坝系工程除险加固时防洪标准和洪水组合问题探讨

王志坚，李 冰，王 楠

(1.山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030013； 2.黄河流域水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710021)

淤地坝是黄土高原水土流失地区修建的控制沟道侵蚀、拦泥淤地、减少入黄泥沙、把荒沟变成良田、增加粮食产量、改善交通和群众生产生活条件的水土保持沟道治理工程，是治理千沟万壑的一项重要工程措施，在山西已有400多年的建设历史。早在明万历年间，汾西县就有打坝淤地的记载。有记载的第一座人工建设的淤地坝在山西省柳林县贾家垣村，由该村贾本春于清嘉庆十二年(公元1807年)建设[1]，该坝为青砖白灰结构，长11.3 m、宽5 m、高12 m。

1 山西淤地坝建设发展历程

新中国成立后，山西淤地坝建设经历了4个阶段：

第一阶段：1985年以前，集体组织建设。新中国成立初期，不少地方的群众吸取前人经验，在集体组织下，广泛开展了淤地坝建设。该阶段内所建淤地坝大多为中小型的，小多成群，缺少骨干性控制工程，缺少统一规划和科学设计，建设标准低，目前大多数已经淤满。这一时期，山西省水利部门在吕梁山区开展了淤地坝、水坠坝试验研究。

第二阶段：1986—2002年，骨干坝试点建设。通过总结第一阶段淤地坝建设的经验教训，特别是“小多成群无骨干”、一遇较大暴雨就出现垮坝的问题，水利部在黄土高原地区实施了治沟骨干工程，山西省也在汾河水库上游实施了“拦沙保库，淤地坝先行”的治理项目。经过科学规划，在沟道适当位置增建骨干坝，拦截上游洪水，保证下游中小型淤地坝安全，提高了防洪标准，扭转了多次洪水淤积，一次较大洪水连锁垮坝、洪水泥沙俱下的所谓“零存整取”现象。

第三阶段：2003—2014年，沟道坝系工程建设。为进一步保证淤地坝的运行安全和充分发挥整体效益，在全面总结淤地坝建设经验的基础上，经过反复的科学试验和研究，山西省委、省政府把淤地坝作为 “六大兴水战略工程”之一，水利部把淤地坝作为水利工程的“三大亮点”之一，科学总结出“以支流为骨架、小流域为单元，大型淤地坝控制，中小型淤地坝合理配置、联合运用”的沟道坝系建设技术路线，初步建成了一批防洪标准高、综合效益好的典型坝系。截至2014年底，山西已在10市63县建成中型以上淤地坝2 014座，其中大型淤地坝1 183座、中型坝831座。这些淤地坝工程，充分发挥了滞洪缓洪、拦泥增地、改善交通、减少入黄泥沙等多种功能，促进了农村产业结构调整和社会经济发展，为退耕还林提供了支撑和保障，受到群众欢迎，得到各级领导的重视和肯定。这一时期，受投资规模的限制，加之普遍存在少花钱、多建坝、快拦泥、多淤地的思想，建设的大中型淤地坝多为大坝和放水建筑物“两大件”，没有泄洪设施。

第四阶段：2015年至今，巩固提高除险加固。大量骨干坝和坝系工程建设，使淤地坝安全运用状况有了改善，但因淤地坝没有常设的管理机构，而且量大面广、交通不便，大多数还是“两大件”工程，致使保障淤地坝安全运用的任务十分艰巨。特别是随着社会经济的发展，人们对防灾减灾和安全生产提出了越来越高的要求。为了进一步搞好淤地坝的安全运用，2015年水利部决定开展中型以上病险淤地坝认定和除险加固初步设计工作。根据水利部制定的黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定暂行办法，经核查山西省中型以上病险淤地坝涉及9市48县，共有1 020座，其中大型淤地坝729座、中型坝291座。在这些病险淤地坝中，枢纽组成为大坝和放水建筑物“两大件”，需要增设溢洪道的有941座，占总数的92.3%；下游影响范围内有村庄、学校、工矿、道路等重要设施，溃坝后可能对下游人民生命财产安全造成较大危害，迫切需要除险加固的病险淤地坝863座，占总数的84.6%。

由于2014年以前建设的淤地坝枢纽组成为“两大件”，不存在洪水组合，虽单坝设计标准符合规范要求，但在小流域坝系工程除险加固中，因大型淤地坝按“三大件”设计，若某一大型淤地坝设计标准为1级，那么与之相关的淤地坝设计标准也须相应提高到1级，并按此设计标准进行坝系洪水组合和调洪计算。因此，如何科学合理确定各坝的设计标准、做好坝系洪水组合和调洪计算，是除险加固设计中需要重点研究的课题。

2 临县万安沟小流域坝系工程基本情况

临县万安沟小流域位于黄土丘陵沟壑区，总面积53 km2，其中水土流失面积52.2 km2，多年平均土壤侵蚀模数1.43万 t/(km2·a)[2]。万安沟小流域坝系工程于2004年9月开工，2006年11月完工[1]。建设规模为大型淤地坝12座，其中大(1)型淤地坝1座、大(2)型淤地坝11座，中型坝18座。坝系工程控制面积44.6 km2，总库容1 416.4万m3，拦泥库容991.1万m3，可淤地面积141.6 hm2。万安沟小流域坝系工程布局见图1，各坝情况见表1。

图1 临县万安沟小流域坝系工程总体布局

3 防洪标准

淤地坝防洪标准根据建筑物等别来确定[3]，淤地坝工程等别、主要永久性建筑物级别及防洪标准见表2。2014年以前，山西建设的淤地坝大多是“两大件”，在防洪标准上基本都按单坝考虑。对库容在100万m3以上的大(1)型淤地坝，主要建筑物按1级设计，防洪标准按30 a一遇洪水设计、300 a一遇洪水校核；对库容在50万～100万m3的大(2)型淤地坝，主要建筑物按2级设计，防洪标准按20 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核；对库容在10万～50万m3的中型淤地坝，主要建筑物按3级设计，防洪标准按20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核。从表1中可以看出，万安沟小流域坝系中单坝的防洪标准均符合要求。

坝系工程除险加固时防洪标准确定原则：对单独支沟中建设的大型淤地坝，以及位于支沟最上游、其下游有大型淤地坝的中型淤地坝，仍按上述防洪标准进行除险加固设计，符合规范和政策要求，可以保持原有防洪标准不变；对单独支沟建设的中型淤地坝，根据水利部《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》(水保〔2010〕455号)的要求，在骨干坝控制区域外一般不得建设中型淤地坝，确需建设的必须按骨干坝标准进行设计，以提高工程建设标准，必须提高一个级别，按大(2)型淤地坝标准进行设计；对大中型淤地坝下游影响范围内有重要设施，一旦发生溃坝会造成重大损失的，根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)中 “失事后损失巨大或影响十分严重的淤地坝工程2级、3级主要永久性水工建筑物，经过论证，可提高一级”的要求[3]，永久性水工建筑物可提高一级，相应防洪标准提高一个档次。对坝系工程中需要除险加固的病险淤地坝，其设计标准既要符合上述原则，同时还要考虑与其相关的大型淤地坝防洪标准。从安全角度考虑，坝系中如有部分大(1)型淤地坝防洪标准按30 a一遇洪水设计、300 a一遇洪水校核，那么其下游串联的大中型淤地坝设计标准均应按此标准进行设计。否则，一旦发生校核洪水，设计坝下游串联的大中型淤地坝将有发生溃坝的风险并造成巨大损失。而从水文、调洪计算角度考虑，设计坝上游相关联的大中型淤地坝防洪标准，也应同步考虑，否则，无法进行洪水组合和调洪计算。因此，坝系除险加固中，设计标准高的淤地坝，对与其相关联的上下游淤地坝设计标准都有影响，应采用一致的防洪标准。

表1 万安沟小流域坝系中型以上淤地坝基本情况

表2 淤地坝工程等别及主要永久性建筑物设计标准

按照上述原则，对万安沟小流域坝系工程除险加固防洪标准进行分析：

一是先确定坝系中哪些淤地坝需要提高防洪标准。根据淤地坝下游影响范围内有重要设施的，永久性水工建筑物可提高一个级别，防洪标准也需相应提高的原则，从表1中可以看出，除险加固时需要提高防洪标准的大型淤地坝有郭家沟、算沟2座大(2)型淤地坝，其防洪标准由大(2)型的20 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核，提高到大(1)型的30 a一遇洪水设计、300 a一遇洪水校核；需要提高防洪标准的中型淤地坝有唐家沟、李家沟、乔家沟2#、东峪沟4座中型淤地坝，其防洪标准由中型淤地坝的20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核，提高到大(2)型的20 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核。

二是根据这些新确定的淤地坝除险加固防洪标准，结合坝系工程中原有防洪标准，逐坝分析防洪标准最高的大(1)型淤地坝影响范围。除支沟上游的中型坝仍按中型淤地坝标准进行除险加固外，其余受影响的大(2)型淤地坝均应提高到大(1)型淤地坝的防洪标准，按30 a一遇洪水设计、300 a一遇洪水校核。万安沟坝系除险加固防洪标准提高后，按30 a一遇洪水设计、300 a一遇洪水校核的有郭家沟、算沟及殷唐沟3座大(1)型淤地坝。从图1中可以看出，算沟大(1)型淤地坝对其他大(2)型淤地坝没有影响，而郭家沟和殷唐沟2座大(1)型淤地坝的下游是化林沟大(2)型淤地坝。因此，应将原防洪标准为大(2)型的化林沟淤地坝提高到大(1)型淤地坝的防洪标准。在化林沟大(1)型淤地坝的影响范围内，自下而上，上游还有杜家沟、背荒沟、碾焉沟1#、碾焉沟2#四座大(2)型淤地坝，以及防洪标准提高到大(2)型的唐家沟、李家沟2座中型淤地坝，这6座淤地坝的防洪标准都应提高到大(1)型淤地坝的防洪标准。而对化林沟及算沟大(1)型淤地坝上游的碾焉沟、背荒沟、谈华沟、小五甲、旧家山、雨崖沟、后白塄咀、前圪咀沟、前李家沟1#及前李家沟2#这10座中型淤地坝仍按原防洪标准设计。

三是对单独支沟的张家沟、圪燎沟中型淤地坝，其防洪标准由中型淤地坝的20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核，提高到大(2)型淤地坝20 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核。

由此确定的万安沟坝系工程除险加固设计防洪标准与原防洪标准对比情况见表3。从表3中可以看出，万安沟小流域坝系工程除险加固时有13座淤地坝防洪标准需要提高，其中防洪标准由大(2)型淤地坝提高到大(1)型淤地坝的有7座，由中型淤地坝提高到大(1)型淤地坝的有2座，由中型淤地坝提高到大(2)型淤地坝的有4座。

表3 除险加固设计时防洪标准

4 坝系工程洪水组合

坝系洪水组合是坝系调洪计算的关键，也是确定工程规模、控制工程投资的重要依据。2014年以前建设的大中型淤地坝枢纽组成大多数是“两大件”，建设思路是高坝大库、库容制胜，校核标准内的洪水全拦全蓄，之后通过放水建筑物缓慢排放。即使有个别大型淤地坝按“三大件”设计，其洪水计算也仅考虑了设计坝控制的区间面积(含区间中型淤地坝控制面积)，对设计坝上游的大型淤地坝控制面积没有考虑，设计溢洪道时也没有按坝系洪水组合进行调洪计算。在现有淤地坝和骨干坝的规范中，也没有按坝系工程系统考虑处于不同位置的大中型淤地坝的洪水组合及调洪计算。如：过去在计算化林沟大(2)型淤地坝洪水时，仅考虑了殷唐沟、杜家沟、郭家沟3座大型淤地坝下游到化林沟淤地坝之间的流域面积(含后白塄咀、小五甲、旧家山及前圪咀沟4座中型淤地坝控制面积)洪水，因“两大件”淤地坝设计放水流量很小，而没有考虑这3座大型淤地坝对下游化林沟淤地坝的影响。除险加固增设溢洪道后，就必须考虑这3座大型淤地坝下泄洪水对下游化林沟淤地坝洪水计算的影响。

坝系除险加固时，洪水组合可按三种情况考虑[4]：

一是位于支沟上游，设计的大型淤地坝上游仅有中型淤地坝，且下游影响范围内无重要设施，由于中型淤地坝的设计标准较低，设计坝除险加固时可不考虑上游中型淤地坝的洪水组合，按设计坝上游控制总面积进行单坝调洪计算。如万安沟坝系中的碾焉沟1#、背荒沟、算沟大(1)型淤地坝，以及除险加固防洪标准提高了的乔家沟2#大(2)型淤地坝。

二是位于支沟上游，设计的大型淤地坝上游仅有中型淤地坝，而下游影响范围内有重要设施，该中型淤地坝应按大(2)型淤地坝进行设计，此时设计坝除险加固设计时，应按区间洪水和上游提高了防洪标准的中型淤地坝洪水组合进行坝系调洪计算。如万安沟坝系中的殷唐沟大(1)型淤地坝，在洪水计算时，应考虑防洪标准提高到大(1)型淤地坝的唐家沟、李家沟淤地坝下泄洪水与控制区间面积(含雨崖沟中型淤地坝控制面积)的洪水组合。乔家沟大(2)型淤地坝的洪水计算，应考虑防洪标准提高到大(2)型淤地坝的乔家沟2#、东峪沟2座淤地坝下泄洪水与控制区间面积的洪水组合。

三是对位于设计的大型淤地坝下游相串联的大中型淤地坝，其下游相串联的大中型淤地坝的洪水组合就是区间洪水和上游淤地坝下泄洪水的和。因此，相串联的下游大中型淤地坝洪水组合均应按区间洪水和上游各坝下泄洪水组合计算，这样就不会发生因上游大型淤地坝泄洪而导致相串联下游中型淤地坝溃坝问题，最终形成较为稳定的沟道坝系工程的梯级开发利用和排洪体系。在分析洪水组合时，应自下而上逐坝分析。如万安沟坝系中的化林沟大(1)型淤地坝，在洪水组合时，应考虑殷唐沟、杜家沟、郭家沟3座大(1)型淤地坝下泄洪水与控制区间面积的洪水组合，对后白塄咀、小五甲、旧家山及前圪咀沟4座中型淤地坝因防洪标准低，控制面积按区间面积计入区间洪水。以此类推，再分析杜家沟、殷唐沟淤地坝的洪水组合，一直分析到最上游的碾焉沟1#淤地坝。按上述原则，逐坝分析万安沟坝系工程除险加固时大型淤地坝洪水组合情况见表4。

表4 坝系工程洪水组合情况

除险加固设计时，洪水组合和调洪计算应自上而下逐坝进行。洪水组合计算包括组合洪峰流量和组合洪量计算两个方面。

5 结 语

本研究就黄土高原坝系工程除险加固时的防洪标准、坝系洪水组合进行了一些探讨，但还存在一些问题值得研究：在防洪标准中，一些大中型坝的防洪标准已超出现行规范规定的防洪标准，特别是有的中型坝将要按1级标准设计；在坝系洪水组合计算中，仅考虑了坝系洪水空间上的组合，没有考虑流域形状、沟道情况对洪水在汇流时间上的影响。这些问题需要在实践中不断研究、不断探索，丰富和完善坝系工程建设理论，推动坝系工程建设规范的编制，更好地指导坝系工程设计，为淤地坝和坝系工程安全运行提供有力的技术支撑。