高标准免管护淤地坝理论技术体系研究

张金良 苏茂林 李超群

摘 要：黄河泥沙问题突出，建设淤地坝、防治水土流失是解决黄河泥沙问题的重要措施，但现有淤地坝存在溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等问题。为了突破淤地坝坝身过流难题、充分发挥淤地坝的生态保护修复效益，创新性地提出了高标准免管护淤地坝设计运用理念，基于小流域水文计算新方法、淤地坝新坝型结构、黄土固化新材料、设计施工新技术等，构建了高标准免管护淤地坝理论技术体系。与传统淤地坝的技术经济比较表明，高标准免管护淤地坝可以实现防溃决、免管护、多拦沙、降造价的目标，能更好地发挥淤地坝的综合效益，支撑黄河流域生态保护和高质量发展。

关键词：淤地坝;坝顶溢流;防冲刷保护层;坝工结构;黄土固化剂;黄河流域

中图分类号：TV641.2+3;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.025

Abstract：The sediment problem of the Yellow River is prominent， while constructing check dams to prevent soil erosion is an important measure to solve this serious problem. However， the existing check dams have many problems， such as high risk of dam break， high stress of management and protection， high insufficiency of sediment retention and so on. In this study， in order to break through the issue of flowing over dam body and give full play to the ecological protection and restoration benefits of check dam， the design and operation concept for the high-standard and no management and protection check dam was presented innovatively， and an theoretical and technical system was proposed based on new hydrological calculation method， new dam type structure， new loess solidification material and the new design and construction technology for check dam. Compared with the traditional check dam in technology and economy， the high-standard and no management and protection check dam can prevent dam breaking， avoid management and protection， intercept more sediment， and reduce the cost of construction， thus play the function of check dam better and support ecological conservation and high-quality development of the Yellow River Basin.

Key words： check dam; flow over dam top; protective layer against erosion; dam structure; loess stabilizer; Yellow River Basin

1 研究背景

黃河泥沙问题突出，是世界上最为复杂难治的河流之一。黄河泥沙问题表象在黄河，根子在流域，建设淤地坝、防治水土流失是解决泥沙问题的重要措施。2015年2月13日，习近平总书记在梁家河考察调研时指出，淤地坝是流域综合治理的一种有效形式，要因地制宜推行。2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出，中游要突出抓好水土保持，有条件的地方要大力建设淤地坝。2020年1月3日，习近平总书记在中央财经委员会第六次会议上强调，黄河流域生态保护和高质量发展要实施水土流失治理等工程，推进黄河流域生态保护修复。

从明代隆庆三年（1569年）

陕西子洲县天然聚湫形成黄土洼天然淤地坝至今，淤地坝的发展经历了由传统经验到系统科学、由单坝到坝系、由自然形成到强化管护的发展历程，在淤地造田、滞洪拦沙等方面发挥了重要的作用[1-4]。人民治黄以来，建设淤地坝约5.88万座，淤地10.3万hm2，拦减入黄泥沙95.4亿t，2000年以来年均减沙量在3亿t以上，对黄土高原保护修复发挥了巨大作用[5]。然而，由于淤地坝为均质土坝，遇超标准洪水（局部暴雨洪水）时坝身溃决并在下游产生洪水灾害，成为制约淤地坝功能发挥的技术瓶颈。现有淤地坝存在溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等问题，综合效益无法得到充分发挥[6-10]。传统淤地坝设置了拦洪（滞洪）库容，为确保在设计标准洪水下不溃坝，需增设浆砌石或混凝土溢洪道，但其造价昂贵[11-12]。陈祖煜团队研发了一种新型复合PET材料以及柔性溢洪道布置形式，用其对淤地坝坝身进行保护，可抵抗最快流速为5.26 m/s的过流冲刷，在低造价情况下可部分代替传统溢洪道，延缓土坝过流溃决[13]。然而，溢洪道并不能从本质上解决坝身过流的难题，仍然存在坝身过流导致溃坝的问题。因此，需要开展高标准免管护淤地坝研发，突破淤地坝坝身过流难题，充分发挥淤地坝的生态保护修复效益，进而推进黄河流域生态保护和高质量发展。为此，本文针对淤地坝的现状问题，提出了适宜于小流域高含沙洪水计算的新方法、坝顶溢流的新坝型等设计运用理念，构建高标准免管护淤地坝理论技术体系，并与传统淤地坝进行技术经济比较，分析高标准免管护淤地坝的技术经济优势、推广价值和对黄土高原地区生态保护修复的作用。

2 传统淤地坝存在的问题

根据淤地坝“三大件”（坝体、溢洪道、泄水洞）的组合关系，可将传统淤地坝分为三种形式，即坝体+溢洪道+泄水洞、坝体+溢洪道、坝体+泄水洞。由于坝身是均质土坝结构，一旦遭遇超标准洪水就有漫坝溃坝风险，因此传统淤地坝设计理念中，坝身不能过流一直是技术瓶颈，导致了溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等三大问题。

（1）溃决风险高。淤地坝坝体为均质土坝结构，坝体本身不能过流，且绝大多数淤地坝未设溢洪道等泄洪设施或泄洪标准偏低，一旦遭遇超标准洪水，淤地坝易溃易决，甚至可能发生坝系的连锁溃坝、淤积泥沙的“零存多取”现象（已达使用寿命的淤地坝溃坝后，原拦蓄的泥沙有10%～20%被泻放出来），对下游村庄、集镇、农田、基础设施等的水沙危害严重。如：2013年7月，陕西延河遭遇持续强降雨，有1 309座淤地坝不同程度受损;2016年8月，内蒙古达拉特旗西柳沟和罕台川小流域遭遇特大暴雨，使淤地坝严重水毁，其中有19座淤地坝发生决口。

（2）管护压力大。黄河流域淤地坝现存数量约5.88万座，主要分布在黄土高原地区各级支沟，位置分散，汛期防洪风险高，成为各级防汛部门的心头之患。为了管控水沙灾害风险、确保下游人民生命财产安全，水利部和黄河防汛抗旱总指挥部多次发文，要求加强淤地坝管护，切实落实淤地坝防汛“三个责任人”的责任，编制淤地坝防汛预案。水利部水保〔2019〕109号文件要求，“所有骨干坝和下游有重要设施的中型坝都要逐坝落实工程防汛行政、巡查、技术‘三个责任人责任……，必须做到‘一坝一人巡查”;黄河防汛抗旱总指挥部办公室黄河防总办〔2020〕2号文件要求，大型淤地坝和下游有重要设施的中型淤地坝“一坝一预案”，其他淤地坝必须以乡镇为单位合并编制防汛预案。面对数量众多的淤地坝，十几万人次的管护和支出，对地方政府形成不小的压力。

（3）拦沙不充分。传统淤地坝在设计泥沙淤积高程基础上，按照拦蓄校核标准洪水并考虑安全超高确定坝体高度，通过设置滞洪库容来滞蓄校核标准内的洪水，以保证不漫坝、防溃决来达到防洪安全。然而，该部分滞洪库容仅可用来防洪，不可用来拦沙，且必须在汛前将库容腾空以迎接汛期暴雨洪水。据统计，黄土高原地区现存骨干坝5 621座，总库容56亿m3，滞洪库容约占40%，即仅骨干坝就有大约22.4亿m3的滞洪库容长期空置，无法发挥拦沙作用。

3 高标准免管护淤地坝理论技术体系

3.1 设计理念

高标准免管护淤地坝理论技术体系，就是按照水沙关系极其不协调的洪水泥沙就地拦蓄原则，创新淤地坝坝型设计和运用理念，突破小流域高含沙可能最大洪水估算方法，研发适用于黄土高原地区的黄土固化剂，构建淤地坝设计施工新技术，从而实现淤地坝防溃决、保安全、免管护、多拦沙、低造价等目标。

（1）对协调度极差的水沙就地拦蓄。黄河复杂难治的根本症结在于水少沙多、水沙关系不协调，这也是黄河区别于其他江河的根本特点。为深入研究水沙关系不协调问题，张金良等提出了水沙关系协调度的概念[14]，以反映水沙关系协调程度。水沙关系协调度可用下式计算：

式中：Cun（i）為研究河段i（i为河段编号）来水来沙的水沙关系协调度，Cun（i）≤1表示水沙关系相对协调，Cun（i）>1表示水沙关系相对不协调，值越大表明不协调程度越高;φi为河段i实际来沙系数;φT为河段临界来沙系数，一般取黄河下游河道达到冲淤基本平衡的小黑武（小浪底、黑石关、武陟水文站）来沙系数0.01 kg·s/m6作为临界来沙系数。

以无定河和黄河河龙区间为例，分析水沙关系协调度的空间分布规律，见图1和图2。由图1、图2可以看出，流域面积越小且河流分级[15]越低的支沟，水沙关系越不协调（比黄河下游水沙关系协调度更低），越需要淤地坝进行拦蓄控制。因此，高标准免管护淤地坝就是要就地拦蓄协调度极差的水沙，从源头上降低入黄水沙关系的不协调程度。

（2）按可能最大洪水进行水文计算。一般认为，在全流域范围内降雨是等概率随机发生的，但由于支流流域面积存在差异，因此不同支流（或子流域）洪水发生概率具有空间不一致性，较大流域与其子流域遭遇降雨的范围不同，导致相同降雨概率条件下较大流域发生同量级洪水的概率远小于子流域的。根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）[11]和《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289—2003）[12]，淤地坝传统水文计算主要采用频率法或经验公式法，基于较大流域实测资料或由较大流域实测资料拟定的经验公式、图集等来计算淤地坝设计洪水，其基本假定是较大流域的洪水发生概率（频率）与子流域基本一致。淤地坝地处小流域，易遭遇极端局部暴雨，采用传统水文计算方法即频率法或者经验公式法计算设计洪水可能导致两种后果，一是设计洪水发生频率偏低，二是设计洪水量级偏小，从而使淤地坝客观上极易遭遇超标准洪水并导致漫坝溃决。高标准免管护淤地坝采用可能最大洪水（PMF）进行洪水泥沙估算，以应对小流域极易发生的接近物理上限的暴雨洪水，坝体建设采用可过流坝型结构，不需滞洪库容。根据黄土高原地区暴雨特性及产洪产沙规律，特别是考虑小流域800 kg/m3量级高含沙洪水对坝身冲刷的影响，笔者提出小流域高含沙PMF估算方法，用于高标准免管护淤地坝水文计算，使水文计算结果更加科学合理。

3.2 新型坝工结构

受均质土坝特性制约，传统淤地坝坝身不可过流运用，限制了淤地坝综合作用的发挥。高标准免管护淤地坝建设，采用新型坝工结构（见图3），通过在土坝坝体上设置防冲刷保护层，实现坝顶溢流运用且防溃决、免管护、多拦沙。

从造价经济性考虑，淤地坝防冲刷保护层可采用以下几种形式：①混凝土，适用于较大坝高且附近有砂石骨料地区;②浆砌石，适用于附近有较丰富石料地区;③黄土固化层，适用于砂石骨料缺乏地区。因地制宜设计坝身泄流的消能方式，可采用坝身台阶式消能或消力池消能等。

3.3 黄土固化新材料

采用传统混凝土制作防冲刷保护层需要砂石骨料，而黄土高原地区缺乏砂石骨料，远距离运输砂石骨料的成本太高，若就地取材，以当地黄土为原料进行固化，建设淤地坝防冲刷保护层，则可大大降低建设成本。黄土高原地区的黄土一般为中粉质壤土，通过对陕西延川县黄土的试验检测可知，其黏粒含量达20%、粉粒含量不足80%，用水泥等传统胶凝材料对这种中粉质壤土进行固化，强度较低，不能抵抗洪水冲刷。

本研究经过数千组次试验，成功研制了一种新型黄土固化剂，用其固化的黄土具有较高的强度和良好的耐久性，解决了水泥等传统固化材料不能用于固化黄土的难题。试验表明，黄土、固化剂、细砂按照6∶3∶1的比例掺和后，28 d无限侧抗压强度可以达到11 MPa，首次吸水后的吸水率随龄期增长变化不大，30次冻融循环后强度损失率为23.3%，见图4～图6。可见，用其固化的黄土制作淤地坝防冲刷保护层，具有较好的耐久性和抗冲刷性能，可以满足高标准免管护淤地坝过流冲刷防护要求。

3.4 设计施工新技术

根据淤地坝成坝条件和防冲刷要求，高标准免管护淤地坝的设计施工采用3种新技术。

（1）防冲刷保护层全覆盖防护技术。当地无砂石骨料时，可因地制宜，选用黄土掺和固化剂作为填筑料，在坝顶和下游坝坡采用防冲刷保护层覆盖（如图7所示），适用于坝高在20 m以下的中低坝。施工时，防冲刷保护层与坝体同步碾压，采用路拌法施工，机械化程度高，施工速度快。

（2）防冲刷保护层局部覆盖防护技术。坝轴线较长时，可因地制宜，在坝顶和下游坝坡局部（坝顶过流部位）设置防冲刷保护层（如图8所示），以降低工程造价。施工时，先填筑坝体，后采用小型振动碾斜坡碾压进行防冲刷保护层施工。

（3）预制台阶式联锁块全覆盖防护技术。在确保安全的前提下，坝顶采用防冲刷保护层，下游坝坡采用预制台阶式联锁块铺设防冲刷保护层（如图9所示），适用于坝高为20～30 m的较高坝。施工时，工厂预制联锁块，对现场施工场地要求低，现场人工结合小型设备铺设，施工速度快。

4 技术经济比较

以陕西省延川县高家圪台中型坝为例，按相同拦沙年限和相同设计坝高两种对比思路，对高标准免管护淤地坝（防冲刷保护层全覆盖防护）与传统淤地坝进行技术经济比较，见表1。

由表1可以看出，高标准免管护淤地坝相对于传统淤地坝，在相同的设计拦沙年限条件下可以大幅度降低工程费用，在相同设计坝高的条件下可以更加充分发挥拦沙作用，解决溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等问题，达到防溃决、免管护、多拦沙、降造价等效果。

5 结 语

黄河流域水土流失严重，生态环境脆弱。淤地坝在黄河流域生态保护修复中发挥了巨大作用，但受限于传统设计理念，目前淤地坝存在溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等问题。创新淤地坝设计理念，构建高标准免管护淤地坝理论技术体系，基于淤地坝水文计算新方法、新型坝工结构、黄土固化新材料、设计施工新技术等，可以实现淤地坝防溃决、保安全、免管護、多拦沙、降造价等目标。高标准免管护淤地坝可以更好地发挥淤地坝的综合效益，应在黄土高原地区大力推广应用，以支撑黄河流域生态保护和高质量发展。

参考文献：

[1] 艾开开，杨乙丹.明至民国时期黄土高原淤地坝的发展变迁：以陕晋为中心[J].农业考古，2018（6）：134-141.

[2] 陈晓梅.黄土高原地区淤地坝的形成与发展[J].山西水土保持科技，2006（4）：20-21.

[3] 冉大川，左仲国，上官周平.黄河中游多沙粗沙区淤地坝拦减粗泥沙分析[J].水利学报，2006，37（4）：443-450.

[4] 方学敏，万兆惠，匡尚富.黄河中游淤地坝拦沙机理及作用[J].水利学报，1998，29（10）：50-54.

[5] 高健翎，高云飞，岳本江，等.人民治理黄河70年水土保持效益分析[J].人民黄河，2016，38（12）：20-23.

[6] 汪自力，张宝森，刘红珍，等. 2016年达拉特旗淤地坝水毁原因及拦沙效果[J].水利水电科技进展，2019，39（4）：1-6.

[7] 党维勤，郝鲁东，高健健，等.基于“7·26”暴雨洪水灾害的淤地坝作用分析与思考[J].中国水利，2019（8）：52-55.

[8] 刘晓燕，高云飞，马三保，等.黄土高原淤地坝的减沙作用及其时效性[J].水利学报，2018，49（2）：145-155.

[9] 李莉，王峰，孙维营，等.黄土高原淤地坝水毁问题分析[J].中国水土保持，2014（10）：20-22.

[10] 李靖，张金柱，王晓. 20世纪70年代淤地坝水毁灾害原因分析[J].中国水利，2003（17）：55-56.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水土保持工程设计规范：GB 51018—2014[S].北京：中国计划出版社，2014：7-10.

[12] 中华人民共和国水利部.水土保持治沟骨干工程技术规范：SL 289—2003[S].北京：中国水利水电出版社，2003：38-39.

[13] 于沭，陈祖煜，杨小川，等.淤地坝柔性溢洪道泄流模型试验研究[J].水利学报，2019，50（5）：612-620.

[14] 张金良.黄河流域生态保护和高质量发展水战略思考[J].人民黄河，2020，42（4）：1-6.

[15] 孙崇亮，王卷乐.基于DEM的水系自动提取与分级研究进展[J].地理科学进展，2008，27（1）：118-124.

【责任编辑 张智民】