2016年達拉特旗淤地壩水毀原因及攔沙效果

汪自力, 張寶森,劉紅珍,李春江, 林秀芝,楊吉山

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003;2.水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心,河南 鄭州 450003; 3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 4.水利部黃河泥沙重點實驗室,河南 鄭州 450003; 5.水利部黃土高原水土流失與控制重點實驗室,河南 鄭州 450003)

建造在黃土高原水土流失區小流域溝道中的淤地壩,是減少進入黃河的泥沙并改善當地種植條件的重要水保措施之一,起到了滯洪攔沙和淤地造田的作用[1-5]。受經濟技術條件限制,以往淤地壩設計建設標準不高,質量控制不嚴,運行方式特殊,險情搶護困難。遇到暴雨年份常出現淤地壩水毀甚至決口現象,引起眾多學者對其沖毀原因及攔沙效果的關注[5-10],擔心淤地壩攔沙是否會是“零存整取”,并對壩系相對穩定及壩體結構形式等進行了研究[11-13]。淤地壩按庫容大小分為大、中、小3類,分別為50萬～500萬m3、10萬～50萬m3、1萬～10萬m3,其中大型淤地壩也稱骨干壩。

西柳溝和罕臺川兩個流域(孔兌)位于內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗,是黃土高原水土流失嚴重區,也是黃河粗泥沙的重要來源區。截至2015年底,兩個小流域(區域)共建成淤地壩167座,其中大型壩50座,中型壩59座,小型壩58座。2016年8月16—18日,該區域發生特大暴雨(簡稱“8·17”暴雨),最大降水量達到406 mm,部分淤地壩水毀嚴重,并有19座決口。為核查淤地壩水毀原因及對入黃泥沙的影響,客觀評價淤地壩建設管理水平及攔沙作用,8月29日至9月1日筆者一行進行了實地調查。調查組逐個查看了當地上報的水毀嚴重的21座淤地壩現場,走訪了當地群眾,收集了該區域水文站及山洪預警平臺雨量站有關資料,查閱了施工檔案,分析了暴雨頻率、入黃泥沙以及水毀原因,提出了相應的對策和建議,可供淤地壩規劃設計、建設和管理者借鑒。

圖1 淤地壩、雨量站及“8·17”暴雨最大24 h降雨量分布(單位：mm)

1 達拉特旗淤地壩及其小流域概況

1.1 淤地壩、水文站、雨量站分布情況

據當地部門介紹,本次降雨主要集中在內蒙古十大孔兌的西柳溝、罕臺川兩個流域,水毀較嚴重的淤地壩共21座。兩個小流域入黃處分別設有1個水文站,即西柳溝流域的龍頭拐水文站、罕臺川流域的響沙灣水文站,此外達拉特旗山洪預警系統在此區域還建有多個雨量站。淤地壩、水文站、雨量站位置等見圖1所示。

1.2 降雨情況

a. 降雨量空間分布。根據達拉特旗山洪預警平臺雨量站數據,繪制了“8·17”暴雨最大24 h降雨量分布圖(圖1)。此次降雨有兩個相距僅17.5 km的暴雨中心,一個在高頭窯(西柳溝流域),另一個在神木塔和赫家渠一帶(罕臺川流域),最大24 h降雨量分別為404 mm、290 mm。累計降雨量超過200 mm的站點還有勞場灣(249 mm)、白家塔(250 mm)、神木塔(291 mm)、昌漢溝(237 mm)、赫家渠(284 mm)。

b. 降雨過程。圖2為暴雨中心高頭窯站實測降雨過程。整個降雨過程可分為兩場降雨,第1場降雨從8月16日22時至17日14時,第2場降雨從8月17日21時至18日5時,兩場降雨間隔僅7 h。第1場降雨歷時長、強度大,降雨量約占“8·17”暴雨總量的80%,大雨持續時間為8 h,形成最大1 h、3 h、6 h、12 h降雨。第2場降雨相對歷時短、強度小,大雨持續時間約2 h。其中第1場降雨累計降雨量為352 mm,第2場降雨量為54 mm,總計達406 mm。

圖2 暴雨中心高頭窯站1 h降雨過程

1.3 淤地壩結構及水毀情況

1.3.1淤地壩組成及結構形式

此次調查的22座淤地壩有關數據見表1、表2。淤地壩主要由壩體及放水工程(俗稱兩大件)組成,無泄洪設施,而小烏蘭斯太2號、3號壩只有壩體。壩體壩型為黃土均質壩,多為就地取用材料碾壓而成。放水工程一般由進水口分級臥管段、消力池、無壓涵管段及出口消能段組成,決口現場看到的主要結構形式如圖3所示。

表1 罕臺川流域“8·17”暴雨淤地壩決口情況統計

注:決口時間多為調查推測時間(下同)。

表2 西柳溝流域“8·17”暴雨淤地壩決口情況統計

圖3 淤地壩放水工程結構形式

1.3.2淤地壩水毀情況

從現場看,淤地壩水毀主要表現為壩頂縱向裂縫、沉陷塌坑,壩坡水溝、臺階、滑坡等,放水設施消能段淘刷失穩、溯源沖刷、斷開散落等,嚴重者導致壩體決口。當地上報有21座淤地壩決口,但經現場復核有2座并未決口,分別是張二溝中型壩和小烏蘭斯太3號小型壩。決口的19座淤地壩中有骨干壩12座、中型壩5座、小型壩2座,全部分布在西柳溝和罕臺川兩個流域,占該區域淤地壩總數的11%,見表1、表2。所調查淤地壩涉及西柳溝流域烏蘭斯太溝、黑塔溝、哈他土溝3個壩系和罕臺川流域納林溝、合同溝、河洛圖3個壩系。淤地壩決口造成下游部分道路橋梁沖毀,所幸人員撤離及時未造成傷亡。

根據現場最高洪水位痕跡、壩坡沖蝕、放水設施散落位置及口門處形態等,將決口形式分為漫決和潰決兩種。漫決由洪水漫頂導致,潰決因壩基、壩體或放水設施土石接合部滲透破壞導致。決口的19座中10座為漫決,9座為潰決。

1.3.3淤地壩口門殘留淤積形態

決口口門處,上游庫區側沖刷呈扇形半漏斗狀分布,有的淤積物明顯呈臺階狀(圖4),而口門下游側多沖出一條深溝,總體上看庫區淤積物沖蝕流失量有限。在西柳溝烏蘭斯太溝壩系,油坊渠1號潰壩后,導致下游油坊渠2號、3號及大烏蘭斯太溝壩先后漫決,口門寬度分別約為20 m、50 m、100 m、150 m,口門形態也有所不同。建于2005年的二蘭溝、李五渠壩前期已基本淤滿。

圖4 淤地壩決口口門處淤積形態

1.4 洪水、泥沙情況

該區域淤地壩建成時間集中于1995—2000年和2005—2010 年兩個時期,為對比淤地壩滯洪攔沙效果,收集整理了建壩前1989年和此次“8·17”暴雨及其洪水泥沙資料,并將龍頭拐、響沙灣(紅塔溝)兩個入黃處水文站的洪水、泥沙特征值列入表3。

表3 西柳溝和罕臺川小流域典型場次洪水水沙特征值

注:以響沙灣水文站代替原紅塔溝水文站承擔罕臺川流域入黃水沙測量工作。

2 水文泥沙資料分析

2.1 暴雨重現期

通過收集19座水毀淤地壩的初步設計報告,得知各骨干壩的設計標準為20～30年一遇,校核標準為200～300年一遇。根據《內蒙古自治區治溝骨干工程技術手冊》計算得到西柳溝、罕臺川上游10年、20年、30年、50年、200年、300年一遇最大24 h降雨量分別為110 mm、144 mm、160 mm、190 mm、263 mm、284 mm。

與圖1降雨量分布比對后,可得各淤地壩所控制區域此次暴雨重現期,進一步與設計重現期進行對比后可知:罕臺川納林溝壩系3座淤地壩(老爺廟、邱家渠、蘇家渠)最大24 h降雨量都接近300年一遇的284 mm,李五渠、二蘭溝均超過20年一遇的144 mm。但發現部分淤地壩并未達到設計標準即潰,還有個別超設計標準也未漫決,這可能與淤地壩特點有關。

2.2 入黃泥沙

從表3龍頭拐水文站數據可見,兩次降雨在次洪量基本相同的情況下,此次洪峰流量只是1989年的40%,次洪輸沙量僅為1989年的15%,最大含沙量只有1989年的9%。罕臺川流域數據也反映了此次降雨洪峰流量和含沙量顯著降低的特征。此外，圖4也反映了即使淤地壩決口,絕大部分淤積泥沙仍留在庫中,未出現淤地壩“零存整取”的現象。從現場看植被覆蓋度確實有較大提高,與退耕還草等政策的落實也有較大相關性。淤地壩攔沙作用及植被覆蓋度提高,對入黃泥沙減少所占比例有待進一步研究。

3 淤地壩特點及決口原因分析

3.1 淤地壩特點

淤地壩當初主要作用是滯洪、攔沙、淤地以改善當地農業生產土地條件,后來逐漸成為控制溝道侵蝕、滯洪攔泥、淤地造田以及減少入黃泥沙等作用的水土保持工程。與以蓄水為主的小水庫相比,淤地壩有以下特點:

a. 淤地壩設計指標特殊,包括洪水重現期、設計淤積年限兩個指標。淤地壩設計總庫容為校核洪水位以下的庫容,包括攔泥庫容和滯洪庫容。攔泥庫容為攔截設計年限內入庫泥沙所需的庫容。滯洪庫容為校核洪水位至與攔泥庫容相應水位之間的庫容。由此可見,除設計洪水和輸沙量計算偏差較大的原因外,攔泥情況直接影響淤地壩的實際滯洪能力和壩體安全,因此其滯洪能力是動態的。滯洪能力在淤地壩投入運行之初遠大于設計洪水重現期,而隨著壩區的快速淤積將大幅降低,直至淤滿完全喪失滯洪作用。

b. 壩體壩基未進行截滲處理。防滲主要依靠淤積形成的鋪蓋,并使用放水設施盡快降低壩前水位,減少高水位運行時間。在淤地壩投入運行初期,防滲鋪蓋尚未形成時,遇到高水位時壩基極易發生滲透破壞。淤積到一定高度后方可在庫尾蓄水,但不得在壩前積水。

c. 放水工程設施簡單,排水能力及消能能力有限。主要基于黃土高原降雨量偏少、連續降雨幾率低,淤地壩決口風險小及投資有限。如鄂爾多斯多年平均降水348.3 mm,而多年平均蒸發量2 506.3 mm。在達到設計淤積年限后,無法控制不再淤積,原設計的滯洪庫容難以保證。遇到超標準洪水難以及時排泄,易導致漫壩。消能段偏短,長期排水易引起溯源沖刷。

d. 施工質量難以保證,運行管理不到位。壩體碾壓不實,遇水浸泡后沉降加大,或水位突降后滑坡導致壩頂出現裂縫。特別是放水工程土石接合部填筑難以密實,截水環結構偏硬,難以與周邊土體結合好,更易透水。當消能段出現溯源沖刷時,如搶護不及時將危及壩體穩定。

3.2 淤地壩決口原因

從現場調查和淤地壩的特點分析可知,導致淤地壩決口的原因較多,可歸納為以下幾種:

a. 超標洪水導致漫決。如上所述,淤地壩的滯洪庫容是動態的。當淤地壩控制范圍內產生洪量超出現有實際滯洪庫容時,由于淤地壩無泄洪設施,致使洪水漫頂而過,逐步將壩體淘刷沖毀,最終造成垮壩。如表1、表2所列,此次所調查的垮壩中有9座屬于漫決,具體又可分為3種情況:一是雖有較大防洪庫容,但在此次超標準降雨條件下,較快出現漫頂(如邱家渠);二是此次降雨前已基本淤滿,強降雨下很快就漫頂(如二蘭溝、李五渠壩);三是由于上游淤地壩垮壩后,使得下游骨干壩入庫洪水急劇增加導致下游骨干壩漫頂(如油坊渠2號、3號以及大烏蘭斯太溝)。

b. 結構缺陷導致潰決。本次淤地壩潰口主要發生在放水涵管處,多是由于放水能力有限,造成以較高水位運行,導致放水設施土石接合部發生滲透破壞進而發展為接觸沖刷、坍塌而潰壩。從施工方面看,放水臥管、消力池、涵管與周圍土體接合部需采用人工夯實,難以密實,加之周圍土體多為砂性土,抗滲性、抗沖蝕性差,易在高水頭作用下發生接觸滲透破壞且發展迅速難以搶護。從結構方面看,放水涵管底部墊層易發生不均勻沉陷,導致涵管間接縫發生錯位、滲漏,縮短了滲徑。從運行方面看,涵管按無壓流設計,實際運行時有可能出現有壓流,導致管內出現正負壓交替并通過涵管連接處影響到周圍土體變形淘空;涵管消能段出口防沖設施欠缺,引起溯源沖刷,加速了涵管失穩、壩體坍塌。

c. 填筑隱患導致潰決。淤地壩多采用當地材料筑壩,但部分壩址附近筑壩材料卵石含量較高,不易壓實且抗滲性差。在運行初期上游側尚未形成有效鋪蓋情況下,壩基卵石含量較高部位在高水位作用下易發生管涌破壞,導致潰決。另外壩體填筑不實,也導致高水位浸泡和降雨下壩頂出現不均勻沉陷和縱向裂縫。

d. 管理欠缺導致決口。淤地壩分布較廣且多處于偏僻山溝,放水設施及壩體日常維護不到位。暴雨洪水時,放水設施進水孔開啟、堵塞失控,涵管段溯源沖刷，以及難以及時發現和有效控制高水位運行等險情,最終釀成決口。

4 結 論

a. 淤地壩建設標準和結構形式有待進一步優化。淤地壩水毀嚴重主要原因是強降雨造成的超標準洪水,但放水設施結構缺陷及壩體施工質量控制不嚴也是不可忽視的因素。串聯骨干壩易出現自上而下相繼垮壩問題,因此有必要對骨干壩優化壩系布局和結構設計,增設泄洪設施,強化施工質量管理,嚴格責任追究。對小型壩要考慮淤地壩運行特點,適當控制壩高,并考慮多種結構形式和材料,允許漫壩而不潰,既滿足攔沙淤地要求,又降低潰壩風險,還可長期安全運行。

b. 非常運用條件下淤地壩仍發揮了滯洪攔沙作用。近年來,西柳溝和罕臺川流域開展了壩系建設、坡面治理和生態修復等水土保持工程,流域內生態環境得到了明顯改善。從收集到的西柳溝流域龍頭拐水文站2016年“8·17”與1989年“7·21”暴雨洪水、泥沙資料對比分析,此次最大24 h降雨量明顯偏大、次洪量基本相同,而洪峰流量只是1989年的40%,次洪輸沙量僅為1989年的15%,可見淤地壩和其他水保措施發揮了顯著的滯洪攔沙作用。據現場調查,即使發生決口的淤地壩,大部分泥沙仍留在庫區,不存在所擔心的“零存整取”問題。

c. 非工程措施對于淤地壩應急管理是必要的。本次降雨造成19座淤地壩決口,部分道路橋梁被沖毀,但由于前期國家防總派出督導組進行督導,地方各級政府高度重視,并發揮了山洪災害預警系統的作用,及時轉移安置827名人員,故未造成人員傷亡,最大限度降低了損失。今后有必要增加淤地壩水位等現場視頻監視系統,進一步落實管護責任,并研究倒虹吸等應急降水措施。

d. 基礎管理工作有待加強。此次調查受時間和基礎資料所限,難以實現定量分析。建議通過《淤地壩技術規范》的修訂,規范淤地壩規劃建設與運行管理內容,加強對淤積庫容的動態觀測,增加對排水涵管的隱患探測等。

致謝:參加此次調研的還有黃河上中游管理局的李運學、裴新富、常瑋、史紅艷等同志。