西遼河防洪工程堤基砂性土滲透變形問題分析

宋利春

摘要：西遼河全長403km，流域面積為14.76×104km2。西遼河防洪工程保護著自治區(qū)內(nèi)通遼市全境及周邊4個旗縣的安全，區(qū)內(nèi)還有引水渠、公路、鐵路、輸電線、光纜、工礦企業(yè)等重要設(shè)施，堤防的防洪安全十分重要。西遼河堤防許多坐落在砂土上，汛期堤基砂土滲透變形是主要工程地質(zhì)問題，本文通過160組砂類土原狀樣試驗成果，對砂類土滲透變形進行了分析，對砂類土臨界水力比降和允許水力比降進行了計算，提出了砂類土允許水力比降取值原則。

關(guān)鍵詞：砂類土；顆粒分析；物理力學(xué)指標；滲透變形

引言：西遼河發(fā)源于河北省承德市東北平泉縣七老圖山脈的光頭山（海拔1490m），沿老哈河流向東北，與西拉木倫河匯合后，始稱西遼河，西遼河干流全長403km，流域面積為14.76×104km2。西遼河干流由西向東流至白音他拉鎮(zhèn)的白音他拉農(nóng)場納入右側(cè)支流教來河，匯后繼續(xù)東流至小瓦房村，經(jīng)鄭家屯匯入左側(cè)支流烏力吉木仁河折向東南于福德店之前納入東遼河后，始稱遼河。

西遼河防洪保護區(qū)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的經(jīng)濟、文化中心，也是東北環(huán)勃海經(jīng)濟帶的交通樞紐。京通、通讓、大鄭、通霍、集通等五條鐵路在此交匯，年客運量220萬人，貨物吞吐量340萬噸。占地2km2的通遼鐵路編組站是全國7個大型編組站之一。國道111線、303線和304線匯于本市，客運量66.4萬人，貨運量110萬噸。因此西遼河防洪體系進一步完善對自治區(qū)經(jīng)濟發(fā)展乃致全國經(jīng)濟發(fā)展有巨大的作用。

1、西遼河堤防等級

西遼河堤防保護范圍存在很大差異，因此，防洪標準和堤防級別各有不同。通遼市城區(qū)以上段按50年一遇的防洪標準，堤防級別為2級，堤防高度一般為3～4m；通遼市城區(qū)為100年一遇，堤防級別為1級，堤防高度一般為4～5m，通遼市城區(qū)以下段20年一遇，堤防等級為4級，堤防高度一般為2～3m。

2、 西遼河水文特征

西遼河從通遼市開魯縣西安村（海流吐）至東、西遼河匯合口，稱西遼河干流，西遼河干流全長403km，平均河寬為1000m，比降0.4‰，西遼河鄭家屯以上控制流域面積為9.14×104km2，流經(jīng)內(nèi)蒙古通遼市的一區(qū)四旗（縣），分別是科爾沁區(qū)（通遼市）、開魯縣（開魯鎮(zhèn)）、奈曼旗（大沁他拉鎮(zhèn)）、科爾沁左翼中旗（?？垫?zhèn)）、科爾沁左翼后旗（甘旗卡鎮(zhèn)）。

該范圍屬工作區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。春季干旱多風(fēng)；夏季短促溫?zé)幔邓校磺锛緵鏊欢靖衫?。大部分地區(qū)無霜期為90至150天。年降雨量350～450毫米。全年多西風(fēng)和西北風(fēng)。封凍期為每年的十一月到翌年5月初，區(qū)內(nèi)標準凍土深度1.60m。

西遼河流域的老哈河與西拉木倫河交匯后稱為西遼河，西遼河上游的老哈河呈不對稱的扇狀水系，在老哈河上游段，河谷狹窄，兩岸高山環(huán)繞，河床深切于谷底，水流湍急，河網(wǎng)發(fā)育，河道比降約1/200，在暴雨多發(fā)區(qū)大部分支流入?yún)R，河道由丘陵進入西遼河沖積平原，使老哈河稱為西遼河主要洪水發(fā)源地。

西遼河上游的西拉木倫河呈羽毛狀水系，流域內(nèi)也主要以山區(qū)和丘陵為主，在下游段進入西遼河沖積平原，在下游段有臺河口水利樞紐向新開河分流，在老哈河與西拉木倫河交匯處的西遼河起始段為歷次洪水決口危險段。

1949～2011年，西遼河干流段及西遼河支流水系多次發(fā)生洪水，使人民生命財產(chǎn)受到極大的損失。

從2000年以來西遼河干流堤防險情分析，西遼河干流洪水主要產(chǎn)生于上游的老哈河和西拉木倫河，近年來西遼河洪沖積平原地下水位有逐年下降的趨勢，且河道多為呈中等透水的砂性土，使兩河洪水在匯入西遼河干流以后，洪水有自上而下呈遞減的趨勢，因此堤防有承受高水位運行時間一般較短的特點。

3、西遼河防洪工程地質(zhì)概況

3.1 地形地貌

工作區(qū)位于大興安嶺的東南麓、松遼沉降平原的西端，屬堆積地貌類型，表現(xiàn)為西遼河兩側(cè)的河谷沖積平原、風(fēng)積沖積平原的地貌形態(tài)。

3.1.1 河谷沖積平原

主要分布在西遼河兩岸，主要由河床及河漫灘組成，在河流長期沖刷、搬運和堆積的過程中，形成一個近東西向延續(xù)的，寬闊平坦的河谷平原地形，工作區(qū)地面高程在140～290m，西南部地形較高，東北度較低，由西南傾向東北，平均坡降1‰，在河谷平原上部由于河流頻繁改道和變遷，多見有斷續(xù)的干河床及舊河道分布，其邊緣地帶大部分被砂丘覆蓋，在中間地帶也有零星砂丘分布。

河漫灘在西遼河兩岸廣泛分布，發(fā)育連續(xù)，大部分呈對稱分布，高出河床0.5～2.0m，灘面寬闊平坦，具有向河床傾斜的特征，坡角0.5～1°。

3.1.2 風(fēng)積沖積平原

廣泛分布于西遼河兩側(cè)大部分區(qū)域，多以固定、半固定砂丘和風(fēng)蝕洼地形態(tài)出現(xiàn)。地勢西南高，東北低，地面高程在150～228m，地形起伏不平，高度一般小于10m。

固定、半固定砂丘：砂丘呈橢圓形分布，一般為北東向、北西向延伸，砂丘高度在5～10m，迎風(fēng)坡坡角為5～10°，背風(fēng)坡坡角為10～15°，西遼河下游局部地段砂丘連續(xù)分布，形成砂壟或砂梁，其延伸方向大多呈北東向，其上生長的植被有沙地疏林、沙生灌叢、沙蒿等群落砂。

風(fēng)蝕洼地：大部分分布于各砂丘間的低洼地帶，由東向西呈帶狀分布，具有由外圍向中間傾斜的特征，坡角1～2°，在洼地中土層有鹽漬化的特征。

3.2 地層巖性

西遼河堤基10m深度范圍內(nèi)地層主要由第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）、洪沖積層（Q4pal）、沖湖積層（Q4l+al）和風(fēng)積層（Q4eol）組成。主要巖性為：壤土、砂壤土、粘土、粉砂、細砂、含少量礫細砂，局部堤段巖性為粗砂、礫質(zhì)中砂等。

3.3水文地質(zhì)

堤防沿線地下水類型為第四系沖積層孔隙潛水和第四系沖積、湖積層孔隙潛水。含水層主要巖性為第四系全新統(tǒng)、中更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的砂層與細礫及砂礫石層。含水層分布穩(wěn)定，埋深淺，滲透系數(shù)K=2.01×10-4～8.60×10-2cm/s。endprint

主要以接受垂向大氣降水補給為主、其次為側(cè)向逕流補給、河流入滲補給和灌溉田間入滲補給。地下水逕流方向大致由西向東，基本與地表水流方向一致，含水層厚且均勻，地下水逕流條件較好。地下水排泄的途徑主要是蒸發(fā)，其次是人工開采及水平側(cè)向排泄。

4、滲透變形問題解析

4.1 堤基砂類土顆粒組成特點

西遼河全段堤基砂類土主要為細砂，局部為粉砂；上游局部地段堤基砂類土相對較粗，巖性為粗砂、礫質(zhì)中砂。

本文采用的是西遼河堤基160組砂類土原狀試樣顆分資料，根據(jù)其粒徑組成，堤基砂類土可分為粒徑分布范圍在<0.005～0.25mm的粉砂（5組）、<0.005～0.5mm的粉砂、細砂（41組）、<0.005～2mm的細砂（53組） 、<0.005～5mm的含少量礫細砂（22組）、0.075～0.5mm細砂（43組）、0.075～2mm的細砂（25組）、0.075～5mm含少量礫細砂（24組）、0.075～20mm的含少量礫細砂（8組）的8類試樣，其代表性試樣顆粒級配曲線見圖1、圖2。各巖性顆粒組成及不均勻系數(shù)Cu值、曲率系數(shù)Cc值見表1、表2。

4.2 滲透變形類型判別

在滲流作用下，為判別土體是產(chǎn)生管涌破壞還是流土破壞，國內(nèi)外各家通過大量試驗提出了多種不同的方法。如細粒含量判別法、土體不均勻系數(shù)判別法、室內(nèi)滲透試驗法、現(xiàn)場滲透試驗法等。其中具有代表性的方法為細粒含量判別法和土體不均勻系數(shù)判別方法，細粒含量判別方法適用于對卵石、礫石層的判別而不適合對含礫中砂層、中細砂層的判別，按不均勻系數(shù)判別的方法最簡便適用【1】，故本次采用不均勻系數(shù)Cu判別法【2】：

Cu<10為流土；

10

Cu>20為管涌；

西遼河堤防堤基砂類土不均勻系數(shù)為1.038～6.036，依據(jù)上述判別方法，滲透變形破壞判別結(jié)果為：堤基砂類土滲透變形類型均為流土。

4.3 臨界水力比降及允許水力比降確定

西遼河防洪工程堤基砂類土滲透變形類型為流土，采用下列公式計算臨界水力比降。

式中 Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土粒比重；

n——土的孔隙率（%）；

各巖土臨界水力比降、允許水力比降計算成果見表3。

綜合上述分析計算結(jié)果，西遼河堤防堤基砂類土滲透變形破壞形式為流土。砂類土臨界水力比降為0.83～1.12，取安全系數(shù)2.0，則西遼河防堤防堤基砂類土的允許比降應(yīng)為0.42～0.56。

通過160組試驗樣品分析計算得出的允許水力比降，較《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（SL188-2005）表D.0.4給定的不均勻系數(shù) 情況下給定的經(jīng)驗值大，但與不均勻系數(shù) 情況下給定的經(jīng)驗值較為接近。因此，西遼河范圍內(nèi)堤基砂類土允許水力比降建議值為0.42～0.56。

結(jié)語

（1）西遼河防洪工程中采取了160組砂類土的原狀試樣，為本次論文的編制提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)西遼河堤防堤基砂類土滲透變形破壞形式判別結(jié)果，堤基砂類土的破壞形式主要為流土。

（3）西遼河堤防堤基砂類土臨界水力比降為0.83～1.12，允許水力比降值建議取0.42～0.56。

【參考文獻】：

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