淤地壩安全與穩(wěn)定的理論與實(shí)踐

1、淤地壩安全與穩(wěn)定的理論與實(shí)踐李 敏淤地壩作為水土保持綜合治理的措施之一，應(yīng)當(dāng)從全流域的角度，從綜合治理的角度、從淤地壩與水沙運(yùn)行關(guān)系的角度對(duì)其安全與穩(wěn)定狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析。除人為因素（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程質(zhì)量等）外，處于生產(chǎn)運(yùn)行期淤地壩的安全與穩(wěn)定，主要受三個(gè)因素影響：淤地壩的排水排沙能力、淤地壩的攔水?dāng)r沙能力、流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙狀況。以下結(jié)合實(shí)踐，對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行分析論述。1、 淤地壩的排水排沙能力由于黃土高原許多地區(qū)缺乏石料，且建壩地點(diǎn)交通不便，使溢洪道的造價(jià)較高。同時(shí)黃土高原地區(qū)土料豐富，勞動(dòng)力便宜，因此黃土高原地區(qū)的骨干壩和大中型淤地壩一般由壩體和放水工程“兩大件”組成，極少布設(shè)溢洪道，小型淤地壩

2、僅有壩體。淤地壩的安全和穩(wěn)定主要依靠“庫(kù)容取勝”。SL289-2003水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定，骨干壩放水工程的“放水流量一般按3天5天排完10年一遇洪水總量，或按4天7天排完一次設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算。”陜DB3446-86規(guī)定“泄水洞泄水量，應(yīng)按滿(mǎn)足在13日內(nèi)泄完庫(kù)內(nèi)攔蓄一次洪水的水量來(lái)確定。”根據(jù)SL289-2003中的計(jì)算公式，以臥管形式，采用一孔放水的流量公式為： Q（）2-（1）Q-排水流量H-（臥管）放水孔上水深d-（臥管）放水孔直徑（1）式表明，當(dāng)放水工程的結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，放水流量與水深為非線性關(guān)系（見(jiàn)圖2-1）。因此對(duì)于只有兩大件的淤地壩其排水排沙能力不僅是有限的，而且隨著

3、淤積年限的增加，相同洪水形成的水深減小，對(duì)相同頻率洪水的排泄能力顯著降低。小型淤地壩只有壩體“一大件”，基本沒(méi)有排水排沙能力。2、 淤地壩的攔水?dāng)r沙能力當(dāng)淤地壩只有壩體和放水建筑物，甚至只有壩體的情況下，在壩控面積上的產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)量已知時(shí)，以“庫(kù)容取勝”的淤地壩的攔水?dāng)r沙能力成為保證其安全穩(wěn)定的重要條件。雖然淤地壩在運(yùn)行初期有較高的攔水?dāng)r沙能力（表2-1），但隨著運(yùn)行年限的增加，總庫(kù)容不斷減少，致使其攔水?dāng)r沙能力逐年下降，最終喪失攔水?dāng)r沙能力。表2-1 淤地壩設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期（年）淤積年限（年）設(shè)計(jì)校核水利部標(biāo)準(zhǔn)骨干壩四級(jí)30-50300-50020-30骨干壩五級(jí)20-30200-300

4、10-20陜西省標(biāo)準(zhǔn)*大型淤地壩30-50300-50010-20中型淤地壩20-30100-3005-10小型淤地壩10-2050-1005注：水利部標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)：SL289-2003，陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)：陜DB3446-86具體分析淤地壩的攔水?dāng)r沙能力可知，當(dāng)流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量一定時(shí)，淤地壩總庫(kù)容因淤積而減少的數(shù)量是一個(gè)確定的數(shù)值。淤地壩的總庫(kù)容呈線性下降趨勢(shì)。但淤地壩的滯洪能力卻隨著運(yùn)行年限的增加、總庫(kù)容的減少，而呈非線性下降趨勢(shì)。例如：陜西省吳堡縣后橋溝小流域的土壤侵蝕模數(shù)為2萬(wàn)t/km2，設(shè)土壤容重為1.35，則每年每km2的水土流失為1.48萬(wàn)m3。該流域的不同頻率設(shè)計(jì)洪水總量模數(shù)見(jiàn)下表

5、。表2-2 后橋溝小流域不同頻率設(shè)計(jì)洪水總量模數(shù)頻率0.20.330.5123.3510洪量模數(shù)13.7412.4111.299.78.116.785.934.5當(dāng)淤積庫(kù)容淤積滿(mǎn)后，滯洪庫(kù)容開(kāi)始淤積。由于淤積，其滯洪能力急劇下降。計(jì)算該流域校核標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇洪水的每km2控制面積的滯洪庫(kù)容為13.74萬(wàn)m3，由于每年每km2的來(lái)沙量為1.48萬(wàn)m3，在這種情況下，滯洪庫(kù)容每年淤積1.48萬(wàn)m3（圖2-2），但相應(yīng)的滯洪能力卻急劇下降。運(yùn)行到第四年時(shí)滯洪能力降低到不到百年一遇洪水，第九年時(shí)，滯洪庫(kù)容剩1.9萬(wàn)m3，相應(yīng)的滯洪能力不到4年一遇的洪水（圖2-3）。 由以上分析可知，“庫(kù)容取勝”的

6、年限也是較短的，隨著運(yùn)行年限的增加，淤地壩的攔水?dāng)r沙能力急劇衰減，最后發(fā)展到即使是常遇洪水也可以造成垮壩。3、 流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙狀況對(duì)于一個(gè)排水排沙能力和攔水?dāng)r沙能力已經(jīng)確定的淤地壩，其壩控面積產(chǎn)水產(chǎn)沙量的多少直接影響淤地壩的安全與穩(wěn)定。一般地，減少壩控面積上的產(chǎn)水產(chǎn)沙量將使淤地壩安全和穩(wěn)定的年限延長(zhǎng)，并可以在較長(zhǎng)的時(shí)期保持相對(duì)安全和穩(wěn)定。產(chǎn)水產(chǎn)沙的減少量越大，淤地壩就越安全和穩(wěn)定。實(shí)踐證明，水土保持綜合治理將顯著減少流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)量，從而延長(zhǎng)淤地壩安全穩(wěn)定運(yùn)行的年限。陜西寶塔區(qū)碾莊溝和子長(zhǎng)縣丹頭溝均為黃河中游地區(qū)運(yùn)行多年的典型壩系。該二個(gè)小流域的坡面治理均達(dá)到一定程度（表2-3）。本文以此二

7、個(gè)小流域壩系為例進(jìn)行分析討論。表2-3 小流域基本情況縣名流域總面積km2梯田hm2造林hm2種草hm2洪水頻率說(shuō)明510寶塔區(qū)碾莊溝54.2737.823536053.6延安水文資料子長(zhǎng)縣丹頭溝65.1536154068053.6黃委天水水保站通過(guò)對(duì)黃河中游地區(qū)水保試驗(yàn)站不同系列徑流場(chǎng)（區(qū)）的徑流測(cè)驗(yàn)資料的分析論證，得出不同洪水頻率下水保措施的減洪指標(biāo)(表2-4)。采用表4的減水百分?jǐn)?shù)，分別計(jì)算出碾莊溝和丹頭溝的坡面措施在不同頻率洪水下的減洪效果（表2-5）。表 2-4 黃河中游代表小區(qū)不同洪量頻率下減洪指標(biāo)（單位：萬(wàn)m3/km2）洪量頻率%延 安 大 砭 溝 小 區(qū)梯 田人工造林人工種草絕

8、對(duì)相對(duì)%絕對(duì)相對(duì)%絕對(duì)相對(duì)%5102030405012.69.106.204.703.652.7588.089.092.095.198.71005.105.404.433.552.802.1052.062.572.580.087.594.53.402.591.901.601.251.0527.028.030.533.038.045.0資料來(lái)源：黃河上中游管理局. 黃土高原水土保持實(shí)踐與研究(二). 黃河水利出版社， 1998表2-5 坡面措施減洪效果流域洪水頻率梯田減洪萬(wàn)m3林減洪萬(wàn)m3草減洪萬(wàn)m3合計(jì)減洪萬(wàn)m3坡面原洪量萬(wàn)m3坡面措施減洪率原洪量模數(shù)萬(wàn)m3/km2現(xiàn)坡面洪量模數(shù)萬(wàn)m3/km3

9、碾莊溝5 32.46 61.18 0.81 94.45 157.25 60.06 5.0 2.010 23.64 52.94 0.60 77.19 113.22 68.17 3.6 1.1丹頭溝5 23.58 40.04 10.83 74.46 137.80 54.03 5.0 2.310 17.17 34.65 6.85 58.68 99.22 59.14 3.6 1.5坡面治理使該措施面積上的洪量減少，使洪水頻率增加。其中碾莊溝和丹頭溝的洪水頻率均增加到10以上，成為常遇的小洪水。由于這些流域的坡面治理程度較高，因此對(duì)全流域的洪水總量也產(chǎn)生顯著的影響，使全流域的洪水頻率向常遇洪水轉(zhuǎn)化（表2

10、-6）。表2-6 坡面措施減洪對(duì)全流域洪水總量的影響流域全流域原洪水總減洪剩余洪量萬(wàn)m3剩余洪量模數(shù)萬(wàn)m3/km2洪水頻率總洪量萬(wàn)m3碾莊溝5271.0034.85 176.55 3.3 10195.1239.56 117.93 2.2 丹頭溝5325.5022.87 251.04 3.9 10234.3625.04 175.68 2.7 2002年7月4日子長(zhǎng)縣遭受百年不遇的特大暴雨，降雨量達(dá)317.3mm。洪水沖毀水利水保工程158處（座），其中淤地壩85座，加上其他水毀設(shè)施，造成直接經(jīng)濟(jì)損失2700多萬(wàn)元。該縣丹頭溝流域在暴雨洪水的襲擊下，70座淤地壩均安然無(wú)恙。經(jīng)延安市水保隊(duì)對(duì)該流域調(diào)

11、查后認(rèn)為：“由于坡面治理較好，基本控制住泥不下山，徑流清清。由于其壩系的連鎖滯洪與排洪，加之坡面上的治理措施對(duì)洪水徑流節(jié)節(jié)攔蓄，從根本上控制了洪峰，使各壩都能安全地溢洪，從而確保了全流域70座淤地壩均安全無(wú)恙。其成功之處有二：一是全流域綜合治理程度較高，坡面措施攔蓄徑流能力強(qiáng)；二是有合理布局的壩系，具有較大的調(diào)洪能力?！保◤垙?qiáng)，陜西水土保持2002年第6期）減少了暴雨徑流，就意味著減少了土壤流失，減少了泥沙。選取黃河中游典型小流域壩系（表2-7），具體分析坡面治理與減沙效益的關(guān)系。表2-7 黃河中游典型小流域基本情況表縣名流域名總面積Km2坡面治理度已淤壩地面積hm2寶塔區(qū)碾莊溝54.2582

12、22.2子長(zhǎng)丹頭溝65.142198.0橫山趙石畔60.6841125.7橫山石老莊86.862109.7橫山元坪溝12846442.3米脂榆林溝65.648267.7子洲小河溝63.342243.0綏德馬家川48.947111.4綏德韭園溝70.742266.9清澗老舍古75.45065.9吳堡后橋溝384970.0汾西康和溝48.865377.0隰縣半溝20.455568.0中陽(yáng)高家溝14.17084.7中陽(yáng)洪水溝23.876883.1準(zhǔn)旗川掌溝14775443.4環(huán)縣七里溝46.65386.0互助西山60.268118.7根據(jù)王萬(wàn)忠等分析計(jì)算的黃土高原不同類(lèi)型地區(qū)在不同降雨頻率下的水土保

13、持減沙效益（王萬(wàn)忠，焦菊英黃土高原水土保持減沙效益預(yù)測(cè)，黃河水利出版社，2002），計(jì)算出了黃土高原一些典型流域在10年一遇暴雨情況下的減沙效益（圖2-4）。對(duì)這些典型流域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其坡面治理措施的減沙效益均十分顯著。進(jìn)一步計(jì)算，坡面治理程度（X）與減沙效益（Y）之間的線性回歸關(guān)系為Y=0.74+0.73X該關(guān)系式表明，這些典型流域的坡面治理每增加1，減沙效益提高0.73。由于坡面治理可以顯著減少產(chǎn)水產(chǎn)沙，從而改善淤地壩的運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)淤地壩安全穩(wěn)定運(yùn)行的年限，因此在SL289-2003中明確規(guī)定：“骨干工程的修建，必須與上游坡面治理同步進(jìn)行。”陜西省也在陜DB3446-86中規(guī)定：“（淤地壩規(guī)劃布設(shè)）必須在小流域綜合治理規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行，應(yīng)與流域內(nèi)其他水土保持措施密切配合?！?、 結(jié)語(yǔ)（1）綜上所述，對(duì)于黃河中游的淤地壩，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度分析，在保證一定的攔水?dāng)r沙和排水排沙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)治理