丹江鄂豫河段河流沖蝕破壞特征及處理措施

鄭 新，馮建偉，王 杰，曹道寧，詹 偉，李辰舟

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010)

丹江防洪治理近期工程鄂豫河段湖北省治理河段長度約8.4 km，具體堤段為白浪段、劉洞段和孝義段;現(xiàn)有堤防堤身矮小，防洪標準低，遇洪水即受災(zāi)，形成小水小災(zāi)、大水大災(zāi)的嚴峻局面。工程區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題為沖蝕破壞問題，包括堤身沖蝕破壞、堤基沖蝕破壞及岸坡沖蝕破壞。

1 地質(zhì)概況

工程區(qū)位于丹江下游，地貌形態(tài)屬低山丘陵地區(qū)。區(qū)內(nèi)分布有奧陶系下統(tǒng)(O1)灰?guī)r、白堊系—下第三系(K-E)紅色碎屑巖、第四系(Q)土層。第四系由上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)、全新統(tǒng)沖積層下段(Q14al)、全新統(tǒng)沖積層上段()、坡積層(Qdl)和人工堆積層(Qml)組成。第四系全新統(tǒng)地層巖性主要為砂壤土、粉質(zhì)壤土、粉細砂、中砂、砂卵礫石等。

2 堤身沖蝕破壞

2.1 歷史險情

據(jù)可查資料，20世紀30年代至2009年，共發(fā)生8次較嚴重洪水災(zāi)害，分別為1935年、1958年、1983年、1986年、1987年、1998年、2003年8月和2010年7月。洪水流量2 500～8 790 m3/s，每次洪水期間堤防被沖毀嚴重，數(shù)千畝良田被沖毀，經(jīng)濟損失嚴重。

2011年9月8日—18日，川、渝、陜、豫等省市普降暴雨、陣雨，丹江“兩江一河”出現(xiàn)罕見秋汛，河水位持續(xù)上漲，河南淅川縣荊紫關(guān)水文站測得流量近3 000 m3/s(約3年一遇)。通過現(xiàn)場對堤身的調(diào)查，堤身普遍存在著管涌和塌陷情況，間距10～50 m。劉洞鎮(zhèn)樁號RHB3+230～RHB3+500堤外側(cè)100 m，約300 m長堤防被沖毀。

鄂豫河段湖北省堤防險情調(diào)查見表1，相關(guān)險情見照片1。

2.2 堤身沖蝕破壞特征

鄂豫河段湖北省現(xiàn)有堤防高度一般0.5～4 m，堤頂寬一般0.5 ～5 m，內(nèi)外側(cè)坡比一般 1∶0.3 ～1∶1.7，主要分布于鄉(xiāng)鎮(zhèn)村落附近;堤身填筑材料多為就近取用，物質(zhì)組成不均一。

按筑堤材料將已建堤防大致分為三類，即漿砌塊石堤、干砌塊石堤、土堤，長度分別為6 432.3 m、98.0 m、213.5 m，分別占已建堤防長度的 95.4%、1.5%、3.1%。

表1 險情調(diào)查一覽表Table 1 Investigation list of dangerous cases

照片1 劉洞鎮(zhèn)樁號RHB3+145～RHB3+500段外側(cè)堤防堤身被沖毀Photo 1 Embankment destroyed by flood at Liudongzhen

各類堤沖蝕破壞特征如下:

2.2.1 漿砌塊石堤

堤身結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)為漿砌塊石擋墻，內(nèi)襯砂卵礫石、碎石土，少量均由漿砌塊石筑成，灰?guī)r塊石粒徑一般20～50 cm。該類堤存在坡面開裂，水泥、塊石脫坡，不同次加固堤防結(jié)合不緊密等問題。洪水期易發(fā)生滲漏，堤身充填材料不斷被帶出，造成堤防脫坡、坍陷，從而形成大范圍堤身變形，嚴重時導(dǎo)致堤防失穩(wěn)。2011年9月秋汛期間，白浪鎮(zhèn)有近15 m堤防發(fā)生此類險情。

2.2.2 干砌塊石堤

堤身結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)為干砌塊石擋墻，內(nèi)襯砂卵礫石、碎石土，灰?guī)r塊石塊徑一般20～50 cm。該類堤存在塊石結(jié)合不緊密、縫隙大，直接成為滲漏通道。洪水期堤身充填材料被帶出，造成堤防坍陷，嚴重時被洪水沖毀。2010年7月洪水期間，孝義段干砌石堤防多被沖毀。

2.2.3 土堤

堤身組成為粉細砂、砂卵礫石或碎石土。該類堤存在堤身土結(jié)構(gòu)較松，孔洞發(fā)育，脫坡現(xiàn)象普遍。洪水期堤身發(fā)生散浸，進一步發(fā)生滲透變形，嚴重時導(dǎo)致堤防失穩(wěn)。白浪段洋溪溝口上游丹江土堤發(fā)生類似險情。

丹江已建堤防堤身質(zhì)量差且未達標，設(shè)計擬利用堤段長度為2.327 km，樁號范圍為 RHB0+528～RHB2+855，需采取加固措施。

3 堤基沖蝕破壞

3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類

工程區(qū)地表廣泛分布第四系全新統(tǒng)上段(Q2al4)河床及漫灘沖積層，局部為全新統(tǒng)下段(Q1al4)Ⅰ級階地沖積層，下伏基巖以白堊系—下第三系(K-E)紫紅色碎屑巖為主，局部為奧陶系下統(tǒng)(O1)灰?guī)r［1］。

根據(jù)堤基的地層分布、土體性質(zhì)、抗沖刷抗?jié)B能力，將堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分為單一結(jié)構(gòu)(Ⅰ)、雙層結(jié)構(gòu)(Ⅱ)二個大類，單一結(jié)構(gòu)堤基土為砂卵礫石或基巖，可進一步分為2個亞類;雙層結(jié)構(gòu)堤基土上部主要為粉細砂、砂壤土、人工填土、粉質(zhì)壤土，厚度一般＜3 m，下部主要為砂卵礫石。各結(jié)構(gòu)類型基本特征見表2。

表2 堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型表Table 2 Type list of geological structures of embankment foundations

3.2 堤基沖蝕破壞特征

湖北段堤防中Ⅰ1類堤基長度3 508.1 m，占堤防總長度的41.6%，該類堤基主要為砂卵礫石，抗沖刷能力較差;Ⅰ2類堤基長度84 m，占堤防總長度的1.0%，該類堤基主要為基巖，抗沖刷能力較好;Ⅱ1類堤基長度4 845.6 m，占堤防總長度的57.4%，該類堤基上部主要為薄層粉細砂、砂壤土、人工填土、粉質(zhì)壤土層，厚度＜3 m，粉細砂、砂壤土抗沖刷能力差，粉質(zhì)壤土抗沖刷能力差。

丹江洪水暴漲暴落，洪水期洪水漫過堤岸直接沖刷堤基，并逐漸掏蝕、掏空堤腳，使堤防在重力作用下發(fā)生變形甚至失穩(wěn)，穿堤建筑物發(fā)生毀壞。右岸白浪鎮(zhèn)堤防(樁號RHB0+715～RHB0+730)于2011年9月洪水期間發(fā)生此類險情(照片2)。

4 岸坡沖蝕破壞

丹江河谷寬闊，一般發(fā)育較寬漫灘，大部分岸坡坡高1.0～3.5 m。岸坡以粉細砂、砂壤土和砂卵礫石為主，Ⅰ級階地多為粉質(zhì)壤土。粉細砂、砂壤土抗沖刷能力差，粉質(zhì)壤土抗沖刷能力較差。

照片2 湖北白浪段堤防樁號RHB0+715～RHB0+730堤基沖蝕破壞Photo 2 Embankment foundation destroyed by flood at Bailang segment，Hubei

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料表明，岸坡沖蝕破壞特征主要表現(xiàn)為兩種形式:

(1)主要分布于存在迎流頂沖、主流逼岸、漫灘較窄及凹岸河段，在水流侵襲、沖刷和彎道環(huán)流的作用下，岸坡逐漸被掏刷、變陡，上部土體失穩(wěn)而形成崩岸。

(2)丹江屬山區(qū)性河流，洪水頻發(fā)，在洪水期洪水直接沖蝕、沖刷漫灘，表層砂性土被沖蝕變薄，局部段被沖蝕、沖毀至砂卵礫石層。

5 沖刷深度研究

5.1 平順式?jīng)_刷

防洪墻抗沖保護深度按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)推薦公式進行計算［2］。水流沖刷深度計算公式為:

式中:hs為局部沖刷深度(m);H0為沖刷處水深(m);Ucp為近岸垂線平均流速(m/s);Uc為泥沙起動流速(m/s);n為與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6。

本次計算選取江峪河、孝義村兩處河道斷面進行計算，計算成果見表3。計算表明，各河段墻前最大可能沖刷深度為0.15 ～0.42 m。

表3 沖刷深度計算成果表Table 3 Results from the calculations of scouring depth

5.2 灣道沖刷

(1)根據(jù)《水力計算手冊》(第二版)推薦的理論公式進行計算［3］，計算公式為:

式中:Hmax為最大沖深值(m)，從水面起算;Q為流量(m3/s);B為水面寬(m);d為河床砂平均粒徑(m);γs、γ為河床砂、水的重度(t/m3);λ為系數(shù)，受河灣水流及土質(zhì)影響，λ =0.64×EXP(3.61×(d/H0));H0為直段平均水深(m)。

本次計算選取荊紫關(guān)右郭溝處迎流頂沖河段進行計算，計算成果見表4。計算表明，墻前最大可能沖刷深度為 1.73 m。

表4 迎流頂沖處沖刷深度計算成果表Table 4 Results from the calculations of scouring depth of scouring position

(2)根據(jù)《水力計算手冊》(第二版)推薦的經(jīng)驗公式進行計算，計算公式為:

式中:Hmax為墻前最大沖刷深度(m)，從水面起算;R為河灣中心曲率半徑(km)。

本次計算選取荊紫關(guān)段郭溝處迎流頂沖河段進行計算，計算成果見表5。

表5 迎流頂沖處沖刷深度計算成果表Table 5 Results from the calculations of scouring depth of scouring position

計算表明，墻前最大可能沖刷深度為1.36 m。

5.3 成果分析

根據(jù)計算，各河段墻前最大可能沖刷深度為0.15～1.73 m［4］。根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL 379—2007)第4.2.8條規(guī)定，防洪墻基礎(chǔ)埋深應(yīng)在沖刷線以下0.5 ～1.0 m，否則應(yīng)采取可靠的防沖措施［5］。考慮到由于自然因素和人為因素影響，河道主流擺動頻繁，為防止墻前沖刷，對墻前進行干砌塊石護腳處理，護砌厚度取1～2 m，對迎流頂沖比較嚴重的河段取2.0 m，對沖刷不嚴重的河段取1.0 m。

6 防沖處理措施

堤防臨水側(cè)為重力式防洪墻直立面，防洪墻后堤身填筑高程低于重力式防洪墻頂高程0.5 m，考慮到防汛交通要求，堤身填筑頂寬度設(shè)為5.0 m。堤防背水側(cè)坡比為1∶2.5，坡腳設(shè)置漿砌石重力式擋土墻。堤身采用河灘砂礫石料填筑。

防洪墻采用C20混凝土結(jié)構(gòu)，為重力式防洪墻，底部為10 cm厚C15素混凝土墊層。考慮抗沖刷要求，防洪墻基礎(chǔ)埋深取1.0 m。并在迎流頂沖堤段臨水側(cè)堤腳設(shè)置寬5 m、厚2 m的干砌石防沖護腳，水勢較平順堤段臨水側(cè)堤腳設(shè)置寬5 m、厚1 m的干砌石防沖護腳。

為防止雨水侵蝕及美化環(huán)境，堤防背水坡采用草皮護坡，邊坡1∶2.5，在堤腳設(shè)置漿砌石擋土墻，擋土墻埋深0.5 m，護坡與堤頂相交設(shè)置漿砌石封頂，封頂尺寸為0.4 m ×0.6 m。

護堤林的作用是保護堤身、減少水土流失、美化環(huán)境和便于管理。根據(jù)當(dāng)?shù)刂矘浣?jīng)驗，堤內(nèi)管理范圍之內(nèi)種植楊樹，共種植3排，株距3 m。

7 結(jié)語

丹江鄂豫河段防洪治理工程主要存在堤身沖蝕破壞、堤基沖蝕破壞及岸坡沖蝕破壞問題，沖蝕破壞主要受以下三方面因素影響:

(1)河勢形態(tài)。在迎流頂沖、主流逼岸、漫灘較窄及凹岸河段沖蝕破壞問題嚴重，其余河段沖蝕破壞問題次之。

(2)地質(zhì)結(jié)構(gòu)。岸坡或堤基為粉細砂、砂壤土河段沖蝕破壞問題嚴重，岸坡或堤基為粘性土、砂卵礫石河段沖蝕破壞問題次之。

(3)水流流速、流量。在洪水期水流流速、流量加大，河段最易被沖蝕，枯水期沖蝕破壞問題要小得多。

擬采取的防沖處理措施主要是在堤防臨水側(cè)設(shè)置防洪墻。防洪墻埋置一定深度，墻前進行干砌塊石護腳，對于涉及迎流頂沖、主流逼岸、漫灘較窄、凹岸河段及地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粉細砂、砂壤土河段進行重點防護，并在洪水期采取防汛值守等措施。

［1］ 鄭新，曹道寧，詹偉，等.丹江鄂豫河段防洪治理近期工程(湖北段)初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，2015.

［2］ GB 50286—2013，堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 李煒.水力計算手冊［M］.第二版.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］ 楊浙江，朱麗江，許多，等.丹江鄂豫河段防洪治理近期工程(湖北段)初步設(shè)計報告［R］.武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，2015.

［5］ SL 379—2007，水工擋土墻設(shè)計規(guī)范［S］.