增设溢洪道时病险淤地坝滞洪库容确定及调洪演算

李欣娟

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730030)

淤地坝是人们在黄土高原地区小流域沟道治理中创造的一种既能拦截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增产粮食的水土保持工程措施，在沟道治理中具有其他工程不可替代的作用。截至2016年底，甘肃省内黄土高原地区累计建成各类淤地坝1 588座。经过多年运行，从运行管理和开发利用情况来看，早期建设的淤地坝受经济技术条件的限制，大部分存在设计缺陷或施工质量问题，出现了各种各样的病险问题及安全隐患，部分淤地坝已达到或超过设计淤积面，滞洪库容严重不足，有些淤地坝被当地政府和村民按小型水库(或蓄水塘坝)使用，安全隐患逐渐显露。按照水利部黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定标准，甘肃省已认定病险淤地坝360座。基于安全考虑，国家和地方政府每年投入大量人力、财力对病险淤地坝进行除险加固。

病险淤地坝除险加固，其根本目的就是要消除一切安全隐患，确保淤地坝安全运行。因此，一切设计、施工、运行管理均应围绕除险保安开展工作。病险淤地坝的“险”，一是因自身“病害”引起的溃坝风险，二是因滞洪库容不足或超标准洪水引起的漫坝溃坝风险。对于坝体塌陷、裂缝、滑坡，以及放水涵管、卧管基础塌陷、断裂、堵塞等病害，主要通过反滤设计、施工设计等解决。而对于滞洪库容不足，超标准洪水，以及串联坝、混联坝洪水隐患问题等，就需要在滞洪库容和泄洪设计上做文章。这就涉及两方面问题，一是合理增大滞洪库容，二是增设溢洪道。无论哪种情况，都需要重新进行调洪演算。只有通过调洪演算，才能合理确定泄洪断面、泄洪流量。由于病险淤地坝坝体已经存在，总库容已经确定，增设溢洪道时滞洪库容确定及调洪演算不能完全按照新建淤地坝滞洪库容确定及调洪演算设计，需要根据已淤积情况进行调算。本文提出增设溢洪道时病险淤地坝滞洪库容确定及调洪演算的思路，供设计、管理工作者参考。

1 新建淤地坝滞洪库容确定及调洪演算

按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)4.1.3的规定：滞洪库容计算，不设溢洪道时，应按一次校核洪水总量计算；设置溢洪道时，应按本规范3.5.1或3.5.2的规定计算。

(1)单坝调洪演算

(1)

式中：qp为频率为p的洪水时溢洪道最大下泄流量，m3/s；Qp为设计洪峰流量，m3/s；Vz为滞洪库容，万m3；Wp为设计洪水总量，万m3。

(2)设置有溢洪道的骨干坝(串联坝)调洪演算

(2)

式中：qp为频率为p的洪水时溢洪道最大下泄流量，m3/s；qp上为频率为p的上游工程最大下泄流量，m3/s；Qp区为区间频率为p的设计洪峰流量，m3/s；Vz为滞洪库容，万m3；Wp上为本坝泄洪开始至最大泄流量的时段内，上游工程的下泄洪水总量，万m3；Wp区为区间频率为p的设计洪水总量，万m3。

对于不设溢洪道的两大件工程，滞洪库容即一次校核洪水总量，Vz=Wp。而对于设置溢洪道的工程，滞洪库容不再是一次校核洪水总量，Vz≠Wp。上述公式中，洪峰流量和洪水总量是确定的，需要调算的是滞洪库容和溢洪道最大下泄流量，而溢洪道下泄流量和溢洪道断面设计相关，因此需要联调演算。

2 增设溢洪道时病险淤地坝滞洪库容确定及调洪演算

对于增设溢洪道时病险淤地坝滞洪库容的确定，同样需要进行溢洪道断面设计及反复调算。但是，由于病险淤地坝坝体已经存在，总库容已经确定，增设溢洪道时滞洪库容的确定更加复杂，还需要根据已淤积情况进行调算。

坝体+涵卧管两大件的病险淤地坝工程，原设计、施工时没有考虑溢洪道，设计滞洪库容时仅考虑一次校核洪水总量，即Vz=Wp。如果按照原设计滞洪库容进行新增溢洪道设计计算，必然是溢洪道下泄流量为零，溢洪道断面为零，新增设计无法计算。因此，病险淤地坝增设溢洪道设计，就需要在坝体已经存在、总库容已经确定的现实情况下，重新确定滞洪库容，并根据溢洪道断面设计进行调算。另外，病险淤地坝除险加固工程设计，要求原设计功能不变、防洪标准不降低。但是，在以上情况下，滞洪库容如何重新确定，在现行的水土保持三部规范《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)、《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)和《水土保持综合治理技术规范 沟壑治理技术》(GB/T 16453.3—2008)中均没有说明，在实践中也没有统一的设计思路或充分的理论依据，影响着病险淤地坝除险加固工程的设计工作。

通过调查甘肃黄土高原地区病险淤地坝现状，分析部分除险加固工程设计报告及部分已实施的病险淤地坝除险加固工程运行情况，基于淤地坝理论体系，在维持原设计功能不变、原防洪标准不降低的前提下，提出增设溢洪道时病险淤地坝滞洪库容确定及调洪演算的思路。

2.1 延长淤地坝使用寿命，强化淤地坝主要功能

从水土保持角度来讲，淤地坝的根本出发点及主要功能就是拦截沟道泥沙，阻止泥沙下泄，至于蓄水、以坝代路、形成坝地等都是淤地坝建设、运行过程中必然会形成的正效益，而安全隐患的出现则是淤地坝建设、运行过程中在一定条件下出现的负效益。延长淤地坝使用寿命，强化淤地坝主要功能，也就增大了淤地坝的正效益。病险淤地坝增设溢洪道，则主要是消除淤地坝的负效益。另外，只有使Vz

2.1.1 增设溢洪道断面设计

受地形条件限制，增设溢洪道需要在坝体两侧与坝肩结合段选择合适位置。在既有坝体上开挖设置溢洪道，要遵循经济、合理、安全的原则，尤其是在病险淤地坝除险加固项目投资有限的情况下。在维持原设计确定的坝体安全超高的前提下，按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)4.2.2试算确定溢洪道流量，再与公式(1)或(2)联调试算滞洪库容。

(3)

(4)

式中：B为溢流堰宽，m；q为溢洪道设计流量，m3/s；M为流量系数，可取1.42～1.62；H0为计入行进流速的水头，m；h为溢洪水深，m，即堰前溢流坎以上水深；V0为堰前流速，m/s；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

2.1.2 滞洪库容确定

利用公式(3)和(4)试算出的溢洪道流量，与公式(1)或(2)联调试算滞洪库容，重复计算过程，反复调算，直至确定出比较合理的滞洪库容和溢洪道断面尺寸。

利用试算出的滞洪库容，计算还剩余的拦泥库容(V拦=V总-V已淤-V滞)。再根据实际侵蚀模数，计算还需要的淤积年限，对计算值取整。进而按照取整的淤积年限，反推计算，最终确定滞洪库容。

根据确定的滞洪库容，利用公式(1)或(2)计算确定溢洪道下泄流量。根据确定的溢洪道下泄流量，利用公式(3)和(4)最终确定溢洪道断面尺寸。

以上联调试算过程，实际为联调反算法，即数次反算加一次正算。

2.2 提高防洪标准

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)1.0.10规定，对应总库容100万～500万m3的骨干坝，设计洪水重现期为30～50年一遇，校核洪水重现期为300～500年一遇；对应总库容50万～100万m3的骨干坝，设计洪水重现期为20～30年一遇，校核洪水重现期为200～300年一遇。

据资料(截至2012年)，在甘肃省全部987座工程中，有31座总库容≥100万m3(其中9座≥200万m3)；在<100万m3的工程中，有113座总库容≥75万m3。按照甘肃省已确认的360座病险淤地坝资料，其中21座总库容≥100万m3，占31座总库容≥100万m3工程的67.74%；有81座总库容在75万～100万m3，占全省该库容区间内113座工程的71.68%。由此可见，已建淤地坝中≥75万m3的工程现今绝大部分已成为病险坝，淤地坝库容越大，成为病险坝的可能性也越高。

《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)1.0.10中规定的总库容的防洪标准的确定区间比较大，到底是按照库容级别分段确定呢，还是按照库容内插确定，规范并没有明确。实践中，骨干坝校核洪水重现期一般按照200年一遇确定，中型坝一般按照50年一遇确定，甘肃省已建淤地坝工程基本都是如此。

基于以上分析，提出对于总库容≥100万m3的病险淤地坝工程，校核洪水重现期全部提高至300年一遇，个别工程经分析后视具体情况在规定区间内还可以再提高。对于总库容≥75万m3、<100万m3的病险淤地坝工程，已淤积量还未达到设计淤积高程的，校核洪水重现期提高至300年一遇。最后，根据重新确定的校核洪水重现期计算滞洪库容，在坝高不变、设计拦泥库容不变的情况下，与原设计滞洪库容结合进行新设溢洪道断面计算。

3 适用条件

3.1 延长淤积年限

已淤积量超过设计淤积高程，或总库容<75万m3的病险淤地坝工程，有以下几种特殊情况：

(1)根据淤地坝运行调查，结合溢洪道泄洪设计实践，重新确定滞洪库容时，应除去坝体安全超高，以剩余滞洪深2.0 m作为临界值。在2.0 m深度内，不再进行以上计算，直接以剩余库容作为滞洪库容。此时淤地坝不再承担拦泥任务，增设溢洪道主要为保证坝地保收、坝体安全，体现的主要是生产效益。

(2)对于仅剩安全超高的淤地坝，因剩余滞洪库容为零，从安全及生产效益出发，如确需要增设溢洪道，则须进行论证。此时计算出的溢流堰将会很宽，溢洪水深也将占用部分安全超高，调算结果如影响最低安全超高，就要考虑加高坝体至符合计算要求。

(3)重新确定滞洪库容，延长淤积年限，增加淤积库容后，要同步延长、加高卧管，以满足正常放水要求。但已建卧管能满足要求的，不再延长、加高。

3.2 提高防洪标准

对总库容≥75万m3，且已淤积量还未达到设计淤积高程的，应提高防洪标准。

4 结 语

病险淤地坝除险加固，一切设计、施工、运行管理均应围绕除险保安开展。由于病险淤地坝坝体已经存在，总库容已经确定，增设的溢洪道及滞洪库容的确定，不能完全按照新建淤地坝滞洪库容确定及调洪演算设计，要从剩余库容中重新确定滞洪库容，需要和增设溢洪道断面设计相结合进行调算。通过合理延长淤地坝使用寿命，强化淤地坝主要功能，提高防洪标准，采用数次反算加一次正算联调试算的联调反算法进行调洪演算。滞洪库容的重新确定，除去坝体安全超高，以剩余滞洪深2 m作为临界值。