地下徑流對小流域土石壩徑流環境的影響及防洪要素分析

楊濤

摘 要：論述了引水渠及泄洪渠的壩體地下徑流對小流域土石壩徑流環境的影響及其防洪要素。通過研究魯南某泄洪灌溉渠土石壩個案的AHP，結合部分量化分析發現，堤壩地下徑流對堤壩壩體的損傷、動植物環境、附近人類環境、公共安全事件中對壩體和河床的破壞、堤壩日常運行中水蝕和沖刷對堤壩的損傷等都會影響壩體地下徑流環境。通過優化堤壩巡檢修復工作，控制間接影響堤壩安全的因素，保證堤壩防洪的安全性。

關鍵詞：地下徑流;土石壩;防洪要素

文章編號：1004-7026（2020）06-0092-02? ? ? ? ?中國圖書分類號：TV121 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1? 地下徑流與地表徑流的關系

采用無心墻設計的土石壩結構，在條件較好的前提下，可以認定為均質壩體結構。此時其運行環境可以分為兩個狀態，即地表徑流水位高于淺層地下水頂板水位的狀態和地表徑流水位低于淺層地下水頂板水位的狀態。前者地表徑流通過地下徑流補給淺層地下水，后者淺層地下水通過地下徑流補給地表徑流，如圖1。

滲透壓（Ph）公式如下。

P_h=∫p_w（H_r-H_g） （1）

式中，P_w為流域水體比重，H_r為地表徑流實時水位，H_g為淺層地下水頂板實時水位。

從公式（1）及圖1可以看出，當地表徑流流域水位與淺層地下水頂板水位差距較小時，滲透壓較小，因為滲透阻尼基本保持不變，此時地下徑流流量較小，動壓較小。反之，滲透壓較大，地下徑流流量較大，動壓較大。水位差較大時，壩體承受的安全壓力較大，反之，壩體承受的安全壓力較小。日常工作中，人們重視汛期地表徑流流域水位較高時的壩體安全保障工作，忽視了枯水期地表徑流流域水位較低時的壩體安全保障工作，導致壩體在枯水期的低部滲流破壞得不到有效控制，加大了壩體風險[1]。

2? 壩體防洪要素個案分析

以某泄洪灌溉渠為例，該渠位于魯南低山丘陵地區，從水渠兩側各延伸2 500 m為勘探區，區域海拔313～752 m，水渠長度32 km，經過臨沂市及泰安市部分地區，匯入沂河。水渠流域面積212 km2，近20年年均降水量168～242 mm，平均年降水量223 mm。水渠為梯形斷面，頂寬45 m、底寬35 m、深5.5 m，壩體底寬165 m、頂寬35 m、高6 m，為無心墻土石壩結構。流域洪水來源主要為匯聚雨水，近20年最大24 h的降水量為55 mm，流域內的理論總洪水量為1 160萬m3，平均泄洪壓力為36萬m3/km，洪峰理論水位小于2.2 m。通過分析可知，防洪要素有以下幾點。

（1）防止植物根莖及鼠蟻破壞。因為堤壩表面采用植草方式保護，草坡中的雜草有扎根較深的草種，導致堤壩深部結構發生損傷，可能增加局部地下徑流，導致堤壩內部水蝕現象加劇，可能對堤壩造成局部破壞，在洪峰期形成管涌。

（2）防止地下徑流破壞。堤壩沒有發生局部破壞時，受地下徑流沖刷的影響，土石壩內部結構被水蝕，在淺層地下水頂板水位線附近形成水蝕層。表現為土層沙化、腐殖質及黏土流失等。局部不穩定的地下徑流可能對堤壩造成局部破壞，在洪峰期形成管涌[2]。

（3）防止人為破壞。案例中寬度為10 m的壩頂道路為雙向4車道，車道限高5.5 m，可通過輕型載重汽車及農用車輛。車輛對堤壩的沖擊壓力可能影響地下不穩定徑流的通道，加重破壞。

（4）防止邊坡沖刷損傷。案例的堤壩河道側采用草坡式水線上護坡模式，水線下采用護坡石護坡，但在洪峰期可能出現大流量地表徑流沖刷堤壩內側壩坡。一方面增加地下徑流，另一方面造成壩體土石流失，給堤壩帶來雙重不良影響。

3? 基于地下徑流控制的土石壩防洪保護對策

個案中土石壩損傷的直接原因是地下徑流，但間接原因較為復雜。為了控制土石壩的地下徑流環境，阻斷可能對堤壩造成損傷的不可控地下徑流，應該對一系列可預見的間接原因進行有效控制，對策如下。

（1）加強堤壩自然環境管理。根系較深的植物和打洞的動物會破壞堤壩，應該密切觀察草坡中的雜草分布情況，識別根系較深的雜草并連根去除，及時查找鼠穴、蟻穴，采用誘捕、灌藥等方式殺滅并注漿。日常的堤壩自然環境管理中容易出現兩個問題，一是有害動植物的殺滅不徹底，即日常巡檢工作中不能發現全部的有害動植物;二是巡檢人員沒有完全了解動植物特征，發現問題時不能作出有效判斷，洪峰來臨時因為漏檢而發生小規模堤壩事故[3]。

（2）加強堤壩公共安全管理。與公安機構合作，加強堤壩的公共安全管理，嚴查在堤壩壩體非法取土和在河道非法采砂等行為，且在發生相關公共安全事件后，及時對受損的堤壩及河道進行處理。單純補充堤壩損失土體難以確保堤壩的穩定性，必須進行深孔注漿、土釘及錨索加固，保證新夯實堤壩壩體與原有壩體的融合性。損壞的水渠河床在洪峰來臨時容易擾動地表徑流，形成漩渦、回流等局部地表徑流，減弱水渠的泄洪功能，加大局部水流對壩體的沖擊。

（3）加強堤壩巡檢修復工作。除自然環境及公共安全事件對堤壩造成的損傷外，堤壩實際運行過程中也可能出現其他損傷，例如日常水蝕沖刷對堤壩的損傷及車輛振動和附近施工對堤壩的損傷。在日常巡檢工作中，要及時發現損傷且在汛期之前及時修復損傷，這是堤壩巡檢修復工作的核心任務。

4? 結束語

影響堤壩安全的直接風險來自堤壩地下徑流對堤壩壩體的損傷，動植物環境、附近人類環境、公共安全事件中對壩體和河床的破壞、堤壩日常運行中水蝕和沖刷對堤壩的損傷等都可能對壩體地下徑流環境造成影響。通過優化堤壩巡檢修復工作，可以實現對堤壩防洪安全的有效控制。

參考文獻：

[1]宋慶平.高壓噴射灌漿在土石壩防滲加固中的應用[J].河南水利與南水北調，2019，48（12）：48-49.

[2]陳東乾，張長飛.洪水位下土石壩滲流特性及穩定性分析[J].工程技術研究，2019，4（22）：14-16.

[3]魏文強，胡繼剛，賀彪.小型土石壩防滲加固前后滲流及穩定分析[J].珠江水運，2019（17）：80-81.

作者簡介：楊? 濤（1993—），男，工程師，研究方向：水文、水資源。