新材料和新技术及新工艺在淤地坝及其坝系中的应用

张军社

摘  要：新材料、新技术、新工艺是当前科技发展的重要方向，也在不断地推动淤地坝工程的创新与发展。未来淤地坝工程将继续朝着智能化、数字化、环保方向发展。重点阐述了地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等新技术，免管护一体、拦泥透水、浮力式挡水等筑坝新手段，预应力钢筒混凝土管、顶管、虹吸管+太阳能等新技术在防水建筑物中的应用，柔性、效能和竖井等新型溢洪道及新工艺的应用。

关键词：淤地坝  新材料  新技术  新工艺  坝体  溢洪道

中图分类号： S157

Application of New Materials， New Technologies and New Processes in Silt Dams and Their Dam Systems

ZHANG Junshe

（Chengguan Water Conservancy Workstation in Longde County， Guyuan， Ningxia Hui Autonomous Region， 756300 China）

Abstract：New materials， new technologies and new processes are important directions for the current development of science and technology， and they are also constantly promoting the innovation and development of silt dam engineering. In the future， silt dam engineering will continue to develop towards the direction of intelligence， digitization and environmental protection. This paper focuses on the application of new technologies such as the geographic information system （GIS）， the digital elevation model （DEM） and building information modeling （BIM）， the new means of dam construction such as integrated pipe-free protection， mud permeability and buoyancy retaining water， and new technologies such as prestressed steel cylinder concrete pipes， pipe jacking and siphon+solar energy in waterproof buildings， and the application of new spillways and new processes such as flexibility， efficiency and shafts.

Key Words：Silt dam; New material; New technology; New process; Dam body; Spillway

淤地壩及坝系是黄土高原治理水土流失的主要措施之一。2003 年水利部将淤地坝及坝系工程建设列为三大“亮点工程”以来，全国掀起了新一轮淤地坝及坝系建设高潮。由于国家投资有限，地方配套资金难以到位，淤地坝及坝系工程建设受资金短缺的困扰难以大规模地开展。为此，尝试在中小型淤地坝及坝系的施工中采用新材料、新技术、新工艺，通过新材料、新技术、新工艺在淤地坝及坝系工程中的应用，可以有效解决筑坝资金短缺的问题。

1  新材料的应用

1.1  淤地坝及坝系的坝体

1.1.1 拦泥透水型

拦泥透水型淤地坝是一种运用现代土木建筑技术和新型材料建造的一类坝，其主要特点是在材料的选用和坝的构造上注重水力与建筑的协调，形成既可拦沙又能透水的结构。拦泥透水型淤地坝通过，控制河流泥沙径流和河道底泥的不断淤积，从根本上降低了下游的河道淤积和污染，有助于巩固区域的生态安全，同时还具备局部固化、整体透水的特点，可以时刻保护河岸不被沿岸物、泥沙冲刷损伤，可以减少洪水泛滥带来的灾害风险。拦泥透水型淤地坝还有储水能力，而且由于其坝体为透水及固化型结构，不受水位变化影响，增加了储存能力，有利于应对水资源短缺的挑战，在河流治理、防洪抗灾方面有很大的作用^[1]。

1.1.2 免管护一体式

免管护一体式淤地坝是一种新型的淤地坝结构，其主要特点是区分了围堤与淤堆，并通过选择适合的填筑材料与堆积方法进行建造，使之既是一道淤堆，又是一道围堤。免管护一体式淤地坝的围堤和淤堆之间通过填料的选择和施工方法结合为一体，可以有效提高淤堆的初始固结和长期稳定性，提高淤地坝的耐度和可靠性。相对传统淤地坝建设模式，免管护一体式淤地坝不需要筑坝工艺，消除了一部分建造时间，同时可减少维修与管理成本，建造过程少了混凝土、钢材、管道等大量的基础材料消耗，相应降低了建造成本。

1.1.3 浮力式

浮力式挡水坝是一种新型的水坝结构，它采用浮在水面上柔性膜等物体作为基础，利用坝体下面的空气充当浮力，在不需要固定建筑物的情况下，形成了一种堤坝。由于浮力式挡水坝无须固定建筑物或结构，建造过程中对环境影响小，其自身也能成为自然生态体系的一部分，再加上坝体结构简单，可以节省建造成本，并且维护也相对便捷。浮体作为浮力式挡水坝的主要基础，通常选用轻质、耐久的材料，例如聚乙烯、聚氯乙烯等合成材料，具有良好的防腐蚀和耐用性。浮体数量通常需要根据实际需要和河流的特点而定，可选用多个浮体进行组合，以提高结构的稳定性和防护效果。坝体的形状需要考虑到河流的特定情况，例如：河流的宽度和深度，坝体需要具有良好的浮力和稳定性，从而确保在防止波浪和涌浪的同时实现建设受力平衡，实现对河流的拦沙和调节水位的作用^[2]。

1.2  淤地坝及坝系的放水建筑物

1.2.1 顶管技术

在淤地坝建设中，顶管穿越技术可以用于河道、湖泊等水域的穿越。它利用专用的推力设备将长距离的管道从一个端点推入地下，通过逐步推进的方式完成管道的埋设过程。顶管穿越技术有以下特点。

第一，减少对地面交通、水电等公共设施的影响，减轻城市交通拥堵。第二，减少环境污染，减少土地开采量和空气粉尘污染。第三，管道埋设深度可达30 m以上，适用于较深的山谷或者建筑物下穿顶过长距离的场合。第四，较短的施工时间，减少工期，降低施工成本。第五，管材材质可采用不同材质的管道，如钢筋混凝土、高密度聚乙烯等管道。在淤地坝建设中，顶管穿越技术可以用于河道、湖泊等水域的穿越。相比较传统的开挖施工方式，顶管穿越可以避免对水流的干扰，减少水流淤积导致的环境问题。同时，通过逐步推进的方式，可以控制土体的沉降，保证施工安全^[3]。

1.2.2  PCCP管（预应力钢筒混凝土管）应用

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）是由钢筒、混凝土、预应力钢筋等组成的一种复合材料管道。在淤地坝的应用中，PCCP管主要用于排水、输水和补强坝体等方面。在淤地坝的建造过程中，需要输送水泥稳定土等物料，有时候还需要进行蓄水库输水等工作。此时使用PCCP管可以避免土方截面变形和折断问题，同时管道运输和组装比较方便。PCCP管可以作为加固淤地坝的材料之一，在淤土坝瘦弱处或者钢筋混凝土坝支护处，可以采用PCCP管进行补强，增加坝体的稳定性和承载能力。制造PCCP管时，要先按照设计要求切割和焊接钢板，将其弯曲成规定的直径和长度的管道。其次，在钢管内部布置预应力筋，并采用专门设备对预应力筋进行张紧加工，将预应力加工后的钢管放置在模板中，灌注混凝土至需要的厚度。在浇筑混凝土的过程中，通过振捣来排除混凝土中的气泡和空隙，灌注完畢后，等待混凝土凝固成型。混凝土凝固成型后，在外部筑土墙支撑的情况下，将模板拆除，并进行表面处理。之后还要安装预应力拱架和锚具，对预应力筋进行张拉，并进行预应力锚固。最后，在钢管的内部进行防水处理，以保证管道的排水功能^[4]。

1.2.3 虹吸管+太阳能技术

淤地坝蓄水智能缓释装置是利用虹吸等工艺，对淤地坝的深层地下水进行调节和平衡，从而降低淤地坝渗透压力，提高地下水位，增加淤地坝的稳定性。其中，虹吸管是实现缓释装置通水的核心部件之一。在虹吸管的选型中，太阳能技术可以作为虹吸管的能源来源而被应用。通过在虹吸管的顶部设置太阳能板，能够将阳光转化为电能，为虹吸管注入所需的动力。虹吸管+太阳能技术在淤地坝蓄水智能缓释装置中的应用，可以提升淤地坝缓释装置的效率和可靠性，而避免使用外部电源，降低能源消耗。同时，它对环境的影响也比使用其他能源更小，可以推动节能减排、可持续发展的目标的实现。

1.3  淤地坝及坝系的溢洪道

1.3.1 生态袋台阶式消能溢洪道

生态袋台阶式消能溢洪道是一种新型的洪水消能溢洪结构，其主要特点是在水流冲击面设置一定数量的消能生态袋，并在洪水消能的同时优化河道生态环境，提高生态保护效益。目前，生态袋台阶式消能溢洪道已经在一些淤地坝中得到了应用，具体具有以下优势：第一，消能效果好，生态袋台阶式消能溢洪道在洪水冲刷过程中，通过独特的生态袋台阶结构，使得水流能够逐渐分散消耗，达到消能的效果；第二，有助于生态环境改善，生态袋台阶式消能溢洪道的生态袋部分可以种植一些河道植物，通过河道环境改善措施的实施，逐渐提升淤地坝区域生态环境，有助于保护和恢复生态系统；第三，工程成本降低，生态袋台阶式消能溢洪道的结构相对简单，安装便捷，且材料成本较低，因此在一些淤地坝工程中应用后能够有效降低工程造价。总之，生态袋台阶式消能溢洪道在淤地坝蓄水工程中具有较好的应用前景，可以有效地巩固淤地坝的稳定性和减少对环境的损失^[5]。

1.3.2 柔性溢洪道

柔性溢洪道是一种可以在洪水到来时自动展开的浮动结构，核心技术是使用高强度、耐磨损、柔软耐酸碱的聚氨酯材料，一般用CDASS（Check Dam Soft Spillway）土工材料和当地黄土修建。柔性溢洪道需要在水流冲击和控制的同时保证自身稳定性和强度，因此，承载能力是衡量柔性溢洪道的重要指标之一。作为一种浮动结构，柔性溢洪道需要能够承受水体压力和支撑设备自身重量，为了达到这一目的，材料的硬度、密度、冲击强度、变形能力等方面需要具备足够的强度和耐久性。

1.3.3 竖井式溢洪道

在地形严峻、开敞式溢洪道修建困难的区域，竖井式溢洪道因其具有结构简单、适应性强、防洪效果明显等特点，在淤地坝工程中得到了应用。建设淤地坝时通常需要将淤泥挖掘出来，而挖掘后的淤泥常常需要一定的处理和处置，竖井式溢洪道可以将淤泥直接利用于构筑竖井体系，因此在一定程度上降低了淤泥的处理成本和环境影响。受限于淤地坝的大小、形状和地形条件等影响时，在淤地坝蓄水工程中竖井式溢洪道可以被用作洪水消能和溢洪的主要措施，安装后可以显著提高淤地坝的防洪能力。

2  新技术应用

2.1  BIM技术在设计施工中的应用

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是一种数字化的建筑工程设计、施工和管理方法。在淤地坝设计和施工中，BIM技术可以帮助淤地坝建设团队在设计过程中进行三维建模，更好地展示设计成果并简化沟通。对于淤地坝及放水建筑物、溢洪道、坝体这“三大件”的建设和运营管理，BIM技术可以提供全面的协同三维建模、结构分析、施工组织、运营管理等功能。BIM技术可以将淤地坝及其“三大件”建筑物的整体形态、结构质量、运行参数等信息进行全面、准确的三维建模，并支持多个专业团队进行协同设计与交流。通过渲染和漫游技术，BIM技术可以生成淤地坝的放水建筑物和溢洪道的三维漫游视频，并对其渗透率、水头等参数进行测算和分析。基于三维建模数据，结合施工进度计划和资源分配，BIM技术还能进行4D施工仿真，实现工期计算、资源管理等功能，从而更好地管理施工过程。在后续施工阶段，BIM技术可以输出各个建筑物和设施的运维管理信息。通过后期运维平台和维护管理模块，实现渗透率、设备运行状态、风险分析等内容的监测和维护。

2.2  GIS和DEM在规划布局中的应用

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）在淤地坝系规划布局中有广泛应用。DEM可以生成高程图，通过GIS软件可以对地形进行分析和可视化，以确定淤地坝的最佳位置和大小，并对流域边界、地形、水文观测站等数据进行模拟分析，根据计算结果优化淤地坝流域规划布局以及防洪排涝效果等。在GIS软件中使用DEM和水文模型结合地物特征数据进行分析模拟，还能应用于洪水来临时的应对、淤地坝水位高度判断等。另外，GIS还能生成三维地形模型，更直观地展示淤地坝布局的地形特征，由此一来，就能针对可能发生的不同水情，通过考虑不同降雨、水位、径流等多元素组合的可能性判断，优化淤地坝的设计规划布局安排。

3  新工艺的应用

3.1  无损快速的碾压机械在淤地坝及坝系中的应用

淤地坝建设中，碾压施工是一项重要工序，其质量直接关系到淤地坝的安全和稳定。无人驾驶碾压机械的应用则可以提高碾压施工效率、降低人力成本、提高碾压质量和安全性，通过将车载传感器和计算机技术应用到机械化碾压设备上，利用成套自动化设备和GPS定位设备，通过传感器感知路面信息，计算机处理并控制机械的运作，实现无人驾驶的碾压施工过程^[6]。

淤地坝是以黏土、砂土等可塑性土壤为主要材料，经过施工处理后，形成的堆石坝体结构。传统的施工工艺一般包括爆破技术、水力冲填、碾压技术三类。爆破技术一般用于淤地坝施工中的坝岸和支土墙等部分，通过将大块的岩石或土方进行爆破，以便打开施工场地，同时能够提高施工效率和质量。水力冲填是淤地坝施工中常用的一种坝体施工工艺，其主要的操作步骤是将淤泥在水中充分混合，然后通过管道输送到堆积区域，在管道输送时通过压力水的作用将淤泥冲击到已经堆积的坝体筑堆面上，形成更为紧密的堆積结构。这种施工工艺需要掌控水的流量和压力，以保证坝体堆筑的均匀性和密实度。碾压技术是指将淤泥通过机器压实和碾压使其变得更加坚固的过程。这种工艺通过机器压实和碾压，可以使淤地坝坝体堆积更加紧实，抗冲击能力更加强大。但在实际施工操作中，需要注意掌握机器的操作技能和使用压实机械时的压力、速度等参数，以免对淤泥土质的影响过大。建设时需要根据具体的工程情况和材料特性选择相应的工艺进行施工，在传统工艺不能满足需求时，有必要采用新工艺提高淤地坝的稳定性和水工安全性。

3.2  碾压式土坝施工质量实时监控系统在淤地坝及坝系中的应用

碾压式土坝施工质量实时监控系统是一种基于新兴技术的施工过程监控系统，可以实时监测并分析淤地坝施工过程中的各个关键参数和指标，包括土体的密实度、稳定性、水分含量等。例如：在系统中采用北斗高精度定位系统和图像识别技术，能够在实时监测施工过程中对施工现场进行精确定位和图像数据采集，从而提高监测精度和数据质量。利用BIM技术模拟施工过程，可以较好地优化施工计划和施工过程，减少施工中未曾预见的问题，提高土坝的稳定性。

物联网技术可以将土体的实时数据上传至云端，云计算技术分析实时数据，可以评估土体状态和工作质量，并通过大数据挖掘预测可能会出现的问题，为工程管理人员提供快速、准确的信息支持和决策参考。施工质量实时监控系统的应用，可以在淤地坝施工过程中对土坝的稳定性进行全面监测和分析，提高施工可靠性和质量。

3.3  多维识别技术在淤地坝及坝系中的应用

多维识别技术可以通过多种传感器和探测器实现坝料的多维参数测量和数据采集。例如：通过测量坝料的密度、黏度、形状、颜色等参数，可以得到坝料的基础物理特性数据，以便更准确地评估淤地坝的承载力和稳定性。在多维识别技术的支持下，淤地坝建设中还可以应用如光学分析、雷达测量、声波探测等快速感知坝料的物理特性的技术。例如：通过红外光线或者高分辨率摄像头对坝料的温度和形态进行快速感知，可以检测坝料中的异常情况，有助于尽早发现问题、及时修补，减少事故风险，保障淤地坝的安全性。

4  结语

在新材料方面，将会有更多环保材料应用于淤地坝工程中，以及新型复合材料的研究和应用；在新技术方面，将会有更多基于大数据和人工智能的施工管理、质量监测和智能预警等工具的引入；而在新工艺方面，将会有更多的孔隙率控制和泥土加固、混凝土施工等专业技术的应用。淤地坝工程还将继续向多功能化发展，不仅仅是保护防洪和蓄水，同时也可以实现景观、水利、生态和能源等效益的综合利用。

参考文献

[1]张红武，刘广全，侯琳，等.创新完善淤地坝结构是根治黄河的必由之路[J].人民黄河，2022，44（9）：17-23.

[2]李权，高俊.黄土地区老旧骨干淤地坝坝体稳定性探究[J].水利科技与经济， 2023，29（4）：38-42.

[3]马管，李娜，马建霞.中国淤地坝研究脉络演化分析[J].中国水土保持科学， 2020，18（5）：152-160.

[4]于沭，李颖哲，姚雪飞，等.淤地坝系风险预警防控平台研究与应用[J].水土保持通报， 2023，43（1）：84-91.

[5]常兴，刘刚，刘亚.黄土高原淤地坝安全运用巡查管理系统的设计与开发[J].水土保持通报，2022，42（2）：129-135.

[6]袁蕾蕾. 土石坝防渗加固方案多目标决策研究[D].长沙：长沙理工大学，2018.