高標準免管護淤地壩理論技術體系研究

2020-10-09 11:37:19張金良蘇茂林李超群

人民黃河 2020年9期

張金良蘇茂林李超群

摘要：黃河泥沙問題突出，建設淤地壩、防治水土流失是解決黃河泥沙問題的重要措施，但現有淤地壩存在潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題。為了突破淤地壩壩身過流難題、充分發揮淤地壩的生態保護修復效益，創新性地提出了高標準免管護淤地壩設計運用理念，基于小流域水文計算新方法、淤地壩新壩型結構、黃土固化新材料、設計施工新技術等，構建了高標準免管護淤地壩理論技術體系。與傳統淤地壩的技術經濟比較表明，高標準免管護淤地壩可以實現防潰決、免管護、多攔沙、降造價的目標，能更好地發揮淤地壩的綜合效益，支撐黃河流域生態保護和高質量發展。

關鍵詞：淤地壩;壩頂溢流;防沖刷保護層;壩工結構;黃土固化劑;黃河流域

中圖分類號：TV641.2+3;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.025

Abstract：The sediment problem of the Yellow River is prominent， while constructing check dams to prevent soil erosion is an important measure to solve this serious problem. However， the existing check dams have many problems， such as high risk of dam break， high stress of management and protection， high insufficiency of sediment retention and so on. In this study， in order to break through the issue of flowing over dam body and give full play to the ecological protection and restoration benefits of check dam， the design and operation concept for the high-standard and no management and protection check dam was presented innovatively， and an theoretical and technical system was proposed based on new hydrological calculation method， new dam type structure， new loess solidification material and the new design and construction technology for check dam. Compared with the traditional check dam in technology and economy， the high-standard and no management and protection check dam can prevent dam breaking， avoid management and protection， intercept more sediment， and reduce the cost of construction， thus play the function of check dam better and support ecological conservation and high-quality development of the Yellow River Basin.

Key words： check dam; flow over dam top; protective layer against erosion; dam structure; loess stabilizer; Yellow River Basin

1 研究背景

黃河泥沙問題突出，是世界上最為復雜難治的河流之一。黃河泥沙問題表象在黃河，根子在流域，建設淤地壩、防治水土流失是解決泥沙問題的重要措施。2015年2月13日，習近平總書記在梁家河考察調研時指出，淤地壩是流域綜合治理的一種有效形式，要因地制宜推行。2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出，中游要突出抓好水土保持，有條件的地方要大力建設淤地壩。2020年1月3日，習近平總書記在中央財經委員會第六次會議上強調，黃河流域生態保護和高質量發展要實施水土流失治理等工程，推進黃河流域生態保護修復。

從明代隆慶三年（1569年）

陜西子洲縣天然聚湫形成黃土洼天然淤地壩至今，淤地壩的發展經歷了由傳統經驗到系統科學、由單壩到壩系、由自然形成到強化管護的發展歷程，在淤地造田、滯洪攔沙等方面發揮了重要的作用[1-4]。人民治黃以來，建設淤地壩約5.88萬座，淤地10.3萬hm2，攔減入黃泥沙95.4億t，2000年以來年均減沙量在3億t以上，對黃土高原保護修復發揮了巨大作用[5]。然而，由于淤地壩為均質土壩，遇超標準洪水（局部暴雨洪水）時壩身潰決并在下游產生洪水災害，成為制約淤地壩功能發揮的技術瓶頸。現有淤地壩存在潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題，綜合效益無法得到充分發揮[6-10]。傳統淤地壩設置了攔洪（滯洪）庫容，為確保在設計標準洪水下不潰壩，需增設漿砌石或混凝土溢洪道，但其造價昂貴[11-12]。陳祖煜團隊研發了一種新型復合PET材料以及柔性溢洪道布置形式，用其對淤地壩壩身進行保護，可抵抗最快流速為5.26 m/s的過流沖刷，在低造價情況下可部分代替傳統溢洪道，延緩土壩過流潰決[13]。然而，溢洪道并不能從本質上解決壩身過流的難題，仍然存在壩身過流導致潰壩的問題。因此，需要開展高標準免管護淤地壩研發，突破淤地壩壩身過流難題，充分發揮淤地壩的生態保護修復效益，進而推進黃河流域生態保護和高質量發展。為此，本文針對淤地壩的現狀問題，提出了適宜于小流域高含沙洪水計算的新方法、壩頂溢流的新壩型等設計運用理念，構建高標準免管護淤地壩理論技術體系，并與傳統淤地壩進行技術經濟比較，分析高標準免管護淤地壩的技術經濟優勢、推廣價值和對黃土高原地區生態保護修復的作用。

2 傳統淤地壩存在的問題

根據淤地壩“三大件”（壩體、溢洪道、泄水洞）的組合關系，可將傳統淤地壩分為三種形式，即壩體+溢洪道+泄水洞、壩體+溢洪道、壩體+泄水洞。由于壩身是均質土壩結構，一旦遭遇超標準洪水就有漫壩潰壩風險，因此傳統淤地壩設計理念中，壩身不能過流一直是技術瓶頸，導致了潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等三大問題。

（1）潰決風險高。淤地壩壩體為均質土壩結構，壩體本身不能過流，且絕大多數淤地壩未設溢洪道等泄洪設施或泄洪標準偏低，一旦遭遇超標準洪水，淤地壩易潰易決，甚至可能發生壩系的連鎖潰壩、淤積泥沙的“零存多取”現象（已達使用壽命的淤地壩潰壩后，原攔蓄的泥沙有10%～20%被瀉放出來），對下游村莊、集鎮、農田、基礎設施等的水沙危害嚴重。如：2013年7月，陜西延河遭遇持續強降雨，有1 309座淤地壩不同程度受損;2016年8月，內蒙古達拉特旗西柳溝和罕臺川小流域遭遇特大暴雨，使淤地壩嚴重水毀，其中有19座淤地壩發生決口。

（2）管護壓力大。黃河流域淤地壩現存數量約5.88萬座，主要分布在黃土高原地區各級支溝，位置分散，汛期防洪風險高，成為各級防汛部門的心頭之患。為了管控水沙災害風險、確保下游人民生命財產安全，水利部和黃河防汛抗旱總指揮部多次發文，要求加強淤地壩管護，切實落實淤地壩防汛“三個責任人”的責任，編制淤地壩防汛預案。水利部水保〔2019〕109號文件要求，“所有骨干壩和下游有重要設施的中型壩都要逐壩落實工程防汛行政、巡查、技術‘三個責任人責任……，必須做到‘一壩一人巡查”;黃河防汛抗旱總指揮部辦公室黃河防總辦〔2020〕2號文件要求，大型淤地壩和下游有重要設施的中型淤地壩“一壩一預案”，其他淤地壩必須以鄉鎮為單位合并編制防汛預案。面對數量眾多的淤地壩，十幾萬人次的管護和支出，對地方政府形成不小的壓力。

（3）攔沙不充分。傳統淤地壩在設計泥沙淤積高程基礎上，按照攔蓄校核標準洪水并考慮安全超高確定壩體高度，通過設置滯洪庫容來滯蓄校核標準內的洪水，以保證不漫壩、防潰決來達到防洪安全。然而，該部分滯洪庫容僅可用來防洪，不可用來攔沙，且必須在汛前將庫容騰空以迎接汛期暴雨洪水。據統計，黃土高原地區現存骨干壩5 621座，總庫容56億m3，滯洪庫容約占40%，即僅骨干壩就有大約22.4億m3的滯洪庫容長期空置，無法發揮攔沙作用。

3 高標準免管護淤地壩理論技術體系

3.1 設計理念

高標準免管護淤地壩理論技術體系，就是按照水沙關系極其不協調的洪水泥沙就地攔蓄原則，創新淤地壩壩型設計和運用理念，突破小流域高含沙可能最大洪水估算方法，研發適用于黃土高原地區的黃土固化劑，構建淤地壩設計施工新技術，從而實現淤地壩防潰決、保安全、免管護、多攔沙、低造價等目標。

（1）對協調度極差的水沙就地攔蓄。黃河復雜難治的根本癥結在于水少沙多、水沙關系不協調，這也是黃河區別于其他江河的根本特點。為深入研究水沙關系不協調問題，張金良等提出了水沙關系協調度的概念[14]，以反映水沙關系協調程度。水沙關系協調度可用下式計算：

式中：Cun（i）為研究河段i（i為河段編號）來水來沙的水沙關系協調度，Cun（i）≤1表示水沙關系相對協調，Cun（i）>1表示水沙關系相對不協調，值越大表明不協調程度越高;φi為河段i實際來沙系數;φT為河段臨界來沙系數，一般取黃河下游河道達到沖淤基本平衡的小黑武（小浪底、黑石關、武陟水文站）來沙系數0.01 kg·s/m6作為臨界來沙系數。

以無定河和黃河河龍區間為例，分析水沙關系協調度的空間分布規律，見圖1和圖2。由圖1、圖2可以看出，流域面積越小且河流分級[15]越低的支溝，水沙關系越不協調（比黃河下游水沙關系協調度更低），越需要淤地壩進行攔蓄控制。因此，高標準免管護淤地壩就是要就地攔蓄協調度極差的水沙，從源頭上降低入黃水沙關系的不協調程度。

（2）按可能最大洪水進行水文計算。一般認為，在全流域范圍內降雨是等概率隨機發生的，但由于支流流域面積存在差異，因此不同支流（或子流域）洪水發生概率具有空間不一致性，較大流域與其子流域遭遇降雨的范圍不同，導致相同降雨概率條件下較大流域發生同量級洪水的概率遠小于子流域的。根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014）[11]和《水土保持治溝骨干工程技術規范》（SL 289—2003）[12]，淤地壩傳統水文計算主要采用頻率法或經驗公式法，基于較大流域實測資料或由較大流域實測資料擬定的經驗公式、圖集等來計算淤地壩設計洪水，其基本假定是較大流域的洪水發生概率（頻率）與子流域基本一致。淤地壩地處小流域，易遭遇極端局部暴雨，采用傳統水文計算方法即頻率法或者經驗公式法計算設計洪水可能導致兩種后果，一是設計洪水發生頻率偏低，二是設計洪水量級偏小，從而使淤地壩客觀上極易遭遇超標準洪水并導致漫壩潰決。高標準免管護淤地壩采用可能最大洪水（PMF）進行洪水泥沙估算，以應對小流域極易發生的接近物理上限的暴雨洪水，壩體建設采用可過流壩型結構，不需滯洪庫容。根據黃土高原地區暴雨特性及產洪產沙規律，特別是考慮小流域800 kg/m3量級高含沙洪水對壩身沖刷的影響，筆者提出小流域高含沙PMF估算方法，用于高標準免管護淤地壩水文計算，使水文計算結果更加科學合理。

3.2 新型壩工結構

受均質土壩特性制約，傳統淤地壩壩身不可過流運用，限制了淤地壩綜合作用的發揮。高標準免管護淤地壩建設，采用新型壩工結構（見圖3），通過在土壩壩體上設置防沖刷保護層，實現壩頂溢流運用且防潰決、免管護、多攔沙。

從造價經濟性考慮，淤地壩防沖刷保護層可采用以下幾種形式：①混凝土，適用于較大壩高且附近有砂石骨料地區;②漿砌石，適用于附近有較豐富石料地區;③黃土固化層，適用于砂石骨料缺乏地區。因地制宜設計壩身泄流的消能方式，可采用壩身臺階式消能或消力池消能等。

3.3 黃土固化新材料

采用傳統混凝土制作防沖刷保護層需要砂石骨料，而黃土高原地區缺乏砂石骨料，遠距離運輸砂石骨料的成本太高，若就地取材，以當地黃土為原料進行固化，建設淤地壩防沖刷保護層，則可大大降低建設成本。黃土高原地區的黃土一般為中粉質壤土，通過對陜西延川縣黃土的試驗檢測可知，其黏粒含量達20%、粉粒含量不足80%，用水泥等傳統膠凝材料對這種中粉質壤土進行固化，強度較低，不能抵抗洪水沖刷。

本研究經過數千組次試驗，成功研制了一種新型黃土固化劑，用其固化的黃土具有較高的強度和良好的耐久性，解決了水泥等傳統固化材料不能用于固化黃土的難題。試驗表明，黃土、固化劑、細砂按照6∶3∶1的比例摻和后，28 d無限側抗壓強度可以達到11 MPa，首次吸水后的吸水率隨齡期增長變化不大，30次凍融循環后強度損失率為23.3%，見圖4～圖6。可見，用其固化的黃土制作淤地壩防沖刷保護層，具有較好的耐久性和抗沖刷性能，可以滿足高標準免管護淤地壩過流沖刷防護要求。

3.4 設計施工新技術

根據淤地壩成壩條件和防沖刷要求，高標準免管護淤地壩的設計施工采用3種新技術。

（1）防沖刷保護層全覆蓋防護技術。當地無砂石骨料時，可因地制宜，選用黃土摻和固化劑作為填筑料，在壩頂和下游壩坡采用防沖刷保護層覆蓋（如圖7所示），適用于壩高在20 m以下的中低壩。施工時，防沖刷保護層與壩體同步碾壓，采用路拌法施工，機械化程度高，施工速度快。

（2）防沖刷保護層局部覆蓋防護技術。壩軸線較長時，可因地制宜，在壩頂和下游壩坡局部（壩頂過流部位）設置防沖刷保護層（如圖8所示），以降低工程造價。施工時，先填筑壩體，后采用小型振動碾斜坡碾壓進行防沖刷保護層施工。

（3）預制臺階式聯鎖塊全覆蓋防護技術。在確保安全的前提下，壩頂采用防沖刷保護層，下游壩坡采用預制臺階式聯鎖塊鋪設防沖刷保護層（如圖9所示），適用于壩高為20～30 m的較高壩。施工時，工廠預制聯鎖塊，對現場施工場地要求低，現場人工結合小型設備鋪設，施工速度快。

4 技術經濟比較

以陜西省延川縣高家圪臺中型壩為例，按相同攔沙年限和相同設計壩高兩種對比思路，對高標準免管護淤地壩（防沖刷保護層全覆蓋防護）與傳統淤地壩進行技術經濟比較，見表1。

由表1可以看出，高標準免管護淤地壩相對于傳統淤地壩，在相同的設計攔沙年限條件下可以大幅度降低工程費用，在相同設計壩高的條件下可以更加充分發揮攔沙作用，解決潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題，達到防潰決、免管護、多攔沙、降造價等效果。

5 結語

黃河流域水土流失嚴重，生態環境脆弱。淤地壩在黃河流域生態保護修復中發揮了巨大作用，但受限于傳統設計理念，目前淤地壩存在潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題。創新淤地壩設計理念，構建高標準免管護淤地壩理論技術體系，基于淤地壩水文計算新方法、新型壩工結構、黃土固化新材料、設計施工新技術等，可以實現淤地壩防潰決、保安全、免管護、多攔沙、降造價等目標。高標準免管護淤地壩可以更好地發揮淤地壩的綜合效益，應在黃土高原地區大力推廣應用，以支撐黃河流域生態保護和高質量發展。

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