淤地坝是黄土高原地区一种行之有效的水土保持工程措施，同时具有“淤地造田，提高粮食产量”、“合理利用水资源，解决人畜饮水”等多方面的作用和效益，上个世纪，在国家资助下，黄土高原、特别是多沙粗沙地区兴建了大量的淤地坝。但是，当前淤地坝建设中一个重要的问题就是淤地坝的安全度汛问题。首先，根据对现有淤地坝工程调查和统计情况来看，大多数淤地坝工程无溢洪道，有的虽有溢洪道，但泄洪能力不足，淤地坝自身安全得不到保障；许多已建坝库淤积迅速，使滞洪库容大减，有的已经淤满，丧失了防洪能力；其次，大多数淤地坝工程当地地质地形条件差，开设溢洪道困难，修建淤地坝的地区一般沟狭坡陡、上覆土层深厚，加之此类地区洪水一般峰高、量小，如开设很大的岸边溢洪道，则工程量和投资很大，地方上难以承受；此外，该类地区多数沟道没有岩石出露，缺乏修筑溢洪道的必要当地材料。因此，大多数淤地坝工程未设安全泄洪设施，俗称为“闷葫芦”，对淤地坝的安全极为不利。为保证淤地坝的安全，考虑到中小型淤地坝工程投资有限，绝大多数淤地坝均为土坝，非常有必要开发一种简易而较为安全的泄洪技术如坝面过水技术。

　　土石坝坝面过水技术的实质就是修建泄洪与挡水建筑物结合起来的过水土坝，我国是世界上最早开始兴建过水土坝的国家之一。但由于对过水土坝安全性的担忧，土坝坝面过水技术一直未能大量推广应用。从我国及世界各国已经兴建的过水土坝工程实例来看，有以下几个特点：土坝坝面过水有全断面过水和局部过水两种形式，以局部过水为多数；坝面防护材料有钢筋混凝土、素混凝土、铅丝石笼、沥青混凝土、沥青浆砌石、灰土、生物植被护面等；过水横断面有梯形和矩形等形式，纵断面有平底式和阶梯式等型式；已建过水土坝以坝高20m 以下的居多，少数坝高超过20m，单宽流量一般为10m³/s-m 以内，最大流速大多不超过10m/s。1981～1986年，美国垦务局[1]USBR (Bureau of Reclamation)利用Cottonwood Dam 5^＃坝完成了一项柔性衬砌（土工膜）非常溢洪道试验，比较成功。受该试验研究成果启发，拟在淤地坝工程中借鉴该成果，研究在淤地坝坝面开设溢洪道、利用土工膜进行衬护的坝面过水技术。为此，利用中国水利水电科学研究院投资兴建的宋家沟淤地坝试验示范工程现场条件，开展了本项试验。

2 试验方案与准备

　　2.1试验基本条件

　　现场试验利用宋家沟淤地坝库内土坡修建土工膜衬护的试验溢洪道。试验溢洪道断面为梯形，底宽0.5m，深0.5m，边坡坡比为1∶1.5；首末端垂直高差13.9m，49.2m长，底坡为1∶3.4。基土的性质见表1。

表1 土料指标

　　试验水源为根据现场地形条件修建的一个尽可能大的蓄水池，长和宽均为10m左右，深1.7m。蓄水池与试验溢洪道连接侧设闸门以控制泄水。蓄水池由两台水泵（50m³/hr、50m扬程）持续供水。由于供水能力有限，试验前先向蓄水池充满水，试验中两台水泵继续供水，水池内水面降至闸门底部时，关闭闸门，暂停试验；待水池内充水至预定水深时，再次开启闸门，继续试验。

　　试验方案共两种，方案1为纵向平底式，试验方案2采用为阶梯式底部，以下分别简称为平底方案和阶梯方案。衬护土工膜也为两种，平底方案采用1.0mm的HDPE聚乙烯土工膜，阶梯方案采用0.6mm的HDPE聚乙烯土工膜，其物理指标见表2。

表2HDPE土工膜性能指标表

　　2.2衬护土工膜铺设方式

　　平底方案土工膜顺水流方向不设接缝；为防止土工膜下渗透压力引起上浮，横向接缝不焊接，采用搭接方式以便排水减压。考虑到溢洪道中水流速度沿程逐渐增大，故设计了3种搭接长度，闸门出口与溢洪道斜坡段起点处第1块土工膜搭接长度为50cm（接头1），第1、2块土工膜之间搭接长度为100cm（接头2），第2、3块土工膜之间搭接长度为170cm（接头3）。搭接处细部构造参见图1。溢洪道岸边处土工膜原拟采用沟埋式固定，鉴于现场条件，改为用装满土的编织袋压重固定。平底方案共使用幅宽为4.2m的土工膜60m长。

图1 平底方案土工膜接头细部纵剖面图

图2 阶梯平底方案土工膜铺设细部纵剖面图

　　与平底方案类似，阶梯方案土工膜沿水流方向也不设接缝，两侧边同样用装满土的编织袋压重固定。试验溢洪道共有71个阶梯，阶梯尺寸为L60cm×H20cm，上下两阶土工膜水平重叠长度90cm。参见图2。阶梯方案使用了幅宽为3.8m的土工膜250m。由于施工中不慎，试验前有2个台阶土工膜各有1处被划破，口子大约3cm左右。

　　由于阶梯方案试验溢洪道是在平底方案试验溢洪道基础上修建的，为减少开挖工作量，直接开挖呈阶梯状，因而实际断面尺寸与初始方案有所不同。实际断面尺寸为：底宽120cm，深30cm，两岸边坡大部分试验段为1∶1.5，局部稍陡于该边坡。

　　2.3试验方法

　　开启水闸，测试下泄水流的流速、水深，观察流态、水的浑浊变化、防护材料是否有破损，搭接部位是否破坏、结构形式是否稳定等各种现象。试验过程中主要测试项目包括：试验起始与终了时间、水槽内不同部位水深、2个断面流速（下游测点断面距试验溢洪道末端水平距离为11.5m，末端测点断面距试验溢洪道末端水平距离为1.9m）、观察记录试验现象等。

3、平底方案试验结果平底方案共完成了5次放水试验，各次试验测试数据见表3。

表3 平底方案试验数据

　　（1）水流中泥沙：

　　第1次放水试验时，因土工膜上残留有施工中散落的少量土和石块，石块最大粒径约50mm，初始水流稍浑浊，很快即变清。

　　第2、3次试验全程均为清水。

　　第4次试验开始不足1min后及第5次试验全程，因蓄水池闸基漏水造成第1块土工膜下土体出现冲刷，导致大量泥沙水流从第1、2块膜接头处流出，第2、3块土工膜上水流中含有一定量的泥沙，而第1块土工膜上始终为清水泄流。两次放水试验，第2、3块土工膜承受含泥沙水流冲刷累计时间为11min左右，泥沙中含有少量砾石，其最大粒径在20mm左右。

　　（2）水深与流态：

　　各次试验起始端和末端最大水深分别为10~15cm和8cm左右。

　　各次试验蓄水池起始水深及闸门开度大体相同，试验溢洪道中的流态主要决定于溢洪道土工膜衬砌的平顺程度。各次试验衬砌土工膜平顺段的水流也比较平顺，其流态属陡坡上的急流，水深较浅，表面部分掺气。

　　第1次放水试验中，第2段和第3段土工膜搭接处由于施工时未能铺设平展，加之土工膜较硬，水流流过时水流压力尚不足以将翘起的膜压平，此处流态不如其它段水流平顺，有跳跃。试验后整平了该接头，以后各次放水试验中此处水流比较平顺。

　　第4和5次放水试验中，因第1块土工膜下渠底土体被冲成两条不规则的冲沟，其上水流极不平顺，呈分段跳跃状。但第2和3块土工膜上水流一直比较平顺。

　　（3）流速与流量：

　　图3为末端测点一次放水试验典型流速过程线。表4为试验数据整理结果。从而可知，

　　①5次试验总历时58min，最大流速为10.7m/s；

　　②土工膜承受大于10m/s流速累计冲刷时间为5min，承受5～10m/s流速累计冲刷时间为33.5min，承受小于5m/s流速累计冲刷时间为19.5min；

　　③第4次和第5次放水试验末端土工膜承受含泥沙水流冲刷累计时间为11min左右，最大流速为10m/s，泥沙最大粒径在20mm左右。

　　④由于水泵补给流量不足，每次试验时蓄水池中水位不能保持恒定不变，溢洪道中泄流量大小变化过程与流速过程线类似，根据流速测点处实测流速和水深计算，可知试验最大流量在0.5m³/s左右。

图3 平底方案末端测点流速过程线（第一次放水试验）

表4 平底方案试验数据整理

（4）过水后检查每次试验后检查了土工膜表面、固定处和搭接处的情况，检查发现：

　　①每次试验后膜表面均未发现有破损处；

　　②前3次试验后土工膜与下层土体之间及所有搭接处上下两层膜之间均是干的；第4次试验开始前向蓄水池充水过程中，因闸门地基漏水，导致有水渗入第1块膜下，从第1块膜与第2块搭接处渗出，随着蓄水池中水位升高，渗漏量逐渐增大，在第4次及随后的第5次试验过程中从闸门下泄的部分水流从膜上下泄，部分从第1块膜顶部固定处流入，在膜与下层土体之间流动，并从第1、2块膜搭接处流出，第1块膜下土体被冲刷称两条各宽15cm左右的冲沟，但第2块膜顶部固定处始终完好，第2块膜与第3块下的土体及两者搭接处始终是干的；

　　③用装满土的编织袋压重固定的两岸试验前后无明显变化；

　　④膜的平整程度与铺设完成时基本相同。

4阶梯试验

　　阶梯方案共完成了5次放水试验，由于下游流速测点在平底方案试验中损坏，故阶梯方案试验中仅有末端流速测量数据。各次试验测试数据见表5。

表5 阶梯方案试验数据

　　（1）水流中泥沙：

　　阶梯方案进行的5次放水试验，从总体上来看，水流中泥沙含量较少，比较清。第1次放水试验时，因有2个台阶土工膜在施工时被划破，在这2个台阶处台阶中土体被冲出，局部水流稍浑，其余大部分均为清水。

　　第2次放水试验前，为试验土工膜抗冲刷和耐磨性能，在放水闸门出口处放置了少量碎石，粒径为20mm～100mm。放水后，这些碎石立即全部被冲走，试验溢洪道中多处出现局部水变浑现象。试验后检查发现，有多个台阶被划破。

　　第3、4、5次试验全程基本相似，总体水流较清，局部水流含有少量泥沙，较为浑浊。

　　（2）水深与流态

　　各次试验起始端和末端台阶上水深相差不大，随着试验蓄水池中水位降低而逐渐降低，下部台阶上最大水深为30cm左右。

　　各次试验中溢洪道中的流态大体相同，由于试验溢洪道坡度较陡，形不成壅水，因此其流态属陡坡上的急流。刚开始放水时，溢洪道类似连续的多个跌水，其中水流也呈台阶状前进。当闸门开度最大时，试验溢洪道中水流速度相应达到最大，此时溢洪道中的水流全断面充分掺气，水面线无明显的台阶状。当试验蓄水池中水位不断降低，溢洪道中流速降低到大约2m/s以下时，溢洪道中水流再次呈现连续台阶形态。

图4 阶梯方案末端测点流速过程线（第二次放水试验）

　　（3）流速与泄流量

　　图4为末端测点一次放水试验典型流速过程线。根据表5可知：，

　　①5次试验总历时65min，最大流速为3.1m/s；

　　②各次放水试验末端流速变化比较平缓；

　　③溢洪道中流量主要受放水闸门开度控制。阶梯方案放水试验各次闸门开度与平底方案试验时相差不大，因此，可以推算溢洪道中流量也应基本相同，即，最大流量在0.5m³/s左右。

　　（4）过水后检查每次试验后检查了土工膜表面、固定处和搭接处的情况，检查发现：

　　①用装满土的编织袋压重固定的两岸试验前后无明显变化；

　　②第1次试验放水试验中，施工时被划破的2个台阶充水，土工膜中土体变成泥浆；本次放水临近结束时，可见多处台阶被划破，且均充水；

　　③5次放水试验全部结束后，仔细检查了各台阶，发现共有15个台阶土工膜水平面上被划破（其中2个台阶系施工时划破），占总台阶数的21%，其余台阶均完好无损。各台阶被划破土工膜的破口方向与水流方向大体一致，可以认为是水流中挟带碎石滚动时割破的。表4.5和表4.5系现场检查结果汇总表；

　　④从试验后检查结果来看，虽然有21%的台阶被划破，有2处连续有3层台阶被划破，土工膜中部分土体被带走而充满水，台阶原直立棱角变成弧形，但并未影响整体稳定性。

5 初步结论

　　（1）平底方案采用厚1.0mm的HDPE聚乙烯土工膜平铺衬砌试验溢洪道，土工膜采用分段搭接形式，下层土工膜端部利用浅沟埋入固定，两岸用编织袋压重固定，试验中末端流速最大达到10.7m/s，最大流量达0.5m³/s，在该条件下整体结构稳定，说明土工膜受高速水流冲刷时所受拖曳力较小，土工膜铺设结构形式和固定方法正确。

　　（2）平底方案试验中，试验初期水流中含有少量泥沙和石块，石块最大粒径约50mm，厚1.0mm的HDPE聚乙烯土工膜经历了泥沙的磨损和冲刷而未出现破坏；试验后期，在最大流速为10m/s，水流中泥沙最大粒径20mm左右，累计时间为11min左右的条件下，末端土工膜承受冲刷也未出现磨损破坏，表明1.0mm的HDPE聚乙烯土工膜具有较高的耐磨性。

　　（3）阶梯方案采用0.6mm的HDPE聚乙烯土工膜中间填土堆砌成底部阶梯状试验溢洪道，两岸用编织袋压重固定，试验中末端流速最大达到3.1m/s，最大流量达0.5m³/s，在该条件下整体结构稳定，说明这种结构形式和固定方法是合理的。

　　（4）阶梯方案试验中，初始水流中含有粒径20mm～100mm的少量碎石，即有多处土工膜被划破，而该方案试验最大流速仅为3m/s左右，表明0.6mm的HDPE聚乙烯土工膜的耐磨性较差。

　　（5）在相同水头和流量条件下，阶梯方案末端流速不到平底方案末端流速的30%，说明阶梯式溢洪道的消能效果比较好。因为水流经过阶梯式溢洪道时产生了水跃，水流沿程不断消耗能量，因此，总体消能效果较好。

　　（6）平底方案与阶梯方案相比，两者各有优缺点。平底方案的优点是结构简单，施工方便，土工膜用料省，由于其水深小，溢洪道的深度也相应可小一些。平底方案的缺点有两点，其一是沿程消能效果微小，末端需要采取适当的消能措施；其二是，为了防止土工膜直接受风吹雨淋日晒，其上需覆盖一定厚度的土层以防止老化，由于该方案溢洪道底部沿程是平直的，一旦局部覆盖土层破坏失稳，有可能造成全线覆盖土层滑落失稳，因此其稳定性较差。阶梯方案的优点是沿程消能效果好，结构稳定性强，适应在较高水头的工程中应用。其缺点是结构较为复杂，施工难度稍大，土工膜用量大，为达到足够的过流量，需要较大的断面深度。

　　（7）从两种土工膜衬护的溢洪道现场试验结果来看，两者的整体稳定性都比较强，对中小型淤地坝来说，两种衬护结构型式稍加完善，均可试验应用，相较而言，平底方案较为简便，更为适宜。

　　致谢：本项目试验方案制订时得到了水力学所郭军教高的帮助，试验中流速由水力学所刘继广、张世伟两位同志监测，一并致谢。

参考文献