山區游蕩型河道堤防工程水毀原因分析

趙國強,陳雅倩,張 娟

(中工武大設計集團有限公司 新疆分公司,烏魯木齊 830000)

1 河道自然概況

阿克蘇河為白楊河的一條支流,發源于博格達山南麓,具有典型的山麓地貌,自北向南呈明顯的階梯狀垂直分布,可分為北部中高山區、中部山前沖洪積傾斜平原區、南部達坂城洼地3個自然地貌單元。堤防水毀區域主要位于阿克蘇河中游區,天山博格達峰南麓山前沖洪積扇上。

該段河道基本特征符合山區游蕩型河道特點,表現為汛期隨著洪水流量的不斷增大,河水挾沙能力逐漸增強,此時大量泥沙啟動,主河槽沖刷,灘地受水深、流速的影響,一般以淤積為主,淤積的顆粒主要為細顆粒,由于灘地水量較小,一般落淤速度較慢。后期隨著洪水流量的減少,主河道水深、流速降低,河水中裹挾的大量泥沙開始淤積在主河槽之內。

由阿克蘇河洪水特點可知,洪水類型主要為暴雨+融雪水,洪水過程多為陡漲陡落,起漲歷時較短,而落淤歷時相對較長。后期隨著河水中泥沙含量的增大,河道水深、流速的減小,主槽河大量泥沙淤積,當主槽泥沙淤積到一定高度后,河道改道,由一岸擺向對岸,河槽內主流的這種搖擺不定性,符合游蕩型河道的河道演變規律。

游蕩型河道在平面上主要表現為主流搖擺不定,主槽位置也相應擺動,且擺幅較大,導致河勢變化劇烈。游蕩型河道最大的特點是:主槽不固定,受地形、地貌條件的影響,河水頂沖河岸較為劇烈,河道較為彎曲,洲灘密布,岔道交織,這也是造成該段阿克蘇河道兩岸存在大量險工段的主要因素。

本文主要針對2016年阿克蘇河堤防工程水毀類型以及原因進行分析,并提出相應的建議,希望對其他類似河道堤防工程的建設提供一定的幫助。

2 水毀事件概況

2016年進入汛期后,達坂城區降水較往年偏多,全年主要降水過程20余次。其中,7月29日至8月1日的強降雨天氣過程,達坂城山區突降大到暴雨,累計降水量超過24mm,降雨造成達坂城區阿克蘇河、高崖子河、黑溝河的河水流量發生較大洪水,導致現有防洪設施和基礎設施水毀嚴重。

經初步調查,造成達坂城區11座橋梁損壞,沖毀道路29.86km,沖毀防洪提17.15km,以及其他基礎設施不同程度的損壞,洪水直接經濟損失達4500余萬元。

洪水過后,烏魯木齊水文局立即組織相關人員進行現場洪水調查,調查位置分別位于阿克蘇渠首下游200m、高崖子渠首上游100m以及峽口處達坂城木拱橋處。據烏魯木齊水文局洪水調查成果,峽口處洪峰流量230m3/s,黑溝水文站洪峰流量54m3/s,阿克蘇河洪峰流量93m3/s,高崖子河洪峰流量104m3/s。

3 水毀類型統計分析

阿克蘇河堤防主要有現澆混凝土板、漿砌石面板以及現澆混凝土與漿砌石相結合等幾種結構形式。其中,使用最多的是現澆混凝土面板以及漿砌石基礎與混凝土面板相結合兩種結構形式。典型斷面見圖1、圖2。

圖1 現澆砼面板堤防典型斷面圖

圖2 漿砌石基礎現澆砼面板結合堤防式典型斷面圖

圖3 基礎沖刷造成的面板整體失穩下沉

圖4 順直河段主流頂沖破壞

圖5 混凝土與漿砌石基礎接觸薄弱面沖擊破壞

根據現場調查統計,阿克蘇河共計損毀堤防17處,總損毀長度1 218m,河道沿線堤防損壞段分布具有間隔分段損壞分布的特點,大部分損壞堤防主要位于河道彎道以及折沖水流頂沖河段位置。根據現場調查分析,堤防水毀主要有以下幾種類型:①沖刷坑深度超過基礎深度,造成基礎下挫,堤防面板整體失穩下沉破壞;②大粒徑漂粒沖擊破壞,堤防混凝土面板被大粒徑卵石砸穿,在高速水流作用下,淘刷面板背側堤身填土,從而造成該段堤防整體破壞;③受主流搖擺以及折沖水流的作用,部分漫灘河段淤積嚴重,水流漫過堤頂,淘刷堤身,造成堤防成段損毀;④由于河道流速大于混凝土板抗沖流速,造成混凝土板失穩破壞;⑤漿砌石基礎與混凝土面板連接薄弱處沖擊破壞,造成防洪堤整體損毀。堤防損毀類型統計見表1;損毀后實際情況見圖1-圖6。

表1 阿克蘇河2016年水毀類型統計分析成果表

圖6 漂石沖擊造成的混凝土面板局部損壞

圖7 河灣處沖刷破壞

圖8 河道淤積造成洪水漫堤破壞

根據統計分析,在所有堤防損毀類型中,最常見的破壞類型為基礎淘刷造成的堤防各種形式的損壞。據統計,沖刷破壞約占總損毀長度的60%以上。因此,針對基礎沖刷破壞進行分析十分必要。

4 泥沙顆粒分析

為了探究堤防沖刷問題,本文針對沖刷最為嚴重的斷面進行取樣分析。根據顆分資料,粒徑>200mm(漂石)占15%;60～200mm(卵石)占28%;2～60mm(礫)占39%;0.075～2mm(砂)占7%;<0.075mm占1.0%;不均勻系數Cu=181.9,曲率系數Cc=6.0,級配不良。密度Gs=2.71,天然密度ρ=2.18g/cm3,干密度ρd=2.14g/cm3,含水率ω=1.7%,相對密度0.65,結構中密,防洪堤基礎砂卵礫石抗沖刷能力較差,抗沖刷系數1.5～2。泥沙顆粒級配分布見圖9。

圖9 顆分曲線圖

5 沖刷深度復核計算分析

通過查閱大量有關堤防沖刷深度計算的文獻與規范,其中李曉慶[1]在《對堤防工程設計規范推薦沖刷深度公式的探析》一文中,針對《堤防工程設計規范》(GB 50286-1998)附錄D2.2-1順沖公式和D2.2-2斜沖公式進行了考證,指證了公式中存在的量綱問題,2013版堤防工程設計規范針對1998版堤防設計規范的沖刷計算進行了修正,取消了斜沖計算公式,修訂了老版規范中的順沖公式中的錯誤。同時,新版規范將順沖公式沖刷流速,由斷面平均流速調整為近岸垂線平均流速,增加了不均勻系數這一參數,在一定程度上考慮了水流與岸坡夾角的影響因素。

目前,堤防的沖刷計算最常用的有《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中的順沖公式,以及水力學計算手冊[2]中摘錄的斜沖公式。本文主要針對以上兩個公式,結合實際沖刷深度,進行復核分析計算。

1)水流平行于岸坡產生的沖刷可按下式計算[3]:

(1)

(2)

式中:hs為局部沖刷深度,m;Uc為泥沙啟動流速,m/s;n與防護岸坡在平面上的形狀有關,取n=1/4～1/6;Ucp為近岸垂線平均流速,m/s;η為水流流速不均勻系數,取值范圍見表2;H0為沖刷處的水深,m。

表2 水流不均勻系數

山區河流河床質主要以卵礫石為主,泥沙啟動流速可采用長江科學院的起動公式,計算公式如下:

(3)

式中:d50為河床質中值粒徑,0.045m;γ為水的容重,kN/m3,取γ=9.8kN/m3;γs為泥沙容重,取γs=21.3kN/m3;H0為沖刷處的水深,m。

2)水流斜沖防護岸坡產生的沖刷按下式計算[1-2]:

(4)

式中:Δhp為從河底算起的局部沖深,m;Vj為水流的局部沖刷流速,m/s;α為水流流向與岸坡交角,(°);d為坡腳處土壤計算粒徑,m,對非黏性土取大于15%(按重量計)的篩孔直徑。

(5)

式中:Q1為通過河灘部分的設計流量,m3/s;H1為河灘水深,m;η為水流流速不均勻系數,根據水流流向與岸坡交角a查表2采用;B1為河灘寬度,從河槽邊緣至坡腳距離,m。

水毀堤段主要受河道折沖水流頂沖破壞,主流與堤防夾角約60°,水流流速不均勻系數η按照表2取2.25,堤腳沖刷H0取主槽水深1.49m,系數n取1/4。按照顆分曲線分析結果,中值粒徑d50取0.045m、d85取0.15m。

根據計算結果,順沖公式計算沖刷深度為0.55m,斜沖公式計算沖刷深度為2.46m。表3為堤防設計基礎深度、順沖公式[3]計算的沖刷深度、斜沖公式[1-2]計算的沖刷深度以及實際調查沖刷深度的對比分析結果。

表3 水流不均勻系數

通過對比分析可知,順沖公式[3]在山區游蕩型河道沖刷計算中,計算結果相較于實際沖刷值往往嚴重偏小。其原因是該公式主要適用于水流相對比較平順的平原區河道。平原區的河道一般水深較大,坡降較緩,水流平緩、河勢相對較為穩定,而山區河流坡降較陡,水流急,主槽擺動幅度大,河勢變化劇烈,即便在順直河段,也會因為主流擺動頻繁而形成折沖水流劇烈頂沖岸坎的現象,沖刷條件更近似于斜沖或者彎道沖刷。

因此,在山區河道堤防設計中,簡單套用《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中的順沖公式,無法反映山區河道實際沖刷情況。建議設計人員對于其他山區河流堤防工程設計中,應根據不同的河勢情況,論證選擇符合工程河段河道特點的沖刷計算公式。

6 水毀原因分析

針對達坂城區阿克蘇河堤防水毀原因總結分析,結合前面的堤防基礎沖刷深度計算,山區河道堤防工程損毀的原因,除了由河道縱坡大、流速急、沖淤變化劇烈等河道自身特點造成堤防損毀以外,同時還有以下幾方面人為影響因素:

1)在設計中,未能根據河勢情況,選擇適合的沖刷計算公式,造成計算沖刷深度偏小。山前沖洪積傾斜平原區河道,具有典型的游蕩型河道的特點,即便在順直河段,主流擺動,河水劇烈頂沖河岸現象依然十分嚴重,簡單套用《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中的水流平行于岸坡產生的沖刷計算公式,無法反映河道實際沖刷的情況,造成計算沖刷深度遠小于實際沖刷深度,這也是造成堤防損毀的主要原因。

2)堤防治導線布置不平順,人為加重治理河段沖刷淤積問題。目前,很多設計人員在治導線的布置設計中,簡單依據現狀岸坎布置治導線,未能做到裁彎取直,河彎處更是折角布置,人為加重河道內折沖水流現象,加重河道的沖刷淤積問題。

3)錯誤估計河道沖擊破壞的強度,設計堤防結構強度不足,造成堤防護坡面板沖擊破壞。山區河道縱坡大、流速急,洪水除含有大量泥沙外,還夾雜著大量大粒徑卵石、漂石。根據實際勘察,本次水毀河道斷面大于200mm的漂石約占15%,最大粒徑甚至達到500mm以上,卵石、漂石對堤防工程的沖擊破壞影響嚴重。很多設計人員未考慮山區河道的實際情況,簡單參考平原區河道堤防護岸的設計斷面形式,也是造成山區河道堤防工程水毀嚴重的原因。

7 結 語

山區游蕩型河道具有主槽擺動頻繁、折沖水流頂沖岸坎嚴重、河床沖淤變化劇烈、大粒徑卵石沖擊破壞力強等特點,治理相對困難。本文通過對阿克蘇河堤防水毀原因總結分析,針對山區河道特點,提出以下幾點建議供類似工程參考:

1)游蕩型河道最大的特點是主槽不固定,受地形、地貌條件的影響,河水頂沖河岸較為劇烈。在堤防設計中,應根據河勢演變情況,考慮折沖水流對堤防沖刷的影響,對頂沖段堤防重點進行防護。同時,在治導線布置中,應對現狀岸坎進行裁彎取直,治導線布置盡可能的平順,降低因修建堤防加重折沖水流的現象。

2)《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中關于堤防基礎沖刷深度計算公式,主要適用于水流相對平順的平原區河道。建議在參照相關規范的基礎上,結合山區河道實際特點,選擇合適的沖刷計算公式以及計算參數。

3)由于山區河流流出山口后,河道主要以寬淺式河道為主,河勢變化劇烈,主流擺動岔道交織,河道斷面的流速分布十分復雜,主槽流速往往遠大于漫灘以及斷面平均流速。很多設計人員在沖刷計算中,簡單采用斷面平均流速計算沖刷深度,無法真實反映河道局部沖刷情況。在防洪工程設計時,河道沖刷流速應結合河段特性及斷面形態等綜合分析確定。