王英順，王 楠，樊 冰

(1.黃河上中游管理局，陜西西安710021;2.黃河職工療養(yǎng)院，陜西 臨潼710600;3.黃河上中游管理局 規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西西安710021)

近年來，受全球氣候變化影響，黃土高原地區(qū)呈現(xiàn)局地暴雨頻發(fā)、因災(zāi)損失加劇的趨勢。淤地壩分布在黃土高原的千溝萬壑，建設(shè)與管理方式多樣，運行情況復(fù)雜。2010年水利部印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運行的若干意見》(水保［2010］455號)(以下簡稱《意見》)，對淤地壩的建設(shè)管理提出了明確的要求，尤其是隨著國家關(guān)于加快水利改革發(fā)展決定的貫徹落實和新水土保持法的頒布實施，各地淤地壩工程建設(shè)科學(xué)、安全發(fā)展的意識顯著提高。因此，水土保持骨干壩設(shè)計中如何實現(xiàn)樞紐布局與工程設(shè)計的科學(xué)合理，是當(dāng)前應(yīng)該抓緊解決的關(guān)鍵問題。

1 水土保持骨干壩樞紐組成的新要求

2010年《意見》明確了水土保持骨干壩應(yīng)由壩體、放水工程、溢洪道“三大件”組成;未經(jīng)論證，不得建設(shè)沒有溢洪道的“兩大件”骨干壩;對現(xiàn)有已建成的“兩大件”骨干壩，要逐壩進(jìn)行論證，需設(shè)置溢洪道的，要抓緊按照“三大件”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改建加固。

2011年以來，各地認(rèn)真貫徹落實水利部《意見》精神，在新建淤地壩工程設(shè)計中全面實施了“三大件”標(biāo)準(zhǔn)。但是，受長期以來“兩大件”工程規(guī)劃與設(shè)計思維模式的制約，在放水工程與溢洪道的設(shè)計中存在薄弱環(huán)節(jié)，需要在今后的工程規(guī)劃設(shè)計中予以解決，以促進(jìn)水土保持骨干壩規(guī)劃設(shè)計技術(shù)的不斷完善。

2 水土保持骨干壩設(shè)計中存在的主要問題

隨著水土保持骨干壩樞紐組成“三大件”工程的全面實施，在工程設(shè)計環(huán)節(jié)出現(xiàn)了一些新問題，主要表現(xiàn)在放水工程規(guī)模偏大、溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)偏高、壩體穩(wěn)定計算工況設(shè)定不符合實際等。

2.1 放水工程規(guī)模偏大

骨干壩樞紐組成提升為“三大件”后，有相當(dāng)一部分設(shè)計人員在設(shè)計放水工程時延續(xù)了“兩大件”時期的設(shè)計思路，致使放水工程的規(guī)模偏大、投資偏多、運行管理不便。

2.2 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)偏高

骨干壩樞紐組成提升為“三大件”后，在溢洪道布設(shè)時，通常是將溢洪道進(jìn)口高程設(shè)計得與設(shè)計淤積高度相同，即溢洪道應(yīng)按照設(shè)計洪水進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，并按照校核洪水進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸校核，但有相當(dāng)一部分設(shè)計人員直接采用校核洪水進(jìn)行溢洪道及其消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。這樣就會導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)尺寸偏大、投資偏高，也會給工程運行帶來一定的安全隱患。

2.3 壩體穩(wěn)定計算中的條件設(shè)定不符合實際

壩體穩(wěn)定計算是壩體斷面設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。穩(wěn)定計算的前提是要進(jìn)行壩體滲流計算，以確定壩體土料的物理力學(xué)參數(shù)，而滲流計算的前提是設(shè)定壩體的運行條件——正常水位和非正常水位。然而，在“三大件”條件下，骨干壩的正常水位和非正常水位如何確定，目前尚無定論。部分設(shè)計人員提出將正常運用條件設(shè)定為死水位+一次設(shè)計洪水總量對應(yīng)的水位，將非正常運用條件設(shè)定為設(shè)計淤積高程+一次設(shè)計或校核洪水總量對應(yīng)的水位，顯然這種設(shè)定方法值得商榷。

3 幾點建議

3.1 “三大件”條件下的放水工程設(shè)計思路

3.1.1 現(xiàn)行規(guī)范對放水工程設(shè)計的規(guī)定

《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)(以下簡稱《規(guī)范》)對放水工程的設(shè)計做了如下規(guī)定:放水工程的泄水量一般按壩地防洪保收的要求確定，如有灌溉任務(wù)，還應(yīng)考慮來水量和需水量的要求;放水流量一般按3～5天排完10年一遇洪水總量，或按4～7天排完一次設(shè)計洪水總量計算。

3.1.2 對現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的解讀

2003—2010年，各地在工程設(shè)計中普遍采用《規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計思路確定放水工程的規(guī)模。由于這一時期修建的骨干壩普遍采用了“兩大件”的樞紐組成形式，放水工程的主要任務(wù)是防洪保收，兼顧灌溉和放空壩內(nèi)蓄水，本身并沒有泄洪任務(wù)，因此規(guī)范做出了“放水流量一般按3～5天排完10年一遇洪水總量計算”的規(guī)定。另外，“兩大件”工程沒有溢洪道，在流域出現(xiàn)連續(xù)暴雨洪水的情況下，其防御洪水的能力較差。為了縮短壩內(nèi)蓄水的泄放時限，為迎接二次洪峰的到來盡量多地騰出庫容，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)還做出了放水工程的放水流量也可“按4～7天排完一次設(shè)計洪水總量計算”的規(guī)定，目的在于盡量提高骨干壩防御連續(xù)暴雨洪水的能力。

3.1.3 “三大件”條件下的放水工程設(shè)計思路

根據(jù)“三大件”要求，骨干壩樞紐組成建筑物的分工更加明確和具體，由溢洪道承擔(dān)泄洪任務(wù)，而放水工程的作用主要是在蓄水達(dá)到設(shè)計淤積高程之前，壩地種植作物的防洪保收，兼顧灌溉和放空壩內(nèi)蓄水。溢洪道的配置使得放水工程不必為迎接二次洪峰盡快放空庫容而加大放水工程的放水流量標(biāo)準(zhǔn)，即可以在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)適當(dāng)降低放水工程的設(shè)計流量。為此，建議在骨干壩樞紐組成為“三大件”的條件下，放水工程的設(shè)計流量應(yīng)按3～5天排完10年一遇洪水總量來確定。

3.1.4 設(shè)計思路調(diào)整的意義

單從數(shù)量上來講，也許有人認(rèn)為這種思路調(diào)整的差別不大，但是在工程設(shè)計與運行管理中確實有著十分重要的意義:一是在設(shè)計層面上，進(jìn)一步明確了骨干壩放水工程的作用是保證壩地達(dá)到設(shè)計淤積高程之前種植作物的防洪保收，而樞紐工程的防洪保安則是由溢洪道來承擔(dān)的;二是在應(yīng)用層面上，適當(dāng)調(diào)低放水工程的設(shè)計流量可以減小臥管放水孔的直徑和臥管的開啟臺數(shù)，有利于骨干壩的運行管護(hù)。如內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗爾架麻小流域烏兔右溝骨干壩控制流域面積3.08 km2，設(shè)計壩高31.5 m，樞紐由“三大件”組成，設(shè)計洪水和校核洪水分別為30年和300年一遇，設(shè)計和校核洪水總量分別為19.55萬m3和43.99萬m3。按4日內(nèi)排完30年一遇的一次洪水總量計算，所需臥管放水孔直徑為31 cm，需同時開啟3臺放水孔放水;若按4日內(nèi)排完10年一遇的一次洪水總量計算，在同樣條件下，所需臥管放水孔直徑為24 cm，從而大大改善臥管開啟的運行條件。

有工程運行管理經(jīng)驗的人員都知道，按照骨干壩的運用要求，為了保證放水涵洞中水的無壓流狀態(tài)，在壩內(nèi)無水的情況下，臥管放水孔是不能處在打開狀態(tài)的。只有壩內(nèi)蓄水后，才能由上及下，按照設(shè)計要求的開啟孔數(shù)打開放水。在水壓力和水流吸力的共同作用下，在水下開啟臥管蓋板的難度相當(dāng)大，因而減小放水孔的直徑對方便管護(hù)人員的運行管理具有十分重要的意義。

3.2 溢洪道設(shè)計

3.2.1 溢洪道的設(shè)計洪水與校核洪水

有些骨干壩在設(shè)計時采用校核洪水進(jìn)行溢洪道設(shè)計，這顯然是不合適的。按照《規(guī)范》，骨干壩庫容在50萬～100萬m3的，設(shè)計和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為20～30年一遇和200～300年一遇;庫容在100萬～500萬m3的，設(shè)計和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為30～50年一遇和300～500年一遇。在黃土高原地區(qū)，一般校核洪水的洪水總量為設(shè)計洪水總量的2倍左右。采用校核洪水進(jìn)行溢洪道設(shè)計，會造成溢洪道的結(jié)構(gòu)尺寸偏大、投資偏高、經(jīng)濟(jì)合理性欠佳等。

《規(guī)范》明確規(guī)定，溢洪道“泄槽邊墻高度應(yīng)按設(shè)計流量計算，高出水面線0.5 m，并滿足下泄校核流量的要求”。因此，在進(jìn)行溢洪道設(shè)計時，應(yīng)分別進(jìn)行設(shè)計和校核洪水的調(diào)洪演算和水面曲線的推求，采用設(shè)計洪水進(jìn)行溢洪道泄槽高度的設(shè)計，采用校核洪水進(jìn)行溢洪道泄槽高度的復(fù)核，最終確定溢洪道泄槽的結(jié)構(gòu)尺寸。由于二者分別為正常和非正常運用情況，其結(jié)構(gòu)尺寸的取值和安全超高的要求不同(設(shè)計洪水條件下需加0.5 m的安全超高，校核洪水條件下沒有安全超高的要求，但側(cè)墻高度必須大于等于校核洪水的水面高度)，必須通過設(shè)計和校核兩個環(huán)節(jié)才能合理確定溢洪道的泄槽高度。還以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗爾架麻小流域烏兔右溝骨干壩為例，按校核洪水設(shè)計的溢洪道泄槽起始斷面、陡坡起始斷面和陡坡末端的邊墻高度分別為1.90、1.74 和0.92 m，按設(shè)計洪水設(shè)計的溢洪道泄槽邊墻高度分別為 1.40、1.24 和0.72 m。

3.2.2 溢洪道消能設(shè)施的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)

有些骨干壩在溢洪道設(shè)計時，包括消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸均采用校核洪水進(jìn)行設(shè)計。黃土高原地區(qū)許多溝道沒有基巖出露，因此溢洪道需要修建在黃土或沙礫等軟基上，并且普遍采用溢洪道陡坡末端消力池消能。在這種情況下采用校核洪水進(jìn)行溢洪道消能設(shè)計，計算出的消力池結(jié)構(gòu)尺寸往往很大。如陜西省神木縣暖水溝小流域東溝岔骨干壩，控制流域面積3.57 km2，設(shè)計壩高32.0 m，樞紐由壩體、放水工程和溢洪道“三大件”組成，設(shè)計洪水和校核洪水分別為30年和300年一遇，設(shè)計和校核洪水總量分別為25.04萬和56.57萬m3，按校核洪水計算出的尾水消力池長、寬、深分別為 21.50、8.10、4.68 m，按30年一遇設(shè)計洪水計算出的消力池長、寬、深分別為11.50、8.00、2.70 m。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253—2000)的規(guī)定，“溢洪道消能防沖建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn):一級建筑物按100年一遇洪水設(shè)計;二級建筑物按50年一遇洪水設(shè)計;三級建筑物按30年一遇洪水設(shè)計”。顯然，作為以庫容50萬～100萬m3的五級建筑物為主(少量100萬m3以上的骨干壩的溢洪道為四級建筑物)的水土保持骨干壩的溢洪道消能防沖建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)是不高于30年一遇的。因此，采用200或300年一遇的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溢洪道消能防沖設(shè)計，勢必會造成工程規(guī)模的不必要擴(kuò)大和工程投資的浪費，既不經(jīng)濟(jì)又不合理。同時，《溢洪道設(shè)計規(guī)范》還提出，“對超過消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水，允許消能防沖建筑物出現(xiàn)部分破壞，但不應(yīng)危及大壩及其他主要建筑物的安全，且易于修復(fù)，不得長期影響樞紐運行”;“消能防沖建筑物的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)可低于溢洪道的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)樞紐布置及泄洪對樞紐安全的影響程度具體選定。但消能防沖建筑物的局部破壞危及大壩及擋水建筑物安全時，應(yīng)采用與大壩及擋水建筑物相同的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核”。

綜上，筆者建議，水土保持骨干壩溢洪道的消能防沖建筑物應(yīng)按樞紐的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，并按允許消能防沖建筑物出現(xiàn)部分不危及大壩安全的局部破壞校核溢洪道消能防沖建筑物的安全性。

3.3 壩體穩(wěn)定計算條件的設(shè)定

3.3.1 正常運用條件下壩前水位的設(shè)定

一直以來，淤地壩正常運用條件下壩前水位的確定是一件懸而未決的事情。這是因為，各類淤地壩的設(shè)計運行條件為“滯洪排清”，并且要求即便是設(shè)計洪水也要在4～7天內(nèi)通過放水工程排泄到下游，保持空庫運行。因此，嚴(yán)格地講，淤地壩并不存在正常運行條件下的蓄水問題，也就沒有正常運行條件下的壩前水位的問題。在水土保持骨干壩“兩大件”為主的工程設(shè)計中，對下游有灌溉要求的工程，可以根據(jù)上游來水量與下游灌溉用水量分析確定正常運用條件下的壩前水位，并以此作為壩體滲流計算的條件。

在“三大件”樞紐結(jié)構(gòu)中，壩前正常水位的設(shè)定一般分為以下兩種情況，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程具體情況合理選用。一是沒有蓄水要求的工程。此類工程按照運行要求，壩內(nèi)不蓄水，臥管最低進(jìn)水口以下的來水無法排泄出去，往往會形成穩(wěn)定的滲流，因此可以將臥管最低進(jìn)水口高程設(shè)定為正常運用條件下的壩前水位。二是有蓄水要求的工程。此類工程往往上游溝道有長流水，下游又有溝臺川地或壩庫兩岸附近有川臺地，正常運用條件下壩前水位的設(shè)定應(yīng)根據(jù)上游來水量與下游灌溉用水量分析確定，但其最高水位不應(yīng)高于設(shè)計淤積高程，即溢洪道寬頂堰的堰頂高程。

3.3.2 非正常運用條件下壩前水位的設(shè)定

關(guān)于非正常運用條件下壩前水位的設(shè)定，有人提出采用壩體設(shè)計洪水位或校核洪水位作為非正常運用條件下的壩前水位。這種設(shè)定是否合理呢?我們先來分析一下黃土高原地區(qū)暴雨洪水特征和水土保持骨干壩的控制面積。大量的實測資料表明，黃土高原地區(qū)暴雨洪水具有歷時短、強(qiáng)度大、峰高量小的特點，洪水過程線表現(xiàn)為尖瘦型，加之水土保持骨干壩控制流域面積較小，一般為3～5 km2，使得洪水的陡漲陡落表現(xiàn)得更加明顯。在“三大件”樞紐結(jié)構(gòu)條件下，暴雨產(chǎn)生的洪水會使壩內(nèi)洪水位快速上漲，當(dāng)洪水位超過溢洪道堰頂高程后，溢洪道開始泄洪，并隨著水位的快速上漲很快達(dá)到泄水流量的峰值。一般來說，壩前水位在數(shù)小時內(nèi)完成漲落過程，而這期間壩體并不能形成穩(wěn)定的滲流狀態(tài)。因此，不宜采用設(shè)計或校核洪水位作為非正常運用條件下的壩前水位。

筆者建議將非正常運用條件下的壩前水位設(shè)定為溢洪道的堰頂高程，理由如下:一是在“三大件”樞紐結(jié)構(gòu)條件下，由于溢洪道均為開敞式溢洪道，在溢洪道堰頂高程以上不能形成穩(wěn)定水位和滲流關(guān)系，但按照放水工程運用要求，臥管在洪水到來之前是處于關(guān)閉狀態(tài)的，如不能及時打開臥管放水孔放水，就可能形成與該水位對應(yīng)的滲流狀態(tài)。二是在洪水位達(dá)到溢洪道堰頂高程之前，暴雨洪水中攜帶的大量柴草等漂浮物在水流和風(fēng)力等因素的共同作用下，可能造成放水工程進(jìn)水口堵塞而不能正常放水。2010年汛期，筆者參與了甘肅省平?jīng)鍪小?·22”暴雨洪水對淤地壩的影響調(diào)查，平?jīng)鍪徐`臺縣景家溝骨干壩在暴雨洪水中就出現(xiàn)過因柴草等漂浮物堵塞臥管進(jìn)水口，導(dǎo)致放水工程無法放水的險情，好在當(dāng)時暴雨洪水量不是很大，壩前水位不是很高，才未造成工程損壞。

事實說明，即便是有完好的放水工程，也可能會因為漂浮物等，造成放水工程的應(yīng)用不正常，而這種情況的最不利組合出現(xiàn)在洪水位達(dá)到骨干壩溢洪道的堰頂高程處時，因此將溢洪道堰頂高程作為非正常運用條件下壩前水位是合理的。

(注:大中型淤地壩稱為骨干壩，又稱治理骨干工程)