淤地坝的试验研究

黄土高原淤地坝建设所取得的巨大成就与经验，是与科学研究分不开的。从西周到晚清，自劳动人民在生产实践中创造了坡地修梯田，沟壑筑坝淤地等水土保持措施以来，其试验研究工作也就相运而生。民国时期和建国初期，国家主管部门对淤地坝建设的推动，都是从开展科学研究入手，首先是建立科学研究机构。水利专家李仪址先生于1927年提出在沟道中修筑淤地坝，防治沟壑扩展，减少入黄泥沙的技术方案，作为治黄方略的一个重要组织部分付诸实施。20世纪40年代，国民政府农林部和黄委会，先后在天水和西安建立了水土保持实验区，开展水土保持科学研究。1945年由国家投资，黄委会关中水土保持试验区在西安市郊荆峪沟流域支沟上修建留淤土坝一座，控制流域面积2.6 km²，土方2万m³，是黄河流域第一座“官办”淤地坝。建国后，随着水土保持事业的发展，水保科研机构也相应地发展。在此基础上，根据各个时期的工作需要，采取试验、示范、推广相结合，室内实验与野外试验相结合，与教学单位和业务管理部门联合攻关等不同形式，开展科学研究，在沟道侵蚀机理、淤地坝规划布局、设计技术、施工技术、监测技术、管理技术等基础理论和应用研究以及新技术、新方法、新工艺开发方面，取得了大量的研究成果。

新中国成立后，黄土高原科研单位和业务管理部门，在总结历史经验的基础上，把筑坝淤地作为水土保持的一项重要工程措施，积极试验、示范、推广，其发展过程大致经历了4个阶段：

——试办示范阶段（1949—1957）

从1949年开始，在陕西省米脂县试修淤地坝。1952年绥德水保站成立后，以绥德、米脂、佳县、吴堡四县为重点试办区，积极宣传推广修坝淤地，两年内筑坝214座，一般坝高5—10m ，单坝控制面积0.5 km²以下。1953年后，在晋、陕、蒙得到大面积推广，筑坝淤地技术得到普及。西峰水保站也重点开展了塬面治理和沟壑治理的试办与推广，创建了南小河沟十八亩台沟壑土坝。

——大发展阶段（1959—1980 ）

由于前阶段试办成功，使群众看到筑坝的好处。建立了以沟坝为中心的基本农田，在淤地坝施工中，各地大搞技术革新现和工具改革，较多地采用爆破松土、拖拉机碾压、水枪冲土、水中倒土、水坠法筑坝技术，淤地坝有了突破性进展，建坝工效成倍提高，成本大幅度下降。仅1968年到1980年12年，共修淤地坝2.76万座，可淤地3.3万hm²。陕西省榆林、延安地区1973—1975年新增坝地17.6万亩；山西省1970—1980年11年内新增坝地占1949—1987年内新增坝地的50.6%；内蒙古自治区黄甫川流域，70年代所修淤地坝占淤地坝总数的61.7％。但这段时间，有些地方在筑坝淤地中曾出现不按自然规律办事的偏向，工程设计不合理，施工质量差。在1977—1978年两次特大暴雨中，这部分工程遭到不同程度的水毁损失。但这段时期淤地坝的发展数量、坝系布设和施工技术都比过去有较大突破，而且在拦泥、淤地、增产上卓的成效。

——以治沟骨干工程为支撑的坝系建设新阶段（1981—1992 ）

这一时期，虽然淤地坝建设速度比70年代减缓，但筑坝技术、效益则进一步提高。各地认真总结30年筑坝淤地经验教训，对淤地坝的坝系规划、工程结构、设计洪水标准和防洪保收、建坝顺序和规模、拦洪蓄水淤泥生产相结合、坝地水土资源高效利用、生产管理和维修养护等方面进行了大量研究，取得了重要成果，其中“以坝保库、以库保坝”、“小多成群有骨干”等经验为群众所共识。1986年以来，经国家计委批准立项，开始在黄河中游多沙粗沙区进行治沟骨干工程专项建设。由于有正规的设计，库容比较大（大于50万m³），不仅有拦泥库容，而且有防洪库容。因此，能够起到“上拦下保”的控制作用，充分发挥拦泥、淤地、防洪、保收等综合效益，在多次暴雨袭击下，未发生垮坝现象。1986—2002年，共修建骨干工程约1500座，淤成坝地32.0万hm²，保护川台地1.87万hm²。晋西、陕北一些开展淤地坝建设较好的小流域沟道已形成坝系，有些已接近相对稳定。

——坝系相对稳定建设研究阶段

进入90年代中期，在国家“八五”攻关课题《多沙粗沙区沟道流域淤地坝坝系相对稳定研究》、“九五”水保科研基金课题《黄土丘陵沟壑区小流域坝系相对稳定及水资源开发利用研究》指导下，广大科技人员以沟道坝系为主要研究对象，重点开展坝系相对稳定、沟道坝系水土资源开发利用、淤地坝运行管理机制、淤地坝的监测技术等方面的研究，并将研究区域和领域进一步扩大。科学试验研究为领导决策，确立 “以支流为骨架、小流域为单元，骨干坝和中小型淤地坝相配套，建设沟道坝系”的思想起到了科技支撑作用。目前，黄土高原地区初步建成了以陕西省宝塔区碾庄沟、山西省离石县阳坡、内蒙古准格尔旗川掌沟、甘肃省定西县花岔、宁夏西吉聂家河等为代表的一大批小流域坝系，对坝系建设起到了积极的典型示范作用。

在试验研究内容上，经过广大科技人员几十年的辛勤工作，在淤地坝的拦泥减蚀机理、坝系规划、坝库设计、工程施工、管理养护、新技术应用等方面取得了大量科研成果，并为黄土高原的淤地坝建设起到了科技支撑的作用。

—— 淤地坝拦泥减蚀机理研究，基本摸清了沟壑中产水产沙规律，为领导决策提供了科学数据

20世纪80年代以来，国家自然基金、水利部水沙基金、黄委会水保基金等相继开展了河龙区间水沙变化分析研究，其中淤地坝拦泥减蚀作用分析是很重要的一部分。重点开展了小流域水沙变化、淤地坝减水减沙减蚀作用和效益计算方法研究，并对黄河来水来沙区域和趋势进行了分析预测。淤地坝的减水减沙作用，从大量的调查的测量，得到每公顷坝地的拦泥量随坝高不同而不同，坝愈高单位面积坝地拦泥量愈大；通过对河龙区间21条支流分析，淤地坝减沙量占水保措施减沙量的42%—80%，坝系的拦泥减沙效益是其它水保措施不能比的；淤地坝具有抬高基准面，防止沟道下切和沟岸坍塌、扩张的作用。据西峰水保站在南小河沟的观测，该流域泥沙主要来自沟床下切，红土泻溜和坍塌，其侵蚀量占全流域产沙量的25.5%和60%左右；熊贵枢等用支流把口站的资料分析了无定河赵石窑以上坝库的减蚀量，得到其减蚀作用约为多年平均输沙量的20.8%。可见坝库的减蚀作用是可观的

——坝系规划布局研究，使淤地坝建设逐步迈入规范化、科学化和区域化的轨道

淤地坝规划是指坝系建设规划。坝系建设的主要含义，就是在一条小流域内，规划修建“小多成群有骨干”的土坝工程体系，做到遇洪水能拦，遇天旱能灌，淤地能种，水多能排，来沙能淤，种植安全。围绕坝系建设，各地科研单位在规划原则、工程结构、合理布局、建坝密度，洪水调节等方面开展了研究。1959年，绥德水保站在韭园沟小流域修筑淤地坝时，将一条沟道中的坝分为主坝与腰坝，拦截上游的洪水，保护坝地安全生产。此时开始出现“坝系”的概念。

此后，随着淤地坝的增多，坝地防洪保收问题愈来愈突出，1961年，绥德水保站在坝地较多的王茂沟流域进行坝地防洪保收试验研究时，有意识地进行坝系规划。并提出坝系规划的原则是“因地制宜，全面规划，大小结合，蓄种相间，轮蓄轮种，计划淤排”；在坝系布局上提出“全面利用，以排为主”和“蓄种相间，蓄排结合”两种形式；在建坝顺序上提出了支毛沟由下到上、干沟由上到下或上下结合的办法。1970年以后，由于水坠坝技术的应用推广，淤地坝发展到一个新阶段，淤地坝不断增多。淤地坝的坝系布设在王茂沟坝系布设的基础上，各地结合实际，又开展了多种形式的坝系规划研究工作。

七十年代中后期，黄河中游地区连续发生暴雨洪水毁坝事件，在总结二十年淤地坝建设经验和洪水毁坝教训的基础上，提出坝系中应增加控制性骨干淤地坝（此即后来所说的骨干坝），1979年将王茂沟坝系规划原则改为“因地制宜、全面规划、骨干控制、滞洪排清、全面利用，一次设计、分期加高、防洪、拦泥生产相结合”，这一规划布设与防洪保收原则，首先反映坝系应中增设骨干坝以提高其防洪能力；其次，它反映出淤地坝的结构以两大件为主，以便于滞洪排清；再次，反映出坝系建设的目标是，长期发挥防洪、拦泥和生产效益，以便相对稳定的实现。

进入八十年代，坝系研究由建实体模型、总结经验为主转入理论研究为主的阶段。1983年，绥德站应用正交试验分析法，对小流域坝系的布坝密度、骨干坝位置、泄水建筑物形式（结构组成）、打坝顺序及建坝时间间隔等进行优化研究；1987年黄委会第一期水保基金，研究提出了晋西、内蒙古、陇东、海东等不同类型区小流域坝系规划的方法的总体布局；全面总结了无定河流域40多年来大型淤地坝的建设经验，首次开发了集数据库、模型库、图形库及专家系统为一体的无定河治沟骨干工程决策系统；九十年代，利用非线性规划技术以建坝高度和建坝时间为决策变量进行优化规划研究，西北农大以淤地坝的拦泥坝高、滞洪坝高为决策变量，对坝系进行过优化研究；此外，山西省水保所也进行过该方面的研究。

与此同时，国家八五攻关项目和黄河水土保持科研基金项目，也曾设专题进行坝系相对稳定试验研究，结合课题研究建立了榆林沟、韭园沟实体模型。

淤地坝防洪保收研究，绥德站于1979—1985年在王茂沟及黄土坬等五个坝系，进行坝系防洪保收观测试验，通过分析总结，得出在侵蚀模数1.8—2.0万t/km²的地区，坝地面积相对稳定指标为流域面积的1/20，坝地高杆农作物的耐淹深不超过0.8m，耐淹时间为5—7天，耐淤厚度不超过0.3m/次。山西省水保所于90年代初，曾进行过防洪保收人工模拟试验，其研究结果基本接近于前述指标。这些研究成果都为淤地坝的规划和深入研究奠定了基础。

——设计技术的研究，提高了淤地坝的防洪标准，使工程结构更趋合理

坝库的设计技术主要开展了设计洪水标准、工程结构、最优土坝断面确定的研究。

在设计洪水标准研究方面，建国初期，大部分地区缺少气象水文资料，沟中修坝一般用调查洪水作为设计洪水，或用暴雨推求设计洪水。从50年代后期，各地有关单位经过研究提出适应一定范围的小洪水设计计算方法与经验公式，供部分地区使用；大部分无资料地区则引用邻近地区暴雨资料来推求洪水。70年代以来，黄河流域各省（区）和许多地、市相继编写出当地的水文手册、水文图集等。1986年由黄河上中游管理局主持编写《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》，由水利部颁发执行。同时各省（区）也根据工作需要，编写了技术手册，供设计用。陕西省编印了《陕西省水土保持骨干工程手册》、山西省编印了《山西省淤地坝设计、施工实施细则》等。这些规范、规定的制定，使淤地坝建设走上了规范化道路。

在工程结构方面， 1953年起黄委会西北黄河工程局在中游地区建设沟壑工程，其设计标准、施工技术都参照水利工程中土坝建设的有关技术进行的，设计标准为P=10%，校核标准为P=5%—2%，设计拦泥年限为5—10年，坝体结构组成以“三大件”为主，也有少数坝不设溢洪道，施工方式均为夯实法，这些坝建设过程中在有关试验站的配合下，做了大量的试验观测工作，取得了大量一手资料并由西北工程局总结编写了《沟壑土坝工程设计手册》、《设计工作细侧》及《沟壑土坝施工简则》，这是黄土高原地区第一套指导淤地坝建设的试验研究成果。

与此同时黄委水科所，通过对中游地区四省332个筑坝土样的试验分析，研究确定了不同土料筑坝的经济断面，与水工土坝相比，显著地减小了淤地坝的断面，降低了筑坝成本。绥德站和榆林地区水电局，在总结多次洪水毁坝教训的基础上，得出了“减小坝控面积、提高设计标准、采用高坝大洞（两大件）、以库容制胜”的淤地坝建设指导思想，为后来骨干坝的建设提供了理论实践依据。在提高淤地坝设计水平和设计效率方面，黄河上中游局和陕西省水保所从90年代初开始，进行了计算机CAD辅助设计探索和研究，极大地提高了淤地坝的设计效率和精度，目前，淤地坝设计中的洪水计算、调洪演算及制图等，都可以在计算机上完成。

——筑坝技术的研究，加快了淤地坝的发展速度，提高了工效，降低了成本

淤地坝的施工技术主要是针对土坝施工而言的，传统的施工方式主要有夯实和碾压两种，从五十年代开始，黄委水科所、山西水保所、天水站和绥德站等单位，先后在定向爆破法筑坝和水坠法筑坝等方面进行了大量的试验研究，同时对特殊材料的筑坝方法也做了一些探索。

定向爆破筑坝技术，由山西省水保所于1958年首先在吕梁地区的两座淤地坝的施工中试验，此后天水水保站、西峰水保站与教学单位合作在土坝、水库中进行了试验。在试验过程中，爆破药量从几十公斤到几十吨，爆破土方从几百方到几万方不等，由于没有一个单位进行过系统的试验研究，使得该项技术的研究未能推广，在工程实践中未得到有效应用。90年代黄河上中游管理局、陕西机械学院、清水河水保局三家联合在内蒙古又进行了定向爆破—水坠筑坝试验，这次试验成功，解决了干旱少水、交通不便、缺乏大型机械地区筑坝的困难，为领导决策提供了科学数据。

水坠法筑坝技术，首先由黄委水科所和绥德站合作，于1958年在韭园沟进行试验，采用了水中倒土、土中倒水、引水拉土等许多方法，为水力冲填技术的深化研究奠定了基础。1973年黄委会与陕、晋两省共同组成陕晋水坠坝试验研究工作组正式开展研究，1979年成立黄河流域水坠坝试验研究协调小组，至此，水坠筑坝技术在黄河流域乃至全国普遍推广。主要技术要点是：水坠坝施工期的稳定计算、确定边埂的宽度和质量、掌握好泥浆的浓度、控制好冲填速度、做好排水措施、经常进行观测。该小组在短短几年中取得科研成果80余篇，其中《水坠法筑坝》系列研究成果包括《水坠坝设计要点》、《水坠坝施工须知》及《水坠坝技术规范》等， 1978年获全国科学大会科技成果奖，1981年获国家科委和国家农委的“水坠坝的研究与推广”奖，1985年获国家科技进步二等奖。

水坠筑坝法由于对施工条件要求不高，成本底，技术简单便于群众掌握，而在黄土高原全面推广。此外，特殊材料筑坝也曾进行过试验研究。陕西、内蒙等地在盖沙丘陵区，利用风沙土筑坝获得成功。绥德站于九十年代初曾进行过砒砂岩筑坝材料的研究，包括砒沙岩的物理、力学性质、化学成份测试分析和冻融对力学性质影响的试验，取得了大量第一手资料。由于种种原因，该项目未进行进一步的试验研究。

——淤地坝管理技术的研究，明晰了产权，提高了坝地的经济效益

淤地坝的管理养护包括平时管理养护、汛期防洪抢险、坝地防洪保收和防治盐碱化等内容。

在平时管理养护方面，主要针对坝库竣工后，如何保证淤地坝的安全和充分利用研究了一些措施。一般实行分级管理制度，县办县管，乡办乡管，村办村管，建立工程管理委员会。

在汛期防洪抢险方面，主要针对防洪保坝保收，研究布置防洪抢险方案，坝库出现险情时的技术处理措施，制定一些乡规民约等。

在防洪保收方面，针对暴雨中庄稼被淹被冲，严重影响作物产量。总结出一套坝地防洪保收的办法，其中比较普遍采用的是“上拦下排，中间淤漫”。在坝地上游修一座拦洪坝，拦住上游来的洪水；在坝地一侧开挖排洪渠，把洪水有计划地排走；同时在坝地上筑起滞洪围堰，将部分洪水有计划地引入坝地滞洪落淤。

在防治盐碱化研究方面，针对有常流水的沟道，因盐碱化的危害，坝地有1/3左右不能利用。从认识“盐随水来，盐随水去”的规律，总结出治理坝地盐碱化的根本措施是排水。即：开挖排水沟，降低地下水位；打井挖泉，修池蓄水，排灌结合，变旱坝地为水坝地，降低地下水位；引洪漫地，垫土压碱，将沟洪、坡洪、渠洪引入漫淤坝地，淋洗坝地土壤，降低含盐量；种植水稻等耐碱作物。

——新技术、新材料应用研究，为淤地坝建设提供了科技支撑

　　 自1986年起，山西省水保所，结合王家沟流域综合治理，开展了“坝地防洪保收技术研究”课题。采用定位观测和调查研究相结合的方法。在对全流域防洪能力分析的基础上，对影响坝地防洪保收的有关因素进行了观测、分析与研究；对坝地玉米、高梁进行了耐淹试验。提出了影响坝地防洪保收几个因素的量化指标：即坝地作物的耐淹程度；坝地防洪保收与洪水频率和坝地面积与其所控制区间集流面积之比的关系（首先满足坝地面积与其所控制区间集流面积之比大于1/50，分为三个阶段：比值大于1/50的坝地属初步利用阶段，比值为1/30--1/50 的坝地属基本保收阶段，比值小于1/30的坝地可实现水沙平衡达到保收。），坝地受淹情况下土壤入渗特征（坝地土壤入渗率的大小，与淹水深度呈正相关；相同土壤在同一水质情况下，从初渗到稳定入渗的时间基本相同；清水从初渗到稳定入渗所需时间为48h，洪水则为168h；清水的稳定入渗率为0.17—0.24mm/min，洪水0.17—0.023mm/min，清水时的土壤稳定入渗是洪水时的10倍），坝地防洪保收与涵洞泄量的关系。坝地玉米、高粱所允许的淹水深度和耐淹时间（在同一淹水深度下，淹水时间短的受害轻，淹水深的受害重；在同一淹水历时内，淹水浅的受害轻，淹水深的受害重。在同等条件下，玉米受害程度较重，高粱受害程度较轻，即高粱的耐淹性能优于玉米。清水和模拟洪水对作物危害较轻，天然洪水危害较重。结合七月上、中旬坝地作物高度，可将最大淹水深度80厘米、淹水时间7天作为坝地防洪保收的临界值，以此设计坝地排洪设施的断面尺寸。）。当坝地面积发展到适宜采取防洪保收措施时，在坝地一侧开挖排洪渠是使坝地达到防洪保收目的的有效途径。提出了《坝地防洪保收技术要点》。

自1981年起，黄河上中游管理局在黄河中游淤地坝中进行了植物护坡土坝过水试验。1981年—1988年，山西省水保所，鉴于坝地建设中普遍存在防洪标准低，容易引起洪水漫顶导致垮坝问题，根据山区沟道洪水峰高、量小、历时短的特点，为探求有效又易推广的淤地坝护坡措施，在离石县、中阳县、平陆县开展了植物护坡试验。选用野牛草、羊草和柠条、紫穗槐、狗牙根等灌木和草本植物，研究其抗冲性能和防护效果，获得成功。

1986年水利部水科院和伊盟水利处合作，在武家沟坝的宽浅式溢洪道上分别铺设了三合土，水泥土和砖块，进行过洪试验，1989年先后过流五次，累计过流时间6小时40分，堰顶最大水深2.1m，最大单宽流量4.42m³/.s，溢洪道三种护面材料未被冲刷，且经受了四个寒暑的考验；1985年—1989年水利部水科院，山西水保局，黄河中上游局联合在岚县上明水库土质溢洪道上进行石灰土，水泥土护面过水防冲试验，1988年汛期每天过水，最大过水1.2m，溢洪道护面完好无损，在经过最底-20°C低温考验后也无冻胀、裂缝现象。

1956年，甘肃省定西地区水保站，在安家沟小流域内修一座高20.5m，库容35m³，淤地100余亩。坝地含碱量高，不能种粮食作物。1978年在坝地四周修防洪堤、挖排洪渠、排碱渠，并建造“隔离层”，进行隔离试验。在此基础上，坝地全部种红柳，取得成功。从70年代起，绥德水保站开始研究坝地盐碱化的解决办法，并进行了推广。

1989年宁夏自治区水保学会，在彭阳县阳洼小流域水坠坝中进行了聚就乙烯微孔波纹管网状排水试验，经自治区科委组织鉴定，认为该排水系统用于水坠坝排渗，在高含粘量不透水沟床中建造水坠坝，替代沙井、沙沟和褥垫等排水设施效果良好，属于首创，其成果具有国内领先水平。

1992年7月，黄河中游治理局开展《聚乙烯微孔波纹管网状排水系统用于水坠坝排渗》研究，在甘肃定西播山沟（中壤土、格网状排水）和庄浪堡子沟（重壤土、格网状排水）青海乐都干条湾（重壤土、束网状排水）及宁夏西吉高同、下坪（重壤土、盲管排水）进行对比试验，取得了予期成果。