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        淮北大堤渦下段險(xiǎn)情類型分析及成因研究

        2020-10-19 10:54:58任增平金習(xí)武李坤
        水利水電工程設(shè)計(jì) 2020年3期

        任增平 金習(xí)武 李坤

        淮北大堤是保護(hù)淮北平原的主要防洪屏障,堤防級(jí)別為1級(jí),由淮河左堤、穎河左堤、西淝河左堤、渦河左堤、渦河右堤組成,其中淮河左堤在渦河口以下簡(jiǎn)稱渦下段,長(zhǎng)123.69 km。渦下段土堤修筑始于明代,至解放前堤身矮小單薄,1954年淮河發(fā)生全流域的大洪水后開始進(jìn)行全面的加高培厚,后期又?jǐn)嗬m(xù)對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了多次(處)進(jìn)行了小范圍的應(yīng)急除險(xiǎn)或續(xù)建加固。2004年最后一次加固工程實(shí)施前淮河大水年份行洪期仍出現(xiàn)許多險(xiǎn)情(隱患),對(duì)堤防安全構(gòu)成威脅。

        迄今未見(jiàn)科技文獻(xiàn)對(duì)渦下段土堤的汛期險(xiǎn)情進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)分類和地質(zhì)成因研究。本文根據(jù)1991—2003年堤防管理部門記錄的險(xiǎn)情,以及2004年加固工程設(shè)計(jì)完成的大量勘探試驗(yàn)成果,較為系統(tǒng)地分析、總結(jié)了渦下段土堤各種險(xiǎn)情(隱患)的類型,研究了險(xiǎn)情的形成原因,以期為今后的堤防工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)和堤防運(yùn)行管理、防汛搶險(xiǎn)提供參考。

        1 堤身的險(xiǎn)情類型及成因

        1.1 險(xiǎn)情類型

        1991—2003年堤身險(xiǎn)情共31處,除樁號(hào)120+900—122+200堤身發(fā)現(xiàn)狗獾洞、鼠洞外,其他均屬滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情,主要表現(xiàn)為汛期堤防背水坡滲水、散浸、內(nèi)堤(坡)腳滲水。

        1.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因

        1.2.1 大部分堤身砂性土含量高,抗?jié)B性較差

        樁號(hào)0+000—33+600堤段1991年汛期出現(xiàn)12處堤身嚴(yán)重滲水的險(xiǎn)情,總長(zhǎng)11 880 m,其中樁號(hào)19+300—22+000段1991年滲水堤長(zhǎng)2 427 m,2003年長(zhǎng)2 400 m。1991年汛期淮河水位18.5 m時(shí),樁號(hào)27+730—28+230、28+830—29+530、31+330—31+980等堤段內(nèi)坡腳1 m以上開始嚴(yán)重滲水,堤坡面有稀泥,內(nèi)灘地低洼積水深可達(dá)0.5~0.8 m。

        樁號(hào)0+000—34+920和48+800—56+700堤身土主要為輕粉質(zhì)壤土和砂壤土,夾中-重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土,輕粉質(zhì)壤土占39.8%~48.6%,砂壤土占25.9%~30.6%,滲透系數(shù)(5~7)×10-4cm/s。樁號(hào)60+100—123+690段堤身土大部分以砂壤土和輕粉質(zhì)壤土為主,滲透系數(shù)(4~8)×10-4cm/s,少數(shù)堤段以中-重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土為主,滲透系數(shù)(3~4)×10-5cm/s。堤身以砂壤土、輕粉質(zhì)壤土為主的堤段長(zhǎng)約106 km,占總長(zhǎng)度的86%,堤身土質(zhì)不良,抗?jié)B性較差。

        渦下段堤身險(xiǎn)情的重要特征,一是堤身滲水嚴(yán)重、滲水堤段長(zhǎng),二是堤身和堤基同時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情。1991年和2003年有18處堤身、堤基險(xiǎn)情相伴而生,原因就是堤身下部和堤基淺部都是由砂壤土、輕粉質(zhì)壤土等透水性較強(qiáng)、抗?jié)B性較差的土體組成。

        堤身砂壤土含量高,滲透性較強(qiáng),汛期堤身浸潤(rùn)線過(guò)高,滲透比降過(guò)大,是堤內(nèi)坡和堤腳滲水、散浸的主要成因。

        1.2.2 筑堤前沒(méi)清基或清基不徹底

        樁號(hào)104+239—105+504為老潼河河道封堵段,1991年和2003年汛期河水從堤身、堤基接觸面和不密實(shí)的堤身滲入堤內(nèi),形成險(xiǎn)情。據(jù)堤防管理部門分析,險(xiǎn)情的形成與堤身填筑不均及清基不徹底有關(guān)。后經(jīng)勘探驗(yàn)證,堤身、堤基結(jié)合部存在樹根等有機(jī)物。

        渦下段土堤歷史悠久,系沿河人民就近取土填筑而成,囿于認(rèn)知水平和條件限制,多數(shù)堤防填筑前沒(méi)清基或清基不徹底,堤基表面往往存有樹根、草甸土等有機(jī)物質(zhì),后經(jīng)腐爛造成堤基、堤身結(jié)合不緊密,汛期沿結(jié)合部滲水、漏水,形成險(xiǎn)情(隱患)。

        1.2.3 存在生物洞穴

        1991年汛期險(xiǎn)情記錄樁號(hào)120+900和121+400分布狗獾洞、鼠洞,洞穴較密集。2003年汛期在樁號(hào)121+200—122+200堤段的外坡、內(nèi)坡均發(fā)現(xiàn)多處狗獾洞,堤內(nèi)坡散浸、滲水。這些生物洞穴構(gòu)成隱患,危及大堤的安全。

        2 堤基險(xiǎn)情(隱患)類型及成因

        2.1 險(xiǎn)情(隱患)類型

        1991—2003年汛期堤基險(xiǎn)情42段(處),可分為滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、沉陷變形三大類,其中滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情38段(處),占絕大多數(shù),主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)滲水、管涌。

        2.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因

        2.2.1 堤基表層的砂壤土層滲透性較強(qiáng)、抗?jié)B性較差

        堤基為砂性土單一結(jié)構(gòu)、上砂下黏雙層結(jié)構(gòu)或表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)最易發(fā)生滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情[1],本段堤防這三類堤基中分別發(fā)生險(xiǎn)情10、14、10段(處)。

        砂性土單一結(jié)構(gòu)堤基發(fā)生險(xiǎn)情主要在樁號(hào)20+000—22+000、70+170—72+044、91+418—101+000

        三段堤防。1991年和1998年淮河發(fā)大水時(shí),這些堤段堤后普遍滲水嚴(yán)重,2003年汛期又有總長(zhǎng)3 200 m堤后發(fā)生滲水,其中在樁號(hào)92+200等發(fā)生翻砂鼓水、管涌等嚴(yán)重險(xiǎn)情。堤基多由砂壤土—輕粉質(zhì)壤土構(gòu)成,厚度大于8 m,滲透系數(shù)4.2×10-4cm/s,部分砂壤土層下部分布細(xì)砂層,滲透系數(shù)7.26×10-4cm/s。

        上砂下黏雙層結(jié)構(gòu)堤基或表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基發(fā)生險(xiǎn)情主要在樁號(hào)1+200—20+000、23+000—52+450、76+000—78+200、99+350—103+215等堤段,兩種結(jié)構(gòu)主要差別在于表層砂性土和下伏黏性土的厚度、埋深。渦下段這兩種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的堤基長(zhǎng)度最大、險(xiǎn)情最多,有老元塘和黑牛咀兩處歷史險(xiǎn)情。

        老元塘險(xiǎn)情位于渦河與淮河干流交匯處的淮河干流凹岸,堤防樁號(hào)1+200—2+550,為歷史決口段,決口后灘地上形成面積逾12萬(wàn)m2的沖坑,最大沖深至9.0 m高程,低于兩側(cè)地面約10 m,堵口復(fù)堤時(shí)堤防后退繞避沖坑,使沖坑位于堤外緊鄰堤腳。堤防高度5~6 m,堤內(nèi)、外灘地高程18.0~20.0 m,淮河深泓高程7.9 m,距堤防約350 m。2004年前淮河高水位時(shí)均出現(xiàn)堤身、堤腳嚴(yán)重滲水險(xiǎn)情,1991年和1998年堤內(nèi)溝塘還出現(xiàn)了管涌險(xiǎn)情,危及堤防安全。

        堤身系就近取土填筑而成,以輕粉質(zhì)壤土為主,夾中-重粉質(zhì)壤土和砂壤土。堤基自上而下為第1層砂壤土、輕粉質(zhì)壤土,夾薄層中粉質(zhì)壤土,中等-弱透水性,厚1~3 m;第2層砂壤土夾極細(xì)砂、黏性土薄層,中等透水性,厚4~7 m;第3層中、重粉質(zhì)壤土夾輕粉質(zhì)壤土、砂壤土薄層,弱透水性,厚1~3 m,局部缺失;第4層細(xì)砂、極細(xì)砂,中等-強(qiáng)透水性,呈透鏡體分布,局部缺失;第5層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土,微透水性,勘探未揭穿。如圖1所示。

        圖1 老元塘險(xiǎn)情出險(xiǎn)原因分析示意圖

        在淮河中高水位時(shí),河水經(jīng)1層滲流僅在內(nèi)堤腳附近表現(xiàn)出散浸、滲水現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生類似1991年、1998年大洪水河水位較高時(shí),1層則在堤內(nèi)外巨大水頭差作用下于堤內(nèi)溝塘產(chǎn)生管涌險(xiǎn)情。堤外殘存的沖坑縮短了堤基滲徑,下部的4層細(xì)砂層產(chǎn)生中、深層的滲透,導(dǎo)致距堤防較遠(yuǎn)的地勢(shì)低洼處產(chǎn)生滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題,給堤防安全帶來(lái)隱患。

        上述3種堤基中的險(xiǎn)情類型、表現(xiàn)形式基本相同。其成因一是堤基表層存在抗?jié)B性較差的砂壤土、輕粉質(zhì)壤土,土體本身黏粒含量低,滲透系數(shù)可達(dá)10-4cm/s量級(jí)及以上;二是砂壤土、輕粉質(zhì)壤土成層展布于堤身以下,構(gòu)成了溝通堤內(nèi)外的滲流通道,汛期在河水的浸泡飽水后,受堤內(nèi)外水頭差的作用發(fā)生滲流,在堤后一定的范圍內(nèi)滲出,出逸比降超過(guò)土體的破壞比降時(shí)便可發(fā)生滲透破壞。堤防附近的坑塘使堤基滲徑縮短,降低了堤基的臨空高程,增大了滲透比降,不同程度地加劇了險(xiǎn)情的發(fā)生。

        渦下段土堤多是歷年就近取土填筑而成,在堤基表層分布有砂壤土、輕粉質(zhì)壤土的堤段,往往堤身填土也是此類土,尤其是堤身的下部填土,因此,這些堤段堤基發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情時(shí),多數(shù)在堤腳以上的堤身下部也同時(shí)發(fā)生滲水險(xiǎn)情,堤基險(xiǎn)情、堤身險(xiǎn)情相伴而生。

        2.2.2 堤基表層黏性土層厚度較小或厚度、連續(xù)性遭到了坑塘溝渠的破壞[2]

        1991年汛期,樁號(hào)76+000—78+000段堤內(nèi)側(cè)滲水,其中76+200—77+200段嚴(yán)重滲水;2003年汛期,樁號(hào)78+200處距內(nèi)堤腳20 m處滲水,類似險(xiǎn)情也出現(xiàn)在樁號(hào)119+000—119+200、121+600—121+700等堤段。

        經(jīng)勘察,樁號(hào)77+000—78+000段堤基表層的粉質(zhì)壤土厚度0~2.5 m,黏性土厚度小或局部缺失;堤內(nèi)地形低洼,或有坑塘分布,表層的黏性土厚度和連續(xù)性遭受破壞。堤基表層黏性土厚度小甚至缺失是滲水險(xiǎn)情發(fā)生的主要原因。

        2.2.3 汛期手壓井冒水形成堤基險(xiǎn)情(隱患)

        沫河口周臺(tái)子險(xiǎn)情位于樁號(hào)34+580—34+860,20世紀(jì)80年代堤基做過(guò)深3 m截滲墻,1991年汛期內(nèi)灘地仍然滲水嚴(yán)重,20 m以外的手壓井自動(dòng)向外冒水。2003年汛期,樁號(hào)34+475—35+000段堤基多處滲水,內(nèi)堤腳20 m內(nèi)所有壓水井成自流井,危及堤防安全。

        險(xiǎn)情段淮河干流較為平直,堤高約7 m,外灘地寬100 m左右,高程16~18 m;淮河深泓高程4.0 m左右,距堤防約400 m;內(nèi)灘地高程16~17 m,溝塘較多,塘底高程約15 m。

        本段堤身為就近取土填筑而成,以重粉質(zhì)壤土-粉質(zhì)黏土為主,呈微-弱透水性,填筑質(zhì)量較好。堤基自上而下土層為:第1層重粉質(zhì)壤土-粉質(zhì)黏土,夾少量輕粉質(zhì)壤土薄層,微透水性,厚2~3 m,層底高程15 m左右;第2層輕粉質(zhì)壤土,夾砂壤土和重、中粉質(zhì)壤土,弱-中等透水性,厚2~4 m,層底高程13 m左右;第3層粉質(zhì)黏土-重粉質(zhì)壤土,夾輕粉質(zhì)壤土層,微透水性,厚3~6 m,層底高程7 m左右;第4層細(xì)砂-中砂,夾黏性土薄層,中等-強(qiáng)透水性,最大厚度超過(guò)10 m,揭露層底高程-2 m。如圖2所示。

        圖2 沫河口周臺(tái)子險(xiǎn)情地質(zhì)橫剖面示意圖

        堤基為表層薄層黏性土、下砂黏互層結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu),堤內(nèi)溝塘揭穿上部1層,下部2層輕粉質(zhì)壤土-砂壤土層直接出露于溝塘底部,20世紀(jì)80年代施工的3 m深截滲墻僅穿過(guò)第1層進(jìn)入第2層1 m左右,沒(méi)有截?cái)?層,導(dǎo)致1991年汛期河水經(jīng)第2層滲透穿過(guò)堤防于溝塘低部出逸,灘地滲水嚴(yán)重。

        堤基深部的第4層中細(xì)砂層厚度較大且分布廣泛,富水性較好,是沿淮堤內(nèi)農(nóng)民手壓井取用地下水的目的層,手壓井底部過(guò)濾器均位于中細(xì)砂層內(nèi)。該砂層于淮河深泓出露,直接接受淮河水的補(bǔ)給,具承壓性,汛期承壓水頭隨淮河水位升高而抬升。1991年和2003年淮河大水年份,中細(xì)砂層承壓水頭抬高至堤內(nèi)地表以上,導(dǎo)致手壓井自動(dòng)向外冒水,形成險(xiǎn)情(隱患)。

        2.2.4 微地貌為堤基險(xiǎn)情的產(chǎn)生提供了條件

        堤防兩側(cè)的微地貌主要是坑塘溝渠、外灘等。渦下段內(nèi)外溝塘多,大多為堤身加培近堤取土坑。2004年以前內(nèi)、外溝塘分布長(zhǎng)度分別為37.431 km和10.859 km。兩側(cè)溝塘有的連片,大多沿堤向分布,塘深一般為2.0 m左右,最深達(dá)4.5 m。

        樁號(hào)6+400—6+500堤后為洼地,深塘緊鄰堤腳,1991年汛期深塘里翻渾水;樁號(hào)99+350—99+550和101+915—103+215堤段,距內(nèi)堤腳20 m分布深塘,2003年汛期堤基多處滲水。

        渦下段淮河外灘寬窄不一,局部堤段外灘寬度僅20 m,部分寬度50~100 m,外灘狹窄除洪水對(duì)堤身產(chǎn)生較大的沖刷破壞外,也使得堤基的滲徑減短,增大堤后地下水的滲透比降。堤外的坑塘降低甚至破壞了迎水側(cè)表層黏性土的隔水性能,導(dǎo)致堤基滲透水流的滲徑縮短。靠近大堤的堤后坑塘削弱了覆蓋層的蓋重作用,使汛期堤內(nèi)散浸、滲漏較為普遍,甚至塘內(nèi)翻砂鼓水。總之,除地質(zhì)條件外,堤基的滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情的成因與外灘寬度,深泓的位置、深度,坑塘溝渠的分布、深度等微地貌關(guān)系密切,因此,進(jìn)行堤內(nèi)外填塘固基是處理險(xiǎn)情的常見(jiàn)工程措施。

        2.3 抗滑穩(wěn)定類險(xiǎn)情(隱患)成因

        渦下段堤防位于淮河中游左岸,堤內(nèi)外溝塘連片,靠近大堤的坑塘使堤身相對(duì)高度增加1.0~3.0 m。老元塘險(xiǎn)段外灘殘留深約10 m的大沖坑,給堤防的抗滑穩(wěn)定帶來(lái)隱患。樁號(hào)35+330—35+630堤后存在灌溉渠,堤與渠間是深塘,堤基表層厚3 m的重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土常年浸泡于水中,土體的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)降低。經(jīng)驗(yàn)算,大堤歷年汛期絕大多數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài),但部分堤段的抗滑穩(wěn)定性不滿足1級(jí)堤防的安全要求,成為堤防隱患[3]。

        2.4 沉陷變形類險(xiǎn)情(隱患)成因

        渦下段堤基中總體說(shuō)來(lái)淤泥、淤泥質(zhì)軟土分布不多,沉降變形問(wèn)題不突出,此類險(xiǎn)情(隱患)不多,淮河決口復(fù)堤段、支流河口封閉段或老河道段堤基的沉陷變形量大些,如1954年淮河決口處復(fù)堤的毛灘險(xiǎn)情、老潼河河道封堵段。原因有二,一是這些堤段往往堤身高度大,對(duì)堤基的附加荷載大;二是這些堤基尤其是淺表部土體沉積時(shí)間短,土體軟弱壓縮性較高,從而產(chǎn)生較大的沉降變形。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)渦下段堤身險(xiǎn)情以背水坡(內(nèi)坡腳)滲水、散浸等滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情為主,局部存在狗獾洞、鼠洞;滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因:一是堤身中的砂壤土含量高;二是筑堤前沒(méi)清基或清基不徹底,或決口復(fù)堤填筑料雜亂;三是存在生物洞穴。

        (2)堤基險(xiǎn)情可分為滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、沉陷變形三類,其中前類險(xiǎn)情占絕大多數(shù),主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)滲水、管涌。滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因:一是堤基表層存在滲透性較好、抗?jié)B性較差的砂壤土;二是表層黏性土厚度較小或厚度、連續(xù)性遭到了坑塘溝渠的破壞;三堤防附近的手壓井揭穿了與淮河地表水連通的砂層;四是微地貌為堤基險(xiǎn)情的產(chǎn)生提供了條件。

        (3)堤身多是就近取土填筑而成,下部填土與堤基表層土質(zhì)基本相同,堤基表層為砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高,造成這些堤段堤基、堤身汛期同時(shí)發(fā)生滲漏和滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情,此類險(xiǎn)情最為常見(jiàn)。

        (4)堤防附近的坑塘溝渠是發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定險(xiǎn)情(隱患)的重要原因,堤防加固工程對(duì)一定范圍內(nèi)的坑塘進(jìn)行填塘固基處理是必要的。

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