某山区河流堤防水毁原因分析

黄锦林，张 挺，范嘉炜

（1.广东省水利水电科学研究院；2.广东省水动力学应用研究重点实验室；3.广东省山洪灾害防治工程技术研究中心，广东 广州 510635）

某山区河流堤防水毁原因分析

黄锦林，张 挺，范嘉炜

（1.广东省水利水电科学研究院；2.广东省水动力学应用研究重点实验室；3.广东省山洪灾害防治工程技术研究中心，广东 广州 510635）

山区河流坡陡流急，河道走势复杂，洪水暴涨暴落，水位流量变幅大，集流散流过程迅速，堤岸容易因水流冲刷而产生破坏。文章针对某山区河道堤防工程水毁事件，结合河道床沙粒径分析，从护脚块石、堤脚冲刷以及其他人为影响因素等方面入手，分析了该段堤防的水毁原因，并提出了相应建议，可供山区中小河流治理工程参考。

山区河流；床沙粒径；冲刷深度；抗冲防护；堤防

山区河流坡陡流急，河道走势复杂，洪水暴涨暴落，水位流量变幅大，集流散流过程迅速，堤防工程容易因水流冲刷而产生破坏，是山区中小河流治理工程中的一个难点。对于山区河流的冲刷问题，国内有关学者开展了大量的研究工作［1-6］，但现有的研究多是针对山区河流堤防工程防冲设计展开的，结合堤防水毁事件对山区河流冲刷问题进行研究的较少。本文针对某山区河道堤防水毁事件，从河道床沙粒径特点、堤脚冲刷深度以及抗冲防护措施几方面问题入手，分析工程水毁原因，并提出相应建议，希望能够对山区中小河流治理工作有所帮助。

1 水毁事件概况

某山区河流河长约26.6km，河床平均比降为10.8‰，河床宽30～60m，为宽浅型河道，该河道上游不远处建有一座中型水库。

2011年5月9日，该区域发生强降雨，上游水库进行泄洪，当水位高过堤脚挡墙墙顶约20cm时，河道一处堤段发生坍塌，坍塌长度约30m，水退后测得堤脚最大冲刷深度约1.2m。图1是堤防坍塌段的典型设计断面。

图1 堤防坍塌段典型设计断面

该工程为新建工程，按20年一遇洪水标准设计，施工即将完成却在首次过洪时发生堤岸坍塌，且此次降雨仅相当于10年一遇暴雨，水位也远未达到设计水位，为何会出现堤岸坍塌值得研究。下面针对这一山区河道堤防工程水毁事件，对坍塌原因进行分析。

2 堤前河道床沙粒径分析

为了摸清该段堤防的水毁原因，我们进行了河道床沙粒径分析。粒径分析试验采用筛析法，测量河道床沙样中各种粒组所占该样总质量的百分数，并了解颗粒大小分布情况。采用粗筛和细筛进行筛分试验，得到的典型样颗粒级配曲线见图2，图3是典型样粒径分布曲线，表1是典型样特征粒径。

图2 典型样颗粒级配曲线

图3 典型样粒径分布曲线

表1 典型样特征粒径

按照《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010）的规定［7］，河流泥沙按表2进行分类，该河道床沙中值粒径d50平均值为12.30mm，属于砾石。

表2 河流泥沙分类

3 护脚抗冲块石粒径及重量计算

在水流作用下，防护工程护坡、护脚块石保持稳定的抗冲粒径（折算粒径）及重量可按下式计算［8］：

式中，d-折算粒径，m，按球型折算；W-石块重量，kN；V-水流流速，m/s；g-重力加速度，m/s2，取g=9.81m/s2；C-石块运动的稳定系数，水平底坡C=1.2，倾斜底坡C=0.9；rs-石块的容重，kN/m3，可取 rs=26kN/m3；r-水的容重（kN/m3）， 取 r=9.81kN/m3。

对于水平底坡，取C=1.2，则式（1）为：

对于倾斜底坡，取C=0.9，则式（1）为：

表3给出了不同水流流速对应的块石抗冲粒径（折算粒径）和抗冲重量，从表中可以看出，随着水流流速的加大，要维持块石的稳定，需要的块石抗冲粒径和抗冲重量增幅是比较大的。

表3 不同水流流速对应的块石抗冲粒径和抗冲重量

表3的计算结果表明，随着河道水流流速的加大，要维持块石的稳定，要求的块石抗冲重量急剧增加。在山区河流中，河道坡降一般较大，3～4m/s的流速较为常见，5m/s左右或者更大的流速也有可能出现，所以，上吨重的大块石被冲动也就不足为奇。失事堤段设计流速为3.62m/s，按照倾斜底坡考虑块石抗冲粒径约0.50m。由于水毁堤段位于河道迎流顶冲岸段，加之河道坡降较大，水流流速大，失事时由于施工进度原因未进行抛石护脚，仅用河床沙卵石进行了覆盖，在水流作用下，堤脚砂石被带走，最终导致堤脚挡墙松动引起堤岸坍塌。

4 堤脚冲刷深度核算

顺坝及平顺护岸的冲刷深度可按下列公式计算［8］：

式中，hs-局部冲刷深度，m；H0-冲刷处的水深，m；Ucp-近岸垂线平均流速，m/s；Uc-泥沙起动流速，m/s，该山区河流以卵砾石为主，可采用长江科学院的起动公式按式（7）计算；n-与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6；U-行近流速，m/s；η-水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表4采用。

式中，d50-床沙的中值粒径，m；γs、γ-泥沙与水的容重，kN/m3，取 rs=21kN/m3，r=9.81kN/m3；其余符号意义同前。

表4 水流流速不均匀系数

水毁堤段位于河道迎流顶冲岸段，水流流向与岸坡交角 α由原来的30°改变为80°，水流流速不均匀系数η可取2.75，冲刷处的水深H0约1.2m，与防护岸坡在平面上的形状有关的系数 n取1/4。按照床沙粒径分析结果，床沙的中值粒径 d50取0.0123m。表5给出了不同水深、不同行近流速情况下堤脚的冲刷深度计算结果。

汛期该山区河流流速较大，约3～4m/s，按表5的计算结果，堤脚最大冲刷深度约0.65～0.79m，但实际调查发现堤脚最大冲刷深度约1.2m。计算与实际的冲刷深度有所差异，分析其原因，主要因为计算采用的是《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）冲刷深度计算公式，该公式是根据长江、黄河、珠江及其他河流采用的一些公式提出的，比较适用于大江大河。由于大江大河水深较大，坡降较缓，水流缓，水流垂向流速分布差异较大，近底层流速相对较小，而山区河流水深相对更小，坡降较陡，水流急，水流垂向流速分布差异更小，近底层流速相对更大。特别是当山区河流水深不大时，水流混掺更为严重，水流垂向流速分布差异小。因此，当水深不大时，山区河流的实际冲刷深度要比《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中冲刷公式计算深度更大，这一点应引起水利技术人员的注意，建议对于山区河流要研究更符合其河道特点的冲刷深度计算公式。

表5 堤脚冲刷深度计算

5 水毁原因分析

针对该山区河道堤防水毁事件，通过前面的护脚块石抗冲粒径（重量）和堤脚冲刷深度计算，结合事后的事故原因调查，发现造成其水毁的原因除了河道坡降大、水流急等自然因素以外，还有以下几方面人为影响因素：

（1）发生水毁事件时是在当年的5月初，刚进入汛期，降雨前河道水位较低。由于该次降雨量相对较大（约10年一遇降雨），河道上游不远处的一座中型水库为维持汛限水位开闸泄洪，导致河道由枯水期的低水位来承接上游来水，水位上涨迅速，河道比降大，水流流速较大，在初期低水位时甚至出现急流，一定程度上加剧了河床的冲刷。

（2）由于该河道淤积较为严重，按照设计要求，需进行河道清淤疏浚，清出来的砂砾卵石料用于堤防的堤身填筑。在实施过程中，施工单位在未按照设计要求先进行河道清淤疏浚的情况下就开展堤防填筑，并且为了施工方便，枯水期直接开挖掘机在堤前河道挖取砂砾卵石料筑堤，造成堤脚前被人为开挖出一条过水通道。在河道断面其他部位未清淤疏浚的情况下，这样的做法改变了原天然河道的主槽，使汛期的主流直接引向了堤脚，且垮塌堤段还形成了一种迎流顶冲的态势，水流流向与岸坡交角α由原来的30°改变为80°，水流集中且流速大，直冲堤岸，造成失事时水流将堤脚冲出一个1.2m的深坑，导致堤防垮塌。

（3）按照设计图纸要求，为防止堤脚冲刷，堤脚前应抛填大块石护脚，按照表3的计算结果，块石还必须具备一定粒径（重量），失事堤段设计流速为3.62m/s，按照倾斜底坡考虑块石抗冲粒径约0.50m。由于施工进度的原因，施工单位在堤身建好后还未来得及抛填大块石护脚，仅用河床沙卵石进行覆盖。但当年的洪水来得早，刚进入汛期就发生了约十年一遇的较大洪水，在缺乏大块石防护的情况下，在这种迎流顶冲堤段必然会在堤脚冲出大的冲坑。

（4）在原设计的块石护脚未实施的情况下，虽然堤脚前用河床沙卵石进行了覆盖，但由于河床沙卵石粒径小，重量轻，较小的流速就能造成其起动，难以达到防冲要求。加上该段水流集中且流速大，失事堤段迎流顶冲，按照表5的计算结果，堤脚最大冲刷深度约0.65～0.79m，按照设计工况（水深2.97m，流速3.62m/s，水流流向与岸坡交角α约30°）由公式核算的最大冲刷深度为1.46m。该堤段在未抛填块石护脚的情况下，实际洪水来时最大冲深达1.2m，而堤脚挡墙埋深仅1m，堤防垮塌也是必然。

6 结语

水退后，对失事堤段进行了加固处理，堤脚挡墙埋深由原1.0m调整为1.5m，堤脚前抛填了大块石护脚，河道也按设计要求进行了清淤疏浚，到目前为止，经历几个汛期考验，未再出现问题。通过该堤防工程水毁事件，针对山区河流特点，我们要对正在开展的山区中小河流治理工作提出如下建议：

（1）对于河道上游建有水库或水闸等蓄水工程的，如通过闸门启闭来控制泄洪，闸门应分级开启，避免一步到位带来下游河道的冲刷。

（2）河道清淤疏浚要讲究方法，清淤疏浚应按要求及时开展，清淤断面要使河道主槽远离堤脚，特别要避免出现堤岸迎流顶冲现象。

（3）《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中冲刷深度计算公式适用于大江大河，对于山区河流，由于其水流特点与大江大河有所不同，建议进一步研究符合其河道特点的冲刷深度计算公式。

（4）对于山区河流一些流速较大的部位，由于堤防护脚块石抗冲粒径和抗冲重量要求较大，不能简单地采用抛石的方法进行护坡或护脚，应提高护坡、护脚表层单个块体的形状稳定系数，并使之嵌固紧密，接缝平顺。此外，可以采用增加块体整体性的方法（如合金钢丝笼、混凝土灌砌石等），使其成为一个整体，提高抗冲能力。对于流速较大部位的堤段，堤脚挡墙还要求有一定的安全埋深。

［1］李晓庆，唐新军.对《堤防工程设计规范》推荐冲刷深度公式的探析［J］.水资源与水工程学报，2006（04）：50-52.

［2］朱晓玲，陈皓，陈亚君.浙江省小流域防洪堤岸防冲设计要点［J］.水利水电工程设计，2013（32）：12-13.

［3］林文婧.山区中小河流冲刷深度计算及分析［J］.广东水利水电，2016（05）：46-48.

［4］汤丽慧，章哲恺.山区性河道整治工程冲刷深度分析与计算初探［J］.中国农村水利水电，2015（07）：83-84.

［5］柯丽萍，时志宇.堤防设计中堤基设防深度探讨［J］.内蒙古水利，2010（04）：145-146.

［6］张展域.中小河流冲刷深度的计算探讨［J］.中国水运，2016（16）： 148-149.

［7］SL42-2010.河流泥沙颗粒分析规程［S］.

［8］GB50286-2013.堤防工程设计规范［S］.

TV871

B

1672-2469（2017）10-0125-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.035

2017-03-29

广东省水利科技创新基金项目（2015-11）

黄锦林（1971年-），男，教授级高级工程师。