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(huì) 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(guó)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(huì) 新聞宣傳出版中心，河南 鄭州 450004]

黃土高原位于我國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)期流水侵蝕下，地面被分割得非常破碎，形成溝壑交錯(cuò)其間的塬、梁、峁，總面積64萬(wàn)km2，其中水土流失面積占71%，約有45.4萬(wàn)km2，是我國(guó)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(wèn)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(shū)記在陜西省延川縣文安驛鎮(zhèn)梁家河村調(diào)研時(shí)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(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)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(lái)，隨著全球氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)影響，水旱災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)重發(fā)態(tài)勢(shì)，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?cái)產(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(cè)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(shí)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(xiǎn)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(gè)主要因素。2016年，水利部正式啟動(dòng)了黃土高原地區(qū)中型以上病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固工程，增設(shè)溢洪道是病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固的主要建設(shè)內(nèi)容。

1 現(xiàn)有溢洪道存在的問(wèn)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(duì)既有淤地壩的地形地質(zhì)條件要求高，同時(shí)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(kāi)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(wàn)元，約占工程總投資40%，資金占比較大。而淤地壩除險(xiǎn)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(méi)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(duì)壩體安全造成威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)漫頂、垮壩現(xiàn)象。這三種形式的溢洪道已無(wú)法滿足新時(shí)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(duì)傳統(tǒng)淤地壩溢洪道建設(shè)及運(yùn)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，陳祖煜院士提出了淤地壩柔性溢洪道的理念，經(jīng)過(guò)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(wú)定河一級(jí)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(shí)間為1960年，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)用，壩體外坡形成沖溝，壩內(nèi)淤滿。2008年對(duì)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(zhǎng)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(jiàn)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(tái)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(zhǎng)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(tái)階式柔性土工袋結(jié)構(gòu)，梯形斷面。臺(tái)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(zhǎng)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(jiàn)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(zhǎng)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(gè)蓄水池(見(jiàn)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(guò)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(mén)，配套相應(yīng)的啟閉設(shè)備控制放水過(guò)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(tái)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(jià)低廉，減少砂石開(kāi)采，環(huán)境友好；⑤隨著混凝土及石材價(jià)格的不斷上漲，可節(jié)省約一半投資，成本優(yōu)勢(shì)突顯(見(jiàn)表2)。

表2 柔性溢洪道與現(xiàn)有溢洪道優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照

3 推廣應(yīng)用

柔性臺(tái)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(shí)可以縮短溢洪道長(zhǎng)度，降低工程投資。柔性臺(tái)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(xiǎn)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(kù)容小、潰決風(fēng)險(xiǎn)大的淤地壩；②除險(xiǎn)加固資金有限的淤地壩；③施工條件受限，無(wú)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。