山區(qū)游蕩型河道堤防工程水毀原因分析

趙國(guó)強(qiáng),陳雅倩,張 娟

(中工武大設(shè)計(jì)集團(tuán)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(fā)源于博格達(dá)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(qū)、中部山前沖洪積傾斜平原區(qū)、南部達(dá)坂城洼地3個(gè)自然地貌單元。堤防水毀區(qū)域主要位于阿克蘇河中游區(qū),天山博格達(dá)峰南麓山前沖洪積扇上。

該段河道基本特征符合山區(qū)游蕩型河道特點(diǎn),表現(xiàn)為汛期隨著洪水流量的不斷增大,河水挾沙能力逐漸增強(qiáng),此時(shí)大量泥沙啟動(dòng),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(xì)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(kāi)始淤積在主河槽之內(nèi)。

由阿克蘇河洪水特點(diǎn)可知,洪水類(lèi)型主要為暴雨+融雪水,洪水過(guò)程多為陡漲陡落,起漲歷時(shí)較短,而落淤歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。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(dāng)主槽泥沙淤積到一定高度后,河道改道,由一岸擺向?qū)Π?河槽內(nèi)主流的這種搖擺不定性,符合游蕩型河道的河道演變規(guī)律。

游蕩型河道在平面上主要表現(xiàn)為主流搖擺不定,主槽位置也相應(yīng)擺動(dòng),且擺幅較大,導(dǎo)致河勢(shì)變化劇烈。游蕩型河道最大的特點(diǎn)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(xiǎn)工段的主要因素。

本文主要針對(duì)2016年阿克蘇河堤防工程水毀類(lèi)型以及原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的建議,希望對(duì)其他類(lèi)似河道堤防工程的建設(shè)提供一定的幫助。

2 水毀事件概況

2016年進(jìn)入汛期后,達(dá)坂城區(qū)降水較往年偏多,全年主要降水過(guò)程20余次。其中,7月29日至8月1日的強(qiáng)降雨天氣過(guò)程,達(dá)坂城山區(qū)突降大到暴雨,累計(jì)降水量超過(guò)24mm,降雨造成達(dá)坂城區(qū)阿克蘇河、高崖子河、黑溝河的河水流量發(fā)生較大洪水,導(dǎo)致現(xiàn)有防洪設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施水毀嚴(yán)重。

經(jīng)初步調(diào)查,造成達(dá)坂城區(qū)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(chǔ)設(shè)施不同程度的損壞,洪水直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4500余萬(wàn)元。

洪水過(guò)后,烏魯木齊水文局立即組織相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)洪水調(diào)查,調(diào)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(dá)坂城木拱橋處。據(jù)烏魯木齊水文局洪水調(diào)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(lèi)型統(tǒng)計(jì)分析

阿克蘇河堤防主要有現(xiàn)澆混凝土板、漿砌石面板以及現(xiàn)澆混凝土與漿砌石相結(jié)合等幾種結(jié)構(gòu)形式。其中,使用最多的是現(xiàn)澆混凝土面板以及漿砌石基礎(chǔ)與混凝土面板相結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)形式。典型斷面見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 現(xiàn)澆砼面板堤防典型斷面圖

圖2 漿砌石基礎(chǔ)現(xiàn)澆砼面板結(jié)合堤防式典型斷面圖

圖3 基礎(chǔ)沖刷造成的面板整體失穩(wěn)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(chǔ)接觸薄弱面沖擊破壞

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),阿克蘇河共計(jì)損毀堤防17處,總損毀長(zhǎng)度1 218m,河道沿線(xiàn)堤防損壞段分布具有間隔分段損壞分布的特點(diǎn),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(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析,堤防水毀主要有以下幾種類(lèi)型:①?zèng)_刷坑深度超過(guò)基礎(chǔ)深度,造成基礎(chǔ)下挫,堤防面板整體失穩(wěn)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(cè)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(yán)重,水流漫過(guò)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(wěn)破壞;⑤漿砌石基礎(chǔ)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(lèi)型統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1;損毀后實(shí)際情況見(jiàn)圖1-圖6。

表1 阿克蘇河2016年水毀類(lèi)型統(tǒng)計(jì)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(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在所有堤防損毀類(lèi)型中,最常見(jiàn)的破壞類(lèi)型為基礎(chǔ)淘刷造成的堤防各種形式的損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì),沖刷破壞約占總損毀長(zhǎng)度的60%以上。因此,針對(duì)基礎(chǔ)沖刷破壞進(jìn)行分析十分必要。

4 泥沙顆粒分析

為了探究堤防沖刷問(wèn)題,本文針對(duì)沖刷最為嚴(yán)重的斷面進(jìn)行取樣分析。根據(jù)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(shù)Cu=181.9,曲率系數(shù)Cc=6.0,級(jí)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(duì)密度0.65,結(jié)構(gòu)中密,防洪堤基礎(chǔ)砂卵礫石抗沖刷能力較差,抗沖刷系數(shù)1.5～2。泥沙顆粒級(jí)配分布見(jiàn)圖9。

圖9 顆分曲線(xiàn)圖

5 沖刷深度復(fù)核計(jì)算分析

通過(guò)查閱大量有關(guān)堤防沖刷深度計(jì)算的文獻(xiàn)與規(guī)范,其中李曉慶[1]在《對(duì)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范推薦沖刷深度公式的探析》一文中,針對(duì)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-1998)附錄D2.2-1順沖公式和D2.2-2斜沖公式進(jìn)行了考證,指證了公式中存在的量綱問(wèn)題,2013版堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)1998版堤防設(shè)計(jì)規(guī)范的沖刷計(jì)算進(jìn)行了修正,取消了斜沖計(jì)算公式,修訂了老版規(guī)范中的順沖公式中的錯(cuò)誤。同時(shí),新版規(guī)范將順沖公式?jīng)_刷流速,由斷面平均流速調(diào)整為近岸垂線(xiàn)平均流速,增加了不均勻系數(shù)這一參數(shù),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(jì)算最常用的有《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中的順沖公式,以及水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)[2]中摘錄的斜沖公式。本文主要針對(duì)以上兩個(gè)公式,結(jié)合實(shí)際沖刷深度,進(jìn)行復(fù)核分析計(jì)算。

1)水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷可按下式計(jì)算[3]:

(1)

(2)

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

表2 水流不均勻系數(shù)

山區(qū)河流河床質(zhì)主要以卵礫石為主,泥沙啟動(dòng)流速可采用長(zhǎng)江科學(xué)院的起動(dòng)公式,計(jì)算公式如下:

(3)

式中:d50為河床質(zhì)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(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷按下式計(jì)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(jì)算粒徑,m,對(duì)非黏性土取大于15%(按重量計(jì))的篩孔直徑。

(5)

式中:Q1為通過(guò)河灘部分的設(shè)計(jì)流量,m3/s;H1為河灘水深,m;η為水流流速不均勻系數(shù),根據(jù)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(shù)η按照表2取2.25,堤腳沖刷H0取主槽水深1.49m,系數(shù)n取1/4。按照顆分曲線(xiàn)分析結(jié)果,中值粒徑d50取0.045m、d85取0.15m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,順沖公式計(jì)算沖刷深度為0.55m,斜沖公式計(jì)算沖刷深度為2.46m。表3為堤防設(shè)計(jì)基礎(chǔ)深度、順沖公式[3]計(jì)算的沖刷深度、斜沖公式[1-2]計(jì)算的沖刷深度以及實(shí)際調(diào)查沖刷深度的對(duì)比分析結(jié)果。

表3 水流不均勻系數(shù)

通過(guò)對(duì)比分析可知,順沖公式[3]在山區(qū)游蕩型河道沖刷計(jì)算中,計(jì)算結(jié)果相較于實(shí)際沖刷值往往嚴(yán)重偏小。其原因是該公式主要適用于水流相對(duì)比較平順的平原區(qū)河道。平原區(qū)的河道一般水深較大,坡降較緩,水流平緩、河勢(shì)相對(duì)較為穩(wěn)定,而山區(qū)河流坡降較陡,水流急,主槽擺動(dòng)幅度大,河勢(shì)變化劇烈,即便在順直河段,也會(huì)因?yàn)橹髁鲾[動(dòng)頻繁而形成折沖水流劇烈頂沖岸坎的現(xiàn)象,沖刷條件更近似于斜沖或者彎道沖刷。

因此,在山區(qū)河道堤防設(shè)計(jì)中,簡(jiǎn)單套用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中的順沖公式,無(wú)法反映山區(qū)河道實(shí)際沖刷情況。建議設(shè)計(jì)人員對(duì)于其他山區(qū)河流堤防工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)不同的河勢(shì)情況,論證選擇符合工程河段河道特點(diǎn)的沖刷計(jì)算公式。

6 水毀原因分析

針對(duì)達(dá)坂城區(qū)阿克蘇河堤防水毀原因總結(jié)分析,結(jié)合前面的堤防基礎(chǔ)沖刷深度計(jì)算,山區(qū)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(diǎn)造成堤防損毀以外,同時(shí)還有以下幾方面人為影響因素:

1)在設(shè)計(jì)中,未能根據(jù)河勢(shì)情況,選擇適合的沖刷計(jì)算公式,造成計(jì)算沖刷深度偏小。山前沖洪積傾斜平原區(qū)河道,具有典型的游蕩型河道的特點(diǎn),即便在順直河段,主流擺動(dòng),河水劇烈頂沖河岸現(xiàn)象依然十分嚴(yán)重,簡(jiǎn)單套用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中的水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷計(jì)算公式,無(wú)法反映河道實(shí)際沖刷的情況,造成計(jì)算沖刷深度遠(yuǎn)小于實(shí)際沖刷深度,這也是造成堤防損毀的主要原因。

2)堤防治導(dǎo)線(xiàn)布置不平順,人為加重治理河段沖刷淤積問(wèn)題。目前,很多設(shè)計(jì)人員在治導(dǎo)線(xiàn)的布置設(shè)計(jì)中,簡(jiǎn)單依據(jù)現(xiàn)狀岸坎布置治導(dǎo)線(xiàn),未能做到裁彎取直,河彎處更是折角布置,人為加重河道內(nèi)折沖水流現(xiàn)象,加重河道的沖刷淤積問(wèn)題。

3)錯(cuò)誤估計(jì)河道沖擊破壞的強(qiáng)度,設(shè)計(jì)堤防結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,造成堤防護(hù)坡面板沖擊破壞。山區(qū)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(jù)實(shí)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(dá)到500mm以上,卵石、漂石對(duì)堤防工程的沖擊破壞影響嚴(yán)重。很多設(shè)計(jì)人員未考慮山區(qū)河道的實(shí)際情況,簡(jiǎn)單參考平原區(qū)河道堤防護(hù)岸的設(shè)計(jì)斷面形式,也是造成山區(qū)河道堤防工程水毀嚴(yán)重的原因。

7 結(jié) 語(yǔ)

山區(qū)游蕩型河道具有主槽擺動(dòng)頻繁、折沖水流頂沖岸坎嚴(yán)重、河床沖淤變化劇烈、大粒徑卵石沖擊破壞力強(qiáng)等特點(diǎn),治理相對(duì)困難。本文通過(guò)對(duì)阿克蘇河堤防水毀原因總結(jié)分析,針對(duì)山區(qū)河道特點(diǎn),提出以下幾點(diǎn)建議供類(lèi)似工程參考:

1)游蕩型河道最大的特點(diǎn)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(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)河勢(shì)演變情況,考慮折沖水流對(duì)堤防沖刷的影響,對(duì)頂沖段堤防重點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。同時(shí),在治導(dǎo)線(xiàn)布置中,應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀岸坎進(jìn)行裁彎取直,治導(dǎo)線(xiàn)布置盡可能的平順,降低因修建堤防加重折沖水流的現(xiàn)象。

2)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中關(guān)于堤防基礎(chǔ)沖刷深度計(jì)算公式,主要適用于水流相對(duì)平順的平原區(qū)河道。建議在參照相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合山區(qū)河道實(shí)際特點(diǎn),選擇合適的沖刷計(jì)算公式以及計(jì)算參數(shù)。

3)由于山區(qū)河流流出山口后,河道主要以寬淺式河道為主,河勢(shì)變化劇烈,主流擺動(dòng)岔道交織,河道斷面的流速分布十分復(fù)雜,主槽流速往往遠(yuǎn)大于漫灘以及斷面平均流速。很多設(shè)計(jì)人員在沖刷計(jì)算中,簡(jiǎn)單采用斷面平均流速計(jì)算沖刷深度,無(wú)法真實(shí)反映河道局部沖刷情況。在防洪工程設(shè)計(jì)時(shí),河道沖刷流速應(yīng)結(jié)合河段特性及斷面形態(tài)等綜合分析確定。