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(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shì)復(fù)雜，洪水暴漲暴落，水位流量變幅大，集流散流過(guò)程迅速，堤岸容易因水流沖刷而產(chǎn)生破壞。文章針對(duì)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(shì)復(fù)雜，洪水暴漲暴落，水位流量變幅大，集流散流過(guò)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(gè)難點(diǎn)。對(duì)于山區(qū)河流的沖刷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作［1-6］，但現(xiàn)有的研究多是針對(duì)山區(qū)河流堤防工程防沖設(shè)計(jì)展開(kāi)的，結(jié)合堤防水毀事件對(duì)山區(qū)河流沖刷問(wèn)題進(jìn)行研究的較少。本文針對(duì)某山區(qū)河道堤防水毀事件，從河道床沙粒徑特點(diǎn)、堤腳沖刷深度以及抗沖防護(hù)措施幾方面問(wèn)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。

1 水毀事件概況

某山區(qū)河流河長(zhǎng)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(kù)。

2011年5月9日，該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降雨，上游水庫(kù)進(jìn)行泄洪，當(dāng)水位高過(guò)堤腳擋墻墻頂約20cm時(shí)，河道一處堤段發(fā)生坍塌，坍塌長(zhǎng)度約30m，水退后測(cè)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(jì)斷面。

圖1 堤防坍塌段典型設(shè)計(jì)斷面

該工程為新建工程，按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工即將完成卻在首次過(guò)洪時(shí)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(jì)水位，為何會(huì)出現(xiàn)堤岸坍塌值得研究。下面針對(duì)這一山區(qū)河道堤防工程水毀事件，對(duì)坍塌原因進(jìn)行分析。

2 堤前河道床沙粒徑分析

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(yàn)采用篩析法，測(cè)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(yàn)，得到的典型樣顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)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(jí)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

3 護(hù)腳抗沖塊石粒徑及重量計(jì)算

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(jì)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(yùn)動(dòng)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(duì)于水平底坡，取C=1.2，則式（1）為：

對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的塊石抗沖粒徑和抗沖重量

表3的計(jì)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(jiàn)，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(dòng)也就不足為奇。失事堤段設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)引起堤岸坍塌。

4 堤腳沖刷深度核算

順壩及平順護(hù)岸的沖刷深度可按下列公式計(jì)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(dòng)流速，m/s，該山區(qū)河流以卵礫石為主，可采用長(zhǎng)江科學(xué)院的起動(dòng)公式按式（7）計(jì)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(hào)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(lái)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(jì)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(jì)算結(jié)果，堤腳最大沖刷深度約0.65～0.79m，但實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)堤腳最大沖刷深度約1.2m。計(jì)算與實(shí)際的沖刷深度有所差異，分析其原因，主要因?yàn)橛?jì)算采用的是《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）沖刷深度計(jì)算公式，該公式是根據(jù)長(zhǎng)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(duì)較小，而山區(qū)河流水深相對(duì)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(duì)更大。特別是當(dāng)山區(qū)河流水深不大時(shí)，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(shí)，山區(qū)河流的實(shí)際沖刷深度要比《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中沖刷公式計(jì)算深度更大，這一點(diǎn)應(yīng)引起水利技術(shù)人員的注意，建議對(duì)于山區(qū)河流要研究更符合其河道特點(diǎn)的沖刷深度計(jì)算公式。

表5 堤腳沖刷深度計(jì)算

5 水毀原因分析

針對(duì)該山區(qū)河道堤防水毀事件，通過(guò)前面的護(hù)腳塊石抗沖粒徑（重量）和堤腳沖刷深度計(jì)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(shí)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(duì)較大（約10年一遇降雨），河道上游不遠(yuǎn)處的一座中型水庫(kù)為維持汛限水位開(kāi)閘泄洪，導(dǎo)致河道由枯水期的低水位來(lái)承接上游來(lái)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(shí)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(jì)要求，需進(jìn)行河道清淤疏浚，清出來(lái)的砂礫卵石料用于堤防的堤身填筑。在實(shí)施過(guò)程中，施工單位在未按照設(shè)計(jì)要求先進(jìn)行河道清淤疏浚的情況下就開(kāi)展堤防填筑，并且為了施工方便，枯水期直接開(kāi)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(kāi)挖出一條過(guò)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(shì)，水流流向與岸坡交角α由原來(lái)的30°改變?yōu)?0°，水流集中且流速大，直沖堤岸，造成失事時(shí)水流將堤腳沖出一個(gè)1.2m的深坑，導(dǎo)致堤防垮塌。

（3）按照設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果，塊石還必須具備一定粒徑（重量），失事堤段設(shè)計(jì)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(lái)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(lái)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(huì)在堤腳沖出大的沖坑。

（4）在原設(shè)計(jì)的塊石護(hù)腳未實(shí)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(dòng)，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(jì)算結(jié)果，堤腳最大沖刷深度約0.65～0.79m，按照設(shè)計(jì)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(shí)際洪水來(lái)時(shí)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。

6 結(jié)語(yǔ)

水退后，對(duì)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(jì)要求進(jìn)行了清淤疏浚，到目前為止，經(jīng)歷幾個(gè)汛期考驗(yàn)，未再出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)該堤防工程水毀事件，針對(duì)山區(qū)河流特點(diǎn)，我們要對(duì)正在開(kāi)展的山區(qū)中小河流治理工作提出如下建議：

（1）對(duì)于河道上游建有水庫(kù)或水閘等蓄水工程的，如通過(guò)閘門(mén)啟閉來(lái)控制泄洪，閘門(mén)應(yīng)分級(jí)開(kāi)啟，避免一步到位帶來(lái)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(shí)開(kāi)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(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中沖刷深度計(jì)算公式適用于大江大河，對(duì)于山區(qū)河流，由于其水流特點(diǎn)與大江大河有所不同，建議進(jìn)一步研究符合其河道特點(diǎn)的沖刷深度計(jì)算公式。

（4）對(duì)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(jiǎn)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(gè)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(gè)整體，提高抗沖能力。對(duì)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。

［1］李曉慶，唐新軍.對(duì)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦沖刷深度公式的探析［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006（04）：50-52.

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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(jì)規(guī)范［S］.

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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(xiàng)目（2015-11）

黃錦林（1971年-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。