沂河山東段堤岸坍塌險工成因分析

占 超，魏 松*，周 靜，黃嚴(yán)堃，陳 清

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230009; 3.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局, 徐州 221018)

河道堤岸坍塌是指堤岸在近岸水沙運(yùn)動與河床邊界的相互作用下逐漸崩退的過程。自20世紀(jì)90年代以來，僅沂河中下游河道的堤岸坍塌險工就多達(dá)70多起。目前，隨著淮河流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的延伸推動，維護(hù)沂河河道的穩(wěn)定顯得尤為重要。因此，解決這一問題迫在眉睫。

從20世紀(jì)70年代至今，國內(nèi)外就有許多學(xué)者分析了堤岸坍塌險工的成因和形成機(jī)理，其中較有影響的研究有：陳引川等[1-2]從河流動力學(xué)的角度分析了導(dǎo)致堤岸坍塌發(fā)生的邊界條件，Osma等[3-4]從河床下切與岸坡侵蝕角度進(jìn)行分析，用安全系數(shù)的大小來判斷堤岸是否崩塌。1998年之后，堤岸崩塌問題被重點(diǎn)關(guān)注，如黃本勝等[5]建立了沖積河流岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算模型，計(jì)算分析了河岸邊界條件對堤岸坍塌的影響；夏軍強(qiáng)等[6]進(jìn)行了河道床面沖淤及河岸崩退數(shù)學(xué)模型研究；吳勇等[7]對動水壓力作用下堤岸邊坡流固耦合滲流特性進(jìn)行了研究；張幸農(nóng)等[8-9]進(jìn)行了崩岸的概化模擬試驗(yàn)研究，并對窩崩進(jìn)行了專題研究，取得了流滑型窩崩岸的水流結(jié)構(gòu)特征及變化規(guī)律等系列成果。

從以上研究成果來看，目前研究堤岸險工成因和機(jī)理的途徑和方法是多方面的，因關(guān)注角度不同所得成果各有側(cè)重，但能從多個影響因素去分析險工成因的研究不多。本文通過歸納現(xiàn)有研究結(jié)果和沂河流域近70 a來險工歷史資料，并進(jìn)行實(shí)地考察調(diào)研，結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)、泥沙動力學(xué)、土力學(xué)以及流體動力學(xué)的理論，分析該河道堤岸坍塌的成因及形成機(jī)理。

1 沂河山東段概況

沂河山東段上游起于山東省第二高峰魯山南麓，下至郯城，總長約228 km，為典型山洪河道。流域?qū)贉貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，夏季多暴雨天氣[10]。據(jù)圖1所示，整個流域地形特征為西北高，東南低，上游地形主要為丘陵山區(qū)，植被覆蓋少，水土流失嚴(yán)重；中下游為沖積平原，兩岸植被茂密。沂河受所處地形制約，河道坡降大，河流彎曲縱橫，每當(dāng)夏季暴雨，河水暴漲，水流湍急，使得部分堤岸因迎流頂沖而發(fā)生破壞。由于上游來水來沙量發(fā)生改變，沂河局部河段河勢產(chǎn)生變化，岸坡變陡。過去一些已經(jīng)進(jìn)行治理的險工又因?yàn)閽伿呤ピ械姆雷o(hù)功能進(jìn)而形成新的險工，嚴(yán)重威脅防洪。

圖1 沂河山東段流域圖Fig.1 Basin map of the Shandong section of the Yihe River

2 險工成因及破壞機(jī)理分析

2.1 險工成因分析

通過對沂河山東段的20多個不同時期險工調(diào)研，結(jié)果顯示，該段河道險工出現(xiàn)險情90余次，多為堤岸坍塌和滲水險工。其中，堤岸坍塌類險工占比為78.4%，主要集中在中下游流域。這類險工大多發(fā)生在彎道處。其主要特征是堤岸受水流的沖刷導(dǎo)致河岸坍塌從而危及堤防安全，也包括因河勢變化導(dǎo)致的水流頂沖堤岸造成險工。該類險工具有發(fā)生突然、發(fā)展迅速、后果嚴(yán)重的特點(diǎn)，如不及時治理，將會危及堤防安全。在成因方面，此類險工成因較為復(fù)雜，與河床演變、自然條件、筑堤材料等密切相關(guān)。為了進(jìn)一步研究堤岸險工的成因及破壞機(jī)理，通過對沂河兩岸險工進(jìn)行資料收集和實(shí)地考察，將險工形成的原因從水文環(huán)境、地質(zhì)條件、河道形態(tài)及人為工程建設(shè)等幾個方面進(jìn)行分析。

2.1.1 水文氣象

(1)水流動力。

水流動力因素是造成沂河堤岸坍塌險工重要因素之一。沂河大多數(shù)堤岸坍塌險工的發(fā)生均由于堤岸受水流縱向沖刷作用，坡角淘刷嚴(yán)重，岸坡失穩(wěn)而發(fā)生崩塌。如沂河左岸的立朝險工、沂河右岸的西蔡險工和后房莊險工都位于彎道凹岸，坐彎頂沖，主流常年靠岸貼流，靠岸的縱向水流流速大。根據(jù)水流挾沙力表達(dá)式，流速越大，水流挾沙力就越大，岸坡受水流沖刷程度也大[11]。一旦遇到暴雨洪水天氣，河道水流流速驟增，岸坡受沖就極易形成坍塌險工。

表1 沂河臨沂站水位與流量關(guān)系變化對照表[14]Tab.1 Comparison of the relationship between water level and discharge at Linyi Station on the Yihe River[14]

(2)河道水位變化。

沂河作為一條山洪性河道，河道坡降大，出現(xiàn)暴雨洪水天氣，源短流急，水流匯流歷時極短。這就使得河道水位、流量短時間內(nèi)變化極大。如臨沂水文站1974年8月14日洪水, 13日早上從79 m3/s起漲，14日凌晨出現(xiàn)洪峰流量10 600 m3/s僅21 h[12]。據(jù)表1所示，洪水來臨時，沂河河道水位隨著河道流量增大而升高。隨著洪水流量不斷增加，使得河道處于較高水位時，岸坡土體受水浸泡達(dá)到飽和，孔隙水壓力很高，抗剪強(qiáng)度下降；洪峰過后，河道水位迅速降低，土壓力增大，在岸坡內(nèi)形成非恒定滲流，使得岸坡穩(wěn)定性下降[13]。

(3)降雨。

就沂河流域而言，由于受季風(fēng)環(huán)流影響[15]，降雨對于堤岸坍塌的影響作用不可忽略。當(dāng)短時間降水量超過岸坡土壤的入滲能力時，會形成地表徑流，對岸坡表面產(chǎn)生侵蝕，對岸坡穩(wěn)定造成影響。據(jù)圖2，臨沂站1950～2012年間有6個年份的夏季降水量均達(dá)到了800 mm以上，而在這幾個年份，沂河兩岸有不少堤岸產(chǎn)生了坍塌險情。如1961年北水門險工，1972年立朝險工，2010年南水良險工、西蔡險工等。

圖2 沂河臨沂站1950～2012年夏季降雨量時間序列圖Fig.2 Time series of rainfall in summer at Linyi Station on the Yihe River from 1950 to 2012

2.1.2 不良土質(zhì)影響堤岸穩(wěn)定

沂河堤基的土質(zhì)屬于砂質(zhì)沉積層，主要由礫質(zhì)粗砂、砂礫石組成。其凝聚性差，強(qiáng)度指標(biāo)低，難于抵抗坡前水流的沖刷作用。對于砂質(zhì)坡體，由于易被水流所侵蝕，而被侵蝕的又迅即被水流帶走，砂質(zhì)坡體在水流沖刷作用下坡腳后退快[16]。堤基以上是覆蓋有粘土的粘質(zhì)坡體，由于土體強(qiáng)度指標(biāo)高，土體顆粒不易被起動，在水流沖刷作用下則坡腳后退緩慢。當(dāng)坡腳受沖時，上部粘土岸坡土體將成為荷載，這就更加容易導(dǎo)致形成堤岸坍塌類險工。

2.1.3 河流形態(tài)

沂河山東段河道上游為沂蒙山區(qū)，河道蜿蜒曲折；中下游是沖積平原，河道相較順直平緩，雖然斷面大，但是泄洪能力低，兩岸的灘地抗沖能力差。從河流形態(tài)來分，沂河上游屬于蜿蜒型河段，當(dāng)水流流過彎道時，水流在重力和離心力的作用下，使得表層含沙量較少的水流流向凹岸，底層含沙量多的水流流向凸岸，這種橫向水流與縱向水流結(jié)合在一起，形成螺旋前進(jìn)的水流，造成凹岸沖刷[17]。每當(dāng)汛期山洪暴發(fā)，夾帶著大量泥沙的洪水呼嘯而下，對河道兩岸進(jìn)行沖刷，造成灘地坍塌，形成許多坐彎頂沖的堤岸坍塌險工。

而沂河中下游屬于游蕩型河段，該河段的河床是由易沖刷和易淤積的細(xì)沙組成，河床寬窄大致相同，汊道淺灘遍布。加上河床內(nèi)沒有穩(wěn)定深槽，水流湍急，主流東碰西撞搖擺不定，河勢十分不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致水流頂沖堤段，使得岸坡失穩(wěn)，造成堤岸坍塌。例如，位于郯城縣廟山鄉(xiāng)立朝村西立朝險工段(樁號為35+950～37+650)，位于沂河中游，該段河勢右高左低，河道分左、右偏泓，河心洲巨大，高程幾乎與灘地平齊，右岸河底比左岸高出1～2 m，因河心洲分流使左岸險工段常年貼流，險工段位于河道凹岸，坐彎頂沖，主流方向與河岸線成40°角，對岸坡沙土沖刷嚴(yán)重，形成堤岸坍塌類險工。

2.1.4 人類采砂和涉河建筑物建設(shè)活動影響

(1)人類采砂。

沂河河道屬于多沙河道，且河床內(nèi)多含建筑行業(yè)使用量大的中粗沙。采砂過后河道水流受采沙坑的影響，水流運(yùn)動類似于“跌水”，上下游緣口水面向下跌略呈彎曲狀[18]。此時水流運(yùn)動明顯加速，水流的挾沙能力有顯著提高，沖刷能力加強(qiáng)。使得水流對堤坡淘刷更嚴(yán)重，極易導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。

如沂河流域的沙灣險工，由于北泓河床內(nèi)的沙層已經(jīng)露頭，且沙質(zhì)好(多為中粗砂)，當(dāng)?shù)厝罕姲焉匙赢?dāng)作建材資源，不斷淘撈開采，使之愈掏愈深愈陡，河床下切，人為加劇了險工的發(fā)展。

(2)涉河建筑物建設(shè)。

1957 年特大洪水后，沂河上游先后建成了5座大型水庫(田莊、跋山、岸堤、許家崖、唐村)和22 座中型水庫，從20世紀(jì)90年代開始，也在中下游陸陸續(xù)續(xù)建成了攔河閘壩等水利工程。到目前，沂河臨沂站以上主要有11座攔河閘壩，除斜午攔河壩為漿砌石壩外，其他均為橡膠壩，另有袁家口子攔河閘、河灣攔河閘正在建設(shè)中[19]。這些涉河建筑物的建成，極大的減少了本河段的來沙量，水流通過攔河建筑物下泄后會直接對壩下河床產(chǎn)生沖刷，造成河床嚴(yán)重下切，使岸坡坡腳淘刷更嚴(yán)重，從而導(dǎo)致堤岸坍塌事件的發(fā)生。據(jù)圖3沂河臨沂站典型年實(shí)測主河槽斷面圖所示，河槽剖面大致呈不對稱V字形，深槽靠近右岸。1974～1993年靠左岸處河床少量淤積，靠右岸整體呈下切趨勢；1993～2012年主河槽整體呈下切趨勢，平均下切1.42 m，最大下切深度約2.12 m，且深泓向右偏移了約100 m，應(yīng)是采砂所致。

除此之外，為加固岸坡的丁壩、護(hù)坡等工程布置不當(dāng)，也會引起岸坡局部沖刷，導(dǎo)致堤岸坍塌事件的發(fā)生。

圖3 沂河臨沂站典型年實(shí)測主河槽斷面圖Fig.3 Measured cross-section of the main channel at Linyi Station on the Yihe River in a typical year

2.2 險工形成機(jī)理

2.2.1 堤岸土體組成

堤岸土體的組成及其力學(xué)性質(zhì)是導(dǎo)致堤岸崩塌的內(nèi)在因素。影響堤岸穩(wěn)定的因素除了土體的基本物理性質(zhì)，還與土體的抗沖和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性有關(guān)。因此，本文對堤岸坍塌頻發(fā)的沂河西蔡險工右岸(中泓樁號為33+840～37+180，長3.34 km)土體進(jìn)行分析。

表2 土體力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20]Tab.2 Experimental results of soil mechanical property[20]

通過對沂河土山閘下西蔡段土質(zhì)勘測報告和室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和整理，給出了沂河西蔡險工段崩岸土體主要力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，如表2所示。分析結(jié)果反映土質(zhì)類別、滲透性、密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)。

根據(jù)表1可見，堤岸坍塌土體主要由上部粘性土和下部非粘性土組成的二元結(jié)構(gòu)。堤岸上部為約厚1～2 m的粉質(zhì)粘土，原狀土體自然狀態(tài)時內(nèi)摩擦角約10°左右，黏聚力約為30 kN/m2，壓縮模量約為7.0 MPa，允許比降約為0.45，抗沖性較好；下部則為非粘性土，主要由細(xì)沙和粗沙組成，中值粒徑介于0.06～0.35 mm，抗沖性較差。

2.2.2 堤岸穩(wěn)定性分析

堤岸邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到堤岸的安全，不穩(wěn)定的邊坡會直接導(dǎo)致堤岸滑坡、塌方從而形成險工。本文主要通過研究不同水位情況下堤岸邊坡穩(wěn)定，來模擬大小不同的洪水過境對堤岸穩(wěn)定影響。

對沂河南水良險工右岸土坡進(jìn)行分析，堤岸穩(wěn)定分析采用理正邊坡穩(wěn)定分析程序，其中地質(zhì)參數(shù)采用2016年8月沂河水利管理局實(shí)測資料，斷面資料采用南水良險工右岸樁號K146+500。該段岸坡穩(wěn)定性較差，地層主要由素填土和第四系覆蓋物組成。岸坡上層為厚度2～3 m的可塑狀粉質(zhì)粘土，容許承載力125 kPa，c=25 kPa、φ=10°；中部由2～4 m軟塑狀粉質(zhì)黏土和部分淤泥質(zhì)土組成，容許承載力90，抗沖刷能力極差，c=15 kPa、φ=25°；下部幾乎為由細(xì)沙及砂泥巖組成，c=2.5 kPa,φ=27°。

根據(jù)以上地質(zhì)參數(shù)，依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-98)，采用瑞典圓弧條分法計(jì)算不同水位下堤岸安全系數(shù)，計(jì)算簡圖如圖4所示。

通過理正邊坡穩(wěn)定分析程序計(jì)算，得到斷面水位與安全系數(shù)的關(guān)系如圖5。據(jù)圖5可以看出，堤岸安全系數(shù)隨著河道水位的升高呈先減小后增大，表明河道水位的變化對堤岸穩(wěn)定性有重要影響。這主要是水對岸坡的側(cè)向水壓力與岸坡本身土體強(qiáng)度隨水位升高不斷發(fā)生變化的結(jié)果：當(dāng)開始水位升高，側(cè)向水壓力會增大，導(dǎo)致岸坡滑動面上抵抗力也增大；同時水位升高也會使原來水位以上土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)由于含水率增大而降低，從而減小滑動面上的抵抗力[21]。但當(dāng)水位升高到一定高度時，由于岸坡的土體受水浸泡而飽和，即土體的含水率達(dá)到最大，岸坡的土體強(qiáng)度驟降，此時岸坡滑動面上的抵抗力減小幅度大于側(cè)向水壓力作用效果，堤岸安全系數(shù)隨水位升高而降低；但當(dāng)水位不斷升高時，側(cè)向水壓力對岸坡作用效果又大于土體強(qiáng)度指標(biāo)作用，堤岸安全系數(shù)隨水位升高而增大。在這個過程中存在著一個安全系數(shù)最低的危險水位，大約在岸坡高度的5/11～7/11處，表明中小洪水對岸坡穩(wěn)定的威脅大，應(yīng)加以防范。

圖4 K146+500斷面圓弧法計(jì)算簡圖Fig.4 K146+500 section arc method calculation diagram圖5 沂河南水良險工右岸K146+500斷面水位與安全系數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram between section water level and safety factor of the K146+500 section on the rightbank of the Nanshuiliang engineering in the Yihe River

2.2.3 堤岸坍塌沖刷破壞機(jī)理

圖6 堤岸坍塌力學(xué)分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical analysis of bank collapse

水流對岸坡的沖刷作用是造成堤岸崩塌的重要因素，尤其是挾沙縱向水流對堤岸的頂沖作用。堤岸坍塌的本質(zhì)是近岸縱向水流攜帶的巨大能量作用于堤防，不斷淘刷堤岸；應(yīng)用河流動力學(xué)理論來分析堤岸坍塌破壞，筆者認(rèn)為是挾沙水流的動量在沖刷堤防前后發(fā)生了變化，此過程產(chǎn)生的水流對堤岸作用力與堤岸抗沖力的相互作用致使了岸坡坍塌的發(fā)生。為建立該過程的概化物理力學(xué)模型，假設(shè)：(1)沖刷的水流屬于恒定流，所選斷面間水流流速與密度不隨時間變化；(2)縱向水流對堤岸的作用力與水流頂沖堤岸后的控制體積的動量變化有關(guān)；(3)沂河堤岸上部粘性土體的厚度較薄，且沖刷破壞往往自坡腳開始，只考慮下部非粘性土體的抗沖力。水流與土質(zhì)堤岸的夾角為α、進(jìn)口平均流速為v1、水流的截面積為A1；出口平均流速為v2、水流的截面積為A2，如圖6所示。

根據(jù)控制體積列動量方程

(1)

式中：β1、β2為動量修正系數(shù)；Q為兩個過水?dāng)嗝骈g流量，對斷面間的控制體由動量定理得

(2)

(3)

式中：Fx為x方向的對岸坡的沖力；Fy為y方向?qū)Π镀聸_力。

根據(jù)牛頓第三定律，堤防受到水流的作用力P=-F，則Px=-Fx，Py=-Fy；

得到合力

(4)

則堤防單位面積受到的作用力

(5)

依據(jù)文獻(xiàn)[22]可知岸坡堤防土體抗沖刷力

(6)

式中：f(Red)為土粒雷諾數(shù)的函數(shù)，可以從謝爾茲曲線得到；ρs為渾水密度；θ為岸坡角；φ是土粒自然休止角；d是堤岸土體平均組成粒徑。

當(dāng)τ≥τk時，水流沖刷會對堤岸產(chǎn)生破壞，且τ越大，堤岸坍塌的破壞程度越嚴(yán)重，且根據(jù)式(4)可以得到水流對堤防的作用力大，則說明此時河道水流的流速也較大，而水流流速越大，堤岸邊界的粘滯切應(yīng)力也越大，從而會使得岸邊水流對堤岸坡腳泥沙的淘刷和輸移能力增強(qiáng)，加速堤岸坍塌。

以沂河山東段的后房莊險工1999年6月發(fā)生的堤岸坍塌險情為例，來分析計(jì)算沂河水流產(chǎn)生的沖力對堤岸的影響，該段河岸堤防土體組成主要是粉質(zhì)粘土和中粗砂，其中中粗砂粒徑為0.35～0.6 mm。1999年6月1日～6月10日，僅僅10 d，河岸下部坍塌0.5 m；其中6月8日，河流寬度約為120 m，近岸水流平均水深2.48 m，渾水平均密度為1 153 kg/m3，平均流速3 m/s，縱向水流與河岸堤防成45°角左右頂沖堤防，彎道沖刷入口主流寬度約180 m，出流的水流河寬200 m，近岸水流平均水深2.5 m，平均流速2.4 m/s，動量修正系數(shù)β1，β2均取1。根據(jù)上述公式計(jì)算出這一時段內(nèi)縱向水流對堤岸堤作用力P=3.31×106N。堤岸土體單位面積上的作用力為：τ=P/A=11.02 kPa；由堤防土粒顆粒組成情況，查表計(jì)算得堤岸土體的抗沖力τk=3.6 kPa。通過比較可以看出：縱向水流對堤防的作用力τ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堤防土體的抗沖力τk，此時段內(nèi)水流對堤防的作用力會對堤防造成巨大的破壞。

3 結(jié)束語

本文通過對沂河堤岸坍塌險工的資料分析和現(xiàn)場調(diào)研，較為全面分析了險工成因和形成機(jī)理，總結(jié)如下：

(1)通過對歷史險工資料分析，險情發(fā)生大多是該河段內(nèi)水文環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、河勢變化及人類活動等因素共同作用引起的。

(2)對堤岸土體室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得出沂河堤岸坍塌險工的堤岸為典型二元結(jié)構(gòu)，上部黏性土層主要由抗沖性較好的粉質(zhì)黏土組成，下部非黏性土層主要由抗沖性差的細(xì)沙和粗沙組成。

(3)對不同水位下的堤岸穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，隨著水位升高，沂河堤岸的安全系數(shù)先減小后增大，且最危險的水位位于堤岸高度的5/11～7/11處，表明中小洪水對堤岸的穩(wěn)定性有較大威脅。

(4)從河流動力學(xué)的角度來分析塌岸破壞，分析結(jié)果表明挾沙水流的動量在沖刷堤防前后發(fā)生了變化，此過程產(chǎn)生對堤岸的作用力與堤岸抗沖力相互作用導(dǎo)致堤岸破壞。