壩系工程除險(xiǎn)加固防洪標(biāo)準(zhǔn)與洪水組合探討
——以吉縣高樓溝小流域?yàn)槔?/h1>
2019-11-08 09:34:02鄧鵬程
山西水土保持科技 2019年3期
鄧鵬程
（吉縣水利局）
淤地壩是黃土高原地區(qū)修建的控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少入黃泥沙、變荒溝為良田的一項(xiàng)極為重要、不可替代的水土保持溝道治理工程，也是小流域水土流失綜合治理的最后一道防線，對(duì)于增加糧食產(chǎn)量、保證糧食安全以及改善當(dāng)?shù)亟煌ㄅc農(nóng)民群眾的生產(chǎn)生活條件，具有十分重要的意義。吉縣地處黃河中游東岸，水土流失嚴(yán)重，是黃土高原水土保持重點(diǎn)區(qū)。多年來(lái)，修建了數(shù)量較多的淤地壩，但有部分帶病運(yùn)行，影響當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，開(kāi)展除險(xiǎn)加固勢(shì)在必行。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全縣有中型以上的病險(xiǎn)淤地壩40 座，其中31 座已進(jìn)行除險(xiǎn)加固，計(jì)劃在2020年底對(duì)剩余的病險(xiǎn)淤地壩全部進(jìn)行加固處理。
1 高樓溝小流域壩系工程基本情況
吉縣高樓溝小流域，屬黃土殘塬溝壑地貌。流域總面積24.27 km2，其中水土流失面積20.26 km2，占83.48%，年均土壤侵蝕模數(shù)7 370 t/km2，水土流失嚴(yán)重。高樓溝小流域壩系工程于2005年9月開(kāi)工，2008年12月完工，共建設(shè)骨干壩4 座，中型淤地壩4 座，淤地壩工程分布見(jiàn)圖1。壩控流域面積20.26 km2，總庫(kù)容415.52 萬(wàn)m3，其中攔泥庫(kù)容237.55 萬(wàn)m3，可淤地41.13 hm2。目前，該小流域壩系工程存在病險(xiǎn)，需要加固處理。
圖1 高樓溝小流域淤地壩分布
2 壩系除險(xiǎn)加固工程防洪標(biāo)準(zhǔn)分析確定
淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)建筑物等別來(lái)確定。淤地壩工程等別、主要永久性建筑物級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)。在2014年以前，由于吉縣建設(shè)的淤地壩大都是“兩大件”，故在設(shè)計(jì)上防洪標(biāo)準(zhǔn)基本都按單壩考慮。骨干壩均是庫(kù)容50-100 萬(wàn)m3的大2 型淤地壩，主要建筑物按2 級(jí)考慮，防洪標(biāo)準(zhǔn)均按20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a 一遇洪水校核；但對(duì)庫(kù)容在10-50 萬(wàn)m3的中型淤地壩來(lái)說(shuō)，主要建筑物均按3 級(jí)考慮，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a 一遇洪水校核。表1是淤地壩工程等別與主要建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照表1規(guī)定，高樓溝小流域壩系中單壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)均符合要求。但是，對(duì)于壩系來(lái)講，單依此標(biāo)準(zhǔn)就存在一定問(wèn)題。
表1 淤地壩工程等別及主要永久性建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表
一般壩系工程在除險(xiǎn)加固時(shí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按下述原則確定：對(duì)小流域單獨(dú)支溝中建設(shè)的大型淤地壩，以及位于小流域支溝最上游且其下游有大型淤地壩的中型淤地壩，按表1防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，符合相關(guān)規(guī)范要求，可以保持原有防洪標(biāo)準(zhǔn)不變。而對(duì)于小流域單獨(dú)支溝中建設(shè)的中型淤地壩，根據(jù)水利部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運(yùn)行的若干意見(jiàn)》（水保[2010]455號(hào)）的要求，“在骨干壩控制區(qū)域外，一般不得建設(shè)中型淤地壩，確需建設(shè)的，必須按骨干壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”，必須提高一個(gè)級(jí)別，按大2 型淤地壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)大中型淤地壩下游影響范圍內(nèi)有重要設(shè)施，一旦發(fā)生潰壩會(huì)造成重大損失的，根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018-2014）中“失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的淤地壩工程2 級(jí)、3 級(jí)主要永久性水工建筑物，經(jīng)過(guò)論證，可提高一級(jí)”的要求，永久性水工建筑物可提高一級(jí)，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高一個(gè)檔次。
對(duì)壩系工程中需要加固除險(xiǎn)的病險(xiǎn)淤地壩，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既要符合上述原則及規(guī)定，同時(shí)還要考慮與其相關(guān)大型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。從防洪安全角度考慮，壩系中如有部分大1 型淤地壩，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，300 a 一遇洪水校核，那么，其下游串聯(lián)的大中型淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。否則，一旦發(fā)生校核洪水，設(shè)計(jì)淤地壩下游串聯(lián)的大中型淤地壩將有發(fā)生潰壩并造成巨大損失的風(fēng)險(xiǎn)。而從水文、調(diào)洪計(jì)算角度考慮，設(shè)計(jì)淤地壩上游相關(guān)聯(lián)的大中型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)同步考慮，否則，無(wú)法進(jìn)行洪水有效組合與調(diào)洪計(jì)算。因此，在壩系除險(xiǎn)加固中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高的淤地壩，對(duì)與其相關(guān)聯(lián)的上下游淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均有影響，應(yīng)采用一致的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
按照上述原則與分析，結(jié)合壩系工程設(shè)計(jì)的原有防洪標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)對(duì)高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐壩分析如下：
（1）東莊、曹家河、前坪、店坡梁4 座骨干壩，依據(jù)原防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按大2 型淤地壩20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a 一遇洪水校核；
（2）北莊頭中型淤地壩上游布設(shè)有店坡梁和前坪骨干壩，該中型淤地壩應(yīng)由原防洪標(biāo)準(zhǔn)20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a 一遇洪水校核，提高到大2 型淤地壩20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a 一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)；
（3）處于骨干壩上游單獨(dú)支溝內(nèi)的婆美、劉真、池垣3 座中型淤地壩，按原標(biāo)準(zhǔn)20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a 一遇洪水校核，進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。
由此確定的高樓溝小流域壩系工程，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)與原防洪標(biāo)準(zhǔn)情況對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中可以看出，高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)有1 座淤地壩（北莊頭）的防洪標(biāo)準(zhǔn)需要提高。
表2 高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)的防洪標(biāo)準(zhǔn)確定表
3 壩系除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)洪水組合探討
壩系除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮洪水組合是壩系調(diào)洪計(jì)算的關(guān)鍵，同時(shí)也是確定工程規(guī)模、控制工程投資的重要依據(jù)。2014年以前建設(shè)的大中型淤地壩，樞紐組成大多數(shù)是“兩大件”，建設(shè)思路是高壩大庫(kù)、庫(kù)容制勝，校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水全攔全蓄，隨后通過(guò)放水建筑物緩慢排放。既使有個(gè)別大型淤地壩按“三大件”布局，其設(shè)計(jì)洪水計(jì)算也僅僅考慮了設(shè)計(jì)淤地壩控制的區(qū)間面積（含區(qū)間中型淤地壩控制面積），對(duì)設(shè)計(jì)淤地壩上游的大型淤地壩控制面積沒(méi)有考慮；設(shè)計(jì)溢洪道時(shí)，也沒(méi)有按壩系洪水組合進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算分析。并且，在現(xiàn)有淤地壩相關(guān)規(guī)范中，也沒(méi)有按壩系工程系統(tǒng)考慮處于不同位置的大中型淤地壩的洪水組合及調(diào)洪計(jì)算規(guī)定。為此，依照高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探討。
根據(jù)近十多年來(lái)的淤地壩建設(shè)實(shí)踐，小流域壩系除險(xiǎn)加固時(shí)，洪水組合可按以下兩種情況考慮：
一是位于小流域支溝上游，設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固的大型淤地壩上游僅有中型淤地壩，且下游影響范圍內(nèi)無(wú)重要設(shè)施。在這種情況下，由于原中型淤地壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，設(shè)計(jì)大型淤地壩除險(xiǎn)加固時(shí)，可不考慮上游中型淤地壩的洪水組合，按其壩控面積進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。如高樓溝壩系中的東莊骨干壩，調(diào)洪計(jì)算只考慮東莊壩區(qū)間洪水和曹家河壩下泄洪水，不考慮婆美、劉真、池垣壩的影響。
二是骨干壩中間串聯(lián)的中型淤地壩除險(xiǎn)加固。對(duì)于這種情況，需按骨干壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。
按上述情況，高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)，大型淤地壩的洪水組合情況應(yīng)按表3考慮。
壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，洪水組合和調(diào)洪計(jì)算，應(yīng)自上而下逐壩進(jìn)行。洪水組合計(jì)算，包括組合洪峰流量和組合洪量計(jì)算兩個(gè)方面。
4 結(jié)語(yǔ)
本文依吉縣高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固實(shí)際，對(duì)其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)與洪水組合進(jìn)行了一些探討，但還存在著一些問(wèn)題值得研究討論：一是在防洪標(biāo)準(zhǔn)中，一些大中型壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，特別是有的中型淤地壩將要按1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；二是在壩系洪水組合計(jì)算中，僅考慮了壩系洪水空間上的組合，但沒(méi)有考慮到流域形狀、溝道情況對(duì)洪水在匯流時(shí)間上的影響。這些問(wèn)題，需要我們?cè)谟俚貕谓ㄔO(shè)與除險(xiǎn)加固實(shí)踐中，不斷進(jìn)行研究探索，以豐富和完善淤地壩工程設(shè)計(jì)與建設(shè)理論，推動(dòng)壩系工程建設(shè)規(guī)范的制定，以便更加科學(xué)地指導(dǎo)壩系工程設(shè)計(jì)，為淤地壩和壩系工程安全運(yùn)用提供有力的技術(shù)支撐。
表3 高樓溝壩系工程除險(xiǎn)加固洪水組合情況研究表
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1 高樓溝小流域壩系工程基本情況
吉縣高樓溝小流域，屬黃土殘塬溝壑地貌。流域總面積24.27 km2，其中水土流失面積20.26 km2，占83.48%，年均土壤侵蝕模數(shù)7 370 t/km2，水土流失嚴(yán)重。高樓溝小流域壩系工程于2005年9月開(kāi)工，2008年12月完工，共建設(shè)骨干壩4 座，中型淤地壩4 座，淤地壩工程分布見(jiàn)圖1。壩控流域面積20.26 km2，總庫(kù)容415.52 萬(wàn)m3，其中攔泥庫(kù)容237.55 萬(wàn)m3，可淤地41.13 hm2。目前，該小流域壩系工程存在病險(xiǎn)，需要加固處理。
圖1 高樓溝小流域淤地壩分布
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表1 淤地壩工程等別及主要永久性建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表
一般壩系工程在除險(xiǎn)加固時(shí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按下述原則確定：對(duì)小流域單獨(dú)支溝中建設(shè)的大型淤地壩，以及位于小流域支溝最上游且其下游有大型淤地壩的中型淤地壩，按表1防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，符合相關(guān)規(guī)范要求，可以保持原有防洪標(biāo)準(zhǔn)不變。而對(duì)于小流域單獨(dú)支溝中建設(shè)的中型淤地壩，根據(jù)水利部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運(yùn)行的若干意見(jiàn)》（水保[2010]455號(hào)）的要求，“在骨干壩控制區(qū)域外，一般不得建設(shè)中型淤地壩，確需建設(shè)的，必須按骨干壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”，必須提高一個(gè)級(jí)別，按大2 型淤地壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)大中型淤地壩下游影響范圍內(nèi)有重要設(shè)施，一旦發(fā)生潰壩會(huì)造成重大損失的，根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018-2014）中“失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的淤地壩工程2 級(jí)、3 級(jí)主要永久性水工建筑物，經(jīng)過(guò)論證，可提高一級(jí)”的要求，永久性水工建筑物可提高一級(jí)，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高一個(gè)檔次。
對(duì)壩系工程中需要加固除險(xiǎn)的病險(xiǎn)淤地壩，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既要符合上述原則及規(guī)定，同時(shí)還要考慮與其相關(guān)大型淤地壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。從防洪安全角度考慮，壩系中如有部分大1 型淤地壩，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，300 a 一遇洪水校核，那么，其下游串聯(lián)的大中型淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。否則，一旦發(fā)生校核洪水，設(shè)計(jì)淤地壩下游串聯(lián)的大中型淤地壩將有發(fā)生潰壩并造成巨大損失的風(fēng)險(xiǎn)。而從水文、調(diào)洪計(jì)算角度考慮，設(shè)計(jì)淤地壩上游相關(guān)聯(lián)的大中型淤地壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)同步考慮，否則，無(wú)法進(jìn)行洪水有效組合與調(diào)洪計(jì)算。因此，在壩系除險(xiǎn)加固中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高的淤地壩，對(duì)與其相關(guān)聯(lián)的上下游淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均有影響，應(yīng)采用一致的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
按照上述原則與分析，結(jié)合壩系工程設(shè)計(jì)的原有防洪標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)對(duì)高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐壩分析如下：
（1）東莊、曹家河、前坪、店坡梁4 座骨干壩，依據(jù)原防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按大2 型淤地壩20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a 一遇洪水校核；
（2）北莊頭中型淤地壩上游布設(shè)有店坡梁和前坪骨干壩，該中型淤地壩應(yīng)由原防洪標(biāo)準(zhǔn)20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a 一遇洪水校核，提高到大2 型淤地壩20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a 一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)；
（3）處于骨干壩上游單獨(dú)支溝內(nèi)的婆美、劉真、池垣3 座中型淤地壩，按原標(biāo)準(zhǔn)20 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a 一遇洪水校核，進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。
由此確定的高樓溝小流域壩系工程，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)與原防洪標(biāo)準(zhǔn)情況對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中可以看出，高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)有1 座淤地壩（北莊頭）的防洪標(biāo)準(zhǔn)需要提高。
表2 高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)的防洪標(biāo)準(zhǔn)確定表
3 壩系除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)洪水組合探討
壩系除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮洪水組合是壩系調(diào)洪計(jì)算的關(guān)鍵，同時(shí)也是確定工程規(guī)模、控制工程投資的重要依據(jù)。2014年以前建設(shè)的大中型淤地壩，樞紐組成大多數(shù)是“兩大件”，建設(shè)思路是高壩大庫(kù)、庫(kù)容制勝，校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水全攔全蓄，隨后通過(guò)放水建筑物緩慢排放。既使有個(gè)別大型淤地壩按“三大件”布局，其設(shè)計(jì)洪水計(jì)算也僅僅考慮了設(shè)計(jì)淤地壩控制的區(qū)間面積（含區(qū)間中型淤地壩控制面積），對(duì)設(shè)計(jì)淤地壩上游的大型淤地壩控制面積沒(méi)有考慮；設(shè)計(jì)溢洪道時(shí)，也沒(méi)有按壩系洪水組合進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算分析。并且，在現(xiàn)有淤地壩相關(guān)規(guī)范中，也沒(méi)有按壩系工程系統(tǒng)考慮處于不同位置的大中型淤地壩的洪水組合及調(diào)洪計(jì)算規(guī)定。為此，依照高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探討。
根據(jù)近十多年來(lái)的淤地壩建設(shè)實(shí)踐，小流域壩系除險(xiǎn)加固時(shí)，洪水組合可按以下兩種情況考慮：
一是位于小流域支溝上游，設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固的大型淤地壩上游僅有中型淤地壩，且下游影響范圍內(nèi)無(wú)重要設(shè)施。在這種情況下，由于原中型淤地壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，設(shè)計(jì)大型淤地壩除險(xiǎn)加固時(shí)，可不考慮上游中型淤地壩的洪水組合，按其壩控面積進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。如高樓溝壩系中的東莊骨干壩，調(diào)洪計(jì)算只考慮東莊壩區(qū)間洪水和曹家河壩下泄洪水，不考慮婆美、劉真、池垣壩的影響。
二是骨干壩中間串聯(lián)的中型淤地壩除險(xiǎn)加固。對(duì)于這種情況，需按骨干壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。
按上述情況，高樓溝小流域壩系工程除險(xiǎn)加固時(shí)，大型淤地壩的洪水組合情況應(yīng)按表3考慮。
壩系工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，洪水組合和調(diào)洪計(jì)算，應(yīng)自上而下逐壩進(jìn)行。洪水組合計(jì)算，包括組合洪峰流量和組合洪量計(jì)算兩個(gè)方面。
4 結(jié)語(yǔ)
本文依吉縣高樓溝小流域壩系除險(xiǎn)加固實(shí)際，對(duì)其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)與洪水組合進(jìn)行了一些探討，但還存在著一些問(wèn)題值得研究討論：一是在防洪標(biāo)準(zhǔn)中，一些大中型壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，特別是有的中型淤地壩將要按1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；二是在壩系洪水組合計(jì)算中，僅考慮了壩系洪水空間上的組合，但沒(méi)有考慮到流域形狀、溝道情況對(duì)洪水在匯流時(shí)間上的影響。這些問(wèn)題，需要我們?cè)谟俚貕谓ㄔO(shè)與除險(xiǎn)加固實(shí)踐中，不斷進(jìn)行研究探索，以豐富和完善淤地壩工程設(shè)計(jì)與建設(shè)理論，推動(dòng)壩系工程建設(shè)規(guī)范的制定，以便更加科學(xué)地指導(dǎo)壩系工程設(shè)計(jì)，為淤地壩和壩系工程安全運(yùn)用提供有力的技術(shù)支撐。
表3 高樓溝壩系工程除險(xiǎn)加固洪水組合情況研究表
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