张红武，刘广全，侯 琳，李琳琪，张 强

(1.清华大学，北京 100084;2.中国水利水电科学研究院，北京 100038;3.内蒙古鄂尔多斯市水利局，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

几千年来,黄河洪灾主要集中在下游,突出表现为频繁的洪水决口、泛滥和河流改道[1］。黄河下游河道复杂难治的症结是水少沙多、水沙关系不协调。来自中游的巨量泥沙是黄土高原地区严重的水土流失所致[2-4］,黄土高原千沟万壑、气候干旱、植被稀疏,是黄河的主要沙源地[5］,1919年至三门峡水库建成运用的1960年可视为中游大规模治理前的自然状态时期[2］,该时期黄河干流潼关水文站年均输沙量约16亿t,致使相关水库库容不断损失甚至湮废失效,同时大量泥沙入黄使下游超饱和挟沙水流难以全部输沙入海[6］,河床必然因泥沙淤积而不断抬高[7］,逐渐堆积成举世闻名的“地上悬河”,成为淮河和海河流域的分水岭,一旦出现大洪水,则严重威胁黄淮海平原的安全[8-10］,因此黄土高原通过水土保持措施大量拦减入黄泥沙是根治黄河的治本之策[2,11］。

黄土高原水土流失一直被认为是黄河流域的头号生态环境问题[2,12-13］。早在1928年,我国近代水利先驱李仪祉先生在《华北水利月刊》刊登《黄河之根本治法商榷》一文,认为黄土高原沟壑区应仿效日本、美国之防沙工事,修筑谷坊、横堰(相当于我国古时聚湫、今之淤地坝),已将淤地坝作为治黄设想的组成部分[5］。新中国成立后,为遏制水土严重流失之势,政府带领人民在黄土高原地区大规模修建淤地坝,就地拦蓄径流泥沙、控制沟坍坡蚀,同时改善了当地群众的生产生活条件,证明淤地坝既是最重要的水土保持措施[14］,又是淤地种植的坝工工程[15］。经历了20世纪50年代的试验示范、60年代的推广普及、70年代的发展建设、80年代及其以后以骨干工程为骨架的坝系建设4个阶段,迄今已建成11万多座淤地坝及大量小型保土蓄水工程,拦截了黄土高原被侵蚀的大量泥沙,使黄土高原地区的生态环境得到明显改善[16-17］。其实,笔者早在1996年就提出“黄河治理必须与依靠工程措施对黄土高原的治理相结合,不能仅局限于水土保持的传统模式,用现代工程减弱黄土侵蚀强度,控制入黄泥沙,实乃治本之策”[8］,1999年进一步提出“采用现代工程措施,如修筑控制性拦沙工程、淤地坝系及必要的挡土墙,变沟壑为平地；也包括人工定向爆破等措施,使一座座高耸的峁峁梁梁填充沟壑,变坡地为相对平原”[18］。此外,针对黄河宁蒙河段干支流河情,本研究团队提出新的泥沙治理方案,即建立上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与淤沙堤外处置的“固-阻-输-置”综合防治体系[14］。

鉴于黄河中游泥沙复杂难治,有人对于中游显著拦减入黄泥沙量的效果能否得到巩固存有疑虑,认为林草植被措施抵御旱灾等风险的能力相对较弱,且在该区域以退耕还林(草)为主的生物措施基本达到满负荷状态,同时传统的淤地坝因缺乏安全监测和工程防控能力而存在致灾风险高的弱点,特别是大中型淤地坝的安全成为非常突出的问题[15］。国家发改委批准“十四五”项目投资142亿元,用于修建28万hm2梯田和3618座淤地坝；2021年年底全国人大常委会征求意见的《黄河保护法(草案)》第三十条强调“国务院水行政主管部门应当会同国务院有关部门制定淤地坝建设、养护标准或者技术规范,健全淤地坝建设、管理、安全运行制度。黄河流域县级以上地方人民政府应当因地制宜组织开展淤地坝建设,加快病险淤地坝除险加固和老旧淤地坝提升改造,建设安全监测和预警设施,将淤地坝工程防汛纳入地方防汛责任体系,落实管护责任,提高养护水平,减少下游河道淤积”,说明今后国家对淤地坝建设将更加重视。然而,将“中小洪水不垮坝,大洪水无人员伤亡”作为淤地坝风险防控的总体目标实行起来绝非易事[19］。

最近,张金良[20］针对传统淤地坝存在溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分三大痛点,提出了“小流域＋”综合治理新模式,即以高标准免管护淤地坝为统领,构建沟底、沟坡、沟缘、坡(塬)面立体化水土流失综合治理体系。鉴于淤地坝的土质结构决定了其易溃决、拦沙年限短、废坝多等问题,需要进一步对淤地坝结构形式创新完善[21］,以便使淤地坝持续发挥调控水沙、改善生态、促进经济发展的巨大作用[22］,消除黄河水患[23］。“十三五”期间,国家重点研发计划首批设立的“黄河下游河道与滩区治理研究”项目,提出了“三堤共存、槽滩共治”的治理方略[24］,研发了“钢结构异型板桩坝＋上挑变流装置”“钢管桩整合送溜坝”“透水桩减冲送流坝”“钢管轮胎透水桩束流输沙坝”“Z型钢板桩护滩防冲工程”“铁船变流促淤坝”“镀铝钢板挑流坝”等创新技术[25-26］。运用这些具有工程施工快、造价低、占地少、基础稳定、抗水毁能力强、便于空间优化布局和灵活调控等优点的新型治河技术,下游河道工程不需投入巨资并占用大量农田,便可产生巨大的经济、社会和生态环境效益[19］。

1 淤地坝的重要作用及问题

1.1 淤地坝在拦减泥沙方面的作用

几十年来,黄土高原地区大规模修建淤地坝[27-28］,在区域农业可持续发展、改善区域生态环境、维护生态稳定等方面发挥了重要作用[28-31］。淤地坝拦泥减沙见效快,且有拦粗排细作用,是直接减少入黄泥沙的有效防线,而且还能够在当地形成高产农田。淤地坝对于强化沟谷结构作用巨大,不仅可拦截来自上游沟道与坡面侵蚀而下的泥沙,而且随着坝内淤积物厚度增大,可相应抬高所控制区的局部侵蚀基准面,使上游沟谷与沟坡面的土体滑塌受到制约,侵蚀随之减弱,沟坡和小流域生态结构趋于稳定,这便是淤地坝拦沙减蚀的力学机理[2,30］。典型沟壑区沟谷面积虽然只占总面积的小部分,但其产沙量却占产沙总量的大部分[2,17］,故在沟道上合理建造与科学使用淤地坝,可快速拦截泥沙,增强坡沟系统的水沙调控作用和稳定性,大大降低坡沟出现滑塌的概率。

笔者[18］早期研究表明,从最基本的流域单元入手,根据坝系相对稳定原理,视径流和泥沙量的大小,按照以骨干坝控制为主、大中小坝相结合的原则,因沟制宜,层层布设[2,30］,建立使水沙相对平衡的坝系,可以把仅占黄土高原地区总面积约20%、而入黄泥沙量却占入黄泥沙总量约80%的水土严重流失区变成错落有致的相对平原,同时结合生物措施,即可将入黄泥沙量减少70%～80%[18］。2008—2021年潼关水文站实测年均输沙量1.73亿t,相对于自然状态来沙减少了89.2%[32］,说明采取淤地坝等水土保持措施,治理黄土高原沟道侵蚀颇为有效。

1.2 传统淤地坝工程存在的问题

经过调研,将传统淤地坝常见缺陷或存在的问题归纳如下[15-18］。

(1)坝体多取用中粉质壤土等当地材料,防洪标准低。一旦洪水漫顶过流,即导致淤地坝冲毁甚至溃坝,形成的洪水又会对下游淤地坝构成威胁,造成一坝溃决、数坝告急甚至连锁垮坝的险象,故有人认为淤地坝拦沙可能出现“零存整取”后果,更有人担心暴雨期淤地坝溃决造成人员伤亡。

(2)为满足均质筑坝要求和土料需求量,按就近取料原则,在坝址附近坡地上选土料场,特别是修建水坠坝时利用水枪将高处坡耕地之土冲到沟内填筑坝体,毁坏了大量坡耕地与林草地,对生态环境破坏严重,影响农民利益,群众意见较大。

(3)拦泥库容随运用时间延长而减小,防御标准逐年降低,又因坝前所拦泥沙多呈溯源淤积发展,而导致滞洪库容不断减小,漫顶垮坝风险随之增加。有的淤地坝施工质量差,洪水期出现沿输水洞顶穿洞的险情,坝体与岸坡结合处形成软弱带或孔洞而成隐患,工程管护压力较大。

(4)所设溢洪道多采用浆砌石或钢筋混凝土结构,基础深度不够,底部仅按“泄槽基础每隔10～16 m应设置齿墙”的规范要求,抗滑稳定性差,可靠性低。

(5)溢洪道一般布设在岸坡高陡部位,离坝体较远,开挖土方量与涉及范围大,岸坡处理困难而隐患较多,开挖土方费用一般占溢洪道总投资的35%,同时对生态环境影响较大,边坡裸露不易同周边环境融合,按常规技术难以短期修复。此外,群众对占地赔偿要求越来越高,协调难度很大,占地赔偿实为影响淤地坝建设的主因。加上溢洪道开挖土方堆放以及施工修路多,都增加了占地矛盾和协调的工作量。

(6)淤地坝设计规范规定溢洪道“每隔5～8 m应设置沉降缝”,而实施时嵌填料难与缝面紧密贴合,在气温变化大的黄土高原地区,缝内嵌填料两三年即出现问题,止水片安装难以规范,若不清除缝内杂质,很容易引发槽身变形开裂,达不到抗渗性及耐久性要求。

2 采用创新技术完善淤地坝工程结构

2.1 钢混预制管板桩组合法修建与除险加固淤地坝技术

为弥补淤地坝建造及施工存在的诸多缺陷,必须提高淤地坝建设的科技含量,解决关键技术问题。按照科技部积极推广国家重点研发计划项目成果的要求,清华大学和中国水利水电科学研究院集中相关专业人员,联合成立淤地坝结构优化项目组,在“一种钢筋混凝土预制板桩组合坝”(ZL202120173389.5,CN215367064U)、“一种板桩组合结构及板桩坝”(ZL202120132054.9,CN214363292U)、“一种组合式板桩及板桩墙”(ZL202022650607.8,CN214143655U)3项实用新型专利基础上,以工程结构创新来改变传统淤地坝易溃局面,同时填补对病险老旧淤地坝提升改造的技术空白,研发出钢混管板桩组合法修建与除险加固淤地坝技术[22］,申报了“一种钢混预制管板桩混合结构淤地坝的构建实施方法”“一种钢混预制板桩组合加固增效的淤地坝及施工方法”两项发明专利。

本文对于淤地坝结构的创新技术,主要是利用钢混预制板桩、管桩(包括钢管桩)、挡护体3种以上不同构件的协同承压结构,组成坝体的混合结构体系,亦即构成“管板桩组合淤地坝”,属于全新的理论方法和坝工创新技术。实施时利用相邻钢混预制板桩侧端互为凹凸结构拼接的沉桩布局(见图1),通过浇筑钢混连系底梁、连系中梁、冠梁(也可组装预制冠梁,见图2)及向板桩拼接后形成的菱形槽内注入高强度无收缩灌浆料等措施,构建整体性及密封性能良好的管板桩坝,作为淤地坝承压体系的核心；再从沟道中取土向钢混板桩和钢管桩两侧堆护至固定高度,上游侧整成1∶2的土坡,下游侧将土层夯实成1∶2.2的挡护体,可在挡护体的尾部利用H形混凝土砌块垒成互嵌式挡墙加以护脚。

图1 钢混预制板桩拼接

图2 钢混预制冠梁立体图(单位:m)

由钢混板桩组合制成的排水建筑物见图3,包含卧管、卧管消力池、涵洞、明渠、出口消力池和尾水渠等部分。依据坝肩的地形地质条件选择排水建筑物布设位置,卧管采用矩形断面,纵坡比降为1∶4,台阶高为0.3 m,每级台阶均设一个孔径为0.2 m的进水口。排水卧管的管身采用钢混预制板桩拼接而成,并利用钢筋混凝土板在卧管底板每隔6 m设一道齿墙,以确保卧管底板稳定。卧管消力池采用矩形断面,其侧墙及底板均由钢混预制板组合而成,顶部设盖板。在卧管消力池的侧壁开挖圆孔,用钢筋混凝土涵管相连,涵管与卧管在平面中成直角。涵管后接明渠,涵管上端接涵管消力池,涵管之间通过截水环连接。明渠消力池采用长10 m、宽0.8 m、深0.5 m的矩形断面,出口布设的尾水渠采用底宽1.5 m、边坡比降1∶1.5的梯形断面,均由钢混预制板桩组合拼接形成。

图3 板桩组合排水建筑物示意

可利用板桩组合技术优势,将溢洪道的进口布置在淤地坝左坝肩,并在溢洪道上游沿山体侧设置板桩墙,平稳下泄水流。溢洪道控制段连接泄槽,泄槽下端连消力池。在控制段前侧及两侧向下插入钢混板桩(相当于刺墙),与底板以下增大基础承重能力的钢混管桩共同增强溢洪道进口与控制段的稳定性。泄槽及其消力池的底部亦用钢混管桩强化支撑能力,并在两侧设置足够深度的钢混管桩,将泄槽夹护其中,提升其稳定性。泄槽将部分洪水引入下游沟道内,消力池侧墙则防止水流对边坡冲刷[33-34］。

针对已建成的病险老旧淤地坝存在的问题和除险加固技术的不足,可采用钢混预制板桩组合加固技术,对溢洪道进行改造和对迎流面坝体加高加固,实现对已建传统淤地坝的提质增效。亦即在原坝址上游坝坡修建预制板桩坝,并在两侧堆土挡护,各部分连接处密封处理,形成稳定性强、整体及密封性能好的新型淤地坝,增大滞洪拦沙库容,提升骨干坝防洪能力,并在板桩坝坝肩设置用板桩组合成的溢洪道(见图4)。在溢洪道上游沿山体侧用钢混板桩设置板桩墙,以便使入流平顺[33］。溢洪道底部用承重管桩支撑,泄槽不仅可采用矩形直槽,而且可组合成台阶式泄槽,将其作为消能空间,对于小型溢洪道也可采用QD型防腐钢槽式泄槽。

图4 板桩组合溢洪道立体图

钢混预制管板桩组合法除险加固淤地坝技术可解决淤地坝因渗流而引起的滑动失稳问题,减轻溃坝风险和工程管护压力。在加大坝高的同时,在溢洪道进口山体侧增设防冲及挡土防护墙,不仅可使防洪能力明显增强,而且能通过泄槽使洪水下泄至下游沟道时形成的冲刷坑远离下游坝脚,对沟坡起到防护作用[33-34］。

2.2 创新淤地坝结构形式

采用上述淤地坝结构创新技术,能够以钢混预制管板桩混合结构代替传统的堆土结构,构建出整体性及密封性能好的管板桩坝,板桩坝体能起到土坝截渗墙、心墙、防渗帷幕等的防渗作用,从而避免淤地坝整体或局部滑动而出现的失稳风险。管板桩坝施工过程中两侧需要不断堆土,最终形成上下游挡护体,与管板桩坝构成协同承压结构体系。上游土体能有效滞缓来水对于管板桩坝体的直接冲击,下游挡护体属于承压结构体系的组成部分,可依靠挡护体自身产生的压应力,抵抗坝前水土压力等荷载作用引起的压应力和剪应力。在下游挡护体坡脚用混凝土砌块构建互嵌式挡墙,进一步增强挡护体的稳固性。

排水建筑物与设置在坝肩的溢洪道由预制板桩组合而成,弥补了工程稳定性差的缺陷。板桩结构建设的开敞式溢洪道结构简单、对地质条件要求低,无须设引水渠和进水渠,可减少工程量,并减少水头损失对泄流能力的影响。泄流量能够随库水位的抬高而迅速增大,工程量小、造价低,且运用安全可靠。下游沟道适当取土形成的凹地长期积水可满足群众需求,且上游发生溃坝等事故时能有效减小洪水对下游的影响。

本技术工程施工简单、安全方便快捷、取土量少、质量易控；筑坝造价低,经济效益显著；防洪标准高、稳定性强等,可解决淤地坝在发生超标准洪水时易溃坝的问题,同时大大减轻工程管护任务。筑坝取土与修建溢洪道不占用大片坡耕地或林草地,可明显减小坡地开挖范围,降低占地赔偿与协调难度,大大减小淤地坝建设对生态环境造成的负面影响。此外,新型淤地坝(特别是溢洪道与排水建筑物)能按标准模块提前预制、现场进行组装,具有质量易控、施工方便、工期短、建设成本低等优点；若将溢洪道分为几种类型,编制成标准图集,则将有利于批量生产与施工推广。

2.3 淤地坝创新技术得到专家高度评价

2022年3月27 日,世界泥沙研究学会组织专家在北京召开“钢混预制管板桩组合法修建与除险加固淤地坝技术专家评审论证会”,水利部水土保持司、规划计划司、安全监督司、水利水电规划设计总院等单位代表与专家出席会议。由宁远、胡四一、汪洪等8位专家组成的专家组充分肯定了项目主要创新成果,认为项目组提出的“钢混预制管板桩组合法修建与除险加固淤地坝技术”(以下简称“本技术”)能为新型淤地坝建设提供示范和样板。专家组评审意见如下。

(1)本技术系在“一种钢筋混凝土预制板桩组合坝”等专利技术及“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0402500、2016YFC0501705、2016YFC0501602)成果基础上研发提出的黄土高原地区水土保持工程建设新技术,对淤地坝工程结构进行全面提升,具有重要意义。

(2)本技术利用钢混预制板桩、钢管桩(包括预应力钢混管桩)、挡护体3种以上不同构件的协同承压结构,共同组成淤地坝的混合结构体系,技术上可行。

(3)主要创新成果:①本技术通过冠梁组装、互嵌式挡墙等构成的混合结构体系,受力条件得到改善,可解决均质土坝因渗流而导致的滑动失稳问题,减小溃坝风险和工程管护压力；②本技术筑坝土料要求低,可充分利用施工弃土弃渣,从坝上游沟道取土,减少占地,保护环境,扩大库容,降低投资；③本技术采用板桩组合结构、QD型防腐钢制泄槽、台阶式泄槽等形式,可将溢洪道进口设置在坝肩,增强结构稳定性,减小泄洪影响范围,有效避免边坡冲刷,并减少工程开挖量及征地面积,减轻生态环境保护压力；④压土成槽沉桩技术利用挤压土体应力回弹,使混凝土桩与坝体有效结合,可减小对原坝体结构的影响,增强板桩的稳定性。

(4)本技术已在黄河粗泥沙集中来源区黑土湾、戏台沟两座新建淤地坝和李家沟、召沟、圪坨店沟掌3座骨干坝除险加固工程中得到应用,取得了良好的社会经济效益和生态环境效益,具有良好的推广前景。专家建议:进一步完善相关技术,申报纳入水利部新技术推广项目目录及相关技术标准。

3 设计实例

3.1 某小型拦沙坝设计实例

某拦沙坝控制流域面积为1.13 km2,地貌类型为典型的丘陵沟壑区。设计洪峰流量56.9 m3/s(频率P＝5%),校核洪峰流量141.0 m3/s(P＝0.5%),相应洪水总量分别为5.2万m3及17.0万m3,土壤侵蚀模数为1.93万t/(km2·a),设计年均输沙量1.62万m3。该坝设计淤积年限为10 a,总坝高17.5 m,总库容29.92万m3(其中拦沙库容16.15万m3,滞洪库容13.77万m3),工程建成后可淤地4.04 hm2,拦截泥沙21.8万t[21］。

本工程设计方案平面布置见图5,由钢混预制管板桩坝构成拦沙坝的核心,坝顶长188 m,最大坝高为17.5 m。在构筑坝顶宽为0.4 m的钢混预制管板桩坝的同时,为满足交通与稳定需要,在管板桩坝下游面用堆土修筑顶宽为4 m的平台(坝坡坡比为1∶2.5的挡护体属于承压结构体系的组成部分),坝坡每隔10 m设一道马道,并在坡脚交错堆放互嵌式挡墙护脚。此外,在管板桩坝上游侧修建顶宽1.5 m、坝坡坡比1∶2的堆护体,对管板桩坝发挥挡护作用[21］。

图5 某拦沙坝钢混预制管板桩坝设计方案平面布置

布设在右岸的排水工程平面布置见图6。卧管采用0.6 m×0.6 m的正方形断面,纵坡1∶4,最低、最高排水孔高程分别为1267.33、1279.93 m,分为42级台阶,阶差0.3 m,每级台阶设1个孔径为0.2 m的进水孔。卧管消力池尺寸为2.0 m(长)×0.6 m(宽)×0.8 m(深),顶部设盖板。涵管采用内径为0.8 m的预制钢筋混凝土管,进、出口底部高程分别为1265.80、1265.00 m,总长80 m,纵坡为1∶100。涵管后接尺寸为35 m(长)×0.8 m(宽)×0.8 m(深)、比降为1∶10的混凝土明渠；涵管消力池尺寸为10.0 m(长)×0.8 m(宽)×0.5 m(深)。

图6 排水建筑物涵管及涵管消力池平面布置

为发挥管板桩坝的结构优势,布设在右岸的溢洪道进口紧靠板桩坝布设,无须设置进水渠。在上游右侧进口处增设12.15 m长的顺流板桩墙,有利于山坡稳定,设计力求遵循“隐于山坡、融入自然”的原则。为防止泥沙在宽顶堰堰顶落淤影响泄量,控制段长度确定为14 m,宽顶堰及其边墙采用钢混板桩组合结构,左侧墙高2.91 m,右侧墙高3.44 m(以防右侧边坡土进入溢洪道)。泄槽尺寸为70 m(长)×4 m(宽)×4 m(深),纵坡1∶5,底板铺设厚度为0.3 m的钢混板桩,在底板上用板桩拼接成侧墙,泄槽起始侧墙高2.91 m,与控制段齐平,而后过渡至1.5 m高度,接近消力池处逐渐同消力池顶部持平。消力池设计尺寸为14 m(长)×4 m(宽)×1 m(深),侧墙高2.91 m。消力池后半部采用鹅卵石及块石(粒径≥0.5 m)护底,起消能作用。经计算,该技术方案工程投资比传统结构新建工程投资减少约20%。

3.2 某骨干淤地坝除险加固设计

某骨干淤地坝工程控制流域面积4.65 km2,设计与校核洪水标准分别为20 a一遇及200 a一遇洪水,设计淤积年限为10 a。淤地坝总库容161.37万m3(拦沙库容69.3万m3、滞洪库容92.07万m3),坝顶高程为998.49 m,现状淤积高程为994.7 m,控制流域土壤侵蚀模数12524 t/(km2·a)[21］。该坝已运行29 a,拦沙量约125.1万m3,因缺少溢洪设施,一旦溃坝后果严重,故需对该坝进行除险加固。

由于淤地坝淤积高程已达上限,因此需加高坝体增大拦洪库容。选定距老坝顶轴线上游7 m处作为新坝轴线,平面布置见图7。取196块预应力空心板,从右坝肩开始,现场组建成50个板桩单元(每个单元由上下左右4块板桩拼接而成,但靠近山体部分的两个单元每个单元仅由左右2块板桩组成),至左坝肩剩余20 m用预制板桩组合制作。左侧坝体采用两块7 m宽板桩上下拼接而成,上下板桩之间采用钢筋混凝土连系梁连接；左右两部分板桩组合体的连系梁高度相差0.5 m,中间通过绑焊钢筋并浇筑混凝土连接在一起,板桩顶部采用高0.5 m的冠梁连接为整体。设计淤积高程995 m,设计与校核洪水位分别为998.04、1000.49 m,加高3.5 m后的坝顶高程为1001.99 m,最大坝高29.9 m,最大坝长127 m,上游坝坡坡比为1∶2.5,下游坝坡坡比为1∶2。淤地坝加固后设计与校核洪水标准分别为30 a一遇及300 a一遇洪水。

图7 某骨干坝新技术除险加固设计平面布置

在板桩坝左坝肩布置净宽6 m的开敞式溢洪道,进口紧靠坝体,其轴线与坝轴线垂直。溢洪道开挖深度和范围均不大,对生态环境影响较小；工程基础深,具有稳定性强、整体及密封性好的优点。控制段长度为14 m,在进口处修建6.8 m长进口平台及12.25 m长板桩导墙。溢洪道长115 m,宽顶堰及其边墙采用钢混板桩组合结构,泄槽为63 m(长)×6 m(宽)×6 m(深),纵坡坡比为1∶2.74,底板铺设厚度为0.40 m的板桩。消力池设计尺寸为14 m(长)×7 m(宽)×1.3 m(深),侧墙高2.89 m,其后接长14 m的喇叭形尾水段,使水流扩散而下,减小对下游河床的冲刷[22］。经计算,该淤地坝除险加固方案工程投资175.22万元,比传统淤地坝除险加固工程投资节省21.15%。

4 结语

(1)在沟道上修建淤地坝,符合以工程措施改变侵蚀地理环境的治理思路,不仅可拦截来自上游沟道与坡面侵蚀而下的泥沙,而且可相应抬高控制区的局部侵蚀基准面,发挥治沟工程的减沙作用,减少上游沟谷与沟坡面坍塌,稳定小流域生态结构。典型沟壑区沟谷面积占比虽较小,但产沙量占比却很大,故在沟道上大量建造与科学利用淤地坝,可高效拦截入河泥沙,降低山坡出现滑塌的概率,调控水沙的同时促进淤地造田。

(2)黄土高原采用淤地坝措施大量拦减泥沙是根治黄河下游水患的治本之策。在分析传统淤地坝工程存在的致灾风险高等问题基础上,为巩固中游泥沙治理成果,弥补传统淤地坝缺陷,避免暴雨期溃坝风险,认为只有创新完善淤地坝工程结构,才是根治黄河的必由之路。通过推广钢混预制管板桩组合等新技术,新建或对病险老旧淤地坝进行除险加固,可确保淤地坝工程安全和持续发挥作用。

(3)采用钢混预制板桩、管桩、挡护体三者协同承压结构,形成坝体混合结构体系,建设管板桩组合淤地坝,属于全新的坝工创新技术。板桩坝或管板桩坝作为淤地坝承压体系的核心,兼具截渗墙、心墙、防渗帷幕的防渗功能,可避免淤地坝滑动失稳或溃坝风险,具有施工快、造价低、拦沙滞洪库容大、整体性能好、工程管护压力小等优点,在工程除险加固时还便于大坝加高。

(4)相对于远离坝肩的传统溢洪道,板桩组合式溢洪道土方开挖量与范围明显减小；新型淤地坝技术对筑坝土料要求低,可利用弃土弃渣或从坝上游沟道取土,无须占用大片坡地或林草地,可减小对生态环境造成的破坏,且可扩大拦沙库容,减少建设投资。

(5)以具体拦沙坝建设与骨干坝除险加固设计为例,介绍了钢混预制管板桩混合结构淤地坝建设和板桩组合技术用于淤地坝除险加固的实施方法,充分体现出淤地坝创新结构稳定性好、造价低、管护压力小等优点及其蓄水拦沙、改善生态、促进经济的巨大作用。

下一步将选取鄂尔多斯地区,通过模拟试验、野外观测与淤地坝工程实践,继续开展示范研究。