增設溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算

李欣娟

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730030)

淤地壩是人們在黃土高原地區小流域溝道治理中創造的一種既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產糧食的水土保持工程措施，在溝道治理中具有其他工程不可替代的作用。截至2016年底，甘肅省內黃土高原地區累計建成各類淤地壩1 588座。經過多年運行，從運行管理和開發利用情況來看，早期建設的淤地壩受經濟技術條件的限制，大部分存在設計缺陷或施工質量問題，出現了各種各樣的病險問題及安全隱患，部分淤地壩已達到或超過設計淤積面，滯洪庫容嚴重不足，有些淤地壩被當地政府和村民按小型水庫(或蓄水塘壩)使用，安全隱患逐漸顯露。按照水利部黃土高原地區中型以上病險淤地壩認定標準，甘肅省已認定病險淤地壩360座。基于安全考慮，國家和地方政府每年投入大量人力、財力對病險淤地壩進行除險加固。

病險淤地壩除險加固，其根本目的就是要消除一切安全隱患，確保淤地壩安全運行。因此，一切設計、施工、運行管理均應圍繞除險保安開展工作。病險淤地壩的“險”，一是因自身“病害”引起的潰壩風險，二是因滯洪庫容不足或超標準洪水引起的漫壩潰壩風險。對于壩體塌陷、裂縫、滑坡，以及放水涵管、臥管基礎塌陷、斷裂、堵塞等病害，主要通過反濾設計、施工設計等解決。而對于滯洪庫容不足，超標準洪水，以及串聯壩、混聯壩洪水隱患問題等，就需要在滯洪庫容和泄洪設計上做文章。這就涉及兩方面問題，一是合理增大滯洪庫容，二是增設溢洪道。無論哪種情況，都需要重新進行調洪演算。只有通過調洪演算，才能合理確定泄洪斷面、泄洪流量。由于病險淤地壩壩體已經存在，總庫容已經確定，增設溢洪道時滯洪庫容確定及調洪演算不能完全按照新建淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算設計，需要根據已淤積情況進行調算。本文提出增設溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算的思路，供設計、管理工作者參考。

1 新建淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算

按照《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)4.1.3的規定：滯洪庫容計算，不設溢洪道時，應按一次校核洪水總量計算；設置溢洪道時，應按本規范3.5.1或3.5.2的規定計算。

(1)單壩調洪演算

(1)

式中：qp為頻率為p的洪水時溢洪道最大下泄流量，m3/s；Qp為設計洪峰流量，m3/s；Vz為滯洪庫容，萬m3；Wp為設計洪水總量，萬m3。

(2)設置有溢洪道的骨干壩(串聯壩)調洪演算

(2)

式中：qp為頻率為p的洪水時溢洪道最大下泄流量，m3/s；qp上為頻率為p的上游工程最大下泄流量，m3/s；Qp區為區間頻率為p的設計洪峰流量，m3/s；Vz為滯洪庫容，萬m3；Wp上為本壩泄洪開始至最大泄流量的時段內，上游工程的下泄洪水總量，萬m3；Wp區為區間頻率為p的設計洪水總量，萬m3。

對于不設溢洪道的兩大件工程，滯洪庫容即一次校核洪水總量，Vz=Wp。而對于設置溢洪道的工程，滯洪庫容不再是一次校核洪水總量，Vz≠Wp。上述公式中，洪峰流量和洪水總量是確定的，需要調算的是滯洪庫容和溢洪道最大下泄流量，而溢洪道下泄流量和溢洪道斷面設計相關，因此需要聯調演算。

2 增設溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算

對于增設溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容的確定，同樣需要進行溢洪道斷面設計及反復調算。但是，由于病險淤地壩壩體已經存在，總庫容已經確定，增設溢洪道時滯洪庫容的確定更加復雜，還需要根據已淤積情況進行調算。

壩體+涵臥管兩大件的病險淤地壩工程，原設計、施工時沒有考慮溢洪道，設計滯洪庫容時僅考慮一次校核洪水總量，即Vz=Wp。如果按照原設計滯洪庫容進行新增溢洪道設計計算，必然是溢洪道下泄流量為零，溢洪道斷面為零，新增設計無法計算。因此，病險淤地壩增設溢洪道設計，就需要在壩體已經存在、總庫容已經確定的現實情況下，重新確定滯洪庫容，并根據溢洪道斷面設計進行調算。另外，病險淤地壩除險加固工程設計，要求原設計功能不變、防洪標準不降低。但是，在以上情況下，滯洪庫容如何重新確定，在現行的水土保持三部規范《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)、《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)和《水土保持綜合治理技術規范 溝壑治理技術》(GB/T 16453.3—2008)中均沒有說明，在實踐中也沒有統一的設計思路或充分的理論依據，影響著病險淤地壩除險加固工程的設計工作。

通過調查甘肅黃土高原地區病險淤地壩現狀，分析部分除險加固工程設計報告及部分已實施的病險淤地壩除險加固工程運行情況，基于淤地壩理論體系，在維持原設計功能不變、原防洪標準不降低的前提下，提出增設溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算的思路。

2.1 延長淤地壩使用壽命，強化淤地壩主要功能

從水土保持角度來講，淤地壩的根本出發點及主要功能就是攔截溝道泥沙，阻止泥沙下泄，至于蓄水、以壩代路、形成壩地等都是淤地壩建設、運行過程中必然會形成的正效益，而安全隱患的出現則是淤地壩建設、運行過程中在一定條件下出現的負效益。延長淤地壩使用壽命，強化淤地壩主要功能，也就增大了淤地壩的正效益。病險淤地壩增設溢洪道，則主要是消除淤地壩的負效益。另外，只有使Vz

2.1.1 增設溢洪道斷面設計

受地形條件限制，增設溢洪道需要在壩體兩側與壩肩結合段選擇合適位置。在既有壩體上開挖設置溢洪道，要遵循經濟、合理、安全的原則，尤其是在病險淤地壩除險加固項目投資有限的情況下。在維持原設計確定的壩體安全超高的前提下，按照《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)4.2.2試算確定溢洪道流量，再與公式(1)或(2)聯調試算滯洪庫容。

(3)

(4)

式中：B為溢流堰寬，m；q為溢洪道設計流量，m3/s；M為流量系數，可取1.42～1.62；H0為計入行進流速的水頭，m；h為溢洪水深，m，即堰前溢流坎以上水深；V0為堰前流速，m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.1.2 滯洪庫容確定

利用公式(3)和(4)試算出的溢洪道流量，與公式(1)或(2)聯調試算滯洪庫容，重復計算過程，反復調算，直至確定出比較合理的滯洪庫容和溢洪道斷面尺寸。

利用試算出的滯洪庫容，計算還剩余的攔泥庫容(V攔=V總-V已淤-V滯)。再根據實際侵蝕模數，計算還需要的淤積年限，對計算值取整。進而按照取整的淤積年限，反推計算，最終確定滯洪庫容。

根據確定的滯洪庫容，利用公式(1)或(2)計算確定溢洪道下泄流量。根據確定的溢洪道下泄流量，利用公式(3)和(4)最終確定溢洪道斷面尺寸。

以上聯調試算過程，實際為聯調反算法，即數次反算加一次正算。

2.2 提高防洪標準

根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)1.0.10規定，對應總庫容100萬～500萬m3的骨干壩，設計洪水重現期為30～50年一遇，校核洪水重現期為300～500年一遇；對應總庫容50萬～100萬m3的骨干壩，設計洪水重現期為20～30年一遇，校核洪水重現期為200～300年一遇。

據資料(截至2012年)，在甘肅省全部987座工程中，有31座總庫容≥100萬m3(其中9座≥200萬m3)；在<100萬m3的工程中，有113座總庫容≥75萬m3。按照甘肅省已確認的360座病險淤地壩資料，其中21座總庫容≥100萬m3，占31座總庫容≥100萬m3工程的67.74%；有81座總庫容在75萬～100萬m3，占全省該庫容區間內113座工程的71.68%。由此可見，已建淤地壩中≥75萬m3的工程現今絕大部分已成為病險壩，淤地壩庫容越大，成為病險壩的可能性也越高。

《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)1.0.10中規定的總庫容的防洪標準的確定區間比較大，到底是按照庫容級別分段確定呢，還是按照庫容內插確定，規范并沒有明確。實踐中，骨干壩校核洪水重現期一般按照200年一遇確定，中型壩一般按照50年一遇確定，甘肅省已建淤地壩工程基本都是如此。

基于以上分析，提出對于總庫容≥100萬m3的病險淤地壩工程，校核洪水重現期全部提高至300年一遇，個別工程經分析后視具體情況在規定區間內還可以再提高。對于總庫容≥75萬m3、<100萬m3的病險淤地壩工程，已淤積量還未達到設計淤積高程的，校核洪水重現期提高至300年一遇。最后，根據重新確定的校核洪水重現期計算滯洪庫容，在壩高不變、設計攔泥庫容不變的情況下，與原設計滯洪庫容結合進行新設溢洪道斷面計算。

3 適用條件

3.1 延長淤積年限

已淤積量超過設計淤積高程，或總庫容<75萬m3的病險淤地壩工程，有以下幾種特殊情況：

(1)根據淤地壩運行調查，結合溢洪道泄洪設計實踐，重新確定滯洪庫容時，應除去壩體安全超高，以剩余滯洪深2.0 m作為臨界值。在2.0 m深度內，不再進行以上計算，直接以剩余庫容作為滯洪庫容。此時淤地壩不再承擔攔泥任務，增設溢洪道主要為保證壩地保收、壩體安全，體現的主要是生產效益。

(2)對于僅剩安全超高的淤地壩，因剩余滯洪庫容為零，從安全及生產效益出發，如確需要增設溢洪道，則須進行論證。此時計算出的溢流堰將會很寬，溢洪水深也將占用部分安全超高，調算結果如影響最低安全超高，就要考慮加高壩體至符合計算要求。

(3)重新確定滯洪庫容，延長淤積年限，增加淤積庫容后，要同步延長、加高臥管，以滿足正常放水要求。但已建臥管能滿足要求的，不再延長、加高。

3.2 提高防洪標準

對總庫容≥75萬m3，且已淤積量還未達到設計淤積高程的，應提高防洪標準。

4 結 語

病險淤地壩除險加固，一切設計、施工、運行管理均應圍繞除險保安開展。由于病險淤地壩壩體已經存在，總庫容已經確定，增設的溢洪道及滯洪庫容的確定，不能完全按照新建淤地壩滯洪庫容確定及調洪演算設計，要從剩余庫容中重新確定滯洪庫容，需要和增設溢洪道斷面設計相結合進行調算。通過合理延長淤地壩使用壽命，強化淤地壩主要功能，提高防洪標準，采用數次反算加一次正算聯調試算的聯調反算法進行調洪演算。滯洪庫容的重新確定，除去壩體安全超高，以剩余滯洪深2 m作為臨界值。