第二松花江堤防險(xiǎn)情類型及成因分析

司富安，李 坤，段世委，張小寶

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

發(fā)源于長(zhǎng)白山天池的第二松花江(簡(jiǎn)稱二松)是吉林省最大的河流，流域總面積7.38萬(wàn)km2，干流河道長(zhǎng)825km，14個(gè)保護(hù)區(qū)，工程保護(hù)人口154.78萬(wàn)人，保護(hù)耕地面積116.09萬(wàn)畝。根據(jù)《吉林省場(chǎng)次洪水》、《松花江干流治理工程可行性研究報(bào)告》、《吉林省松花江干流治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》等有關(guān)資料，第二松花江歷史上洪澇災(zāi)害頻繁。由于第二松花江干流堤防占線較長(zhǎng)，在2014年松花江干流治理之前，險(xiǎn)工弱段多，行洪期常出現(xiàn)多處堤防險(xiǎn)情及隱患，對(duì)堤防安全構(gòu)成威脅，每次抗洪搶險(xiǎn)工作要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。

目前，有關(guān)第二松花江堤防工程險(xiǎn)情類型及其成因系統(tǒng)分析的論文和文獻(xiàn)相對(duì)較少。本文通過(guò)對(duì)1998—2013年間第二松花江典型段堤防險(xiǎn)情資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析和總結(jié)了第二松花江堤防險(xiǎn)情類型及其成因，以期為松花江流域及國(guó)內(nèi)外具有類似條件的堤防工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)和堤防運(yùn)行管理、防汛搶險(xiǎn)提供參考和幫助。

1 工程概況

二松堤防共40個(gè)堤段，總長(zhǎng)490.69km(后通溪—三岔河口段)，其中干堤467.09km，回水堤23.60km。左岸8個(gè)保護(hù)區(qū)，23個(gè)堤段，堤防長(zhǎng)275.49km；右岸6個(gè)保護(hù)區(qū)，17個(gè)堤段，堤防長(zhǎng)191.6km。堤防堤頂寬度5～8m，堤高大于3m時(shí)，堤頂下2.5m背水坡設(shè)6～8m馬道，堤防迎背水側(cè)邊坡均為1∶3，堤身大部分為黏性土，少部分為砂壤土、細(xì)砂及中砂。

二松護(hù)岸110處，長(zhǎng)度99.95km，護(hù)岸工程采用干砌石、模袋混凝土、混凝土板塊、石籠四種護(hù)坡型式，護(hù)底均采用石籠護(hù)底；穿堤建筑物98處(含廢棄需拆除3處)。護(hù)岸工程岸邊巖性一般為二元結(jié)構(gòu)，上部為黏性土層，下部為中細(xì)砂層。

第二松花江主要防洪保護(hù)區(qū)位于豐滿水庫(kù)以下，包括吉林市、松原市、松原油田和廣大農(nóng)田，防洪任務(wù)由二松干流堤防、豐滿、白山水庫(kù)共同承擔(dān)。堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，松原市城區(qū)堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，堤防工程、護(hù)岸工程、穿堤涵閘按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，松原市城區(qū)段工程按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，大多數(shù)穿堤建筑物規(guī)模小、荷載小。

2 歷史洪水險(xiǎn)情

第二松花江洪水發(fā)生在7—8月的次數(shù)占80%，暴雨出現(xiàn)頻繁，年內(nèi)可能出現(xiàn)2—3次洪峰，個(gè)別年份可能出現(xiàn)4—5次洪峰，一次洪水歷時(shí)為40～60天。

第二松花江歷史上洪澇災(zāi)害頻繁，據(jù)調(diào)查自 1800 年以來(lái)的 200 多年間，第二松花江流域共發(fā)生較大洪水 64 次，平均每三年一次。建國(guó)后的60多年中，共發(fā)生較大洪水 14 次，給兩岸人民造成很大損失，成災(zāi)面積大于 40 萬(wàn)畝就發(fā)生 5 次。1998、2010、2013年3次大洪水，導(dǎo)致第二松花江堤防出現(xiàn)多處管涌、脫坡、塌岸現(xiàn)象，受災(zāi)人口數(shù)百萬(wàn)人，農(nóng)作物受災(zāi)面積數(shù)千萬(wàn)畝。

3 險(xiǎn)情類型及成因

選取了第二松花江典型堤段1998—2013年堤防險(xiǎn)情數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)250個(gè)險(xiǎn)情點(diǎn)數(shù)據(jù)分析顯示第二松花江以堤身險(xiǎn)情和堤基險(xiǎn)情為主，分別占比50%和40%，穿堤建筑物險(xiǎn)情和堤岸險(xiǎn)情各占5%。險(xiǎn)情發(fā)生部位的比例如圖1所示。

圖1 第二松花江堤防險(xiǎn)情發(fā)生部位占比圖

3.1 堤身險(xiǎn)情類型及成因

在統(tǒng)計(jì)到的126條堤身險(xiǎn)情數(shù)據(jù)中，包括了漫頂潰決、滲透破壞和變形失穩(wěn)3種類型，其中滲透破壞類型主要表現(xiàn)形式為管涌險(xiǎn)情，變形失穩(wěn)表現(xiàn)為堤身變形和脫坡表現(xiàn)形式為主，不同類型險(xiǎn)情所占比例見(jiàn)表1。

表1 堤身險(xiǎn)情類型 單位：個(gè)

(1)漫頂潰決

統(tǒng)計(jì)到的5處漫頂潰決險(xiǎn)情點(diǎn)全部發(fā)生在堤防的凹岸部位，堤高2.8～3.6m，堤身填土為壤土(如：舒蘭市前江四社堤防)或黏土(如：德惠市姚家崗下段堤防)。分析認(rèn)為洪水期堤防高水位運(yùn)行、堤防欠高、水流的強(qiáng)沖刷作用和堤身土抗沖刷能力弱是導(dǎo)致堤防漫頂潰決的主要原因。

(2)滲透破壞

2處接觸沖刷險(xiǎn)情表現(xiàn)為“堤防迎水側(cè)砂基直接出露”，主要由于堤基和堤身填土特性不同導(dǎo)致接觸部位巖土顆粒和滲透特性不同，迎水側(cè)水流將細(xì)顆粒帶走導(dǎo)致接觸沖刷，砂基出露。

32處發(fā)生堤身管涌險(xiǎn)情表現(xiàn)為砂堤出現(xiàn)滲漏。除個(gè)別險(xiǎn)情點(diǎn)堤身填土為壤土外，其余堤段全部為砂壤土、細(xì)砂、中砂等砂性土。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果分析，認(rèn)為導(dǎo)致堤身滲漏發(fā)生管涌險(xiǎn)情的原因有：①填土為砂性土的堤身滲透性相對(duì)較強(qiáng)；②高水位運(yùn)行條件下堤身承受水頭較大；③堤身斷面較窄；④部分堤身土質(zhì)不好，有腐殖土、雜草和草筏子。

(3)變形失穩(wěn)

87處堤身變形和脫坡在堤身險(xiǎn)情中占比69%，為堤身主要險(xiǎn)情。險(xiǎn)情特征為：砂堤段出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，沒(méi)有護(hù)坡地段坡面普遍遭到不成程度破壞，凹岸堤身局部出現(xiàn)脫坡。

通過(guò)調(diào)查和地質(zhì)勘察分析，認(rèn)為發(fā)生堤身變形和脫坡的主要有原因：①江道比降大，江水流速較快，迎流頂沖對(duì)凹岸側(cè)蝕沖刷能力較強(qiáng)，尤其洪水期側(cè)蝕能力增強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重，堤身下挫發(fā)生脫坡；②砂堤段背水坡滲水，沒(méi)有及時(shí)處理，堤身長(zhǎng)時(shí)間浸水，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生變形和脫坡；③堤基表層黏性土屬于凍漲性土，反復(fù)凍融作用引起堤防發(fā)生變形和脫坡。

3.2 堤基險(xiǎn)情類型及成因

統(tǒng)計(jì)的101條堤基險(xiǎn)情全部為滲透破壞類型，表現(xiàn)形式為管涌、流土、散浸和接觸沖刷，不同類型險(xiǎn)情所占比例見(jiàn)表2。如：吉林省九臺(tái)市前排堤防險(xiǎn)情為“在樁號(hào)0+300左右，堤后25m附近出現(xiàn)1處管涌”，吉林省松原市泔水缸上段堤防險(xiǎn)情描述為“在樁號(hào)1+200，堤防后側(cè)10～30m處出現(xiàn)3處管涌，砂堤出現(xiàn)滲漏”。

表2 堤基險(xiǎn)情類型 單位：個(gè)

根據(jù)對(duì)堤防工程地質(zhì)勘察所揭示的堤基地層結(jié)構(gòu)類型和險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，101個(gè)出險(xiǎn)點(diǎn)的堤基地層結(jié)構(gòu)類型如圖2所示。

圖2 堤基險(xiǎn)情的堤基地層結(jié)構(gòu)類型柱狀圖

據(jù)圖可以看出：堤基險(xiǎn)情主要發(fā)生在砂性土堤基和上覆薄層黏性土的堤基條件區(qū)域，發(fā)生在上覆厚黏性土的雙層結(jié)構(gòu)的12例險(xiǎn)情中，個(gè)別堤段堤后存在坑塘。根據(jù)地質(zhì)勘查和數(shù)據(jù)分析認(rèn)為堤基滲透變形險(xiǎn)情產(chǎn)生的主要原因包括：①砂性土堤基和上覆薄層黏性土堤基滲透穩(wěn)定性差；②在長(zhǎng)期高水頭作用下，堤基產(chǎn)生滲透破壞；③堤基存在生物洞穴、植物根系，導(dǎo)致堤基質(zhì)量下降；④堤防前后存在坑塘，在一定程度上減少了黏土層的厚土導(dǎo)致滲徑變短。

3.3 穿堤建筑物險(xiǎn)情及成因

二松有穿堤建筑物98處，統(tǒng)計(jì)到11處穿堤建筑物險(xiǎn)情主要表現(xiàn)為建筑物無(wú)進(jìn)出口、閘室和洞身?yè)p壞滲水、機(jī)電設(shè)備損壞、閘門(mén)無(wú)法啟動(dòng)、建筑物損壞等問(wèn)題。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察分析認(rèn)為，產(chǎn)生穿堤建筑物產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋孩俳ㄖ镄藿〞r(shí)間較早，多年運(yùn)行后機(jī)器老化；②堤防加固提高標(biāo)準(zhǔn)后，舊洞洞身較短，滲徑不足；③多年前施工質(zhì)量差，多年反復(fù)凍融作用，地基承載力不能滿足基底壓力要求，存在沉陷、抗滑穩(wěn)定，導(dǎo)致建筑物變形或損壞；④機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致建筑物與周圍土體接觸部位出現(xiàn)縫隙，高水位運(yùn)行期間，產(chǎn)生滲透變形。

3.4 堤岸險(xiǎn)情及成因

二松堤岸險(xiǎn)情為變形失穩(wěn)類型，以坍岸為主，如：吉林農(nóng)安縣后楊家護(hù)岸段表現(xiàn)為“凹岸處大片耕地坍塌、沿水邊形成高低不一的陡岸，水土流失嚴(yán)重，距江堤不足百米”。分析堤岸險(xiǎn)情產(chǎn)生的主要原因如下：①護(hù)岸工程岸邊巖性一般為二元結(jié)構(gòu)，中細(xì)砂層及少黏性土抗沖刷能力弱，允許滲透比降較小；②江水的側(cè)蝕沖刷能力較強(qiáng)，使岸邊坍岸；③高水位運(yùn)行過(guò)后，洪水下落時(shí)，地下水位較高，向江水排泄，滲透比降增大，產(chǎn)生潛蝕，使坍岸加速；④表層黏性土屬于凍脹性土，凍融作用及江水沖刷導(dǎo)致岸坡容易發(fā)生坍岸。

4 結(jié)論

第二松花江是吉林省最大的河流，共40個(gè)堤段，堤防總長(zhǎng)490.69km，歷史上洪澇災(zāi)害頻繁，堤身、堤基、穿堤建筑物和堤岸均有發(fā)生險(xiǎn)情。文章對(duì)1998—2013年典型段堤防險(xiǎn)情進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，主要研究結(jié)論如下：

(1)險(xiǎn)情類型。堤身險(xiǎn)情包括了漫頂潰決、滲透破壞和變形失穩(wěn)3種類型，其中滲透破壞和變形失穩(wěn)最為常見(jiàn)；堤基險(xiǎn)情主要為滲透破壞類型，以管涌和散浸占比最大；穿堤建筑物險(xiǎn)情主要表現(xiàn)為建筑物無(wú)進(jìn)出口、機(jī)電設(shè)備和建筑物損壞等問(wèn)題；堤岸險(xiǎn)情主要為坍岸形式的變形失穩(wěn)類型。

(2)險(xiǎn)情成因。堤身出險(xiǎn)的主要原因有洪水期堤防高水位運(yùn)行、水流的強(qiáng)沖刷作用、堤身質(zhì)量不好、堤身斷面較窄以及存在凍脹性填土等；堤基出險(xiǎn)主要由于砂性土堤基滲透穩(wěn)定性差、堤基存在生物洞穴和植物根系、堤防前后存在坑塘；建筑物修建時(shí)間較早、舊洞洞身較短、施工質(zhì)量差、地基承載力不足、高水位運(yùn)行等是穿堤建筑物出險(xiǎn)的主要原因；岸坡抗沖刷能力弱、江水的側(cè)蝕沖刷能力較強(qiáng)、洪水下落造成的潛蝕以及表層存在凍脹性土是導(dǎo)致坍岸產(chǎn)生的重要原因。