淤地坝系安全运行保障技术探析

马建业, 张 扬,，袁水龙

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室 陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；2.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

淤地坝作为黄土高原治理水土流失的重要工程措施，在拦蓄径流泥沙、调峰消能和利用水沙资源等方面发挥了积极作用。据统计，经过50多年的建设，黄土高原地区已经建成淤地坝10万余座，淤地面积达38万hm2 [1]。然而，随着淤地坝运行时间的增加，部分淤地坝存在滞洪库容不足的现象，加之初期设计有缺陷、施工质量不高、管理措施不到位等多方面因素影响，在遇到连续强降雨导致发生极端洪水事件时，会严重增加淤地坝的安全运行风险[2]。因此，如何实现淤地坝工程的安全运行成为亟待解决的问题。虽然部分学者针对病险淤地坝除险加固措施及运行管理体制已经进行了相关分析[3-4]，但是随着淤地坝的发展和生产建设的需要，一条沟内可能会修建多座淤地坝，逐步在小流域沟道中形成坝系，由单坝相对平衡逐步发展成为坝系相对平衡[5]，而不同的坝系配置会影响流域的防洪标准。为此，研究者们在坝系调控效益及稳定性、运行管理措施方面做了一些工作[6-7]，但是坝系安全运行保障等方面仍有不少技术问题亟待解决，尚未形成完整的技术体系，不能满足对区域生态建设工程与经济发展的科技支撑。而淤地坝系安全运行保障技术是一种集风险诊断、安全运行、布局配置为一体的技术体系，该技术体系的构建对于提高流域坝系安全运行管理水平具有重要的指导意义。

1 淤地坝系发展存在的问题

经过几十年的运行，黄土高原地区相当一部分淤地坝，经过多年淤积已丧失了继续拦泥和防洪的能力，并且由于年久失修、设施老化，淤地坝工程基础功能逐渐减弱甚至丧失，许多工程存在病险安全隐患，溃坝风险日益增大，若不及时除险加固，一旦失事，可能会威胁下游区域人民的生命财产安全[8]。经调查，目前黄土高原地区有中型以上病险淤地坝5 282座，其中骨干坝3 025座、中型淤地坝2 257座，存在较大的安全隐患。有研究表明，淤地坝存在的问题主要集中于建设期和后期运行管理中：建设期由于工程设计质量不高、建设主体不明确、施工不规范、资金不到位等[9-10]，造成部分淤地坝工程质量偏低；而后期运行管理过程中则存在专项经费缺乏，未形成有效的管护机制，淤地坝除险加固矛盾突出等问题，极大地缩短了淤地坝使用年限。为确保淤地坝系安全运行和功能的正常发挥，提出系统可行的运行保障技术体系十分必要。

2 安全运行保障技术内容

淤地坝系安全运行保障技术主要是通过辨识淤地坝系病险类型及风险动态特征，建立病险淤地坝的快速诊断方法，提出淤地坝降等报废和除险加固办法；阐明环境变化条件下淤地坝运行特征和库坝转换关系，研究有利于蓄洪与泄洪的淤地坝系级联新型设计，促进坝系上下联合运用，提出淤地坝系的安全运行措施。该技术主要有三个方面，分别为淤地坝系风险诊断技术、安全运行技术和坝系优化布局配置技术。

2.1 淤地坝系风险诊断技术

淤地坝系风险诊断技术主要是通过层次分析确定影响坝系安全运行的各影响因素如滞洪库容、剩余库容、坝高等因子的权重，筛选对坝系安全运行影响较大的因子，建立小流域坝系安全性评价指标体系，对小流域坝系稳定性和安全性进行综合评价和诊断的一种技术体系[11]，该体系由安全影响因素分析、病险坝诊断和稳定性评价3方面组成。研究表明，黄土高原地区影响淤地坝系安全的因素主要归纳为4类：淤地坝投入运行时间较长(滞洪库容不足、泄水建筑物损坏)，淤地坝系设计不合理(串联淤地坝较多)，淤地坝建设质量较低(淤地坝设计标准较低、拦泥库容较小)，缺乏管护措施[2]。在遇到不同重现期超标洪水的情况下，有发生坝体溃决的风险，对下游居民的生命财产安全造成威胁。而无论淤地坝系是处于初建阶段、改(扩)建阶段、调整阶段还是相对稳定阶段，引起淤地坝水毁的主要原因均是暴雨洪水[11]。

根据《黄土高原地区中型以上病险淤地坝认定暂行办法》要求，凡是下游有居民点、学校、工矿、交通等重要设施，对人民生命财产安全构成重大威胁的中型以上淤地坝皆为病险坝。因此，在病险淤地坝认定前，应先对坝体稳定性进行评价。该技术体系将坝系控制单元方法理论引入到坝系防洪安全研究中，以各坝系控制面积为标准将淤地坝划分为骨干坝、中型坝、小型坝等不同等级坝系单元；分别对不同规格的坝体渗流与安全稳定性及控制性坝的蓄洪标准进行分析。结合上游淤地坝配置数量、库容和布局分析坝系的防洪标准，识别淤地坝体系中的关键淤地坝；构建风险指标评价体系，确定坝系中各级关键淤地坝的风险指数，评价流域坝系的防洪能力，分析坝系的稳定性。按风险值由高到低，可将其稳定性划分为Ⅰ～Ⅴ五个风险等级，分别为极危险状态、危险状态、一般危险状态、一般安全状态及安全状态[12]。同时对病险淤地坝产生的原因、表现形式及潜在危害进行分析，识别防洪能力较差的病险淤地坝，建立病险淤地坝的快速诊断模型。通过淤地坝系风险诊断技术体系，杨瑞等[11]完成了王茂沟流域23座淤地坝的风险评价，表明大部分淤地坝接近安全状态，只有在30年和100年一遇的洪水情况下可能处于危险状态，并识别出存在安全隐患的淤地坝，表明该技术体系在黄土高原地区具有较大的可行性[13]。

2.2 淤地坝系安全运行技术

淤地坝安全运行技术主要包括除险加固、降等销号和新型设计3个方面，通过对病险坝的修复和消除、增加流域中符合新型设计理念的淤地坝数量，使得流域坝系处于安全系数达标的状态，这是保障流域淤地坝系安全运行的基础。

虽然淤地坝系的大规模建设可以较大程度地保障淤地坝的安全运行，但是由于淤地坝建设过程中，坝体数量较多、资金投入有限及管理不当，多数淤地坝只有大坝和放水建筑物“两大件”，泄洪设施不完善，并且坝体选址不科学、淤积年限过长、坝体出现裂缝等均会导致病险淤地坝产生[14]。在遭遇极端降水条件下，会对下游区域产生风险、造成灾害，并且随着国家对防灾抗灾减灾和安全生产的要求越来越高，需要对这些存在安全隐患的病险淤地坝进行除险加固和降等销号[15]。目前淤地坝的除险加固措施主要有：①对于下游有村庄等重要设施的淤地坝，其主要加固措施为增设溢洪道或泄洪涵洞，提高工程的防洪标准；②对于已达到或超过设计淤积高程的淤地坝工程，主要措施为加高；③对于由于放水建筑物损毁不能运行的工程，常规方法是拆除已毁坏的混凝土，夯实地基后重新浇筑混凝土；④坝体有裂缝的工程，应首先通过裂缝开挖、灌白灰水等方式查找形成裂缝的原因并探明裂缝深度，然后分段开挖进行灌浆处理，通过灌浆使裂缝两侧土体与泥浆形成一个整体，能确保坝体的稳定。其中，增设溢洪道是淤地坝除险加固的主要建设内容[16]。而对于通过风险评价技术评估得到存在问题并且修复存在较大困难的淤地坝，则采用降等销号的措施，以保证流域整体坝系的功能发挥和安全稳定运行。

淤地坝进行新型设计则是在综合考虑流域的布坝密度、坝系配置比例、骨干坝控制面积、坝系建设时序、坝系稳定阶段等优化布局与配置的基础上，以淤地坝在流域中所发挥的功能来决定淤地坝的设计。其不仅考虑到单坝的坝址和坝高，还要考虑上游坝体对下游的拦水拦沙效应。通过对坝系中不同级别类型的坝库群的综合利用，达到抵御大暴雨洪水，保证坝系的整体安全并尽可能多地拦蓄泥沙的目的，从而优选出最适合、具有坝系连锁效应的新型淤地坝设计方案。

2.3 淤地坝系布局配置技术

在黄土高原生态建设过程中，植被覆盖度明显增加，区域水文情势会发生明显变化，导致不同阶段的生态建设需求存在差异，部分流域坝系的建设规模、空间布局、建坝时序等重大决策也应随之发生调整，单坝的设计和建设标准有所不同。如高照良[17]在延河流域原有坝系基础上对其重新进行了规划，在减少了一定数量的淤地坝后，延河流域的生态建设和人均耕地需求仍能得到保障。因此，探寻不同情势下的坝系优化布局配置技术，可有效提高淤地坝安全运行效果、促进坝系效益发挥、减少资金投入。淤地坝系布局配置技术主要包括坝系安全布局技术、坝系配置模式技术和坝系运行管理技术。

坝系安全布局技术主要是通过小流域单元控制理论和高精度的DEM，划分坝系单元，分析沟道特点，确定骨干坝、中小型淤地坝的布设位置，获取相关施工参数，从安全效应、防洪效应和资金投入等方面综合评价淤地坝空间布局，提出坝系安全布局技术。如姜彤等[18]基于坝系安全布局技术，结合张家沟流域的沟道特点和侵蚀特征，比选得到了该流域骨干坝布局的适宜数量。而坝系配置模式技术则是针对不同级别的淤地坝的合理配置技术体系，可实现骨干坝与中小型淤地坝之间、干支沟淤地坝之间的相互配合、联合运作，进而达到分节分片控制，节节拦蓄的目的，能充分发挥坝系蓄洪、拦沙、淤地、生产等综合功能和效益。如马轶等[19]在综合分析生态、经济和社会效益的基础上，在好水川流域构建了坝系水资源优化配置的技术模型。冉大川等[20]分析了大理河流域大、中、小型3类淤地坝不同配置比例下的流域减沙效益，认为大型淤地坝减沙量是中型淤地坝的5.5倍，是小型淤地坝的 15倍，提出未来三种淤地坝比例为1∶3∶7的条件下，坝系减沙量可达最大，为最优配置模式。

坝系运行管理技术作为淤地坝安全运行的有力保障，关键在于探究淤地坝产权制度改革和运行管理模式，逐步建立起适应市场经济规律、责权相统一的运行管护机制[21]。淤地坝运行过程中的问题多数是因为后期管护不到位，造成安全隐患加剧，而通过有效的淤地坝系运行管理机制，可以延长淤地坝的使用年限，有利于坝系工程更好地发挥生态、经济和社会功能。一般而言，不同级别的淤地坝运行管理模式存在差异，如在坝系联合运用管理过程中应遵循“上坝拦洪，下坝种地” “支沟拦洪，干沟种地”“旧坝加高加固，改变运行方式”的运行管理模式[22]。通过深翻、开挖沟壕、排水治碱、种植耐碱作物等措施改良土壤[23]。推行淤地坝产权制度改革，依照“谁受益、谁管护”的基本原则，实行岗位责任制，将淤地坝管理落实到每个责任人，定期对淤地坝坝体、溢洪道、放水设施进行维护。加强淤地坝工程建设的质量审批和验收标准，以保障工程质量[24]。设立淤地坝管理基金，为淤地坝管理和维修提供资金保证[25]。如在韭园沟流域已经形成了3种经济效果显著的坝系管理模式，分别为：①由群众参股的股份合作制；②将淤地坝以市场价的形式租赁给群众，并在规定年限内还清租金的租赁经营模式；③将坝地抵押给群众以换取维修泄洪设施的资金抵押承包制[26]。

3 还需要解决的问题

虽然经过了多年的探索，研究人员提出了安全运行与管理的淤地坝安全运行保障技术，但是该技术还存在较多的问题：①关键筑坝技术，如不同级别的淤地坝筑坝材料和筑坝工艺的选择标准、快速筑坝技术的应用等；②安全关键技术，旧坝的修复和新坝修建过程中，地质地貌条件及地质灾害对淤地坝安全运行的影响及相应的防治技术还有待解决；③运行管理与产权制度，坝系后期运行管理过程中如何实施产权制度改革、实行责任到人，以及如何为坝系维修和管理过程中提供可持续的资金仍然是目前研究的难点；④淤地坝淤积对小流域地下水位的变化影响及淤积后地质灾害影响分析，现阶段淤地坝建设过程中一般优先考虑地形和洪水因素，而淤地坝效益评价方面主要为对农作物产量及对地表环境的影响，较少涉及对地下水位的影响评估。淤地坝建设和淤积改变了流域原有地貌，随着土层淤积厚度的增加，地下含水层承受的压力不断增大，可能导致地质灾害发生，但有关淤地坝系建设对地质灾害的诱发作用还未见相关的研究报道[25]。因此，这些研究难点不仅是淤地坝安全运行保障技术需要解决的问题，也是淤地坝研究方面的难点。

4 结 语

淤地坝安全运行保障技术是通过风险诊断技术发现问题，通过坝系安全运行技术解决问题，以坝系布局配置技术保障淤地坝系后期的安全运行，是一种科学、系统、可行的坝系安全运行与管理的综合调控技术理论体系，对黄土高原淤地坝系的建设具有重要的指导意义。但是目前坝系研究多停留在对三大子技术的关键科学问题的深入探讨，使得各子技术在实践中的应用较少，但还未有以发现问题—解决问题—预防问题的思路对3大子技术进行有机整合。目前淤地坝安全运行保障技术还主要专注于理论体系的建设阶段，需要进一步加强其在实践中的指导作用。