3、G1、G5，中型淤地坝Z15，各层级已淤积库容占设计总库容的百分比见表2。

四是对第1层级的淤地坝，安排时序首先是大型淤地坝，其次是安排单独支沟的中型淤地坝，再次是剩余的中型淤地坝。如先大型淤地坝G11、G12，再单独支沟的中型淤地坝Z17、Z18，然后是剩余的中型淤地坝Z11、Z10、Z14、Z16、Z1、Z7、Z6、Z9、Z3、Z8、Z2。

根据以上原则，确定的万安沟小流域坝系中型以上淤地坝除险加固安排时序见表2。

表2 万安沟小流域坝系中型以上淤地坝除险加固安排时序

5 结 语

坝系工程除险加固施工时序安排需要考虑的问题很多，本研究仅考虑了下游影响范围是否有村庄、村庄人口数量、各坝在坝系工程中的位置、已经淤积情况及单独支沟建设的淤地坝问题，对淤地坝下游保护耕地面积、上游治理情况及除险加固实施中的社会问题没有考虑。这些问题需要在实践中不断研究、不断探索，丰富和完善坝系工程除险加固施工时序实施理论，以便更好地指导坝系工程除险加固工作，为淤地坝和坝系工程安全运用提供有力的技术支撑。