汪自力, 張寶森,劉紅珍,李春江, 林秀芝,楊吉山

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003;2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450003; 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 4.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 5.水利部黃土高原水土流失與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003)

建造在黃土高原水土流失區(qū)小流域溝道中的淤地壩,是減少進(jìn)入黃河的泥沙并改善當(dāng)?shù)胤N植條件的重要水保措施之一,起到了滯洪攔沙和淤地造田的作用[1-5]。受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制,以往淤地壩設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高,質(zhì)量控制不嚴(yán),運(yùn)行方式特殊,險(xiǎn)情搶護(hù)困難。遇到暴雨年份常出現(xiàn)淤地壩水毀甚至決口現(xiàn)象,引起眾多學(xué)者對(duì)其沖毀原因及攔沙效果的關(guān)注[5-10],擔(dān)心淤地壩攔沙是否會(huì)是“零存整取”,并對(duì)壩系相對(duì)穩(wěn)定及壩體結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行了研究[11-13]。淤地壩按庫(kù)容大小分為大、中、小3類(lèi),分別為50萬(wàn)～500萬(wàn)m3、10萬(wàn)～50萬(wàn)m3、1萬(wàn)～10萬(wàn)m3,其中大型淤地壩也稱(chēng)骨干壩。

西柳溝和罕臺(tái)川兩個(gè)流域(孔兌)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達(dá)拉特旗,是黃土高原水土流失嚴(yán)重區(qū),也是黃河粗泥沙的重要來(lái)源區(qū)。截至2015年底,兩個(gè)小流域(區(qū)域)共建成淤地壩167座,其中大型壩50座,中型壩59座,小型壩58座。2016年8月16—18日,該區(qū)域發(fā)生特大暴雨(簡(jiǎn)稱(chēng)“8·17”暴雨),最大降水量達(dá)到406 mm,部分淤地壩水毀嚴(yán)重,并有19座決口。為核查淤地壩水毀原因及對(duì)入黃泥沙的影響,客觀評(píng)價(jià)淤地壩建設(shè)管理水平及攔沙作用,8月29日至9月1日筆者一行進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。調(diào)查組逐個(gè)查看了當(dāng)?shù)厣蠄?bào)的水毀嚴(yán)重的21座淤地壩現(xiàn)場(chǎng),走訪了當(dāng)?shù)厝罕?收集了該區(qū)域水文站及山洪預(yù)警平臺(tái)雨量站有關(guān)資料,查閱了施工檔案,分析了暴雨頻率、入黃泥沙以及水毀原因,提出了相應(yīng)的對(duì)策和建議,可供淤地壩規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理者借鑒。

圖1 淤地壩、雨量站及“8·17”暴雨最大24 h降雨量分布(單位：mm)

1 達(dá)拉特旗淤地壩及其小流域概況

1.1 淤地壩、水文站、雨量站分布情況

據(jù)當(dāng)?shù)夭块T(mén)介紹,本次降雨主要集中在內(nèi)蒙古十大孔兌的西柳溝、罕臺(tái)川兩個(gè)流域,水毀較嚴(yán)重的淤地壩共21座。兩個(gè)小流域入黃處分別設(shè)有1個(gè)水文站,即西柳溝流域的龍頭拐水文站、罕臺(tái)川流域的響沙灣水文站,此外達(dá)拉特旗山洪預(yù)警系統(tǒng)在此區(qū)域還建有多個(gè)雨量站。淤地壩、水文站、雨量站位置等見(jiàn)圖1所示。

1.2 降雨情況

a. 降雨量空間分布。根據(jù)達(dá)拉特旗山洪預(yù)警平臺(tái)雨量站數(shù)據(jù),繪制了“8·17”暴雨最大24 h降雨量分布圖(圖1)。此次降雨有兩個(gè)相距僅17.5 km的暴雨中心,一個(gè)在高頭窯(西柳溝流域),另一個(gè)在神木塔和赫家渠一帶(罕臺(tái)川流域),最大24 h降雨量分別為404 mm、290 mm。累計(jì)降雨量超過(guò)200 mm的站點(diǎn)還有勞場(chǎng)灣(249 mm)、白家塔(250 mm)、神木塔(291 mm)、昌漢溝(237 mm)、赫家渠(284 mm)。

b. 降雨過(guò)程。圖2為暴雨中心高頭窯站實(shí)測(cè)降雨過(guò)程。整個(gè)降雨過(guò)程可分為兩場(chǎng)降雨,第1場(chǎng)降雨從8月16日22時(shí)至17日14時(shí),第2場(chǎng)降雨從8月17日21時(shí)至18日5時(shí),兩場(chǎng)降雨間隔僅7 h。第1場(chǎng)降雨歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度大,降雨量約占“8·17”暴雨總量的80%,大雨持續(xù)時(shí)間為8 h,形成最大1 h、3 h、6 h、12 h降雨。第2場(chǎng)降雨相對(duì)歷時(shí)短、強(qiáng)度小,大雨持續(xù)時(shí)間約2 h。其中第1場(chǎng)降雨累計(jì)降雨量為352 mm,第2場(chǎng)降雨量為54 mm,總計(jì)達(dá)406 mm。

圖2 暴雨中心高頭窯站1 h降雨過(guò)程

1.3 淤地壩結(jié)構(gòu)及水毀情況

1.3.1淤地壩組成及結(jié)構(gòu)形式

此次調(diào)查的22座淤地壩有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。淤地壩主要由壩體及放水工程(俗稱(chēng)兩大件)組成,無(wú)泄洪設(shè)施,而小烏蘭斯太2號(hào)、3號(hào)壩只有壩體。壩體壩型為黃土均質(zhì)壩,多為就地取用材料碾壓而成。放水工程一般由進(jìn)水口分級(jí)臥管段、消力池、無(wú)壓涵管段及出口消能段組成,決口現(xiàn)場(chǎng)看到的主要結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

表1 罕臺(tái)川流域“8·17”暴雨淤地壩決口情況統(tǒng)計(jì)

注:決口時(shí)間多為調(diào)查推測(cè)時(shí)間(下同)。

表2 西柳溝流域“8·17”暴雨淤地壩決口情況統(tǒng)計(jì)

圖3 淤地壩放水工程結(jié)構(gòu)形式

1.3.2淤地壩水毀情況

從現(xiàn)場(chǎng)看,淤地壩水毀主要表現(xiàn)為壩頂縱向裂縫、沉陷塌坑,壩坡水溝、臺(tái)階、滑坡等,放水設(shè)施消能段淘刷失穩(wěn)、溯源沖刷、斷開(kāi)散落等,嚴(yán)重者導(dǎo)致壩體決口。當(dāng)?shù)厣蠄?bào)有21座淤地壩決口,但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核有2座并未決口,分別是張二溝中型壩和小烏蘭斯太3號(hào)小型壩。決口的19座淤地壩中有骨干壩12座、中型壩5座、小型壩2座,全部分布在西柳溝和罕臺(tái)川兩個(gè)流域,占該區(qū)域淤地壩總數(shù)的11%,見(jiàn)表1、表2。所調(diào)查淤地壩涉及西柳溝流域?yàn)跆m斯太溝、黑塔溝、哈他土溝3個(gè)壩系和罕臺(tái)川流域納林溝、合同溝、河洛圖3個(gè)壩系。淤地壩決口造成下游部分道路橋梁沖毀,所幸人員撤離及時(shí)未造成傷亡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)最高洪水位痕跡、壩坡沖蝕、放水設(shè)施散落位置及口門(mén)處形態(tài)等,將決口形式分為漫決和潰決兩種。漫決由洪水漫頂導(dǎo)致,潰決因壩基、壩體或放水設(shè)施土石接合部滲透破壞導(dǎo)致。決口的19座中10座為漫決,9座為潰決。

1.3.3淤地壩口門(mén)殘留淤積形態(tài)

決口口門(mén)處,上游庫(kù)區(qū)側(cè)沖刷呈扇形半漏斗狀分布,有的淤積物明顯呈臺(tái)階狀(圖4),而口門(mén)下游側(cè)多沖出一條深溝,總體上看庫(kù)區(qū)淤積物沖蝕流失量有限。在西柳溝烏蘭斯太溝壩系,油坊渠1號(hào)潰壩后,導(dǎo)致下游油坊渠2號(hào)、3號(hào)及大烏蘭斯太溝壩先后漫決,口門(mén)寬度分別約為20 m、50 m、100 m、150 m,口門(mén)形態(tài)也有所不同。建于2005年的二蘭溝、李五渠壩前期已基本淤滿(mǎn)。

圖4 淤地壩決口口門(mén)處淤積形態(tài)

1.4 洪水、泥沙情況

該區(qū)域淤地壩建成時(shí)間集中于1995—2000年和2005—2010 年兩個(gè)時(shí)期,為對(duì)比淤地壩滯洪攔沙效果,收集整理了建壩前1989年和此次“8·17”暴雨及其洪水泥沙資料,并將龍頭拐、響沙灣(紅塔溝)兩個(gè)入黃處水文站的洪水、泥沙特征值列入表3。

表3 西柳溝和罕臺(tái)川小流域典型場(chǎng)次洪水水沙特征值

注:以響沙灣水文站代替原紅塔溝水文站承擔(dān)罕臺(tái)川流域入黃水沙測(cè)量工作。

2 水文泥沙資料分析

2.1 暴雨重現(xiàn)期

通過(guò)收集19座水毀淤地壩的初步設(shè)計(jì)報(bào)告,得知各骨干壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為200～300年一遇。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)治溝骨干工程技術(shù)手冊(cè)》計(jì)算得到西柳溝、罕臺(tái)川上游10年、20年、30年、50年、200年、300年一遇最大24 h降雨量分別為110 mm、144 mm、160 mm、190 mm、263 mm、284 mm。

與圖1降雨量分布比對(duì)后,可得各淤地壩所控制區(qū)域此次暴雨重現(xiàn)期,進(jìn)一步與設(shè)計(jì)重現(xiàn)期進(jìn)行對(duì)比后可知:罕臺(tái)川納林溝壩系3座淤地壩(老爺廟、邱家渠、蘇家渠)最大24 h降雨量都接近300年一遇的284 mm,李五渠、二蘭溝均超過(guò)20年一遇的144 mm。但發(fā)現(xiàn)部分淤地壩并未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即潰,還有個(gè)別超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也未漫決,這可能與淤地壩特點(diǎn)有關(guān)。

2.2 入黃泥沙

從表3龍頭拐水文站數(shù)據(jù)可見(jiàn),兩次降雨在次洪量基本相同的情況下,此次洪峰流量只是1989年的40%,次洪輸沙量?jī)H為1989年的15%,最大含沙量只有1989年的9%。罕臺(tái)川流域數(shù)據(jù)也反映了此次降雨洪峰流量和含沙量顯著降低的特征。此外，圖4也反映了即使淤地壩決口,絕大部分淤積泥沙仍留在庫(kù)中,未出現(xiàn)淤地壩“零存整取”的現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)看植被覆蓋度確實(shí)有較大提高,與退耕還草等政策的落實(shí)也有較大相關(guān)性。淤地壩攔沙作用及植被覆蓋度提高,對(duì)入黃泥沙減少所占比例有待進(jìn)一步研究。

3 淤地壩特點(diǎn)及決口原因分析

3.1 淤地壩特點(diǎn)

淤地壩當(dāng)初主要作用是滯洪、攔沙、淤地以改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地條件,后來(lái)逐漸成為控制溝道侵蝕、滯洪攔泥、淤地造田以及減少入黃泥沙等作用的水土保持工程。與以蓄水為主的小水庫(kù)相比,淤地壩有以下特點(diǎn):

a. 淤地壩設(shè)計(jì)指標(biāo)特殊,包括洪水重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)淤積年限兩個(gè)指標(biāo)。淤地壩設(shè)計(jì)總庫(kù)容為校核洪水位以下的庫(kù)容,包括攔泥庫(kù)容和滯洪庫(kù)容。攔泥庫(kù)容為攔截設(shè)計(jì)年限內(nèi)入庫(kù)泥沙所需的庫(kù)容。滯洪庫(kù)容為校核洪水位至與攔泥庫(kù)容相應(yīng)水位之間的庫(kù)容。由此可見(jiàn),除設(shè)計(jì)洪水和輸沙量計(jì)算偏差較大的原因外,攔泥情況直接影響淤地壩的實(shí)際滯洪能力和壩體安全,因此其滯洪能力是動(dòng)態(tài)的。滯洪能力在淤地壩投入運(yùn)行之初遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期,而隨著壩區(qū)的快速淤積將大幅降低,直至淤滿(mǎn)完全喪失滯洪作用。

b. 壩體壩基未進(jìn)行截滲處理。防滲主要依靠淤積形成的鋪蓋,并使用放水設(shè)施盡快降低壩前水位,減少高水位運(yùn)行時(shí)間。在淤地壩投入運(yùn)行初期,防滲鋪蓋尚未形成時(shí),遇到高水位時(shí)壩基極易發(fā)生滲透破壞。淤積到一定高度后方可在庫(kù)尾蓄水,但不得在壩前積水。

c. 放水工程設(shè)施簡(jiǎn)單,排水能力及消能能力有限。主要基于黃土高原降雨量偏少、連續(xù)降雨幾率低,淤地壩決口風(fēng)險(xiǎn)小及投資有限。如鄂爾多斯多年平均降水348.3 mm,而多年平均蒸發(fā)量2 506.3 mm。在達(dá)到設(shè)計(jì)淤積年限后,無(wú)法控制不再淤積,原設(shè)計(jì)的滯洪庫(kù)容難以保證。遇到超標(biāo)準(zhǔn)洪水難以及時(shí)排泄,易導(dǎo)致漫壩。消能段偏短,長(zhǎng)期排水易引起溯源沖刷。

d. 施工質(zhì)量難以保證,運(yùn)行管理不到位。壩體碾壓不實(shí),遇水浸泡后沉降加大,或水位突降后滑坡導(dǎo)致壩頂出現(xiàn)裂縫。特別是放水工程土石接合部填筑難以密實(shí),截水環(huán)結(jié)構(gòu)偏硬,難以與周邊土體結(jié)合好,更易透水。當(dāng)消能段出現(xiàn)溯源沖刷時(shí),如搶護(hù)不及時(shí)將危及壩體穩(wěn)定。

3.2 淤地壩決口原因

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和淤地壩的特點(diǎn)分析可知,導(dǎo)致淤地壩決口的原因較多,可歸納為以下幾種:

a. 超標(biāo)洪水導(dǎo)致漫決。如上所述,淤地壩的滯洪庫(kù)容是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)淤地壩控制范圍內(nèi)產(chǎn)生洪量超出現(xiàn)有實(shí)際滯洪庫(kù)容時(shí),由于淤地壩無(wú)泄洪設(shè)施,致使洪水漫頂而過(guò),逐步將壩體淘刷沖毀,最終造成垮壩。如表1、表2所列,此次所調(diào)查的垮壩中有9座屬于漫決,具體又可分為3種情況:一是雖有較大防洪庫(kù)容,但在此次超標(biāo)準(zhǔn)降雨條件下,較快出現(xiàn)漫頂(如邱家渠);二是此次降雨前已基本淤滿(mǎn),強(qiáng)降雨下很快就漫頂(如二蘭溝、李五渠壩);三是由于上游淤地壩垮壩后,使得下游骨干壩入庫(kù)洪水急劇增加導(dǎo)致下游骨干壩漫頂(如油坊渠2號(hào)、3號(hào)以及大烏蘭斯太溝)。

b. 結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致潰決。本次淤地壩潰口主要發(fā)生在放水涵管處,多是由于放水能力有限,造成以較高水位運(yùn)行,導(dǎo)致放水設(shè)施土石接合部發(fā)生滲透破壞進(jìn)而發(fā)展為接觸沖刷、坍塌而潰壩。從施工方面看,放水臥管、消力池、涵管與周?chē)馏w接合部需采用人工夯實(shí),難以密實(shí),加之周?chē)馏w多為砂性土,抗?jié)B性、抗沖蝕性差,易在高水頭作用下發(fā)生接觸滲透破壞且發(fā)展迅速難以搶護(hù)。從結(jié)構(gòu)方面看,放水涵管底部墊層易發(fā)生不均勻沉陷,導(dǎo)致涵管間接縫發(fā)生錯(cuò)位、滲漏,縮短了滲徑。從運(yùn)行方面看,涵管按無(wú)壓流設(shè)計(jì),實(shí)際運(yùn)行時(shí)有可能出現(xiàn)有壓流,導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)正負(fù)壓交替并通過(guò)涵管連接處影響到周?chē)馏w變形淘空;涵管消能段出口防沖設(shè)施欠缺,引起溯源沖刷,加速了涵管失穩(wěn)、壩體坍塌。

c. 填筑隱患導(dǎo)致潰決。淤地壩多采用當(dāng)?shù)夭牧现?但部分壩址附近筑壩材料卵石含量較高,不易壓實(shí)且抗?jié)B性差。在運(yùn)行初期上游側(cè)尚未形成有效鋪蓋情況下,壩基卵石含量較高部位在高水位作用下易發(fā)生管涌破壞,導(dǎo)致潰決。另外壩體填筑不實(shí),也導(dǎo)致高水位浸泡和降雨下壩頂出現(xiàn)不均勻沉陷和縱向裂縫。

d. 管理欠缺導(dǎo)致決口。淤地壩分布較廣且多處于偏僻山溝,放水設(shè)施及壩體日常維護(hù)不到位。暴雨洪水時(shí),放水設(shè)施進(jìn)水孔開(kāi)啟、堵塞失控,涵管段溯源沖刷，以及難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效控制高水位運(yùn)行等險(xiǎn)情,最終釀成決口。

4 結(jié) 論

a. 淤地壩建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)形式有待進(jìn)一步優(yōu)化。淤地壩水毀嚴(yán)重主要原因是強(qiáng)降雨造成的超標(biāo)準(zhǔn)洪水,但放水設(shè)施結(jié)構(gòu)缺陷及壩體施工質(zhì)量控制不嚴(yán)也是不可忽視的因素。串聯(lián)骨干壩易出現(xiàn)自上而下相繼垮壩問(wèn)題,因此有必要對(duì)骨干壩優(yōu)化壩系布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),增設(shè)泄洪設(shè)施,強(qiáng)化施工質(zhì)量管理,嚴(yán)格責(zé)任追究。對(duì)小型壩要考慮淤地壩運(yùn)行特點(diǎn),適當(dāng)控制壩高,并考慮多種結(jié)構(gòu)形式和材料,允許漫壩而不潰,既滿(mǎn)足攔沙淤地要求,又降低潰壩風(fēng)險(xiǎn),還可長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

b. 非常運(yùn)用條件下淤地壩仍發(fā)揮了滯洪攔沙作用。近年來(lái),西柳溝和罕臺(tái)川流域開(kāi)展了壩系建設(shè)、坡面治理和生態(tài)修復(fù)等水土保持工程,流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。從收集到的西柳溝流域龍頭拐水文站2016年“8·17”與1989年“7·21”暴雨洪水、泥沙資料對(duì)比分析,此次最大24 h降雨量明顯偏大、次洪量基本相同,而洪峰流量只是1989年的40%,次洪輸沙量?jī)H為1989年的15%,可見(jiàn)淤地壩和其他水保措施發(fā)揮了顯著的滯洪攔沙作用。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,即使發(fā)生決口的淤地壩,大部分泥沙仍留在庫(kù)區(qū),不存在所擔(dān)心的“零存整取”問(wèn)題。

c. 非工程措施對(duì)于淤地壩應(yīng)急管理是必要的。本次降雨造成19座淤地壩決口,部分道路橋梁被沖毀,但由于前期國(guó)家防總派出督導(dǎo)組進(jìn)行督導(dǎo),地方各級(jí)政府高度重視,并發(fā)揮了山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的作用,及時(shí)轉(zhuǎn)移安置827名人員,故未造成人員傷亡,最大限度降低了損失。今后有必要增加淤地壩水位等現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)視系統(tǒng),進(jìn)一步落實(shí)管護(hù)責(zé)任,并研究倒虹吸等應(yīng)急降水措施。

d. 基礎(chǔ)管理工作有待加強(qiáng)。此次調(diào)查受時(shí)間和基礎(chǔ)資料所限,難以實(shí)現(xiàn)定量分析。建議通過(guò)《淤地壩技術(shù)規(guī)范》的修訂,規(guī)范淤地壩規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)行管理內(nèi)容,加強(qiáng)對(duì)淤積庫(kù)容的動(dòng)態(tài)觀測(cè),增加對(duì)排水涵管的隱患探測(cè)等。

致謝:參加此次調(diào)研的還有黃河上中游管理局的李運(yùn)學(xué)、裴新富、?，|、史紅艷等同志。