淤地壩除險加固采用封閉式溢洪道方案探討

王澤鵬

(山西省西山提黃灌溉工程建設管理中心，山西 太原030002)

山西省地處黃土高原東部，丘陵山地面積占到總土地面積的80%以上，水土流失十分嚴重。長期以來，廣大山區群眾在治理水土流失的實踐中建造了淤地壩，在溝道內淤成了大量的土質肥沃、連年高產的溝壩地，為解決山區群眾溫飽和穩定脫貧發揮了重要作用。目前，山西全省已建成大中型淤地壩2 035座，在攔蓄洪水泥沙，減輕下游危害，淤泥造田，促進增地增產增收，攔蓄洪水徑流，發展灌溉，補充地下水，以壩代路、改善交通狀況等方面發揮了重要作用。但隨著使用時間的延長，加之管理不善，有不少的淤地壩存在安全隱患，急需除險加固。

1 大中型淤地壩除險加固的必要性

按照《水利部辦公廳關于開展中型以上病險淤地壩認定和除險加固初步設計工作的通知》(辦水保〔2015〕90號)，2015年11月山西省組織各市縣對中型以上淤地壩進行了認定，共認定中型以上病險淤地壩1 020座，并由認定單位出具了病險認定報告書，提出了加固方案。淤地壩病險的原因主要有：

(1)部分已經淤滿。建于20世紀80年代的淤地壩，經過30多年的運行，有的已經淤滿，為保證淤地壩正常運行，壩地正常發揮效益，這些淤地壩大多數需要增設溢洪道，防洪保收。

(2)設計理念落后。早期設計淤地壩主要考慮用大庫容攔蓄泥沙和洪水，有條件的溝道均可建設淤地壩，淤地造田減少入黃泥沙，在合理的設計標準下安全運行即可，與現在的安全生產要求不相符。

(3)威脅下游安全。部分淤地壩建設后，改善了溝道的水流條件，群眾認為是安全工程，并在淤地壩下游建設了重要設施，留下了安全隱患。為了確保人民群眾生命財產安全，需要增設溢洪道，提高淤地壩的安全保證率。

2 現行淤地壩除險加固一般方案分析

近幾年，山西省大量實施了黃土高原中型以上病險淤地壩除險加固工程，工程建設取得了明顯效果。從設計方案看，90%以上的除險方案增設了溢洪道。工程建成后，整個溝道防洪能力提高，淤地壩運行更加安全，附近群眾生產生活的安全進一步得到了保障。但受溝道條件限制，在布設溢洪道時存在以下幾方面的問題：

(1)溢洪道布設條件不理想。由于部分布設淤地壩的溝道岸坡高陡，有的岸坡高達40～60 m，壩肩處一般有道路通過，修建溢洪道開挖量很大。以岸坡高為40 m的淤地壩為例，假設溢洪道深4.5 m，則基礎需開挖5.5 m以上，總的開挖高度超過45 m。按照《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)要求土質邊坡開挖不應陡于1∶1，每隔10 m設一條馬道，馬道寬1.5 m，假設溢洪道寬5 m，側墻基礎寬2 m，布設的溢洪道控制段離壩肩10 m，開挖水平寬度須超過60 m。若原岸坡邊坡為1∶0.3，控制段按10 m長計算，僅溢洪道控制段土方開挖量就有約1.5萬m3，一座淤地壩溢洪道土方開挖量需要2.5萬m3以上。一些布設條件不理想的淤地壩的溢洪道土方開挖量則更大，該部分的費用甚至占到溢洪道總投資的40%以上。

(2)高陡邊坡開挖完工后隱患比較多。溢洪道工程完工后，開挖形成的邊坡坡面裸露，短期內很難形成植被護坡，岸坡存在坍塌隱患，影響著工程運行的安全。

(3)工程占地不好協調。淤地壩建成后，溝道水流條件改善，群眾經過整理已經成為高產穩產的壩灘地。受項目區其他營利性工程建設賠償比較高的影響，群眾對淤地壩占地賠償預期較高，工程占地很難協調，已經成為影響工程施工的主要因素。另外，溢洪道開挖土方無處堆放，也增加了占地矛盾。

(4)溢洪道影響交通。淤地壩建成后，大多淤地壩壩頂已經成為溝通兩岸交通的道路，修建溢洪道后阻斷了兩岸交通，需要另外布設交通橋。

(5)防凍要求增加了工程量。按照《凍土地區建筑地基基礎設計規范》(JGJ 118—2011)要求，多年凍土地區的基礎底面下應設置由粗顆粒非凍脹性砂礫料構成的墊層。墊層厚度應根據多年凍土地基所采用的設計狀態確定，且不應小于300 mm。對氣候比較寒冷的地區，最大凍土深較大，為了防凍需要設置的墊層較厚，造成土方開挖及墊層工程量較大。

3 封閉式溢洪道可行性分析

鑒于增設溢洪道存在的問題，對部分布設正常溢洪道有困難的淤地壩在確定除險加固方案時可考慮布設封閉式溢洪道，可在一定程度上解決上述問題。

(1)減少工程開挖量。淤地壩布設在岸坡高陡的溝道內增設溢洪道時，土方開挖量較大，對坡面擾動較多，而且邊坡馬道排水不容易處理，對自然環境破壞十分嚴重。如采用封閉式溢洪道，開挖時做好臨時支護，溢洪道完工后及時回填，則對邊坡影響較小。

(2)解決砌石或混凝土防凍問題。山西省淤地壩主要分布在晉西北寒冷地區，部分地區最大凍土深甚至達到1.5 m以上，考慮砌石或混凝土防凍問題，需要增加墊層的厚度、寬度及長度等。如果采用封閉式溢洪道，溢洪道施工后土方回填，則墊層可以減小或者取消。

(3)改善受力條件。溢洪道由開敞式改為封閉式后，溢洪道箱涵為整體結構，全部埋于地下，兩側受力基本對稱，受力條件得到改善，側墻基礎外伸長度可以適當減小，斷面結構尺寸也可以適當減小，從而減少工程量。

(4)便于后續設計。溢洪道由開敞式改為封閉式后，溢洪道型式基本固定，可以根據不同的設計寬度和過水流量，將溢洪道斷面尺寸分為幾種模式固定下來，有利于形成標準圖集，便于后續設計。也可以將溢洪道按標準模塊預制，現場組裝，可縮短工期，降低工程建設成本。

將開敞式溢洪道改為封閉式后，溢洪道過水過程中不能形成負壓，所以在進口段要控制進水流量，在陡坡段適當加大過水斷面。

4 封閉式溢洪道設計應注意的事項

(1)溢洪道箱涵的常用跨徑為1.0～6.0 m，考慮到2 m以下跨徑一般采用圓管涵，6 m以上跨徑一般采用橋梁，封閉式溢洪道適用的跨徑范圍取2.0～6.0 m，一般不超過5 m為宜。

(2)考慮到填土高度大于6 m后，對地基承載力提出了更高的要求，且側墻土壓力較大，從頂板到側墻彎矩變化較大，對頂板和側墻的相交點受力不利。因此，封閉式溢洪道設計填土高度擬定為不超過6 m。

(3)封閉式溢洪道每隔5～8 m設沉陷縫。對于干濕交替的一般環境，鋼筋混凝土的裂縫寬允許值為0.25 mm，對于Ⅰ類環境的鋼筋混凝土構件，計算的最大裂縫寬度不應超過0.2 mm，因此沉陷縫寬度限制擬采用0.2 mm。結合以往施工經驗，鋼筋凈保護層厚度取3.0 cm。

(4)涵洞與土體接觸面應進行防水設計，涵洞的外層防水措施為在涵洞與土體接觸部分均涂熱瀝青兩道，每道厚度1.5 mm，涂后不再另抹砂漿。

(5)封閉式溢洪道凈高不宜小于0.75 m。涵洞長15 ～30 m時，其凈高不宜小于1.0 m；涵洞長30 ～60 m時，凈高不宜小于1.25 m；涵洞長度大于60 m時，凈高不宜小于1.5 m。將淤地壩開敞式溢洪道改為封閉式溢洪道時，應設定控制斷面，嚴格控制溢洪道泄水流量，防止在水流通過陡坡段時局部形成負壓，破壞溢洪道結構。

(6)溢洪道堰底靠上游端應設置齒墻，深宜取1.0 m，寬0.5 m；泄槽基礎每隔10～15 m應設置齒墻，深0.8 m、寬0.4 m。受力分析時應考慮完建情況和設計運行情況及特殊組合(校核洪水)，并做好抗滑穩定計算等。

(7)封閉式溢洪道應避免大開挖工程，為保護基坑周邊環境安全，對基坑采用臨時性支擋、加固、保護與地下水控制措施。