浅析淤地坝柔性溢洪道技术的应用

郭玉梅，刘红梅，刘思君，雷 欣

[1.黄河水土保持绥德治理监督局(黄河水利委员会 绥德水土保持科学试验站)，陕西 榆林 719000； 2.黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室，陕西 榆林 719000； 3.黄河水利委员会 新闻宣传出版中心，河南 郑州 450004]

黄土高原位于我国北方地区与西北地区的交界处，东起太行山，西至乌鞘岭，南连秦岭，北抵长城，包括山西省、陕西省，以及甘肃、青海、宁夏、河南等省(区)的部分地区。在长期流水侵蚀下，地面被分割得非常破碎，形成沟壑交错其间的塬、梁、峁，总面积64万km2，其中水土流失面积占71%，约有45.4万km2，是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区。淤地坝是黄土丘陵沟壑区陕北和晋西广大人民群众的原创性贡献，是解决水土流失沟道侵蚀问题的有效工程措施，具有拦截泥沙、阻滞洪水、淤地造田、以坝代路、改善生态环境等综合效益[1]。2015年，习近平总书记在陕西省延川县文安驿镇梁家河村调研时指出：淤地坝是流域综合治理的一种有效形式，既可以增加耕地面积、提高农业生产能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行[2]。2018年，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指出，“有条件的地方要大力建设旱作梯田、淤地坝等”。截至2021年底，黄土高原地区有淤地坝5 7063座，其中大型坝6 265座、中型坝1 0523座、小型坝4 0275座。

近年来，随着全球气候变暖和人类活动影响，水旱灾害呈多发频发重发态势，黄河流域发生区域高强度暴雨洪水和极端暴雨洪水的可能性加大，淤地坝水毁现象频频发生，水毁灾害给当地人民群众的生命财产安全造成了极大的威胁。据调查显示，2017年7月26日陕北大理河流域发生200 mm以上的特大暴雨后，1 760座淤地坝中水毁531座，水毁比例高达30.2%。实地勘测发现，水毁的均为未设置溢洪道的中小型淤地坝；调查还显示具备“三大件”的淤地坝主要集中在2000年后修建的部分骨干坝，绝大多数中小型或建设时间较早的淤地坝均未设置溢洪道。溢洪道是淤地坝维护自身安全及防洪抗险的最主要的措施，溢洪道的缺失成为影响黄土高原地区淤地坝安全运用的一个主要因素。2016年，水利部正式启动了黄土高原地区中型以上病险淤地坝除险加固工程，增设溢洪道是病险淤地坝除险加固的主要建设内容。

1 现有溢洪道存在的问题

目前溢洪道主要有浆砌石、混凝土、土质溢洪道。浆砌石溢洪道和混凝土溢洪道对既有淤地坝的地形地质条件要求高，同时面临征地难的压力。除此之外，伴随着人工费和材料费的上涨、砂石料开采的限制，混凝土、浆砌石溢洪道的建设成本大幅增加，一般在80～120万元，约占工程总投资40%，资金占比较大。而淤地坝除险加固资金有限，很难实现全部工程增设溢洪道，形成了溢洪道需求与资金紧缺的矛盾。土质溢洪道没有采取任何砌护措施，工程标准低，易被洪水冲刷，形成不规则断面，对坝体安全造成威胁，严重时会出现漫顶、垮坝现象。这三种形式的溢洪道已无法满足新时代淤地坝建设高质量发展的要求。

2 柔性溢洪道

针对传统淤地坝溢洪道建设及运用过程中存在的问题，陈祖煜院士提出了淤地坝柔性溢洪道的理念，经过模型设计、材料试验、模型试验、室外试验、野外试验后，于2020年被列入成熟适用水利科技成果推广运用清单，予以推广。其中柔性溢洪道野外试验是在陕西省榆林市绥德县辛店沟白草洼淤地坝坝体上进行的。

2.1 白草洼淤地坝概况

白草洼淤地坝位于陕西省绥德县黄河水系无定河一级支流辛店沟的鸭峁沟中游左岸，属小型淤地坝，坝控面积0.06 km2，初建时间为1960年，经过多年的运用，坝体外坡形成冲沟，坝内淤满。2008年对该坝进行了加高加固，防洪设计标准为10年一遇，校核标准为20年一遇，设计淤积年限为5年，加高坝高3.0 m。2012年，在坝体右岸增设土质溢洪道，溢洪道宽0.8 m、高0.6 m、长45.0 m，陡坡坡比为1∶3。截至2018年，坝体外观完好，其基本信息见表1。

表1 白草洼淤地坝基本信息

2.2 柔性溢洪道结构

2019年在白草洼淤地坝坝体上增设柔性溢洪道，采用10年一遇防洪设计标准、30年一遇防洪校核标准，建成柔性台阶式溢洪道形式，布设在右岸，结构如下：

(1)溢流堰段。钢筋混凝土砌筑，渠道长3.0 m、内宽1.5 m、深2.0 m，底板厚0.6 m，渠道侧墙顶宽2.0 m、底宽0.6 m。

(2)明渠陡坡段。台阶式柔性土工袋结构，梯形断面。台阶采用复合PET土工袋搭接，搭接宽0.5 m；结构尺寸为宽1.0 m、厚0.5 m、长1.5 m；两侧采用CDASS土工材料；梯形断面边坡坡比1∶0.5，底宽1.5 m、高2.0 m，高1.0 m处设置马道，马道宽0.5 m(见图1)。

图1 白草洼淤地坝柔性溢洪道明渠陡坡段

(3)消力池。消力池底部及侧墙均用防渗膜处理后，采用CDASS土工材料包裹。

(4)尾水渠。内壁防渗处理夯实后，铺筑土工布，两侧土工布延长0.5 m后，嵌入外侧土体夯实。

在白草洼淤地坝的上、下游各修建1个蓄水池(见图2)，上游蓄水池容量为1 200 m3，最大蓄水位1.5 m，下游蓄水池容量为1 300 m3，通过抽水泵将下游蓄水池的水输送至上游蓄水池进行循环利用。在溢洪道进口段设置宽1.5 m、高2 m的闸门，配套相应的启闭设备控制放水过程。

图2 白草洼淤地坝试验基地整体布置

2.3 柔性溢洪道材料及特点

淤地坝柔性溢洪道主要采用CDASS土工材料和当地黄土修建而成的台阶式溢洪道。CDASS土工材料具有抗高速水流冲刷、保土性能强、抗老化性能强的特点[3]。柔性溢洪道与现有溢洪道比较，具有显著优点：①修建在坝体上，避免单独占地，节省土地资源；②抗冲性能好，降低水流流速及能量，消能效率高；③适应地基不均匀沉降能力强，不易产生结构性破坏；④利用黄土作为主要建筑材料，造价低廉，减少砂石开采，环境友好；⑤随着混凝土及石材价格的不断上涨，可节省约一半投资，成本优势突显(见表2)。

表2 柔性溢洪道与现有溢洪道优缺点对照

3 推广应用

柔性台阶式溢洪道可以降低水流流速及能量，防止水流冲刷，消能效率高，坚固耐用，环境友好，大大提高了工程的安全性，同时可以缩短溢洪道长度，降低工程投资。柔性台阶式溢洪道技术具有广阔的推广前景，不仅适用于淤地坝新建及除险加固工程，也可以在其他流域抗侵蚀、泄洪等工程中推广应用。推广应用范围包括：①即将淤满、剩余库容小、溃决风险大的淤地坝；②除险加固资金有限的淤地坝；③施工条件受限，无法使用大型施工机械的淤地坝；④地基不均匀沉降严重、溃决流量大的淤地坝。