摘要：多年来，黄河中游修建的淤地坝在设计时没有考虑泥沙的级配问题，将小流域洪水中的全部泥沙拦淤在淤地坝中，其中有约3/4左右的细泥沙，降低了淤地坝对于黄河减沙的拦沙效益。根据不同粒径泥沙的沉降特性，本文探索了淤地坝“淤粗排细”问题，提出对淤地坝设计的改进建议：在设计淤地坝时同时考虑全沙数量和粗沙数量；改进放水工程设计，加大放水工程的放水流量，将沉积较快的粗沙拦在库内，将沉积速度较慢的细沙排出库外；精细调度，控制放水流量，达到“淤粗排细”的目的，使淤地坝为“维持黄河健康生命”发挥更大作用。

   关键词：淤地坝  泥沙  淤粗排细

 

   “维持黄河健康生命”的重要内容是减少泥沙，特别是减少粗泥沙。多年来，黄河中游修建的淤地坝拦淤了大量泥沙。但由于是按 “全拦全蓄”设计，没有考虑拦淤泥沙的级配问题，因此在计算淤地坝的对黄河的拦沙效益时，仅按总拦沙量的1/4考虑，大大降低了淤地坝对于黄河减沙的拦沙效益。

研究表明，淤积在黄河下游河床的泥沙主要是粒径大于0.05mm的粗泥沙，小于0.05mm的细泥沙可以通过水流排入大海。本文根据已有研究成果，结合淤地坝设计实例，探索淤地坝“淤粗排细”问题，进而提出对淤地坝设计的改进建议，提高拦沙效益，使淤地坝为“维持黄河健康生命”发挥更大作用。

 

1.1 据研究，当含沙量达到200-250kg/m³以上时形成高含沙水流，高含沙水流中因固体颗粒大量存在，使浑水悬液粘性明显增高。试验研究表明，对于含沙量为300kg/m³的悬液，其粘滞系数约为同温度清水粘度的2.5-3.5倍，而当含沙量达到600kg/m³，悬液粘性达到同温度清水粘性的5倍以上。这将导致水流性质的显著变化，使水流的阻力、颗粒在其中的沉速、以及水流挟沙能力等，都与清水显著不同（表1）[1]。

表1  高含沙水流中分级粒径沉速及平均沉速[1]

 

1.2研究表明，由于高含沙洪水特性的影响，使水库排出泥沙的级配发生变化。下图是我国一些水库一次洪峰中的排沙比与水库及泥沙特性之间的关系^〔3〕，其中V为库内蓄水量，Qi及Qo分别为进出库流量，横坐标VQi/QO2具有时间的量纲，它反映了这一场洪水在水库中停留时间的长短。除此以外，水库排沙比还和泥沙粗细及含沙量有关。细的泥沙比粗的泥沙更容易排出库外；当含沙量超过50kg/m³时，泥沙的沉速减小，这时水库的排沙比也相应增大^〔2〕

 

1.3研究以上高含沙水流的特性，有利于了解淤地坝的泥沙运动状态：

（1）小流域洪水，特别是多沙粗沙区的小流域洪水，基本是高含沙洪水。其在进入淤地坝库区前为紊流，挟带大量泥沙；进入库区后缓慢向坝前放水工程流动。

（2）在洪水没有全部进入库前，库区水位逐渐上涨，这时，放水工程排出的洪水含沙量和泥沙的级配基本为入库前的状态。

（3）当洪水全部进入库区后，库内洪水流速接近零，泥沙沉积速度加快，但由于受高含沙洪水特性的影响，粗沙沉积速度较低，而细沙沉积速度更慢。根据表1数据分析，粗泥沙约在洪水入库后的数小时内全部沉积，而细沙则需要10小时以上的沉积时间。

 

随着淤地坝设计技术的发展和经济实力的提高，可以更加深入、细致的对淤地坝进行设计和调控，实现“淤粗排细”，使其不仅能够淤地造田，而且提高为黄河减沙的效益。

2.1黄河主要支流产沙概况

来自黄河中游黄土丘陵沟壑区的洪水多为高含沙洪水。用洪水期总沙量除以总水量所求得的平均含沙量一般均超过400kg/m³。其中，黄河中游的主要入黄支流不仅经常发生高含沙洪水，而且其中的粗沙含量较高（表2）。据对表中所示各支流的统计表明，80%的洪水的含沙量均超过500kg/m³。黄甫川和窟野河流域的黄土组成极粗，244次洪水的含沙量均超过1000kg/m³〔1〕。

表2    黄河主要支流流域产沙〔1〕

2.2淤地坝设计中应同时考虑全沙输沙模数和粗沙输沙模数

为了实现“淤粗排细”，淤地坝的设计思路应是：拦淤大部分粗沙，排出大部分细沙。

进入黄河下游的16亿t泥沙中，粗沙3.64亿t，占总沙量的20%〔1〕。其中多沙粗沙区每年输入黄河的泥沙达11.82亿t，占同期黄河输沙总量的62.8%，其中粒径大于0.05mm的粗泥沙3.19亿t，占粗泥沙输沙总量的72.5%。在黄河中游的千沟万壑中拦淤这些泥沙，特别是粗泥沙，无疑对黄河治理具有重要意义。考虑到黄河中游地区建坝条件的限制和国家资金投入水平，以有限的淤地坝拦淤尽可能多的粗沙，应当是今后淤地坝规划设计的基本原则。

据此，在计算淤地坝拦沙库容时应当考虑粗沙输沙模数，并以此为依据，计算拦沙库容。

建议，拦沙库容计算公式为：

V=M*R*S*T/1.35

式中V—拦泥库容

    M—土壤侵蚀摸数

    R—粗沙比例

S—坝控面积

    T—淤积年限

2.3放水工程设计应同时考虑常遇洪水和设计洪水

由于黄河中游的洪水特点是“大水大沙”，而且“大水粗沙”。往往一场大洪水所携带的泥沙就占全年总沙量的60％以上。因此重视对淤地坝设计洪水的排泄，对于实现“淤粗排细”具有重要意义。

同时，由于常遇洪水携带约40％的年来沙量，因此也要考虑对常遇洪水的“淤粗排细”，避免造成常遇洪水的“拦浑排清”。

2.4加大放水工程的泄洪量，减少洪水的拦滞时间，将细泥沙排出

由表1数据知，在高含沙洪水中，粗沙沉积速度每小时1m以上（粒径0.035mm：101cm/小时，粒径0.061mm：302cm/小时），一般可以在数小时内完全沉积；而细沙沉积速度每小时远小于1m（粒径0.016mm：21cm/小时），全部沉积需要更长的时间。根据粗沙和细沙沉积速度有较大差异的特点，可以通过改进放水工程的设计，达到“淤粗排细”需要。

首先，适当加大放水工程放水孔直径，增大泄流量。为了实现“淤粗排细”，一般应当在10小时内排泄完一场设计洪水总量。为此需要加大放水工程的泄洪流量。

其次，设计变孔径的放水工程。随着库容的淤积，相同频率的洪水形成的水深越来越浅。对于多孔排水的放水工程，为了保证放水工程的泄流量不变，在放水孔间距一定的条件下，放水孔径应由下向上逐渐增大。为简便设计，可以在拦泥坝高高程以下为一个孔径尺寸，拦泥坝高高程以上为加大的孔径尺寸。

对于采用一孔排水的放水工程，可以在同一高程设计两个（或两个以上）不同孔径的排水孔，以适应排放不同频率的洪水。

2.5精确调控放水工程。为了防止常遇洪水不经沉沙而畅泄和大洪水细沙沉积过多，需要对放水工程进行精细调控：小水开小孔，少开孔；大水开大孔，多开孔。

其次，为了保证将粗沙尽可能多的拦在淤地坝内，应当在每次洪水过后对淤地坝和放水工程处的淤积情况进行观测，使最低的放水孔高于淤积面，相当形成一定的死库容，以利下次拦淤。最低放水孔距离淤积面以上的确切高度应通过计算在设计洪水条件下粗泥沙的总体积获得。由于在运行期的淤地坝放水孔间的距离是确定的，因此实际操作中最好取上限值，以保证有足够的库容拦淤粗沙。

2.6改变淤地坝的控制面积或拦沙库容。根据以上思路，可以考虑适当加大骨干坝和中型淤地坝的坝控面积，或减小淤地坝的拦泥库容，提高淤地坝工程的投资效益和拦沙效益。

 

3.1提高了淤地坝拦沙效益

初步估算，采用以上改进设计，淤地坝可以拦淤90%以上的粗沙，同时排出70%以上的细沙，从而使有限的库容拦淤更多的粗沙。以《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》的建设规模，到2020年在多沙粗沙区建设10.28万座淤地坝，形成约250亿t的拦沙库容，基本控制全部多沙粗沙区。采用“淤粗排细”方式，可以显著增加粗沙拦淤量，估算总粗沙拦淤量超过120亿t。

3.2提高了淤地坝安全稳定性

淤地坝在淤积库容基本淤满后，开始淤积防洪库容，造成淤地坝的防洪能力急剧下降。实行“淤粗排细”后，显著加大了淤地坝的泄洪能力，从而使淤地坝提高了防御洪水的能力，相对提高了淤地坝的防洪能力。

3.3减少了水资源的无效消耗

黄土高原地区气候干旱，水面蒸发量大。现行的设计，造成洪水在淤地坝内滞留时间较长，库区蒸发和下渗量较大。根据《黄土高原水土保持淤地坝规划》框算的结果，到2020年，每年淤地坝由于滞洪造成的蒸发达9亿多m³；由于长时间滞洪造成的下渗补充地下水（不进入黄河的水量）在2020年达5亿多m³，两项合计，2020年损失河川径流达15亿m³，占2020年坝控面积内83亿m³径流总量的18％。 “淤粗排细”加大了淤地坝的排洪能力，使暴雨洪水在短时间内排出，减少了淤地坝在长时间滞洪情况下的水量蒸发、下渗等无效损耗。

 

4.1北沟骨干坝位于陕西榆林城区东南40km处的陈家沟上游，坝址所在沟道属无定河二级支流。坝控面积6.28km²。多年平均侵蚀模数为1.5万t/km².a。洪水计算成果见表3

表3  洪水计算成果表

防洪标准按30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，淤积年限取20年。拦泥库容139.56万m³，滞洪库容57.27万m³，总库容196.83万m³。坝高31.5m，其中拦泥坝高25.0m，滞洪坝高3.2m，安全超高2m，沉陷加高1.3m。放水工程为卧管，设计泄流量按3天泄完20年一遇一次洪水总量计算，泄流量为0.82m³/s，采用同时开启3孔泄流，孔间水位差0.45m，计算孔径0.37m。

4.2根据本文建议，首先要计算粗沙数量。该区域粗泥沙输沙模数为7000t/km².a，占土壤侵蚀模数1.5万t/km².a的47%。年来粗沙3.26万m³。当采用淤粗排细方式运行时，原设计的139.56万m³拦泥库容的淤积年限可达43年，比原设计淤积年限增加一倍以上。

4.3为了达到对常遇洪水和设计洪水均实现“淤粗排细”，要进行放水工程设计。为了简化设计，按拦泥坝高以下为相同放水孔径，拦泥坝高以上为加大的放水孔径。

4.3.1选择竖井形式的放水工程，采用相同高程设计两个不同面积的放水孔，以排泄不同频率的洪水。

 

4.3.2按10小时左右泄完一次设计洪水（30.9万m³），计算1级孔放水时的竖井放水孔面积。放水流量为8.6m³/s。孔间水位差0. 5m，计算孔面积

d=0.174 =2.14m²

4.3.3每级放水孔总面积2.14m²（按2.2m²计算）时，在竖井每级的相对两面分别设计不同孔径的放水孔，以适应不同频率洪水的排泄。设相对两孔面积分别为1.4m²和0.8m²。其中1.4m²的放水流量为5.6m³/s，0.8m²的放水流量为3.2m³/s。

表4   排泄不同重现期洪水试算表

从表4看出，采用以上组合孔径能够基本满足十小时左右排泄完一次洪水总量的要求。该组合孔径兼顾了设计洪水和常遇洪水的“淤粗排细”要求。

    进一步考虑，还可以将每级放水孔设计成2个以上的组合孔径，以更精细的对各类洪水进行“淤粗排细”方式的排泄。

4.3.4对于放水涵洞、消力池等按照最大放水流量和规范要求设计。

4.4精细调度。由于采用一级放水孔放水，因此需要对每场洪水的放水过程进行控制，按照洪水总量决定需要开启多大的放水孔，并在水位下降后，及时开启下一级放水孔。每场洪水过后，应检查坝前淤积情况，及时关闭位于淤积面上下20cm左右的放水孔，以利下次拦沙。

 

5.1深入分析研究黄河各支流，特别是多沙粗沙区支流的泥沙级配及其变化。

5.2设立研究课题，进一步研究淤地坝中泥沙的运行规律。

5.3对淤地坝放水工程的设计进行改进，使之适应“淤粗排细”条件下，排泄不同重现期洪水的要求。

5.4研究如何建立在“淤粗排细”要求下的淤地坝运行管理机制。

 

参考文献：

[1]赵文林，《黄河泥沙》，黄河水利出版社，1996年

[2]钱宁，万兆惠，《泥沙运动力学》，科学出版社，2003年

[3]夏震寰，韩其为，焦恩泽，“论长期使用库容”，北京河流泥沙国际学术讨论会论文集，第二卷，1980年

 

 

责任编辑：孙太旻