沂河下游灘地穩定性分析及防護措施

賈運崗

沂河下游灘地穩定性分析及防護措施

賈運崗

河道邊坡穩定性直接關系到河道安全與否，不穩定的邊坡可能造成滑坡、塌方甚至決堤，后果嚴重，因此邊坡穩定性分析至關重要。影響邊坡穩定性因素很多，也非常復雜，主要是河床地質構造、水流因素以及人類活動等因素相互作用的結果。近年來，許多學者對邊坡穩定安全系數影響因素進行了大量研究。本文在已有工作的基礎上，主要研究了不同水位對沂河下游西蔡段土體岸坡安全系數的影響，并提出邊坡防護處理措施。

一、沂河下游西蔡段概況

沂河西蔡段（中泓樁號為33+840～37+180，長3.34km）位于沂河土山攔河閘下游，江風口至蘇魯省界段內，50年一遇設計防洪標準，相應流量8000m3/s，上游距李莊攔河閘約11km，距劉家道口節制閘約17km，下游距馬頭攔河閘約20.5km，兩岸均為二級堤防，堤距980～1620m，平均約1120m，河口寬度510～1160m，平均約650m。

該段河床總體為平原曲流型河床，河床構成大部分為砂質，土山閘下約1.5km長度區段內，巖層隆起，土沙層較淺，原靠右岸有較寬的沙洲，河道主流緊靠左岸；近年來右岸沙洲受沖刷等多種因素影響，下切較大，下切至河床底部巖石層，且底部巖石層存在向右岸的橫向比降，左右岸高差約3m，河道主流逐漸演變至緊靠右岸；此段河底高程37.50～37.90m，灘地高程 46.00～48.88m，河岸垂直高差較大，右岸灘地土質為沙土，上部為厚1m左右的壤土層，下部為厚層中粗沙，抗沖性差，主流演變至右岸后，右岸灘地岸線總體后退20～100m，平均約40m，并多次在局部發生較大幅度的坍塌險情。

表1 土層參數表

二、河道邊坡穩定性相關理論

土體穩定性分析方法主要有極限平衡法、極限分析法和有限元法等。在邊坡穩定性分析中，極限分析法和有限元法都還不夠成熟。因此，目前工程實踐中基本都是采用極限平衡法。極限平衡方法分析的一般步驟是：假定斜坡破壞是沿著土體內某一確定的滑裂面滑動，根據滑裂土體的靜力平衡條件和莫爾—庫倫強度理論，可以計算出沿該滑裂面滑動的可能性，即土坡穩定安全系數的大小或破壞概率的高低，然后再系統地選取許多個可能的滑動面，用同樣的方法計算其穩定安全系數或破壞概率。穩定安全系數最低或者破壞概率最高的滑動面就是可能性最大的滑動面。

三、沂河下游西蔡段土體岸坡穩定性分析

沂河土山閘下西蔡段位于沂河丘陵山區河道的下邊緣，河床由河卵石漸變為砂質河床，河道的沖淤主要受水、沙條件及邊界條件控制。近幾年來由于受社會經濟發展影響，人為活動也對河床演變產生了極大的影響。現狀沂河下游西蔡段主流位于右岸，險情也發生在右岸，因此對右岸土體岸坡進行了穩定性計算分析，計算選取中泓樁號36+000斷面。

本文穩定分析采用極限平衡方法的邊坡穩定分析程序STAB，地質參數采用土山攔河閘初設地質勘察報告中參數，斷面資料采用本次實測斷面中泓樁號36+000，計算各個水位時的安全系數。

岸坡安全系數受許多因素共同影響，水位升降時其變化規律是復雜的。坡外水位上升時，浸潤線以上非飽和區范圍減少，基質吸力減少，對岸坡穩定不利，而坡內外的水位差使岸坡受到向著坡內的滲透壓力，同時岸坡水下部分受到水的浮力作用，這些作用對岸坡穩定有利。

圖1 安全系數隨水位變化柱狀圖

從圖1可以看出，岸坡穩定性系數趨勢隨著水位上升先減小后增大，存在一個最危險水位。斷面主要土質為細砂，岸坡坡內水位與坡外水位大致持平，基質吸力降低較多，水的浮力作用也較明顯，而極限平衡方法考慮的是土條底面處的基質吸力，水位開始上升時，浸潤線處滑動面較平緩，基質吸力對岸坡穩定的貢獻減小較多，故岸坡安全系數減小；隨著水位不斷上升，浸潤線處滑動面變陡，浮力對岸坡穩定的貢獻開始起主導作用，當相對水位為5m時，岸坡安全系數開始增大。故最危險水位的位置大約在岸坡高度的4/11～7/11處，因此汛期應注重防御中小洪水。

四、防護措施

1.工程措施

護灘工程的作用是控導河勢，保護灘岸，多年的治河經驗表明：“灘存則槽穩，槽穩則堤固，守堤不如守灘。”河槽的橫向變形是主流線位置變動的反映，與水沙條件、河床灘岸土質以及整治工程的控導作用密切相關。蜿蜒性河道的變形規律是“一彎變則多彎變”。在確定河道主槽寬度后，要根據整治后的寬度，及時做好護灘工程，鞏固治理成果，控制河床的橫向變形，把中常洪水束縛在主河槽內，其頂部高程應與灘地頂部齊平。建議對沂河下游西蔡段右岸現狀灘地進行護險。

2.非工程措施

沂河西蔡段上游為土山攔河閘，鑒于目前已形成下游河床較大變形實際狀態，應結合攔河樞紐實際控制運用方案等非工程措施來減少下游沖刷，特別要減少右岸沖刷。中小洪水時應首先運用上游土山攔河閘削峰滯洪作用，減少下游沖刷，防止橫向流對右岸沖刷。科學控制運用土山攔河閘，攔河閘泄流時應先優先開啟右岸閘門，下游河槽水深穩定后，再開啟左側閘門，以減小橫向流對右岸的沖刷。

科學控制河段采砂，要本著“安全第一、河道整治和資源利用相結合、依法許可”的原則有限度地進行下游河道采砂。采砂地點進行科學設計和規劃，現階段應以靠左岸采砂為主；要限制開采強度和開采方式，科學控制開采深度。

五、結論

（1）河床整體穩定性：現狀沂河西蔡段河床底部為巖石，經過多年沖涮，河床已基本穩定，但河底巖石層左岸比右岸高3m，小流量時存在橫向流，且右岸灘地為砂土，抗沖能力差，對右岸灘地沖刷較為嚴重。從河勢上看，此段下游彎道段，右岸為凹岸，受彎道離心力和地轉偏向力影響，引起橫向環流，對右岸灘地淘刷沖蝕較嚴重。因此，河段右岸灘地整體受沖刷威脅較為嚴重。

（2）根據中泓樁號36+000斷面岸坡安全系數的計算結果，在相對水位為4～7m時，岸坡穩定安全系數不足1.5，在中小水流下，會發生進一步的塌岸。

（3）根據沂河西蔡段現狀及存在問題，結合上游水閘的運用，進一步分析河道整治的技術措施，統籌安排河道整治工程的實施計劃

（作者單位：山東省臨沂市水利勘測設計院 276000）