[科普中国]-防砂坝

简介

防砂坝是建在泥石流形成区或形成-流通区沟谷内的一种横断沟床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。其主要的功能在于拦蓄河道泥沙、调节泥沙输送、防止侵蚀、控制流心及抑止土石流等。我国兴建了超过数千座的防砂坝，但这些防砂坝的拦砂寿命通常都很短，当大量的砂石被防砂坝拦阻后，防砂坝将渐渐淤满，最后无法继续拦砂，只好在下游继续建新的防砂坝，最后使得山区到处都建满了防砂坝。加上过去的工程建设过于注重安全性与实用性，忽略了对生态环境所造成的冲击，大大破坏了原本的自然环境。近年来，由于生态保育的观念提升，国内外都有坝体改善或拆除工程的研究，例如：美国为了保护濒临绝种生物及恢复河流环境或其他种种原因，而开始坝体移除的行动，为全球最早开始进行坝体移除的国家；在法国也先后为了恢复鲑鱼的栖地进行了坝体移除；日本则是冻结许多水坝建设计划，面临计划终止的水库就有 92 座。1

主要功能作为主动防御泥石流灾害的工程措施，防砂坝有以下功能：防砂控流，调节泥石流流速、容重与规模；抬高局部沟段的侵蚀基准，护床固坡；减缓回淤段沟床纵坡，使泥石流冲刷和冲击力减小，减轻沟床侵蚀，抑制泥石流发育；坝下游冲刷力增大而有利输沙，对泥沙淤积和沟道演变起调节作用。

分类防砂坝按结构类型可以分为具有上部开敞式溢流堰的实体式重力坝和坝身设过流格栅的透水型格栅坝两大类型。两种型式的防砂坝各有其优缺点，根据工作和施工等特点适用于不同的泥石流灾害治理中。重力式坝拦蓄量大、整体性好但施工周期长、费用高格栅坝则具有拦粗去细的分选作用，延长坝的使用期，施工快捷、便利又经济的特点，梳齿和孔缝削弱坝的整体性和强度易被泥石流冲击而损坏。它们各有利弊且适应不同性质与规模的泥石流灾害治理。

设计参数防砂坝设计的相关参数一般可以概括为：

（1）防砂坝的结构尺寸，其中包括防砂坝的高度、断面形状尺寸、开孔率等；

（2）防砂坝建筑材料常数，主要是指修建防砂坝所使用的浆砌石或混凝土材料的材料常数，是进行结构计算的重要依据；

（3）防砂坝对流域沟道的影响表征，包括防砂坝的回淤纵坡和库容等相关参数，体现了防砂坝工程的修建对当前泥石流沟道的演化所起到的调节作用。2

防砂坝与泥石流流域的相互影响防砂坝与泥石流的相互作用从整个流域角度看即防砂坝与流域的互馈机制，从防砂坝的工作历程看，防砂坝与泥石流流域的相互影响可分为两个阶段的运行状态。第一阶段为防砂坝的初始设计状态，防砂坝修建后对上游入库与下游出库的当场泥石流的容重、规模等进行调节，拦蓄泥石流后发挥调节沟道纵坡、稳固滑坡坡脚和控制沟床质储量与堆积形态等作用，这一阶段以防砂坝对泥石流的调节作用为主，表现为泥石流的淤积当沟床比降、泥沙输移量等变化到一定程度并适应所建防砂坝时，两者的相互作用发生转变，以泥石流对防砂坝的作用为主，如冲击、冲刷、磨蚀等，同时防砂坝也转化为长期运行状态。在防砂坝的两个状态过程中，一种情况是由于对泥石流规模的估计过大，存在防砂坝工程的设计预估量超出泥石流的实际规模，使防砂坝工程前期淤积量不多，常年处于闲置状态，导致资源浪费另一方面还存在因拦蓄量估计不足，坝库淤积量剧增导致设计标准不足，超量淤积和过流使防砂坝损坏提供新的泥石流物源，造成更大规模的泥石流灾害。因此防砂坝的工程设计不但要考虑工程实施前的流域原始状态，还应满足流域系统转化后的长期运行状态。相关课题的研究将为解决防砂坝工程设计年限、规模及参数等相关问题提供依据，使防砂坝的调节能力与泥石流规模的发展变化相适应。

防砂坝与其他防护工程的协同作用根据流域中泥石流灾害规模和性质等不同，所采取的防治措施和修建的防护工程各有区别，不同类型防护工程的结合能够达成多种防治目的，如以工程量最小为目的的生物工程防治与土木工程防治相结合的措施、防砂效益最大以防砂坝为防治系统主导工程的措施和输沙效益最大以排导槽为主导防治工程的措施、系统可靠性最高的综合治理措施等。目前泥石流防治工程多为单项工程设计，忽略了多项防护工程间的协同作用，而导致单项工程的设计不合理，在防砂坝工程的设计中显得尤为突出。基于防砂坝与流域的互馈机制，考虑防砂坝的调控作用和泥石流流域的反馈作用，针对不同防治目标，将防砂坝与上下游的防治工程联系起来，进行局部沟段防治工程群的配置优化，进而使全流域的防治工程组成一个防治能力优化的防治工程系统。从协同作用方面考虑防砂坝的设计等内容也为防砂坝研究提出了新思路，如上下游工程分担泥石流流量的比例、相邻工程修建时的衔接构造等。2

防砂坝对环境的影响生物洄游路迳受阻隔横向构造物的兴建后，阻隔了原本可以在溪流中自由迁徙移动分布的水生生物，尤其是生活史中具有降、溯河性行为的种类。

栖息地单调化横向构造物完工后，坝上方新形成的深潭，被水流携带的砂砾石块渐次淤满，减少了适合鱼类栖息所需的物理性环境因子与结构性栖地，即河道变宽，流速减缓，水深变浅；由深潭、急流、缓流与浅濑等多样化的栖地变成宽而浅的单调浅濑的河道。

减少水生生物的多样性与丰富度横向构造物拦砂造成上游淤砂的单一化栖息环境，与常被水流扬起的沙质所产生的混浊，对水生生态系与藻类等多样性与丰富度造成负面影响。

水生生物族群基因库缩小与区隔化由于溪流被构造物分隔而成区段化，在相隔两河段间，都只有向下游的单向分布。不论何种鱼类或水生生物，被封闭在有限的水域内，族群扩散模式遭阻断，持续进行单向的生殖交流活动，使得族群因近亲交配，造成基因库趋于单一化，其适应环境变化的能力逐渐降低，以致有灭绝的危机。1

坝体拆除全部移除将堰坝坝体与所有其他附属构造物拆除，两侧直至坝墩，其作法在于移除所有的人工构造物，亦即将河道恢复成过去未建坝的样子。

完全切开拆毁坝体结构或是切开，使其接近原来的河床位置，完全切开不需将所有的堰坝及附属构造物拆除。

部分切开指移除部分坝体，使得堰坝不能蓄水，堰坝仍然存在，但开口需够大使较大洪水可顺利通过，切开顺序如下：垂直方面逐步拆除，保留基座防止河床严重纵向刷深。从中央以 U 字型或 V字型往下逐步拆除，河道围堰一半，先拆除一半，再拆另一半或剩下部分使其自然崩解。

水位降低当水位降低时，存在的水位不再对坝体施加过大的水压力，对于安全上的紧急处理或移除横向水工结构物先行步骤有所益处。1