淺析淤地壩柔性溢洪道技術(shù)的應(yīng)用

郭玉梅，劉紅梅，劉思君，雷 欣

[1.黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局(黃河水利委員會 綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站)，陜西 榆林 719000； 2.黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000； 3.黃河水利委員會 新聞宣傳出版中心，河南 鄭州 450004]

黃土高原位于我國北方地區(qū)與西北地區(qū)的交界處，東起太行山，西至烏鞘嶺，南連秦嶺，北抵長城，包括山西省、陜西省，以及甘肅、青海、寧夏、河南等省(區(qū))的部分地區(qū)。在長期流水侵蝕下，地面被分割得非常破碎，形成溝壑交錯其間的塬、梁、峁，總面積64萬km2，其中水土流失面積占71%，約有45.4萬km2，是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。淤地壩是黃土丘陵溝壑區(qū)陜北和晉西廣大人民群眾的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，是解決水土流失溝道侵蝕問題的有效工程措施，具有攔截泥沙、阻滯洪水、淤地造田、以壩代路、改善生態(tài)環(huán)境等綜合效益[1]。2015年，習(xí)近平總書記在陜西省延川縣文安驛鎮(zhèn)梁家河村調(diào)研時指出：淤地壩是流域綜合治理的一種有效形式，既可以增加耕地面積、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行[2]。2018年，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上指出，“有條件的地方要大力建設(shè)旱作梯田、淤地壩等”。截至2021年底，黃土高原地區(qū)有淤地壩5 7063座，其中大型壩6 265座、中型壩1 0523座、小型壩4 0275座。

近年來，隨著全球氣候變暖和人類活動影響，水旱災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)重發(fā)態(tài)勢，黃河流域發(fā)生區(qū)域高強(qiáng)度暴雨洪水和極端暴雨洪水的可能性加大，淤地壩水毀現(xiàn)象頻頻發(fā)生，水毀災(zāi)害給當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳敭a(chǎn)安全造成了極大的威脅。據(jù)調(diào)查顯示，2017年7月26日陜北大理河流域發(fā)生200 mm以上的特大暴雨后，1 760座淤地壩中水毀531座，水毀比例高達(dá)30.2%。實(shí)地勘測發(fā)現(xiàn)，水毀的均為未設(shè)置溢洪道的中小型淤地壩；調(diào)查還顯示具備“三大件”的淤地壩主要集中在2000年后修建的部分骨干壩，絕大多數(shù)中小型或建設(shè)時間較早的淤地壩均未設(shè)置溢洪道。溢洪道是淤地壩維護(hù)自身安全及防洪抗險的最主要的措施，溢洪道的缺失成為影響黃土高原地區(qū)淤地壩安全運(yùn)用的一個主要因素。2016年，水利部正式啟動了黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩除險加固工程，增設(shè)溢洪道是病險淤地壩除險加固的主要建設(shè)內(nèi)容。

1 現(xiàn)有溢洪道存在的問題

目前溢洪道主要有漿砌石、混凝土、土質(zhì)溢洪道。漿砌石溢洪道和混凝土溢洪道對既有淤地壩的地形地質(zhì)條件要求高，同時面臨征地難的壓力。除此之外，伴隨著人工費(fèi)和材料費(fèi)的上漲、砂石料開采的限制，混凝土、漿砌石溢洪道的建設(shè)成本大幅增加，一般在80～120萬元，約占工程總投資40%，資金占比較大。而淤地壩除險加固資金有限，很難實(shí)現(xiàn)全部工程增設(shè)溢洪道，形成了溢洪道需求與資金緊缺的矛盾。土質(zhì)溢洪道沒有采取任何砌護(hù)措施，工程標(biāo)準(zhǔn)低，易被洪水沖刷，形成不規(guī)則斷面，對壩體安全造成威脅，嚴(yán)重時會出現(xiàn)漫頂、垮壩現(xiàn)象。這三種形式的溢洪道已無法滿足新時代淤地壩建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的要求。

2 柔性溢洪道

針對傳統(tǒng)淤地壩溢洪道建設(shè)及運(yùn)用過程中存在的問題，陳祖煜院士提出了淤地壩柔性溢洪道的理念，經(jīng)過模型設(shè)計(jì)、材料試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、室外試驗(yàn)、野外試驗(yàn)后，于2020年被列入成熟適用水利科技成果推廣運(yùn)用清單，予以推廣。其中柔性溢洪道野外試驗(yàn)是在陜西省榆林市綏德縣辛店溝白草洼淤地壩壩體上進(jìn)行的。

2.1 白草洼淤地壩概況

白草洼淤地壩位于陜西省綏德縣黃河水系無定河一級支流辛店溝的鴨峁溝中游左岸，屬小型淤地壩，壩控面積0.06 km2，初建時間為1960年，經(jīng)過多年的運(yùn)用，壩體外坡形成沖溝，壩內(nèi)淤滿。2008年對該壩進(jìn)行了加高加固，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)淤積年限為5年，加高壩高3.0 m。2012年，在壩體右岸增設(shè)土質(zhì)溢洪道，溢洪道寬0.8 m、高0.6 m、長45.0 m，陡坡坡比為1∶3。截至2018年，壩體外觀完好，其基本信息見表1。

表1 白草洼淤地壩基本信息

2.2 柔性溢洪道結(jié)構(gòu)

2019年在白草洼淤地壩壩體上增設(shè)柔性溢洪道，采用10年一遇防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、30年一遇防洪校核標(biāo)準(zhǔn)，建成柔性臺階式溢洪道形式，布設(shè)在右岸，結(jié)構(gòu)如下：

(1)溢流堰段。鋼筋混凝土砌筑，渠道長3.0 m、內(nèi)寬1.5 m、深2.0 m，底板厚0.6 m，渠道側(cè)墻頂寬2.0 m、底寬0.6 m。

(2)明渠陡坡段。臺階式柔性土工袋結(jié)構(gòu)，梯形斷面。臺階采用復(fù)合PET土工袋搭接，搭接寬0.5 m；結(jié)構(gòu)尺寸為寬1.0 m、厚0.5 m、長1.5 m；兩側(cè)采用CDASS土工材料；梯形斷面邊坡坡比1∶0.5，底寬1.5 m、高2.0 m，高1.0 m處設(shè)置馬道，馬道寬0.5 m(見圖1)。

圖1 白草洼淤地壩柔性溢洪道明渠陡坡段

(3)消力池。消力池底部及側(cè)墻均用防滲膜處理后，采用CDASS土工材料包裹。

(4)尾水渠。內(nèi)壁防滲處理夯實(shí)后，鋪筑土工布，兩側(cè)土工布延長0.5 m后，嵌入外側(cè)土體夯實(shí)。

在白草洼淤地壩的上、下游各修建1個蓄水池(見圖2)，上游蓄水池容量為1 200 m3，最大蓄水位1.5 m，下游蓄水池容量為1 300 m3，通過抽水泵將下游蓄水池的水輸送至上游蓄水池進(jìn)行循環(huán)利用。在溢洪道進(jìn)口段設(shè)置寬1.5 m、高2 m的閘門，配套相應(yīng)的啟閉設(shè)備控制放水過程。

圖2 白草洼淤地壩試驗(yàn)基地整體布置

2.3 柔性溢洪道材料及特點(diǎn)

淤地壩柔性溢洪道主要采用CDASS土工材料和當(dāng)?shù)攸S土修建而成的臺階式溢洪道。CDASS土工材料具有抗高速水流沖刷、保土性能強(qiáng)、抗老化性能強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。柔性溢洪道與現(xiàn)有溢洪道比較，具有顯著優(yōu)點(diǎn)：①修建在壩體上，避免單獨(dú)占地，節(jié)省土地資源；②抗沖性能好，降低水流流速及能量，消能效率高；③適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞；④利用黃土作為主要建筑材料，造價低廉，減少砂石開采，環(huán)境友好；⑤隨著混凝土及石材價格的不斷上漲，可節(jié)省約一半投資，成本優(yōu)勢突顯(見表2)。

表2 柔性溢洪道與現(xiàn)有溢洪道優(yōu)缺點(diǎn)對照

3 推廣應(yīng)用

柔性臺階式溢洪道可以降低水流流速及能量，防止水流沖刷，消能效率高，堅(jiān)固耐用，環(huán)境友好，大大提高了工程的安全性，同時可以縮短溢洪道長度，降低工程投資。柔性臺階式溢洪道技術(shù)具有廣闊的推廣前景，不僅適用于淤地壩新建及除險加固工程，也可以在其他流域抗侵蝕、泄洪等工程中推廣應(yīng)用。推廣應(yīng)用范圍包括：①即將淤滿、剩余庫容小、潰決風(fēng)險大的淤地壩；②除險加固資金有限的淤地壩；③施工條件受限，無法使用大型施工機(jī)械的淤地壩；④地基不均勻沉降嚴(yán)重、潰決流量大的淤地壩。