防砂壩

防砂壩是建在土石流形成區或形成-流通區溝谷內的一種橫斷溝床的人工建築物，是防治土石流最具重要性和有效性的工程建築物之一。防砂壩按結構類型可以分為具有上部開敞式溢流堰的實體式重力壩和壩身設過流格柵的透水型格柵壩兩大類型。其主要的功能在於攔蓄河道泥沙、調節泥沙輸送、防止侵蝕、控制流心及抑止土石流等。

基本介紹

• 中文名：防砂壩
• 外文名：Sand dams
• 所屬學科：土木工程
• 相互影響：土石流、防護工程
• 功能：攔蓄河道泥沙、調節泥沙輸送
• 相關學科：生態學

簡介

防砂壩是建在土石流形成區或形成-流通區溝谷內的一種橫斷溝床的人工建築物，是防治土石流最具重要性和有效性的工程建築物之一。其主要的功能在於攔蓄河道泥沙、調節泥沙輸送、防止侵蝕、控制流心及抑止土石流等。我國興建了超過數千座的防砂壩，但這些防砂壩的攔砂壽命通常都很短，當大量的砂石被防砂壩攔阻後，防砂壩將漸漸淤滿，最後無法繼續攔砂，只好在下游繼續建新的防砂壩，最後使得山區到處都建滿了防砂壩。加上過去的工程建設過於注重安全性與實用性，忽略了對生態環境所造成的衝擊，大大破壞了原本的自然環境。近年來，由於生態保育的觀念提升，國內外都有壩體改善或拆除工程的研究，例如：美國為了保護瀕臨絕種生物及恢復河流環境或其他種種原因，而開始壩體移除的行動，為全球最早開始進行壩體移除的國家；在法國也先後為了恢復鮭魚的棲地進行了壩體移除；日本則是凍結許多水壩建設計畫，面臨計畫終止的水庫就有 92 座。

主要功能

作為主動防禦土石流災害的工程措施，防砂壩有以下功能：防砂控流，調節土石流流速、容重與規模；抬高局部溝段的侵蝕基準，護床固坡；減緩回淤段溝床縱坡，使土石流沖刷和衝擊力減小，減輕溝床侵蝕，抑制土石流發育；壩下游沖刷力增大而有利輸沙，對泥沙淤積和溝道演變起調節作用。

分類

防砂壩按結構類型可以分為具有上部開敞式溢流堰的實體式重力壩和壩身設過流格柵的透水型格柵壩兩大類型。兩種型式的防砂壩各有其優缺點，根據工作和施工等特點適用於不同的土石流災害治理中。重力式壩攔蓄量大、整體性好但施工周期長、費用高格柵壩則具有攔粗去細的分選作用，延長壩的使用期，施工快捷、便利又經濟的特點，梳齒和孔縫削弱壩的整體性和強度易被土石流衝擊而損壞。它們各有利弊且適應不同性質與規模的土石流災害治理。

設計參數

防砂壩設計的相關參數一般可以概括為：

（1）防砂壩的結構尺寸，其中包括防砂壩的高度、斷面形狀尺寸、開孔率等；

（2）防砂壩建築材料常數，主要是指修建防砂壩所使用的漿砌石或混凝土材料的材料常數，是進行結構計算的重要依據；

（3）防砂壩對流域溝道的影響表征，包括防砂壩的回淤縱坡和庫容等相關參數，體現了防砂壩工程的修建對當前土石流溝道的演化所起到的調節作用。

防砂壩與土石流流域的相互影響

防砂壩與土石流的相互作用

從整個流域角度看即防砂壩與流域的互饋機制，從防砂壩的工作歷程看，防砂壩與土石流流域的相互影響可分為兩個階段的運行狀態。第一階段為防砂壩的初始設計狀態，防砂壩修建後對上游入庫與下游出庫的當場土石流的容重、規模等進行調節，攔蓄土石流後發揮調節溝道縱坡、穩固滑坡坡腳和控制溝床質儲量與堆積形態等作用，這一階段以防砂壩對土石流的調節作用為主，表現為土石流的淤積當溝床比降、泥沙輸移量等變化到一定程度並適應所建防砂壩時，兩者的相互作用發生轉變，以土石流對防砂壩的作用為主，如衝擊、沖刷、磨蝕等，同時防砂壩也轉化為長期運行狀態。在防砂壩的兩個狀態過程中，一種情況是由於對土石流規模的估計過大，存在防砂壩工程的設計預估量超出土石流的實際規模，使防砂壩工程前期淤積量不多，常年處於閒置狀態，導致資源浪費另一方面還存在因攔蓄量估計不足，壩庫淤積量劇增導致設計標準不足，超量淤積和過流使防砂壩損壞提供新的土石流物源，造成更大規模的土石流災害。因此防砂壩的工程設計不但要考慮工程實施前的流域原始狀態，還應滿足流域系統轉化後的長期運行狀態。相關課題的研究將為解決防砂壩工程設計年限、規模及參數等相關問題提供依據，使防砂壩的調節能力與土石流規模的發展變化相適應。

防砂壩與其他防護工程的協同作用

根據流域中土石流災害規模和性質等不同，所採取的防治措施和修建的防護工程各有區別，不同類型防護工程的結合能夠達成多種防治目的，如以工程量最小為目的的生物工程防治與土木工程防治相結合的措施、防砂效益最大以防砂壩為防治系統主導工程的措施和輸沙效益最大以排導槽為主導防治工程的措施、系統可靠性最高的綜合治理措施等。目前土石流防治工程多為單項工程設計，忽略了多項防護工程間的協同作用，而導致單項工程的設計不合理，在防砂壩工程的設計中顯得尤為突出。基於防砂壩與流域的互饋機制，考慮防砂壩的調控作用和土石流流域的反饋作用，針對不同防治目標，將防砂壩與上下游的防治工程聯繫起來，進行局部溝段防治工程群的配置最佳化，進而使全流域的防治工程組成一個防治能力最佳化的防治工程系統。從協同作用方面考慮防砂壩的設計等內容也為防砂壩研究提出了新思路，如上下游工程分擔土石流流量的比例、相鄰工程修建時的銜接構造等。

防砂壩對環境的影響

生物洄游路逕受阻隔

橫向構造物的興建後，阻隔了原本可以在溪流中自由遷徙移動分布的水生生物，尤其是生活史中具有降、溯河性行為的種類。

棲息地單調化

橫向構造物完工後，壩上方新形成的深潭，被水流攜帶的砂礫石塊漸次淤滿，減少了適合魚類棲息所需的物理性環境因子與結構性棲地，即河道變寬，流速減緩，水深變淺；由深潭、急流、緩流與淺瀨等多樣化的棲地變成寬而淺的單調淺瀨的河道。

減少水生生物的多樣性與豐富度

橫向構造物攔砂造成上游淤砂的單一化棲息環境，與常被水流揚起的沙質所產生的混濁，對水生生態系與藻類等多樣性與豐富度造成負面影響。

水生生物族群基因庫縮小與區隔化

由於溪流被構造物分隔而成區段化，在相隔兩河段間，都只有向下游的單向分布。不論何種魚類或水生生物，被封閉在有限的水域內，族群擴散模式遭阻斷，持續進行單向的生殖交流活動，使得族群因近親交配，造成基因庫趨於單一化，其適應環境變化的能力逐漸降低，以致有滅絕的危機。

壩體拆除

全部移除

將堰壩壩體與所有其他附屬構造物拆除，兩側直至壩墩，其作法在於移除所有的人工構造物，亦即將河道恢復成過去未建壩的樣子。

完全切開

拆毀壩體結構或是切開，使其接近原來的河床位置，完全切開不需將所有的堰壩及附屬構造物拆除。

部分切開

指移除部分壩體，使得堰壩不能蓄水，堰壩仍然存在，但開口需夠大使較大洪水可順利通過，切開順序如下：垂直方面逐步拆除，保留基座防止河床嚴重縱向刷深。從中央以 U 字型或 V字型往下逐步拆除，河道圍堰一半，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

當水位降低時，存在的水位不再對壩體施加過大的水壓力，對於安全上的緊急處理或移除橫向水工結構物先行步驟有所益處。