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內通遼市全境及周邊4個旗縣的安全，區內還有引水渠、公路、鐵路、輸電線、光纜、工礦企業等重要設施，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。

關鍵詞：砂類土；顆粒分析；物理力學指標；滲透變形

引言：西遼河發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的白音他拉農場納入右側支流教來河，匯后繼續東流至小瓦房村，經鄭家屯匯入左側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，是內蒙古自治區東部的經濟、文化中心，也是東北環勃海經濟帶的交通樞紐。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經濟發展乃致全國經濟發展有巨大的作用。

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，流經內蒙古通遼市的一區四旗（縣），分別是科爾沁區（通遼市）、開魯縣（開魯鎮）、奈曼旗（大沁他拉鎮）、科爾沁左翼中旗（保康鎮）、科爾沁左翼后旗（甘旗卡鎮）。

該范圍屬工作區屬溫帶大陸性季風氣候。春季干旱多風；夏季短促溫熱，降水集中；秋季涼爽；冬季干冷。大部分地區無霜期為90至150天。年降雨量350～450毫米。全年多西風和西北風。封凍期為每年的十一月到翌年5月初，區內標準凍土深度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，兩岸高山環繞，河床深切于谷底，水流湍急，河網發育，河道比降約1/200，在暴雨多發區大部分支流入匯，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源地。

西遼河上游的西拉木倫河呈羽毛狀水系，流域內也主要以山區和丘陵為主，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生洪水，使人民生命財產受到極大的損失。

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概況

3.1 地形地貌

工作區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，表現為西遼河兩側的河谷沖積平原、風積沖積平原的地貌形態。

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的，寬闊平坦的河谷平原地形，工作區地面高程在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，發育連續，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 風積沖積平原

廣泛分布于西遼河兩側大部分區域，多以固定、半固定砂丘和風蝕洼地形態出現。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，迎風坡坡角為5～10°，背風坡坡角為10～15°，西遼河下游局部地段砂丘連續分布，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深度范圍內地層主要由第四系全新統沖積層（Q4al）、洪沖積層（Q4pal）、沖湖積層（Q4l+al）和風積層（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、礫質中砂等。

3.3水文地質

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、中更新統和上更新統的砂層與細礫及砂礫石層。含水層分布穩定，埋深淺，滲透系數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，其次是人工開采及水平側向排泄。

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Cu值、曲率系數Cc值見表1、表2。

4.2 滲透變形類型判別

在滲流作用下，為判別土體是產生管涌破壞還是流土破壞，國內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、土體不均勻系數判別法、室內滲透試驗法、現場滲透試驗法等。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，按不均勻系數判別的方法最簡便適用【1】，故本次采用不均勻系數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為1.038～6.036，依據上述判別方法，滲透變形破壞判別結果為：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2.0，則西遼河防堤防堤基砂類土的允許比降應為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《堤防工程地質勘察規程》（SL188-2005）表D.0.4給定的不均勻系數 情況下給定的經驗值大，但與不均勻系數 情況下給定的經驗值較為接近。因此，西遼河范圍內堤基砂類土允許水力比降建議值為0.42～0.56。

結語

（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數據。

（2）根據西遼河堤防堤基砂類土滲透變形破壞形式判別結果，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】：

[1]習茂緒.渭河中游堤防地基的滲透變形特征及其方法比較[J].勘察科學技術，2001（3）：3-8

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