黃錦林,張 挺,范嘉煒
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院;2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室;3.廣東省山洪災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635)
某山區(qū)河流堤防水毀原因分析
黃錦林,張 挺,范嘉煒
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院;2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室;3.廣東省山洪災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635)
山區(qū)河流坡陡流急,河道走勢復(fù)雜,洪水暴漲暴落,水位流量變幅大,集流散流過程迅速,堤岸容易因水流沖刷而產(chǎn)生破壞。文章針對某山區(qū)河道堤防工程水毀事件,結(jié)合河道床沙粒徑分析,從護(hù)腳塊石、堤腳沖刷以及其他人為影響因素等方面入手,分析了該段堤防的水毀原因,并提出了相應(yīng)建議,可供山區(qū)中小河流治理工程參考。
山區(qū)河流;床沙粒徑;沖刷深度;抗沖防護(hù);堤防
山區(qū)河流坡陡流急,河道走勢復(fù)雜,洪水暴漲暴落,水位流量變幅大,集流散流過程迅速,堤防工程容易因水流沖刷而產(chǎn)生破壞,是山區(qū)中小河流治理工程中的一個難點。對于山區(qū)河流的沖刷問題,國內(nèi)有關(guān)學(xué)者開展了大量的研究工作[1-6],但現(xiàn)有的研究多是針對山區(qū)河流堤防工程防沖設(shè)計展開的,結(jié)合堤防水毀事件對山區(qū)河流沖刷問題進(jìn)行研究的較少。本文針對某山區(qū)河道堤防水毀事件,從河道床沙粒徑特點、堤腳沖刷深度以及抗沖防護(hù)措施幾方面問題入手,分析工程水毀原因,并提出相應(yīng)建議,希望能夠?qū)ι絽^(qū)中小河流治理工作有所幫助。
某山區(qū)河流河長約26.6km,河床平均比降為10.8‰,河床寬30~60m,為寬淺型河道,該河道上游不遠(yuǎn)處建有一座中型水庫。
2011年5月9日,該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降雨,上游水庫進(jìn)行泄洪,當(dāng)水位高過堤腳擋墻墻頂約20cm時,河道一處堤段發(fā)生坍塌,坍塌長度約30m,水退后測得堤腳最大沖刷深度約1.2m。圖1是堤防坍塌段的典型設(shè)計斷面。
圖1 堤防坍塌段典型設(shè)計斷面
該工程為新建工程,按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,施工即將完成卻在首次過洪時發(fā)生堤岸坍塌,且此次降雨僅相當(dāng)于10年一遇暴雨,水位也遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計水位,為何會出現(xiàn)堤岸坍塌值得研究。下面針對這一山區(qū)河道堤防工程水毀事件,對坍塌原因進(jìn)行分析。
為了摸清該段堤防的水毀原因,我們進(jìn)行了河道床沙粒徑分析。粒徑分析試驗采用篩析法,測量河道床沙樣中各種粒組所占該樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),并了解顆粒大小分布情況。采用粗篩和細(xì)篩進(jìn)行篩分試驗,得到的典型樣顆粒級配曲線見圖2,圖3是典型樣粒徑分布曲線,表1是典型樣特征粒徑。
圖2 典型樣顆粒級配曲線
圖3 典型樣粒徑分布曲線
表1 典型樣特征粒徑
按照《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》(SL42-2010)的規(guī)定[7],河流泥沙按表2進(jìn)行分類,該河道床沙中值粒徑d50平均值為12.30mm,屬于礫石。
表2 河流泥沙分類
在水流作用下,防護(hù)工程護(hù)坡、護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑(折算粒徑)及重量可按下式計算[8]:
式中,d-折算粒徑,m,按球型折算;W-石塊重量,kN;V-水流流速,m/s;g-重力加速度,m/s2,取g=9.81m/s2;C-石塊運動的穩(wěn)定系數(shù),水平底坡C=1.2,傾斜底坡C=0.9;rs-石塊的容重,kN/m3,可取 rs=26kN/m3;r-水的容重(kN/m3), 取 r=9.81kN/m3。
對于水平底坡,取C=1.2,則式(1)為:
對于傾斜底坡,取C=0.9,則式(1)為:
表3給出了不同水流流速對應(yīng)的塊石抗沖粒徑(折算粒徑)和抗沖重量,從表中可以看出,隨著水流流速的加大,要維持塊石的穩(wěn)定,需要的塊石抗沖粒徑和抗沖重量增幅是比較大的。
表3 不同水流流速對應(yīng)的塊石抗沖粒徑和抗沖重量
表3的計算結(jié)果表明,隨著河道水流流速的加大,要維持塊石的穩(wěn)定,要求的塊石抗沖重量急劇增加。在山區(qū)河流中,河道坡降一般較大,3~4m/s的流速較為常見,5m/s左右或者更大的流速也有可能出現(xiàn),所以,上噸重的大塊石被沖動也就不足為奇。失事堤段設(shè)計流速為3.62m/s,按照傾斜底坡考慮塊石抗沖粒徑約0.50m。由于水毀堤段位于河道迎流頂沖岸段,加之河道坡降較大,水流流速大,失事時由于施工進(jìn)度原因未進(jìn)行拋石護(hù)腳,僅用河床沙卵石進(jìn)行了覆蓋,在水流作用下,堤腳砂石被帶走,最終導(dǎo)致堤腳擋墻松動引起堤岸坍塌。
順壩及平順護(hù)岸的沖刷深度可按下列公式計算[8]:
式中,hs-局部沖刷深度,m;H0-沖刷處的水深,m;Ucp-近岸垂線平均流速,m/s;Uc-泥沙起動流速,m/s,該山區(qū)河流以卵礫石為主,可采用長江科學(xué)院的起動公式按式(7)計算;n-與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取n=1/4~1/6;U-行近流速,m/s;η-水流流速不均勻系數(shù),根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表4采用。
式中,d50-床沙的中值粒徑,m;γs、γ-泥沙與水的容重,kN/m3,取 rs=21kN/m3,r=9.81kN/m3;其余符號意義同前。
表4 水流流速不均勻系數(shù)
水毀堤段位于河道迎流頂沖岸段,水流流向與岸坡交角 α由原來的30°改變?yōu)?0°,水流流速不均勻系數(shù)η可取2.75,沖刷處的水深H0約1.2m,與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)的系數(shù) n取1/4。按照床沙粒徑分析結(jié)果,床沙的中值粒徑 d50取0.0123m。表5給出了不同水深、不同行近流速情況下堤腳的沖刷深度計算結(jié)果。
汛期該山區(qū)河流流速較大,約3~4m/s,按表5的計算結(jié)果,堤腳最大沖刷深度約0.65~0.79m,但實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)堤腳最大沖刷深度約1.2m。計算與實際的沖刷深度有所差異,分析其原因,主要因為計算采用的是《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)沖刷深度計算公式,該公式是根據(jù)長江、黃河、珠江及其他河流采用的一些公式提出的,比較適用于大江大河。由于大江大河水深較大,坡降較緩,水流緩,水流垂向流速分布差異較大,近底層流速相對較小,而山區(qū)河流水深相對更小,坡降較陡,水流急,水流垂向流速分布差異更小,近底層流速相對更大。特別是當(dāng)山區(qū)河流水深不大時,水流混摻更為嚴(yán)重,水流垂向流速分布差異小。因此,當(dāng)水深不大時,山區(qū)河流的實際沖刷深度要比《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)中沖刷公式計算深度更大,這一點應(yīng)引起水利技術(shù)人員的注意,建議對于山區(qū)河流要研究更符合其河道特點的沖刷深度計算公式。
表5 堤腳沖刷深度計算
針對該山區(qū)河道堤防水毀事件,通過前面的護(hù)腳塊石抗沖粒徑(重量)和堤腳沖刷深度計算,結(jié)合事后的事故原因調(diào)查,發(fā)現(xiàn)造成其水毀的原因除了河道坡降大、水流急等自然因素以外,還有以下幾方面人為影響因素:
(1)發(fā)生水毀事件時是在當(dāng)年的5月初,剛進(jìn)入汛期,降雨前河道水位較低。由于該次降雨量相對較大(約10年一遇降雨),河道上游不遠(yuǎn)處的一座中型水庫為維持汛限水位開閘泄洪,導(dǎo)致河道由枯水期的低水位來承接上游來水,水位上漲迅速,河道比降大,水流流速較大,在初期低水位時甚至出現(xiàn)急流,一定程度上加劇了河床的沖刷。
(2)由于該河道淤積較為嚴(yán)重,按照設(shè)計要求,需進(jìn)行河道清淤疏浚,清出來的砂礫卵石料用于堤防的堤身填筑。在實施過程中,施工單位在未按照設(shè)計要求先進(jìn)行河道清淤疏浚的情況下就開展堤防填筑,并且為了施工方便,枯水期直接開挖掘機(jī)在堤前河道挖取砂礫卵石料筑堤,造成堤腳前被人為開挖出一條過水通道。在河道斷面其他部位未清淤疏浚的情況下,這樣的做法改變了原天然河道的主槽,使汛期的主流直接引向了堤腳,且垮塌堤段還形成了一種迎流頂沖的態(tài)勢,水流流向與岸坡交角α由原來的30°改變?yōu)?0°,水流集中且流速大,直沖堤岸,造成失事時水流將堤腳沖出一個1.2m的深坑,導(dǎo)致堤防垮塌。
(3)按照設(shè)計圖紙要求,為防止堤腳沖刷,堤腳前應(yīng)拋填大塊石護(hù)腳,按照表3的計算結(jié)果,塊石還必須具備一定粒徑(重量),失事堤段設(shè)計流速為3.62m/s,按照傾斜底坡考慮塊石抗沖粒徑約0.50m。由于施工進(jìn)度的原因,施工單位在堤身建好后還未來得及拋填大塊石護(hù)腳,僅用河床沙卵石進(jìn)行覆蓋。但當(dāng)年的洪水來得早,剛進(jìn)入汛期就發(fā)生了約十年一遇的較大洪水,在缺乏大塊石防護(hù)的情況下,在這種迎流頂沖堤段必然會在堤腳沖出大的沖坑。
(4)在原設(shè)計的塊石護(hù)腳未實施的情況下,雖然堤腳前用河床沙卵石進(jìn)行了覆蓋,但由于河床沙卵石粒徑小,重量輕,較小的流速就能造成其起動,難以達(dá)到防沖要求。加上該段水流集中且流速大,失事堤段迎流頂沖,按照表5的計算結(jié)果,堤腳最大沖刷深度約0.65~0.79m,按照設(shè)計工況(水深2.97m,流速3.62m/s,水流流向與岸坡交角α約30°)由公式核算的最大沖刷深度為1.46m。該堤段在未拋填塊石護(hù)腳的情況下,實際洪水來時最大沖深達(dá)1.2m,而堤腳擋墻埋深僅1m,堤防垮塌也是必然。
水退后,對失事堤段進(jìn)行了加固處理,堤腳擋墻埋深由原1.0m調(diào)整為1.5m,堤腳前拋填了大塊石護(hù)腳,河道也按設(shè)計要求進(jìn)行了清淤疏浚,到目前為止,經(jīng)歷幾個汛期考驗,未再出現(xiàn)問題。通過該堤防工程水毀事件,針對山區(qū)河流特點,我們要對正在開展的山區(qū)中小河流治理工作提出如下建議:
(1)對于河道上游建有水庫或水閘等蓄水工程的,如通過閘門啟閉來控制泄洪,閘門應(yīng)分級開啟,避免一步到位帶來下游河道的沖刷。
(2)河道清淤疏浚要講究方法,清淤疏浚應(yīng)按要求及時開展,清淤斷面要使河道主槽遠(yuǎn)離堤腳,特別要避免出現(xiàn)堤岸迎流頂沖現(xiàn)象。
(3)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)中沖刷深度計算公式適用于大江大河,對于山區(qū)河流,由于其水流特點與大江大河有所不同,建議進(jìn)一步研究符合其河道特點的沖刷深度計算公式。
(4)對于山區(qū)河流一些流速較大的部位,由于堤防護(hù)腳塊石抗沖粒徑和抗沖重量要求較大,不能簡單地采用拋石的方法進(jìn)行護(hù)坡或護(hù)腳,應(yīng)提高護(hù)坡、護(hù)腳表層單個塊體的形狀穩(wěn)定系數(shù),并使之嵌固緊密,接縫平順。此外,可以采用增加塊體整體性的方法(如合金鋼絲籠、混凝土灌砌石等),使其成為一個整體,提高抗沖能力。對于流速較大部位的堤段,堤腳擋墻還要求有一定的安全埋深。
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[7]SL42-2010.河流泥沙顆粒分析規(guī)程[S].
[8]GB50286-2013.堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].
TV871
B
1672-2469(2017)10-0125-04
10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.035
2017-03-29
廣東省水利科技創(chuàng)新基金項目(2015-11)
黃錦林(1971年-),男,教授級高級工程師。