增設(shè)溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算

李欣娟

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730030)

淤地壩是人們在黃土高原地區(qū)小流域溝道治理中創(chuàng)造的一種既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的水土保持工程措施，在溝道治理中具有其他工程不可替代的作用。截至2016年底，甘肅省內(nèi)黃土高原地區(qū)累計建成各類淤地壩1 588座。經(jīng)過多年運(yùn)行，從運(yùn)行管理和開發(fā)利用情況來看，早期建設(shè)的淤地壩受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，大部分存在設(shè)計缺陷或施工質(zhì)量問題，出現(xiàn)了各種各樣的病險問題及安全隱患，部分淤地壩已達(dá)到或超過設(shè)計淤積面，滯洪庫容嚴(yán)重不足，有些淤地壩被當(dāng)?shù)卣痛迕癜葱⌒退畮?或蓄水塘壩)使用，安全隱患逐漸顯露。按照水利部黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，甘肅省已認(rèn)定病險淤地壩360座。基于安全考慮，國家和地方政府每年投入大量人力、財力對病險淤地壩進(jìn)行除險加固。

病險淤地壩除險加固，其根本目的就是要消除一切安全隱患，確保淤地壩安全運(yùn)行。因此，一切設(shè)計、施工、運(yùn)行管理均應(yīng)圍繞除險保安開展工作。病險淤地壩的“險”，一是因自身“病害”引起的潰壩風(fēng)險，二是因滯洪庫容不足或超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起的漫壩潰壩風(fēng)險。對于壩體塌陷、裂縫、滑坡，以及放水涵管、臥管基礎(chǔ)塌陷、斷裂、堵塞等病害，主要通過反濾設(shè)計、施工設(shè)計等解決。而對于滯洪庫容不足，超標(biāo)準(zhǔn)洪水，以及串聯(lián)壩、混聯(lián)壩洪水隱患問題等，就需要在滯洪庫容和泄洪設(shè)計上做文章。這就涉及兩方面問題，一是合理增大滯洪庫容，二是增設(shè)溢洪道。無論哪種情況，都需要重新進(jìn)行調(diào)洪演算。只有通過調(diào)洪演算，才能合理確定泄洪斷面、泄洪流量。由于病險淤地壩壩體已經(jīng)存在，總庫容已經(jīng)確定，增設(shè)溢洪道時滯洪庫容確定及調(diào)洪演算不能完全按照新建淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算設(shè)計，需要根據(jù)已淤積情況進(jìn)行調(diào)算。本文提出增設(shè)溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算的思路，供設(shè)計、管理工作者參考。

1 新建淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算

按照《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)4.1.3的規(guī)定：滯洪庫容計算，不設(shè)溢洪道時，應(yīng)按一次校核洪水總量計算；設(shè)置溢洪道時，應(yīng)按本規(guī)范3.5.1或3.5.2的規(guī)定計算。

(1)單壩調(diào)洪演算

(1)

式中：qp為頻率為p的洪水時溢洪道最大下泄流量，m3/s；Qp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Vz為滯洪庫容，萬m3；Wp為設(shè)計洪水總量，萬m3。

(2)設(shè)置有溢洪道的骨干壩(串聯(lián)壩)調(diào)洪演算

(2)

式中：qp為頻率為p的洪水時溢洪道最大下泄流量，m3/s；qp上為頻率為p的上游工程最大下泄流量，m3/s；Qp區(qū)為區(qū)間頻率為p的設(shè)計洪峰流量，m3/s；Vz為滯洪庫容，萬m3；Wp上為本壩泄洪開始至最大泄流量的時段內(nèi)，上游工程的下泄洪水總量，萬m3；Wp區(qū)為區(qū)間頻率為p的設(shè)計洪水總量，萬m3。

對于不設(shè)溢洪道的兩大件工程，滯洪庫容即一次校核洪水總量，Vz=Wp。而對于設(shè)置溢洪道的工程，滯洪庫容不再是一次校核洪水總量，Vz≠Wp。上述公式中，洪峰流量和洪水總量是確定的，需要調(diào)算的是滯洪庫容和溢洪道最大下泄流量，而溢洪道下泄流量和溢洪道斷面設(shè)計相關(guān)，因此需要聯(lián)調(diào)演算。

2 增設(shè)溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算

對于增設(shè)溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容的確定，同樣需要進(jìn)行溢洪道斷面設(shè)計及反復(fù)調(diào)算。但是，由于病險淤地壩壩體已經(jīng)存在，總庫容已經(jīng)確定，增設(shè)溢洪道時滯洪庫容的確定更加復(fù)雜，還需要根據(jù)已淤積情況進(jìn)行調(diào)算。

壩體+涵臥管兩大件的病險淤地壩工程，原設(shè)計、施工時沒有考慮溢洪道，設(shè)計滯洪庫容時僅考慮一次校核洪水總量，即Vz=Wp。如果按照原設(shè)計滯洪庫容進(jìn)行新增溢洪道設(shè)計計算，必然是溢洪道下泄流量為零，溢洪道斷面為零，新增設(shè)計無法計算。因此，病險淤地壩增設(shè)溢洪道設(shè)計，就需要在壩體已經(jīng)存在、總庫容已經(jīng)確定的現(xiàn)實(shí)情況下，重新確定滯洪庫容，并根據(jù)溢洪道斷面設(shè)計進(jìn)行調(diào)算。另外，病險淤地壩除險加固工程設(shè)計，要求原設(shè)計功能不變、防洪標(biāo)準(zhǔn)不降低。但是，在以上情況下，滯洪庫容如何重新確定，在現(xiàn)行的水土保持三部規(guī)范《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)、《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)和《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范 溝壑治理技術(shù)》(GB/T 16453.3—2008)中均沒有說明，在實(shí)踐中也沒有統(tǒng)一的設(shè)計思路或充分的理論依據(jù)，影響著病險淤地壩除險加固工程的設(shè)計工作。

通過調(diào)查甘肅黃土高原地區(qū)病險淤地壩現(xiàn)狀，分析部分除險加固工程設(shè)計報告及部分已實(shí)施的病險淤地壩除險加固工程運(yùn)行情況，基于淤地壩理論體系，在維持原設(shè)計功能不變、原防洪標(biāo)準(zhǔn)不降低的前提下，提出增設(shè)溢洪道時病險淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算的思路。

2.1 延長淤地壩使用壽命，強(qiáng)化淤地壩主要功能

從水土保持角度來講，淤地壩的根本出發(fā)點(diǎn)及主要功能就是攔截溝道泥沙，阻止泥沙下泄，至于蓄水、以壩代路、形成壩地等都是淤地壩建設(shè)、運(yùn)行過程中必然會形成的正效益，而安全隱患的出現(xiàn)則是淤地壩建設(shè)、運(yùn)行過程中在一定條件下出現(xiàn)的負(fù)效益。延長淤地壩使用壽命，強(qiáng)化淤地壩主要功能，也就增大了淤地壩的正效益。病險淤地壩增設(shè)溢洪道，則主要是消除淤地壩的負(fù)效益。另外，只有使Vz

2.1.1 增設(shè)溢洪道斷面設(shè)計

受地形條件限制，增設(shè)溢洪道需要在壩體兩側(cè)與壩肩結(jié)合段選擇合適位置。在既有壩體上開挖設(shè)置溢洪道，要遵循經(jīng)濟(jì)、合理、安全的原則，尤其是在病險淤地壩除險加固項目投資有限的情況下。在維持原設(shè)計確定的壩體安全超高的前提下，按照《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)4.2.2試算確定溢洪道流量，再與公式(1)或(2)聯(lián)調(diào)試算滯洪庫容。

(3)

(4)

式中：B為溢流堰寬，m；q為溢洪道設(shè)計流量，m3/s；M為流量系數(shù)，可取1.42～1.62；H0為計入行進(jìn)流速的水頭，m；h為溢洪水深，m，即堰前溢流坎以上水深；V0為堰前流速，m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.1.2 滯洪庫容確定

利用公式(3)和(4)試算出的溢洪道流量，與公式(1)或(2)聯(lián)調(diào)試算滯洪庫容，重復(fù)計算過程，反復(fù)調(diào)算，直至確定出比較合理的滯洪庫容和溢洪道斷面尺寸。

利用試算出的滯洪庫容，計算還剩余的攔泥庫容(V攔=V總-V已淤-V滯)。再根據(jù)實(shí)際侵蝕模數(shù)，計算還需要的淤積年限，對計算值取整。進(jìn)而按照取整的淤積年限，反推計算，最終確定滯洪庫容。

根據(jù)確定的滯洪庫容，利用公式(1)或(2)計算確定溢洪道下泄流量。根據(jù)確定的溢洪道下泄流量，利用公式(3)和(4)最終確定溢洪道斷面尺寸。

以上聯(lián)調(diào)試算過程，實(shí)際為聯(lián)調(diào)反算法，即數(shù)次反算加一次正算。

2.2 提高防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)1.0.10規(guī)定，對應(yīng)總庫容100萬～500萬m3的骨干壩，設(shè)計洪水重現(xiàn)期為30～50年一遇，校核洪水重現(xiàn)期為300～500年一遇；對應(yīng)總庫容50萬～100萬m3的骨干壩，設(shè)計洪水重現(xiàn)期為20～30年一遇，校核洪水重現(xiàn)期為200～300年一遇。

據(jù)資料(截至2012年)，在甘肅省全部987座工程中，有31座總庫容≥100萬m3(其中9座≥200萬m3)；在<100萬m3的工程中，有113座總庫容≥75萬m3。按照甘肅省已確認(rèn)的360座病險淤地壩資料，其中21座總庫容≥100萬m3，占31座總庫容≥100萬m3工程的67.74%；有81座總庫容在75萬～100萬m3，占全省該庫容區(qū)間內(nèi)113座工程的71.68%。由此可見，已建淤地壩中≥75萬m3的工程現(xiàn)今絕大部分已成為病險壩，淤地壩庫容越大，成為病險壩的可能性也越高。

《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)1.0.10中規(guī)定的總庫容的防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定區(qū)間比較大，到底是按照庫容級別分段確定呢，還是按照庫容內(nèi)插確定，規(guī)范并沒有明確。實(shí)踐中，骨干壩校核洪水重現(xiàn)期一般按照200年一遇確定，中型壩一般按照50年一遇確定，甘肅省已建淤地壩工程基本都是如此。

基于以上分析，提出對于總庫容≥100萬m3的病險淤地壩工程，校核洪水重現(xiàn)期全部提高至300年一遇，個別工程經(jīng)分析后視具體情況在規(guī)定區(qū)間內(nèi)還可以再提高。對于總庫容≥75萬m3、<100萬m3的病險淤地壩工程，已淤積量還未達(dá)到設(shè)計淤積高程的，校核洪水重現(xiàn)期提高至300年一遇。最后，根據(jù)重新確定的校核洪水重現(xiàn)期計算滯洪庫容，在壩高不變、設(shè)計攔泥庫容不變的情況下，與原設(shè)計滯洪庫容結(jié)合進(jìn)行新設(shè)溢洪道斷面計算。

3 適用條件

3.1 延長淤積年限

已淤積量超過設(shè)計淤積高程，或總庫容<75萬m3的病險淤地壩工程，有以下幾種特殊情況：

(1)根據(jù)淤地壩運(yùn)行調(diào)查，結(jié)合溢洪道泄洪設(shè)計實(shí)踐，重新確定滯洪庫容時，應(yīng)除去壩體安全超高，以剩余滯洪深2.0 m作為臨界值。在2.0 m深度內(nèi)，不再進(jìn)行以上計算，直接以剩余庫容作為滯洪庫容。此時淤地壩不再承擔(dān)攔泥任務(wù)，增設(shè)溢洪道主要為保證壩地保收、壩體安全，體現(xiàn)的主要是生產(chǎn)效益。

(2)對于僅剩安全超高的淤地壩，因剩余滯洪庫容為零，從安全及生產(chǎn)效益出發(fā)，如確需要增設(shè)溢洪道，則須進(jìn)行論證。此時計算出的溢流堰將會很寬，溢洪水深也將占用部分安全超高，調(diào)算結(jié)果如影響最低安全超高，就要考慮加高壩體至符合計算要求。

(3)重新確定滯洪庫容，延長淤積年限，增加淤積庫容后，要同步延長、加高臥管，以滿足正常放水要求。但已建臥管能滿足要求的，不再延長、加高。

3.2 提高防洪標(biāo)準(zhǔn)

對總庫容≥75萬m3，且已淤積量還未達(dá)到設(shè)計淤積高程的，應(yīng)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

病險淤地壩除險加固，一切設(shè)計、施工、運(yùn)行管理均應(yīng)圍繞除險保安開展。由于病險淤地壩壩體已經(jīng)存在，總庫容已經(jīng)確定，增設(shè)的溢洪道及滯洪庫容的確定，不能完全按照新建淤地壩滯洪庫容確定及調(diào)洪演算設(shè)計，要從剩余庫容中重新確定滯洪庫容，需要和增設(shè)溢洪道斷面設(shè)計相結(jié)合進(jìn)行調(diào)算。通過合理延長淤地壩使用壽命，強(qiáng)化淤地壩主要功能，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)次反算加一次正算聯(lián)調(diào)試算的聯(lián)調(diào)反算法進(jìn)行調(diào)洪演算。滯洪庫容的重新確定，除去壩體安全超高，以剩余滯洪深2 m作為臨界值。