淤地坝安全与稳定的理论与实践

1、淤地坝安全与稳定的理论与实践李 敏淤地坝作为水土保持综合治理的措施之一，应当从全流域的角度，从综合治理的角度、从淤地坝与水沙运行关系的角度对其安全与稳定状况进行系统分析。除人为因素（设计标准、工程质量等）外，处于生产运行期淤地坝的安全与稳定，主要受三个因素影响：淤地坝的排水排沙能力、淤地坝的拦水拦沙能力、流域的产水产沙状况。以下结合实践，对这三个因素进行分析论述。1、 淤地坝的排水排沙能力由于黄土高原许多地区缺乏石料，且建坝地点交通不便，使溢洪道的造价较高。同时黄土高原地区土料丰富，劳动力便宜，因此黄土高原地区的骨干坝和大中型淤地坝一般由坝体和放水工程“两大件”组成，极少布设溢洪道，小型淤地坝

2、仅有坝体。淤地坝的安全和稳定主要依靠“库容取胜”。SL289-2003水土保持治沟骨干工程技术规范规定，骨干坝放水工程的“放水流量一般按3天5天排完10年一遇洪水总量，或按4天7天排完一次设计洪水总量计算。”陕DB3446-86规定“泄水洞泄水量，应按满足在13日内泄完库内拦蓄一次洪水的水量来确定。”根据SL289-2003中的计算公式，以卧管形式，采用一孔放水的流量公式为： Q（）2-（1）Q-排水流量H-（卧管）放水孔上水深d-（卧管）放水孔直径（1）式表明，当放水工程的结构尺寸一定时，放水流量与水深为非线性关系（见图2-1）。因此对于只有两大件的淤地坝其排水排沙能力不仅是有限的，而且随着

3、淤积年限的增加，相同洪水形成的水深减小，对相同频率洪水的排泄能力显著降低。小型淤地坝只有坝体“一大件”，基本没有排水排沙能力。2、 淤地坝的拦水拦沙能力当淤地坝只有坝体和放水建筑物，甚至只有坝体的情况下，在坝控面积上的产水产沙数量已知时，以“库容取胜”的淤地坝的拦水拦沙能力成为保证其安全稳定的重要条件。虽然淤地坝在运行初期有较高的拦水拦沙能力（表2-1），但随着运行年限的增加，总库容不断减少，致使其拦水拦沙能力逐年下降，最终丧失拦水拦沙能力。表2-1 淤地坝设计校核标准洪水重现期（年）淤积年限（年）设计校核水利部标准骨干坝四级30-50300-50020-30骨干坝五级20-30200-300

4、10-20陕西省标准*大型淤地坝30-50300-50010-20中型淤地坝20-30100-3005-10小型淤地坝10-2050-1005注：水利部标准编号：SL289-2003，陕西省地方标准编号：陕DB3446-86具体分析淤地坝的拦水拦沙能力可知，当流域的产水产沙量一定时，淤地坝总库容因淤积而减少的数量是一个确定的数值。淤地坝的总库容呈线性下降趋势。但淤地坝的滞洪能力却随着运行年限的增加、总库容的减少，而呈非线性下降趋势。例如：陕西省吴堡县后桥沟小流域的土壤侵蚀模数为2万t/km2，设土壤容重为1.35，则每年每km2的水土流失为1.48万m3。该流域的不同频率设计洪水总量模数见下表

5、。表2-2 后桥沟小流域不同频率设计洪水总量模数频率0.20.330.5123.3510洪量模数13.7412.4111.299.78.116.785.934.5当淤积库容淤积满后，滞洪库容开始淤积。由于淤积，其滞洪能力急剧下降。计算该流域校核标准为500年一遇洪水的每km2控制面积的滞洪库容为13.74万m3，由于每年每km2的来沙量为1.48万m3，在这种情况下，滞洪库容每年淤积1.48万m3（图2-2），但相应的滞洪能力却急剧下降。运行到第四年时滞洪能力降低到不到百年一遇洪水，第九年时，滞洪库容剩1.9万m3，相应的滞洪能力不到4年一遇的洪水（图2-3）。 由以上分析可知，“库容取胜”的

6、年限也是较短的，随着运行年限的增加，淤地坝的拦水拦沙能力急剧衰减，最后发展到即使是常遇洪水也可以造成垮坝。3、 流域的产水产沙状况对于一个排水排沙能力和拦水拦沙能力已经确定的淤地坝，其坝控面积产水产沙量的多少直接影响淤地坝的安全与稳定。一般地，减少坝控面积上的产水产沙量将使淤地坝安全和稳定的年限延长，并可以在较长的时期保持相对安全和稳定。产水产沙的减少量越大，淤地坝就越安全和稳定。实践证明，水土保持综合治理将显著减少流域的产水产沙数量，从而延长淤地坝安全稳定运行的年限。陕西宝塔区碾庄沟和子长县丹头沟均为黄河中游地区运行多年的典型坝系。该二个小流域的坡面治理均达到一定程度（表2-3）。本文以此二

7、个小流域坝系为例进行分析讨论。表2-3 小流域基本情况县名流域总面积km2梯田hm2造林hm2种草hm2洪水频率说明510宝塔区碾庄沟54.2737.823536053.6延安水文资料子长县丹头沟65.1536154068053.6黄委天水水保站通过对黄河中游地区水保试验站不同系列径流场（区）的径流测验资料的分析论证，得出不同洪水频率下水保措施的减洪指标(表2-4)。采用表4的减水百分数，分别计算出碾庄沟和丹头沟的坡面措施在不同频率洪水下的减洪效果（表2-5）。表 2-4 黄河中游代表小区不同洪量频率下减洪指标（单位：万m3/km2）洪量频率%延 安 大 砭 沟 小 区梯 田人工造林人工种草绝

8、对相对%绝对相对%绝对相对%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资料来源：黄河上中游管理局. 黄土高原水土保持实践与研究(二). 黄河水利出版社， 1998表2-5 坡面措施减洪效果流域洪水频率梯田减洪万m3林减洪万m3草减洪万m3合计减洪万m3坡面原洪量万m3坡面措施减洪率原洪量模数万m3/km2现坡面洪量模数万m3/km3

9、碾庄沟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丹头沟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坡面治理使该措施面积上的洪量减少，使洪水频率增加。其中碾庄沟和丹头沟的洪水频率均增加到10以上，成为常遇的小洪水。由于这些流域的坡面治理程度较高，因此对全流域的洪水总量也产生显著的影响，使全流域的洪水频率向常遇洪水转化（表2

10、-6）。表2-6 坡面措施减洪对全流域洪水总量的影响流域全流域原洪水总减洪剩余洪量万m3剩余洪量模数万m3/km2洪水频率总洪量万m3碾庄沟5271.0034.85 176.55 3.3 10195.1239.56 117.93 2.2 丹头沟5325.5022.87 251.04 3.9 10234.3625.04 175.68 2.7 2002年7月4日子长县遭受百年不遇的特大暴雨，降雨量达317.3mm。洪水冲毁水利水保工程158处（座），其中淤地坝85座，加上其他水毁设施，造成直接经济损失2700多万元。该县丹头沟流域在暴雨洪水的袭击下，70座淤地坝均安然无恙。经延安市水保队对该流域调

11、查后认为：“由于坡面治理较好，基本控制住泥不下山，径流清清。由于其坝系的连锁滞洪与排洪，加之坡面上的治理措施对洪水径流节节拦蓄，从根本上控制了洪峰，使各坝都能安全地溢洪，从而确保了全流域70座淤地坝均安全无恙。其成功之处有二：一是全流域综合治理程度较高，坡面措施拦蓄径流能力强；二是有合理布局的坝系，具有较大的调洪能力。”（张强，陕西水土保持2002年第6期）减少了暴雨径流，就意味着减少了土壤流失，减少了泥沙。选取黄河中游典型小流域坝系（表2-7），具体分析坡面治理与减沙效益的关系。表2-7 黄河中游典型小流域基本情况表县名流域名总面积Km2坡面治理度已淤坝地面积hm2宝塔区碾庄沟54.2582

12、22.2子长丹头沟65.142198.0横山赵石畔60.6841125.7横山石老庄86.862109.7横山元坪沟12846442.3米脂榆林沟65.648267.7子洲小河沟63.342243.0绥德马家川48.947111.4绥德韭园沟70.742266.9清涧老舍古75.45065.9吴堡后桥沟384970.0汾西康和沟48.865377.0隰县半沟20.455568.0中阳高家沟14.17084.7中阳洪水沟23.876883.1准旗川掌沟14775443.4环县七里沟46.65386.0互助西山60.268118.7根据王万忠等分析计算的黄土高原不同类型地区在不同降雨频率下的水土保

13、持减沙效益（王万忠，焦菊英黄土高原水土保持减沙效益预测，黄河水利出版社，2002），计算出了黄土高原一些典型流域在10年一遇暴雨情况下的减沙效益（图2-4）。对这些典型流域数据进行分析，其坡面治理措施的减沙效益均十分显著。进一步计算，坡面治理程度（X）与减沙效益（Y）之间的线性回归关系为Y=0.74+0.73X该关系式表明，这些典型流域的坡面治理每增加1，减沙效益提高0.73。由于坡面治理可以显著减少产水产沙，从而改善淤地坝的运行环境，延长淤地坝安全稳定运行的年限，因此在SL289-2003中明确规定：“骨干工程的修建，必须与上游坡面治理同步进行。”陕西省也在陕DB3446-86中规定：“（淤地坝规划布设）必须在小流域综合治理规划的基础上进行，应与流域内其他水土保持措施密切配合。”4、 结语（1）综上所述，对于黄河中游的淤地坝，从经济和技术角度分析，在保证一定的拦水拦沙和排水排沙设计标准的同时，应通过加强治理