新材料和新技術(shù)及新工藝在淤地壩及其壩系中的應(yīng)用

張軍社

摘 ?要：新材料、新技術(shù)、新工藝是當前科技發(fā)展的重要方向，也在不斷地推動淤地壩工程的創(chuàng)新與發(fā)展。未來淤地壩工程將繼續(xù)朝著智能化、數(shù)字化、環(huán)保方向發(fā)展。重點闡述了地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等新技術(shù)，免管護一體、攔泥透水、浮力式擋水等筑壩新手段，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、頂管、虹吸管+太陽能等新技術(shù)在防水建筑物中的應(yīng)用，柔性、效能和豎井等新型溢洪道及新工藝的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：淤地壩? 新材料? 新技術(shù)? 新工藝? 壩體? 溢洪道

中圖分類號： S157

Application of New Materials， New Technologies and New Processes in Silt Dams and Their Dam Systems

ZHANG Junshe

（Chengguan Water Conservancy Workstation in Longde County， Guyuan， Ningxia Hui Autonomous Region， 756300 China）

Abstract：New materials， new technologies and new processes are important directions for the current development of science and technology， and they are also constantly promoting the innovation and development of silt dam engineering. In the future， silt dam engineering will continue to develop towards the direction of intelligence， digitization and environmental protection. This paper focuses on the application of new technologies such as the geographic information system （GIS）， the digital elevation model （DEM） and building information modeling （BIM）， the new means of dam construction such as integrated pipe-free protection， mud permeability and buoyancy retaining water， and new technologies such as prestressed steel cylinder concrete pipes， pipe jacking and siphon+solar energy in waterproof buildings， and the application of new spillways and new processes such as flexibility， efficiency and shafts.

Key Words：Silt dam; New material; New technology; New process; Dam body; Spillway

淤地壩及壩系是黃土高原治理水土流失的主要措施之一。2003 年水利部將淤地壩及壩系工程建設(shè)列為三大“亮點工程”以來，全國掀起了新一輪淤地壩及壩系建設(shè)高潮。由于國家投資有限，地方配套資金難以到位，淤地壩及壩系工程建設(shè)受資金短缺的困擾難以大規(guī)模地開展。為此，嘗試在中小型淤地壩及壩系的施工中采用新材料、新技術(shù)、新工藝，通過新材料、新技術(shù)、新工藝在淤地壩及壩系工程中的應(yīng)用，可以有效解決筑壩資金短缺的問題。

1? 新材料的應(yīng)用

1.1? 淤地壩及壩系的壩體

1.1.1 攔泥透水型

攔泥透水型淤地壩是一種運用現(xiàn)代土木建筑技術(shù)和新型材料建造的一類壩，其主要特點是在材料的選用和壩的構(gòu)造上注重水力與建筑的協(xié)調(diào)，形成既可攔沙又能透水的結(jié)構(gòu)。攔泥透水型淤地壩通過，控制河流泥沙徑流和河道底泥的不斷淤積，從根本上降低了下游的河道淤積和污染，有助于鞏固區(qū)域的生態(tài)安全，同時還具備局部固化、整體透水的特點，可以時刻保護河岸不被沿岸物、泥沙沖刷損傷，可以減少洪水泛濫帶來的災(zāi)害風險。攔泥透水型淤地壩還有儲水能力，而且由于其壩體為透水及固化型結(jié)構(gòu)，不受水位變化影響，增加了儲存能力，有利于應(yīng)對水資源短缺的挑戰(zhàn)，在河流治理、防洪抗災(zāi)方面有很大的作用^[1]。

1.1.2 免管護一體式

免管護一體式淤地壩是一種新型的淤地壩結(jié)構(gòu)，其主要特點是區(qū)分了圍堤與淤堆，并通過選擇適合的填筑材料與堆積方法進行建造，使之既是一道淤堆，又是一道圍堤。免管護一體式淤地壩的圍堤和淤堆之間通過填料的選擇和施工方法結(jié)合為一體，可以有效提高淤堆的初始固結(jié)和長期穩(wěn)定性，提高淤地壩的耐度和可靠性。相對傳統(tǒng)淤地壩建設(shè)模式，免管護一體式淤地壩不需要筑壩工藝，消除了一部分建造時間，同時可減少維修與管理成本，建造過程少了混凝土、鋼材、管道等大量的基礎(chǔ)材料消耗，相應(yīng)降低了建造成本。

1.1.3 浮力式

浮力式擋水壩是一種新型的水壩結(jié)構(gòu)，它采用浮在水面上柔性膜等物體作為基礎(chǔ)，利用壩體下面的空氣充當浮力，在不需要固定建筑物的情況下，形成了一種堤壩。由于浮力式擋水壩無須固定建筑物或結(jié)構(gòu)，建造過程中對環(huán)境影響小，其自身也能成為自然生態(tài)體系的一部分，再加上壩體結(jié)構(gòu)簡單，可以節(jié)省建造成本，并且維護也相對便捷。浮體作為浮力式擋水壩的主要基礎(chǔ)，通常選用輕質(zhì)、耐久的材料，例如聚乙烯、聚氯乙烯等合成材料，具有良好的防腐蝕和耐用性。浮體數(shù)量通常需要根據(jù)實際需要和河流的特點而定，可選用多個浮體進行組合，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防護效果。壩體的形狀需要考慮到河流的特定情況，例如：河流的寬度和深度，壩體需要具有良好的浮力和穩(wěn)定性，從而確保在防止波浪和涌浪的同時實現(xiàn)建設(shè)受力平衡，實現(xiàn)對河流的攔沙和調(diào)節(jié)水位的作用^[2]。

1.2? 淤地壩及壩系的放水建筑物

1.2.1 頂管技術(shù)

在淤地壩建設(shè)中，頂管穿越技術(shù)可以用于河道、湖泊等水域的穿越。它利用專用的推力設(shè)備將長距離的管道從一個端點推入地下，通過逐步推進的方式完成管道的埋設(shè)過程。頂管穿越技術(shù)有以下特點。

第一，減少對地面交通、水電等公共設(shè)施的影響，減輕城市交通擁堵。第二，減少環(huán)境污染，減少土地開采量和空氣粉塵污染。第三，管道埋設(shè)深度可達30 m以上，適用于較深的山谷或者建筑物下穿頂過長距離的場合。第四，較短的施工時間，減少工期，降低施工成本。第五，管材材質(zhì)可采用不同材質(zhì)的管道，如鋼筋混凝土、高密度聚乙烯等管道。在淤地壩建設(shè)中，頂管穿越技術(shù)可以用于河道、湖泊等水域的穿越。相比較傳統(tǒng)的開挖施工方式，頂管穿越可以避免對水流的干擾，減少水流淤積導(dǎo)致的環(huán)境問題。同時，通過逐步推進的方式，可以控制土體的沉降，保證施工安全^[3]。

1.2.2 ?PCCP管（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）是由鋼筒、混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋等組成的一種復(fù)合材料管道。在淤地壩的應(yīng)用中，PCCP管主要用于排水、輸水和補強壩體等方面。在淤地壩的建造過程中，需要輸送水泥穩(wěn)定土等物料，有時候還需要進行蓄水庫輸水等工作。此時使用PCCP管可以避免土方截面變形和折斷問題，同時管道運輸和組裝比較方便。PCCP管可以作為加固淤地壩的材料之一，在淤土壩瘦弱處或者鋼筋混凝土壩支護處，可以采用PCCP管進行補強，增加壩體的穩(wěn)定性和承載能力。制造PCCP管時，要先按照設(shè)計要求切割和焊接鋼板，將其彎曲成規(guī)定的直徑和長度的管道。其次，在鋼管內(nèi)部布置預(yù)應(yīng)力筋，并采用專門設(shè)備對預(yù)應(yīng)力筋進行張緊加工，將預(yù)應(yīng)力加工后的鋼管放置在模板中，灌注混凝土至需要的厚度。在澆筑混凝土的過程中，通過振搗來排除混凝土中的氣泡和空隙，灌注完畢后，等待混凝土凝固成型。混凝土凝固成型后，在外部筑土墻支撐的情況下，將模板拆除，并進行表面處理。之后還要安裝預(yù)應(yīng)力拱架和錨具，對預(yù)應(yīng)力筋進行張拉，并進行預(yù)應(yīng)力錨固。最后，在鋼管的內(nèi)部進行防水處理，以保證管道的排水功能^[4]。

1.2.3 虹吸管+太陽能技術(shù)

淤地壩蓄水智能緩釋裝置是利用虹吸等工藝，對淤地壩的深層地下水進行調(diào)節(jié)和平衡，從而降低淤地壩滲透壓力，提高地下水位，增加淤地壩的穩(wěn)定性。其中，虹吸管是實現(xiàn)緩釋裝置通水的核心部件之一。在虹吸管的選型中，太陽能技術(shù)可以作為虹吸管的能源來源而被應(yīng)用。通過在虹吸管的頂部設(shè)置太陽能板，能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)化為電能，為虹吸管注入所需的動力。虹吸管+太陽能技術(shù)在淤地壩蓄水智能緩釋裝置中的應(yīng)用，可以提升淤地壩緩釋裝置的效率和可靠性，而避免使用外部電源，降低能源消耗。同時，它對環(huán)境的影響也比使用其他能源更小，可以推動節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的目標的實現(xiàn)。

1.3? 淤地壩及壩系的溢洪道

1.3.1 生態(tài)袋臺階式消能溢洪道

生態(tài)袋臺階式消能溢洪道是一種新型的洪水消能溢洪結(jié)構(gòu)，其主要特點是在水流沖擊面設(shè)置一定數(shù)量的消能生態(tài)袋，并在洪水消能的同時優(yōu)化河道生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)保護效益。目前，生態(tài)袋臺階式消能溢洪道已經(jīng)在一些淤地壩中得到了應(yīng)用，具體具有以下優(yōu)勢：第一，消能效果好，生態(tài)袋臺階式消能溢洪道在洪水沖刷過程中，通過獨特的生態(tài)袋臺階結(jié)構(gòu)，使得水流能夠逐漸分散消耗，達到消能的效果；第二，有助于生態(tài)環(huán)境改善，生態(tài)袋臺階式消能溢洪道的生態(tài)袋部分可以種植一些河道植物，通過河道環(huán)境改善措施的實施，逐漸提升淤地壩區(qū)域生態(tài)環(huán)境，有助于保護和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)；第三，工程成本降低，生態(tài)袋臺階式消能溢洪道的結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝便捷，且材料成本較低，因此在一些淤地壩工程中應(yīng)用后能夠有效降低工程造價。總之，生態(tài)袋臺階式消能溢洪道在淤地壩蓄水工程中具有較好的應(yīng)用前景，可以有效地鞏固淤地壩的穩(wěn)定性和減少對環(huán)境的損失^[5]。

1.3.2 柔性溢洪道

柔性溢洪道是一種可以在洪水到來時自動展開的浮動結(jié)構(gòu)，核心技術(shù)是使用高強度、耐磨損、柔軟耐酸堿的聚氨酯材料，一般用CDASS（Check Dam Soft Spillway）土工材料和當?shù)攸S土修建。柔性溢洪道需要在水流沖擊和控制的同時保證自身穩(wěn)定性和強度，因此，承載能力是衡量柔性溢洪道的重要指標之一。作為一種浮動結(jié)構(gòu)，柔性溢洪道需要能夠承受水體壓力和支撐設(shè)備自身重量，為了達到這一目的，材料的硬度、密度、沖擊強度、變形能力等方面需要具備足夠的強度和耐久性。

1.3.3 豎井式溢洪道

在地形嚴峻、開敞式溢洪道修建困難的區(qū)域，豎井式溢洪道因其具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、防洪效果明顯等特點，在淤地壩工程中得到了應(yīng)用。建設(shè)淤地壩時通常需要將淤泥挖掘出來，而挖掘后的淤泥常常需要一定的處理和處置，豎井式溢洪道可以將淤泥直接利用于構(gòu)筑豎井體系，因此在一定程度上降低了淤泥的處理成本和環(huán)境影響。受限于淤地壩的大小、形狀和地形條件等影響時，在淤地壩蓄水工程中豎井式溢洪道可以被用作洪水消能和溢洪的主要措施，安裝后可以顯著提高淤地壩的防洪能力。

2? 新技術(shù)應(yīng)用

2.1? BIM技術(shù)在設(shè)計施工中的應(yīng)用

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是一種數(shù)字化的建筑工程設(shè)計、施工和管理方法。在淤地壩設(shè)計和施工中，BIM技術(shù)可以幫助淤地壩建設(shè)團隊在設(shè)計過程中進行三維建模，更好地展示設(shè)計成果并簡化溝通。對于淤地壩及放水建筑物、溢洪道、壩體這“三大件”的建設(shè)和運營管理，BIM技術(shù)可以提供全面的協(xié)同三維建模、結(jié)構(gòu)分析、施工組織、運營管理等功能。BIM技術(shù)可以將淤地壩及其“三大件”建筑物的整體形態(tài)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、運行參數(shù)等信息進行全面、準確的三維建模，并支持多個專業(yè)團隊進行協(xié)同設(shè)計與交流。通過渲染和漫游技術(shù)，BIM技術(shù)可以生成淤地壩的放水建筑物和溢洪道的三維漫游視頻，并對其滲透率、水頭等參數(shù)進行測算和分析。基于三維建模數(shù)據(jù)，結(jié)合施工進度計劃和資源分配，BIM技術(shù)還能進行4D施工仿真，實現(xiàn)工期計算、資源管理等功能，從而更好地管理施工過程。在后續(xù)施工階段，BIM技術(shù)可以輸出各個建筑物和設(shè)施的運維管理信息。通過后期運維平臺和維護管理模塊，實現(xiàn)滲透率、設(shè)備運行狀態(tài)、風險分析等內(nèi)容的監(jiān)測和維護。

2.2 ?GIS和DEM在規(guī)劃布局中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）在淤地壩系規(guī)劃布局中有廣泛應(yīng)用。DEM可以生成高程圖，通過GIS軟件可以對地形進行分析和可視化，以確定淤地壩的最佳位置和大小，并對流域邊界、地形、水文觀測站等數(shù)據(jù)進行模擬分析，根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化淤地壩流域規(guī)劃布局以及防洪排澇效果等。在GIS軟件中使用DEM和水文模型結(jié)合地物特征數(shù)據(jù)進行分析模擬，還能應(yīng)用于洪水來臨時的應(yīng)對、淤地壩水位高度判斷等。另外，GIS還能生成三維地形模型，更直觀地展示淤地壩布局的地形特征，由此一來，就能針對可能發(fā)生的不同水情，通過考慮不同降雨、水位、徑流等多元素組合的可能性判斷，優(yōu)化淤地壩的設(shè)計規(guī)劃布局安排。

3? 新工藝的應(yīng)用

3.1? 無損快速的碾壓機械在淤地壩及壩系中的應(yīng)用

淤地壩建設(shè)中，碾壓施工是一項重要工序，其質(zhì)量直接關(guān)系到淤地壩的安全和穩(wěn)定。無人駕駛碾壓機械的應(yīng)用則可以提高碾壓施工效率、降低人力成本、提高碾壓質(zhì)量和安全性，通過將車載傳感器和計算機技術(shù)應(yīng)用到機械化碾壓設(shè)備上，利用成套自動化設(shè)備和GPS定位設(shè)備，通過傳感器感知路面信息，計算機處理并控制機械的運作，實現(xiàn)無人駕駛的碾壓施工過程^[6]。

淤地壩是以黏土、砂土等可塑性土壤為主要材料，經(jīng)過施工處理后，形成的堆石壩體結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的施工工藝一般包括爆破技術(shù)、水力沖填、碾壓技術(shù)三類。爆破技術(shù)一般用于淤地壩施工中的壩岸和支土墻等部分，通過將大塊的巖石或土方進行爆破，以便打開施工場地，同時能夠提高施工效率和質(zhì)量。水力沖填是淤地壩施工中常用的一種壩體施工工藝，其主要的操作步驟是將淤泥在水中充分混合，然后通過管道輸送到堆積區(qū)域，在管道輸送時通過壓力水的作用將淤泥沖擊到已經(jīng)堆積的壩體筑堆面上，形成更為緊密的堆積結(jié)構(gòu)。這種施工工藝需要掌控水的流量和壓力，以保證壩體堆筑的均勻性和密實度。碾壓技術(shù)是指將淤泥通過機器壓實和碾壓使其變得更加堅固的過程。這種工藝通過機器壓實和碾壓，可以使淤地壩壩體堆積更加緊實，抗沖擊能力更加強大。但在實際施工操作中，需要注意掌握機器的操作技能和使用壓實機械時的壓力、速度等參數(shù)，以免對淤泥土質(zhì)的影響過大。建設(shè)時需要根據(jù)具體的工程情況和材料特性選擇相應(yīng)的工藝進行施工，在傳統(tǒng)工藝不能滿足需求時，有必要采用新工藝提高淤地壩的穩(wěn)定性和水工安全性。

3.2? 碾壓式土壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)在淤地壩及壩系中的應(yīng)用

碾壓式土壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于新興技術(shù)的施工過程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測并分析淤地壩施工過程中的各個關(guān)鍵參數(shù)和指標，包括土體的密實度、穩(wěn)定性、水分含量等。例如：在系統(tǒng)中采用北斗高精度定位系統(tǒng)和圖像識別技術(shù)，能夠在實時監(jiān)測施工過程中對施工現(xiàn)場進行精確定位和圖像數(shù)據(jù)采集，從而提高監(jiān)測精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。利用BIM技術(shù)模擬施工過程，可以較好地優(yōu)化施工計劃和施工過程，減少施工中未曾預(yù)見的問題，提高土壩的穩(wěn)定性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將土體的實時數(shù)據(jù)上傳至云端，云計算技術(shù)分析實時數(shù)據(jù)，可以評估土體狀態(tài)和工作質(zhì)量，并通過大數(shù)據(jù)挖掘預(yù)測可能會出現(xiàn)的問題，為工程管理人員提供快速、準確的信息支持和決策參考。施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以在淤地壩施工過程中對土壩的穩(wěn)定性進行全面監(jiān)測和分析，提高施工可靠性和質(zhì)量。

3.3? 多維識別技術(shù)在淤地壩及壩系中的應(yīng)用

多維識別技術(shù)可以通過多種傳感器和探測器實現(xiàn)壩料的多維參數(shù)測量和數(shù)據(jù)采集。例如：通過測量壩料的密度、黏度、形狀、顏色等參數(shù)，可以得到壩料的基礎(chǔ)物理特性數(shù)據(jù)，以便更準確地評估淤地壩的承載力和穩(wěn)定性。在多維識別技術(shù)的支持下，淤地壩建設(shè)中還可以應(yīng)用如光學(xué)分析、雷達測量、聲波探測等快速感知壩料的物理特性的技術(shù)。例如：通過紅外光線或者高分辨率攝像頭對壩料的溫度和形態(tài)進行快速感知，可以檢測壩料中的異常情況，有助于盡早發(fā)現(xiàn)問題、及時修補，減少事故風險，保障淤地壩的安全性。

4? 結(jié)語

在新材料方面，將會有更多環(huán)保材料應(yīng)用于淤地壩工程中，以及新型復(fù)合材料的研究和應(yīng)用；在新技術(shù)方面，將會有更多基于大數(shù)據(jù)和人工智能的施工管理、質(zhì)量監(jiān)測和智能預(yù)警等工具的引入；而在新工藝方面，將會有更多的孔隙率控制和泥土加固、混凝土施工等專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用。淤地壩工程還將繼續(xù)向多功能化發(fā)展，不僅僅是保護防洪和蓄水，同時也可以實現(xiàn)景觀、水利、生態(tài)和能源等效益的綜合利用。

參考文獻

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