淤地壩除險加固采用封閉式溢洪道方案探討

王澤鵬

(山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心，山西 太原030002)

山西省地處黃土高原東部，丘陵山地面積占到總土地面積的80%以上，水土流失十分嚴(yán)重。長期以來，廣大山區(qū)群眾在治理水土流失的實踐中建造了淤地壩，在溝道內(nèi)淤成了大量的土質(zhì)肥沃、連年高產(chǎn)的溝壩地，為解決山區(qū)群眾溫飽和穩(wěn)定脫貧發(fā)揮了重要作用。目前，山西全省已建成大中型淤地壩2 035座，在攔蓄洪水泥沙，減輕下游危害，淤泥造田，促進(jìn)增地增產(chǎn)增收，攔蓄洪水徑流，發(fā)展灌溉，補充地下水，以壩代路、改善交通狀況等方面發(fā)揮了重要作用。但隨著使用時間的延長，加之管理不善，有不少的淤地壩存在安全隱患，急需除險加固。

1 大中型淤地壩除險加固的必要性

按照《水利部辦公廳關(guān)于開展中型以上病險淤地壩認(rèn)定和除險加固初步設(shè)計工作的通知》(辦水?！?015〕90號)，2015年11月山西省組織各市縣對中型以上淤地壩進(jìn)行了認(rèn)定，共認(rèn)定中型以上病險淤地壩1 020座，并由認(rèn)定單位出具了病險認(rèn)定報告書，提出了加固方案。淤地壩病險的原因主要有：

(1)部分已經(jīng)淤滿。建于20世紀(jì)80年代的淤地壩，經(jīng)過30多年的運行，有的已經(jīng)淤滿，為保證淤地壩正常運行，壩地正常發(fā)揮效益，這些淤地壩大多數(shù)需要增設(shè)溢洪道，防洪保收。

(2)設(shè)計理念落后。早期設(shè)計淤地壩主要考慮用大庫容攔蓄泥沙和洪水，有條件的溝道均可建設(shè)淤地壩，淤地造田減少入黃泥沙，在合理的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下安全運行即可，與現(xiàn)在的安全生產(chǎn)要求不相符。

(3)威脅下游安全。部分淤地壩建設(shè)后，改善了溝道的水流條件，群眾認(rèn)為是安全工程，并在淤地壩下游建設(shè)了重要設(shè)施，留下了安全隱患。為了確保人民群眾生命財產(chǎn)安全，需要增設(shè)溢洪道，提高淤地壩的安全保證率。

2 現(xiàn)行淤地壩除險加固一般方案分析

近幾年，山西省大量實施了黃土高原中型以上病險淤地壩除險加固工程，工程建設(shè)取得了明顯效果。從設(shè)計方案看，90%以上的除險方案增設(shè)了溢洪道。工程建成后，整個溝道防洪能力提高，淤地壩運行更加安全，附近群眾生產(chǎn)生活的安全進(jìn)一步得到了保障。但受溝道條件限制，在布設(shè)溢洪道時存在以下幾方面的問題：

(1)溢洪道布設(shè)條件不理想。由于部分布設(shè)淤地壩的溝道岸坡高陡，有的岸坡高達(dá)40～60 m，壩肩處一般有道路通過，修建溢洪道開挖量很大。以岸坡高為40 m的淤地壩為例，假設(shè)溢洪道深4.5 m，則基礎(chǔ)需開挖5.5 m以上，總的開挖高度超過45 m。按照《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)要求土質(zhì)邊坡開挖不應(yīng)陡于1∶1，每隔10 m設(shè)一條馬道，馬道寬1.5 m，假設(shè)溢洪道寬5 m，側(cè)墻基礎(chǔ)寬2 m，布設(shè)的溢洪道控制段離壩肩10 m，開挖水平寬度須超過60 m。若原岸坡邊坡為1∶0.3，控制段按10 m長計算，僅溢洪道控制段土方開挖量就有約1.5萬m3，一座淤地壩溢洪道土方開挖量需要2.5萬m3以上。一些布設(shè)條件不理想的淤地壩的溢洪道土方開挖量則更大，該部分的費用甚至占到溢洪道總投資的40%以上。

(2)高陡邊坡開挖完工后隱患比較多。溢洪道工程完工后，開挖形成的邊坡坡面裸露，短期內(nèi)很難形成植被護(hù)坡，岸坡存在坍塌隱患，影響著工程運行的安全。

(3)工程占地不好協(xié)調(diào)。淤地壩建成后，溝道水流條件改善，群眾經(jīng)過整理已經(jīng)成為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的壩灘地。受項目區(qū)其他營利性工程建設(shè)賠償比較高的影響，群眾對淤地壩占地賠償預(yù)期較高，工程占地很難協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為影響工程施工的主要因素。另外，溢洪道開挖土方無處堆放，也增加了占地矛盾。

(4)溢洪道影響交通。淤地壩建成后，大多淤地壩壩頂已經(jīng)成為溝通兩岸交通的道路，修建溢洪道后阻斷了兩岸交通，需要另外布設(shè)交通橋。

(5)防凍要求增加了工程量。按照《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 118—2011)要求，多年凍土地區(qū)的基礎(chǔ)底面下應(yīng)設(shè)置由粗顆粒非凍脹性砂礫料構(gòu)成的墊層。墊層厚度應(yīng)根據(jù)多年凍土地基所采用的設(shè)計狀態(tài)確定，且不應(yīng)小于300 mm。對氣候比較寒冷的地區(qū)，最大凍土深較大，為了防凍需要設(shè)置的墊層較厚，造成土方開挖及墊層工程量較大。

3 封閉式溢洪道可行性分析

鑒于增設(shè)溢洪道存在的問題，對部分布設(shè)正常溢洪道有困難的淤地壩在確定除險加固方案時可考慮布設(shè)封閉式溢洪道，可在一定程度上解決上述問題。

(1)減少工程開挖量。淤地壩布設(shè)在岸坡高陡的溝道內(nèi)增設(shè)溢洪道時，土方開挖量較大，對坡面擾動較多，而且邊坡馬道排水不容易處理，對自然環(huán)境破壞十分嚴(yán)重。如采用封閉式溢洪道，開挖時做好臨時支護(hù)，溢洪道完工后及時回填，則對邊坡影響較小。

(2)解決砌石或混凝土防凍問題。山西省淤地壩主要分布在晉西北寒冷地區(qū)，部分地區(qū)最大凍土深甚至達(dá)到1.5 m以上，考慮砌石或混凝土防凍問題，需要增加墊層的厚度、寬度及長度等。如果采用封閉式溢洪道，溢洪道施工后土方回填，則墊層可以減小或者取消。

(3)改善受力條件。溢洪道由開敞式改為封閉式后，溢洪道箱涵為整體結(jié)構(gòu)，全部埋于地下，兩側(cè)受力基本對稱，受力條件得到改善，側(cè)墻基礎(chǔ)外伸長度可以適當(dāng)減小，斷面結(jié)構(gòu)尺寸也可以適當(dāng)減小，從而減少工程量。

(4)便于后續(xù)設(shè)計。溢洪道由開敞式改為封閉式后，溢洪道型式基本固定，可以根據(jù)不同的設(shè)計寬度和過水流量，將溢洪道斷面尺寸分為幾種模式固定下來，有利于形成標(biāo)準(zhǔn)圖集，便于后續(xù)設(shè)計。也可以將溢洪道按標(biāo)準(zhǔn)模塊預(yù)制，現(xiàn)場組裝，可縮短工期，降低工程建設(shè)成本。

將開敞式溢洪道改為封閉式后，溢洪道過水過程中不能形成負(fù)壓，所以在進(jìn)口段要控制進(jìn)水流量，在陡坡段適當(dāng)加大過水?dāng)嗝妗?/p>

4 封閉式溢洪道設(shè)計應(yīng)注意的事項

(1)溢洪道箱涵的常用跨徑為1.0～6.0 m，考慮到2 m以下跨徑一般采用圓管涵，6 m以上跨徑一般采用橋梁，封閉式溢洪道適用的跨徑范圍取2.0～6.0 m，一般不超過5 m為宜。

(2)考慮到填土高度大于6 m后，對地基承載力提出了更高的要求，且側(cè)墻土壓力較大，從頂板到側(cè)墻彎矩變化較大，對頂板和側(cè)墻的相交點受力不利。因此，封閉式溢洪道設(shè)計填土高度擬定為不超過6 m。

(3)封閉式溢洪道每隔5～8 m設(shè)沉陷縫。對于干濕交替的一般環(huán)境，鋼筋混凝土的裂縫寬允許值為0.25 mm，對于Ⅰ類環(huán)境的鋼筋混凝土構(gòu)件，計算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2 mm，因此沉陷縫寬度限制擬采用0.2 mm。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，鋼筋凈保護(hù)層厚度取3.0 cm。

(4)涵洞與土體接觸面應(yīng)進(jìn)行防水設(shè)計，涵洞的外層防水措施為在涵洞與土體接觸部分均涂熱瀝青兩道，每道厚度1.5 mm，涂后不再另抹砂漿。

(5)封閉式溢洪道凈高不宜小于0.75 m。涵洞長15 ～30 m時，其凈高不宜小于1.0 m；涵洞長30 ～60 m時，凈高不宜小于1.25 m；涵洞長度大于60 m時，凈高不宜小于1.5 m。將淤地壩開敞式溢洪道改為封閉式溢洪道時，應(yīng)設(shè)定控制斷面，嚴(yán)格控制溢洪道泄水流量，防止在水流通過陡坡段時局部形成負(fù)壓，破壞溢洪道結(jié)構(gòu)。

(6)溢洪道堰底靠上游端應(yīng)設(shè)置齒墻，深宜取1.0 m，寬0.5 m；泄槽基礎(chǔ)每隔10～15 m應(yīng)設(shè)置齒墻，深0.8 m、寬0.4 m。受力分析時應(yīng)考慮完建情況和設(shè)計運行情況及特殊組合(校核洪水)，并做好抗滑穩(wěn)定計算等。

(7)封閉式溢洪道應(yīng)避免大開挖工程，為保護(hù)基坑周邊環(huán)境安全，對基坑采用臨時性支擋、加固、保護(hù)與地下水控制措施。