沂河山东段堤岸坍塌险工成因分析

2021-05-12黄严堃

水道港口 2021年1期

占超，魏松*，周静，黄严堃，陈清

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院, 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室, 合肥 230009; 3.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局, 徐州 221018)

河道堤岸坍塌是指堤岸在近岸水沙运动与河床边界的相互作用下逐渐崩退的过程。自20世纪90年代以来，仅沂河中下游河道的堤岸坍塌险工就多达70多起。目前，随着淮河流域生态经济带的延伸推动，维护沂河河道的稳定显得尤为重要。因此，解决这一问题迫在眉睫。

从20世纪70年代至今，国内外就有许多学者分析了堤岸坍塌险工的成因和形成机理，其中较有影响的研究有：陈引川等[1-2]从河流动力学的角度分析了导致堤岸坍塌发生的边界条件，Osma等[3-4]从河床下切与岸坡侵蚀角度进行分析，用安全系数的大小来判断堤岸是否崩塌。1998年之后，堤岸崩塌问题被重点关注，如黄本胜等[5]建立了冲积河流岸坡的稳定性计算模型，计算分析了河岸边界条件对堤岸坍塌的影响；夏军强等[6]进行了河道床面冲淤及河岸崩退数学模型研究；吴勇等[7]对动水压力作用下堤岸边坡流固耦合渗流特性进行了研究；张幸农等[8-9]进行了崩岸的概化模拟试验研究，并对窝崩进行了专题研究，取得了流滑型窝崩岸的水流结构特征及变化规律等系列成果。

从以上研究成果来看，目前研究堤岸险工成因和机理的途径和方法是多方面的，因关注角度不同所得成果各有侧重，但能从多个影响因素去分析险工成因的研究不多。本文通过归纳现有研究结果和沂河流域近70 a来险工历史资料，并进行实地考察调研，结合水文地质学、泥沙动力学、土力学以及流体动力学的理论，分析该河道堤岸坍塌的成因及形成机理。

1 沂河山东段概况

沂河山东段上游起于山东省第二高峰鲁山南麓，下至郯城，总长约228 km，为典型山洪河道。流域属温带半湿润季风气候，夏季多暴雨天气[10]。据图1所示，整个流域地形特征为西北高，东南低，上游地形主要为丘陵山区，植被覆盖少，水土流失严重；中下游为冲积平原，两岸植被茂密。沂河受所处地形制约，河道坡降大，河流弯曲纵横，每当夏季暴雨，河水暴涨，水流湍急，使得部分堤岸因迎流顶冲而发生破坏。由于上游来水来沙量发生改变，沂河局部河段河势产生变化，岸坡变陡。过去一些已经进行治理的险工又因为抛石走失失去原有的防护功能进而形成新的险工，严重威胁防洪。

图1 沂河山东段流域图Fig.1 Basin map of the Shandong section of the Yihe River

2 险工成因及破坏机理分析

2.1 险工成因分析

通过对沂河山东段的20多个不同时期险工调研，结果显示，该段河道险工出现险情90余次，多为堤岸坍塌和渗水险工。其中，堤岸坍塌类险工占比为78.4%，主要集中在中下游流域。这类险工大多发生在弯道处。其主要特征是堤岸受水流的冲刷导致河岸坍塌从而危及堤防安全，也包括因河势变化导致的水流顶冲堤岸造成险工。该类险工具有发生突然、发展迅速、后果严重的特点，如不及时治理，将会危及堤防安全。在成因方面，此类险工成因较为复杂，与河床演变、自然条件、筑堤材料等密切相关。为了进一步研究堤岸险工的成因及破坏机理，通过对沂河两岸险工进行资料收集和实地考察，将险工形成的原因从水文环境、地质条件、河道形态及人为工程建设等几个方面进行分析。

2.1.1 水文气象

(1)水流动力。

水流动力因素是造成沂河堤岸坍塌险工重要因素之一。沂河大多数堤岸坍塌险工的发生均由于堤岸受水流纵向冲刷作用，坡角淘刷严重，岸坡失稳而发生崩塌。如沂河左岸的立朝险工、沂河右岸的西蔡险工和后房庄险工都位于弯道凹岸，坐弯顶冲，主流常年靠岸贴流，靠岸的纵向水流流速大。根据水流挟沙力表达式，流速越大，水流挟沙力就越大，岸坡受水流冲刷程度也大[11]。一旦遇到暴雨洪水天气，河道水流流速骤增，岸坡受冲就极易形成坍塌险工。

表1 沂河临沂站水位与流量关系变化对照表[14]Tab.1 Comparison of the relationship between water level and discharge at Linyi Station on the Yihe River[14]

(2)河道水位变化。

沂河作为一条山洪性河道，河道坡降大，出现暴雨洪水天气，源短流急，水流汇流历时极短。这就使得河道水位、流量短时间内变化极大。如临沂水文站1974年8月14日洪水, 13日早上从79 m3/s起涨，14日凌晨出现洪峰流量10 600 m3/s仅21 h[12]。据表1所示，洪水来临时，沂河河道水位随着河道流量增大而升高。随着洪水流量不断增加，使得河道处于较高水位时，岸坡土体受水浸泡达到饱和，孔隙水压力很高，抗剪强度下降；洪峰过后，河道水位迅速降低，土压力增大，在岸坡内形成非恒定渗流，使得岸坡稳定性下降[13]。

(3)降雨。

就沂河流域而言，由于受季风环流影响[15]，降雨对于堤岸坍塌的影响作用不可忽略。当短时间降水量超过岸坡土壤的入渗能力时，会形成地表径流，对岸坡表面产生侵蚀，对岸坡稳定造成影响。据图2，临沂站1950～2012年间有6个年份的夏季降水量均达到了800 mm以上，而在这几个年份，沂河两岸有不少堤岸产生了坍塌险情。如1961年北水门险工，1972年立朝险工，2010年南水良险工、西蔡险工等。

图2 沂河临沂站1950～2012年夏季降雨量时间序列图Fig.2 Time series of rainfall in summer at Linyi Station on the Yihe River from 1950 to 2012

2.1.2 不良土质影响堤岸稳定

沂河堤基的土质属于砂质沉积层，主要由砾质粗砂、砂砾石组成。其凝聚性差，强度指标低，难于抵抗坡前水流的冲刷作用。对于砂质坡体，由于易被水流所侵蚀，而被侵蚀的又迅即被水流带走，砂质坡体在水流冲刷作用下坡脚后退快[16]。堤基以上是覆盖有粘土的粘质坡体，由于土体强度指标高，土体颗粒不易被起动，在水流冲刷作用下则坡脚后退缓慢。当坡脚受冲时，上部粘土岸坡土体将成为荷载，这就更加容易导致形成堤岸坍塌类险工。

2.1.3 河流形态

沂河山东段河道上游为沂蒙山区，河道蜿蜒曲折；中下游是冲积平原，河道相较顺直平缓，虽然断面大，但是泄洪能力低，两岸的滩地抗冲能力差。从河流形态来分，沂河上游属于蜿蜒型河段，当水流流过弯道时，水流在重力和离心力的作用下，使得表层含沙量较少的水流流向凹岸，底层含沙量多的水流流向凸岸，这种横向水流与纵向水流结合在一起，形成螺旋前进的水流，造成凹岸冲刷[17]。每当汛期山洪暴发，夹带着大量泥沙的洪水呼啸而下，对河道两岸进行冲刷，造成滩地坍塌，形成许多坐弯顶冲的堤岸坍塌险工。

而沂河中下游属于游荡型河段，该河段的河床是由易冲刷和易淤积的细沙组成，河床宽窄大致相同，汊道浅滩遍布。加上河床内没有稳定深槽，水流湍急，主流东碰西撞摇摆不定，河势十分不稳定，从而导致水流顶冲堤段，使得岸坡失稳，造成堤岸坍塌。例如，位于郯城县庙山乡立朝村西立朝险工段(桩号为35+950～37+650)，位于沂河中游，该段河势右高左低，河道分左、右偏泓，河心洲巨大，高程几乎与滩地平齐，右岸河底比左岸高出1～2 m，因河心洲分流使左岸险工段常年贴流，险工段位于河道凹岸，坐弯顶冲，主流方向与河岸线成40°角，对岸坡沙土冲刷严重，形成堤岸坍塌类险工。

2.1.4 人类采砂和涉河建筑物建设活动影响

(1)人类采砂。

沂河河道属于多沙河道，且河床内多含建筑行业使用量大的中粗沙。采砂过后河道水流受采沙坑的影响，水流运动类似于“跌水”，上下游缘口水面向下跌略呈弯曲状[18]。此时水流运动明显加速，水流的挟沙能力有显著提高，冲刷能力加强。使得水流对堤坡淘刷更严重，极易导致岸坡失稳。

如沂河流域的沙湾险工，由于北泓河床内的沙层已经露头，且沙质好(多为中粗砂)，当地群众把沙子当作建材资源，不断淘捞开采，使之愈掏愈深愈陡，河床下切，人为加剧了险工的发展。

(2)涉河建筑物建设。

1957 年特大洪水后，沂河上游先后建成了5座大型水库(田庄、跋山、岸堤、许家崖、唐村)和22 座中型水库，从20世纪90年代开始，也在中下游陆陆续续建成了拦河闸坝等水利工程。到目前，沂河临沂站以上主要有11座拦河闸坝，除斜午拦河坝为浆砌石坝外，其他均为橡胶坝，另有袁家口子拦河闸、河湾拦河闸正在建设中[19]。这些涉河建筑物的建成，极大的减少了本河段的来沙量，水流通过拦河建筑物下泄后会直接对坝下河床产生冲刷，造成河床严重下切，使岸坡坡脚淘刷更严重，从而导致堤岸坍塌事件的发生。据图3沂河临沂站典型年实测主河槽断面图所示，河槽剖面大致呈不对称V字形，深槽靠近右岸。1974～1993年靠左岸处河床少量淤积，靠右岸整体呈下切趋势；1993～2012年主河槽整体呈下切趋势，平均下切1.42 m，最大下切深度约2.12 m，且深泓向右偏移了约100 m，应是采砂所致。

除此之外，为加固岸坡的丁坝、护坡等工程布置不当，也会引起岸坡局部冲刷，导致堤岸坍塌事件的发生。

图3 沂河临沂站典型年实测主河槽断面图Fig.3 Measured cross-section of the main channel at Linyi Station on the Yihe River in a typical year

2.2 险工形成机理

2.2.1 堤岸土体组成

堤岸土体的组成及其力学性质是导致堤岸崩塌的内在因素。影响堤岸稳定的因素除了土体的基本物理性质，还与土体的抗冲和抗剪强度等力学特性有关。因此，本文对堤岸坍塌频发的沂河西蔡险工右岸(中泓桩号为33+840～37+180，长3.34 km)土体进行分析。

表2 土体力学性质实验结果[20]Tab.2 Experimental results of soil mechanical property[20]

通过对沂河土山闸下西蔡段土质勘测报告和室内土工实验数据分析和整理，给出了沂河西蔡险工段崩岸土体主要力学性质试验成果，如表2所示。分析结果反映土质类别、渗透性、密实度和抗剪强度等指标。

根据表1可见，堤岸坍塌土体主要由上部粘性土和下部非粘性土组成的二元结构。堤岸上部为约厚1～2 m的粉质粘土，原状土体自然状态时内摩擦角约10°左右，黏聚力约为30 kN/m2，压缩模量约为7.0 MPa，允许比降约为0.45，抗冲性较好；下部则为非粘性土，主要由细沙和粗沙组成，中值粒径介于0.06～0.35 mm，抗冲性较差。

2.2.2 堤岸稳定性分析

堤岸边坡的稳定性直接关系到堤岸的安全，不稳定的边坡会直接导致堤岸滑坡、塌方从而形成险工。本文主要通过研究不同水位情况下堤岸边坡稳定，来模拟大小不同的洪水过境对堤岸稳定影响。

对沂河南水良险工右岸土坡进行分析，堤岸稳定分析采用理正边坡稳定分析程序，其中地质参数采用2016年8月沂河水利管理局实测资料，断面资料采用南水良险工右岸桩号K146+500。该段岸坡稳定性较差，地层主要由素填土和第四系覆盖物组成。岸坡上层为厚度2～3 m的可塑状粉质粘土，容许承载力125 kPa，c=25 kPa、φ=10°；中部由2～4 m软塑状粉质黏土和部分淤泥质土组成，容许承载力90，抗冲刷能力极差，c=15 kPa、φ=25°；下部几乎为由细沙及砂泥岩组成，c=2.5 kPa,φ=27°。

根据以上地质参数，依据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，采用瑞典圆弧条分法计算不同水位下堤岸安全系数，计算简图如图4所示。

通过理正边坡稳定分析程序计算，得到断面水位与安全系数的关系如图5。据图5可以看出，堤岸安全系数随着河道水位的升高呈先减小后增大，表明河道水位的变化对堤岸稳定性有重要影响。这主要是水对岸坡的侧向水压力与岸坡本身土体强度随水位升高不断发生变化的结果：当开始水位升高，侧向水压力会增大，导致岸坡滑动面上抵抗力也增大；同时水位升高也会使原来水位以上土体抗剪强度指标由于含水率增大而降低，从而减小滑动面上的抵抗力[21]。但当水位升高到一定高度时，由于岸坡的土体受水浸泡而饱和，即土体的含水率达到最大，岸坡的土体强度骤降，此时岸坡滑动面上的抵抗力减小幅度大于侧向水压力作用效果，堤岸安全系数随水位升高而降低；但当水位不断升高时，侧向水压力对岸坡作用效果又大于土体强度指标作用，堤岸安全系数随水位升高而增大。在这个过程中存在着一个安全系数最低的危险水位，大约在岸坡高度的5/11～7/11处，表明中小洪水对岸坡稳定的威胁大，应加以防范。

图4 K146+500断面圆弧法计算简图Fig.4 K146+500 section arc method calculation diagram图5 沂河南水良险工右岸K146+500断面水位与安全系数关系图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 堤岸坍塌冲刷破坏机理

图6 堤岸坍塌力学分析示意图Fig.6 Schematic diagram of mechanical analysis of bank collapse

水流对岸坡的冲刷作用是造成堤岸崩塌的重要因素，尤其是挟沙纵向水流对堤岸的顶冲作用。堤岸坍塌的本质是近岸纵向水流携带的巨大能量作用于堤防，不断淘刷堤岸；应用河流动力学理论来分析堤岸坍塌破坏，笔者认为是挟沙水流的动量在冲刷堤防前后发生了变化，此过程产生的水流对堤岸作用力与堤岸抗冲力的相互作用致使了岸坡坍塌的发生。为建立该过程的概化物理力学模型，假设：(1)冲刷的水流属于恒定流，所选断面间水流流速与密度不随时间变化；(2)纵向水流对堤岸的作用力与水流顶冲堤岸后的控制体积的动量变化有关；(3)沂河堤岸上部粘性土体的厚度较薄，且冲刷破坏往往自坡脚开始，只考虑下部非粘性土体的抗冲力。水流与土质堤岸的夹角为α、进口平均流速为v1、水流的截面积为A1；出口平均流速为v2、水流的截面积为A2，如图6所示。

根据控制体积列动量方程

(1)

式中：β1、β2为动量修正系数；Q为两个过水断面间流量，对断面间的控制体由动量定理得

(2)

(3)

式中：Fx为x方向的对岸坡的冲力；Fy为y方向对岸坡冲力。

根据牛顿第三定律，堤防受到水流的作用力P=-F，则Px=-Fx，Py=-Fy；

得到合力

(4)

则堤防单位面积受到的作用力

(5)

依据文献[22]可知岸坡堤防土体抗冲刷力

(6)

式中：f(Red)为土粒雷诺数的函数，可以从谢尔兹曲线得到；ρs为浑水密度；θ为岸坡角；φ是土粒自然休止角；d是堤岸土体平均组成粒径。

当τ≥τk时，水流冲刷会对堤岸产生破坏，且τ越大，堤岸坍塌的破坏程度越严重，且根据式(4)可以得到水流对堤防的作用力大，则说明此时河道水流的流速也较大，而水流流速越大，堤岸边界的粘滞切应力也越大，从而会使得岸边水流对堤岸坡脚泥沙的淘刷和输移能力增强，加速堤岸坍塌。

以沂河山东段的后房庄险工1999年6月发生的堤岸坍塌险情为例，来分析计算沂河水流产生的冲力对堤岸的影响，该段河岸堤防土体组成主要是粉质粘土和中粗砂，其中中粗砂粒径为0.35～0.6 mm。1999年6月1日～6月10日，仅仅10 d，河岸下部坍塌0.5 m；其中6月8日，河流宽度约为120 m，近岸水流平均水深2.48 m，浑水平均密度为1 153 kg/m3，平均流速3 m/s，纵向水流与河岸堤防成45°角左右顶冲堤防，弯道冲刷入口主流宽度约180 m，出流的水流河宽200 m，近岸水流平均水深2.5 m，平均流速2.4 m/s，动量修正系数β1，β2均取1。根据上述公式计算出这一时段内纵向水流对堤岸堤作用力P=3.31×106N。堤岸土体单位面积上的作用力为：τ=P/A=11.02 kPa；由堤防土粒颗粒组成情况，查表计算得堤岸土体的抗冲力τk=3.6 kPa。通过比较可以看出：纵向水流对堤防的作用力τ远远大于堤防土体的抗冲力τk，此时段内水流对堤防的作用力会对堤防造成巨大的破坏。