長江馬湖堤窩崩成因分析

長江馬湖堤窩崩成因分析

1水庫-沃爾的破碎機制分析1.1影響因素及其后果水庫洪峰是局部河床發(fā)育過程的一個非常復(fù)雜過程。有許多影響因素，目前尚不清楚其結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外有關(guān)河堤窩崩機理的研究還不是很多,現(xiàn)有的研究成果可以歸納為以下幾類。1.1.1土體液化的研究持這種觀點者認(rèn)為河堤土體液化致使堤岸崩塌。國內(nèi)外有關(guān)江河海岸液化的已有不少記載,例如荷蘭的西蘭海岸從1881至1946年間共記錄下二百多次沙體液化現(xiàn)象,沙中90%是直徑為0.07～0.2mm的均勻細(xì)沙。1970年美國的羅伯特、L·威格爾等提出沙層和沙透鏡體的液化對滑坡有促進作用。80年代,丁普育、張敬祝對土體液化的機理、液化與崩岸的關(guān)系進行了研究,認(rèn)為土體液化與土體的粒徑、級配和密實程度密切相關(guān),當(dāng)沙土的中值粒徑d50=0.07～0.2mm、不均勻系數(shù)=2～5、粘粒含量小于10%時抗液化能力很低,而當(dāng)沙土的d50<0.07mm或d50>0.15mm時,抗液化能力增強;對飽和沙土,若在設(shè)計烈度為6度時相對密度小于0.65或在設(shè)計烈度為7度時相對密度小于0.7,則受震動會發(fā)生液化;對亞粘土和沙壤土,其強度隨土體中含水量的多少而變化,即對于塑性指數(shù)≥3的飽和少粘性土,當(dāng)液性指數(shù)≥0.75～1.0時,受震動就可能發(fā)生液化。1.1.2窩崩地的土壤條件長江干流上的堤防窩崩主要發(fā)生在湖口以下的長江下游,這不能說是偶然現(xiàn)象。長江下游堤防多建于第四紀(jì)沉積物沖積層上,堤防土體顆粒組織較為松散,抗沖能力較弱。陳引川、彭海鷹在分析了發(fā)生在長江大通以下的安徽和江蘇境內(nèi)的窩崩地土質(zhì)后指出,對于由中密及稍密細(xì)沙或粉質(zhì)、沙質(zhì)壤土組成的河堤,不僅抗沖能力極弱,而且崩塌的土體極易分解成散粒而被水流帶走;在水流沖刷能力很強和土質(zhì)抗沖能力極弱的條件下,如果河岸抗沖性沿程比較均一,則河岸將以較大的崩塌速度基本上平行后退,岸線呈連續(xù)的“鋸齒形”或“香蕉形”,只有在間斷護岸或丁壩、磯頭護岸或者其他某種特定條件形成的河岸抗沖性局部較強的條件下,才有可能形成“鴨梨形”或“口袋形”的窩崩。榮棟臣在分析下荊江天星閣護岸段上端崩岸原因時指出,崩岸發(fā)生的部位往往是沙層和粘性層的分界處。1.1.3堤身滲流對其岸身的影響水文地質(zhì)條件直接影響土體的滲透應(yīng)力場,對堤身穩(wěn)定影響重大。丁普育等分析馬鞍山恒興洲地下水位觀測資料后,指出當(dāng)長江水位高于堤身地下水位時,堤身土體的滲流對岸坡的穩(wěn)定起積極作用,而當(dāng)江水位低于地下水位時,滲流通過岸坡向長江滲出,對堤身穩(wěn)定起破壞作用。許潤生總結(jié)了長江安慶地區(qū)堤防歷年崩岸實際情況后,認(rèn)為堤基滲漏與崩岸有一定關(guān)系,建筑在沖積層上的長江中下游堤防的堤基結(jié)構(gòu)一般上面為壤土或沙壤土弱透水層、下面為細(xì)沙或中沙透水層,兩層滲透系數(shù)差異較大,為具有承壓滲流的雙層基礎(chǔ);汛期堤段內(nèi)腳飽和發(fā)軟、堤內(nèi)地面沼澤化,枯水期堤內(nèi)腳承受剪切滲流應(yīng)力作用,對引發(fā)崩岸有促進作用。文宗倫在分析了漢江下游崩岸后,指出河流落水時,由于地下水向外江逸出,滲透壓力可引起河岸的滑坡、塌岸、挫塌以及窩崩等,并且這一過程要影響到較長一段時間。1.1.4臨界地貌和崩岸原因河流的河勢對河床的演變起著動力輸移作用。有關(guān)河勢對平順崩岸的促進作用方面的研究成果很多,例如,榮棟臣在研究下荊江姜介子河段崩岸原因中,提出了臨界地貌的概念。所謂臨界地貌是指地貌系統(tǒng)由穩(wěn)定變?yōu)橥蝗徊环€(wěn)定的突變點及其發(fā)生的空間和時間。陳引川等認(rèn)為受水流頂沖的河岸河寬較窄的灘岸,單寬流量大,若出現(xiàn)相對較大而持續(xù)時間長的流量時,容易造成窩崩。王志昆在分析嘶馬段崩岸原因時指出,江水主流頂沖是造成崩岸的主要原因,而局部水流結(jié)構(gòu)有加劇作用。綜上所述,國內(nèi)外關(guān)于窩崩成因的解釋還眾說紛紜,因此有必要進行深入研究。1.2土體質(zhì)量“窩崩”的特征窩崩是指河堤崩塌后堤身缺口的平面形態(tài)類似半窩狀的河堤崩岸,其基本特征是窩體的平面寬度接近或大于窩口的長度。窩崩是一種異形崩岸,其平面形態(tài)一般都呈“窩狀”或“鴨梨狀”。它所崩塌的土體體積一般都是非常巨大的,可多達百萬噸級。窩崩發(fā)生一般都很突然,并且在很短時間內(nèi)(若干小時)分幾次完成,這明顯區(qū)別于較平順河岸的崩岸過程——逐步的、長時間過程。較平順河岸崩岸的成因一般可以從河流動力作用角度來解釋,而窩崩則難以單獨從河流動力作用角度作出令人信服的解釋。下面對窩崩的過程和窩崩形成的原因進行分析。1.2.1窩崩的三階段河堤窩崩的過程比較獨特,現(xiàn)有一些觀測分析資料也表明,窩崩發(fā)生的過程可描述如下。第一階段:窩崩地江河岸坡坡腳遭沖刷侵蝕、出現(xiàn)較狹窄的深槽楔入,并不斷向堤內(nèi)進逼。長江燕子磯1983年8月窩崩前、高家圩1973年10月窩崩前、潛洲1973年12月窩崩前和嘶馬1984年7月窩崩前都出現(xiàn)了-20m水下地形等高線楔入40～200m不等,如圖1所示。彭澤馬湖1996年1月窩崩前也出現(xiàn)了坡腳深槽楔入:根據(jù)九江水文站監(jiān)測,1993年5月測制的馬湖堤段水下地形圖表明,河床-20m高程線與1982年測圖相比,向堤坡方向遷移了近20m;1993年以后、特別是經(jīng)1995年特大洪水沖刷后,馬湖堤段近岸河槽又沖深2m多、高程已達-23m,大堤至深泓線的坡比平均為1∶2.3～1∶2.5、局部地段達到1∶1.5～1∶2.0。這說明在1996年1月窩崩前馬湖堤腳已經(jīng)出現(xiàn)了深槽,并且堤坡很陡。由此可見,窩崩前不久堤腳深水部分已經(jīng)發(fā)生了演變。但是,這種深槽楔入位于水下,一般不易注意到。第二階段:窩崩開始,首先崩塌的部位是正對著楔入的深槽的那部分堤身土體;這部分土體崩入楔入的深槽時,立即迫使深槽內(nèi)水體向周邊和向深槽口門方向的急劇沖擊。這種沖擊水流所具有的能量同首次崩塌的土體體積成正比,若此體積不是太小,沖擊水流就會對周邊堤腳形成強烈淘刷,使楔入的深槽向周邊急劇擴大,使周邊形成陡坡。土體的崩塌和沖擊水流同時又會引起水體和堤身局部范圍內(nèi)的震動,這種震動正好又促使深槽周邊邊坡崩塌。周邊邊坡的崩塌又會激起更強烈的沖擊水流和更大的震動,從而引起更大范圍的崩塌。這樣下去不久,“窩”便形成了,并且隨著崩塌過程的繼續(xù)而擴大。需要注意到的是,土體崩塌激發(fā)的沖擊水流在沖至深槽口門時,立即激起波浪。一陣接一陣的沖擊水流連續(xù)沖向口門,激起的波浪一浪高過一浪,甚至疊加形成巨浪。由于沖擊水流是因土體崩塌時塌落的土體擠壓引起的,因此沖擊水流是近河床的大流速潛流。在口門處,它不僅激起大波浪,而且造成波浪沿順時針方向(即表流流向窩口、底流流向江中)的翻滾。這種波浪很快便進入崩窩內(nèi),其表流對崩塌中的土體形成阻擋作用,對崩塌體形成反傾表象有一定貢獻;其底流起到快速輸移崩塌下來的土體的作用。在此階段,土體崩塌入水和波浪翻滾較為激烈,可以在現(xiàn)場聽到轟隆隆的沉雷聲,馬湖崩岸后現(xiàn)場調(diào)查證實了這一點。第三階段:窩崩尾聲。隨著崩塌范圍的擴大,崩窩的平面范圍增大,崩塌土體激發(fā)的水流紊動減小,沖擊作用減弱;另一方面,崩窩周邊邊坡經(jīng)過崩塌調(diào)整,逐漸趨于穩(wěn)定,因此窩崩逐漸減緩直至停止。在整個窩崩過程中,堤體的崩塌次序如圖2所示。1.3沃斯克的崩塌探討窩崩的形成原因主要應(yīng)探討:堤腳深槽的形成與楔入原因、首次崩塌的激發(fā)原因和大窩的形成原因。下面分別予以討論。1.3.1大壩坍塌形成和楔入原因堤腳深槽的出現(xiàn)是一種局部河床沖刷現(xiàn)象,其形成取決于局部水流強烈的紊動結(jié)構(gòu)和局部抗沖性能較差的邊界條件。(1)單寬流量大,成本低根據(jù)河流動力學(xué)理論,河床沖刷一般發(fā)生在水流挾沙力大于水流含沙量的地方,亦即水流動力作用較強之處。而水流動力作用的強弱同水流的單寬流量的大小成正比,因此在單寬流量較大的地方容易發(fā)生沖刷現(xiàn)象。一般說來,在河流彎道的凹岸、束流節(jié)點的上游、狹窄河段、河道主流的頂沖位置附近和一些挑流構(gòu)筑物(如丁壩)的頂部等部位,單寬流量都較大,并且豎軸環(huán)流較強,易于發(fā)生局部沖刷。(2)護岸的抗沖性即使有強烈紊動的水流條件,如果邊界抗沖性能很好,那么也不會發(fā)生沖刷現(xiàn)象。因此,強烈紊動的水流條件只是發(fā)生局部沖刷的必要條件,邊界抗沖性能差是發(fā)生局部沖刷的充分條件。堤基的抗沖性能取決于兩個方面,其一是堤身土質(zhì)的抗沖性能,其二是抗沖護岸的連續(xù)性。堤身土質(zhì)的抗沖性能是由堤身土體的組成所決定的。一般說來,粘土的抗沖性比粉質(zhì)或沙質(zhì)壤土好。如果堤身表面粘土覆蓋層很厚,就不易發(fā)生嚴(yán)重的局部沖刷現(xiàn)象。粉質(zhì)和沙質(zhì)壤土不僅抗沖性能差,而且崩塌的土體極易被水流分解成散粒而被水流帶走。在水流沖刷能力很強和土質(zhì)抗沖性能很差的條件下,如果河岸護岸的抗沖性能比較連續(xù)均一,那么河岸將以較大的崩塌速度基本上是平行后退,岸線呈連續(xù)的“香蕉形”或“鋸齒形”。只有在護岸抗沖性能不連續(xù)的條件下,才有可能形成楔入的深槽。特別是位于上下游均有較強抗沖性能的護岸之間的堤段,更易于發(fā)生局部堤基淘刷、形成楔入的深槽。例如,馬湖堤段處于彭澤河段的凹岸,長江主流直接頂沖堤腳,對大堤的穩(wěn)定十分不利。并且,其下游彭郎磯和小孤山構(gòu)成的束流節(jié)點對長江水流的固定束窄作用,使馬湖堤腳附近單寬流量很大且水流十分紊亂。更為糟糕的是,彭澤河段護岸抗沖性不均一:彭澤縣城堤段由于有較堅固的漿砌塊石護岸,抗沖性能較好;而馬湖堤段只有不均勻且很單薄的拋石護岸,抗沖性能較差。1.3.2錯誤的激發(fā)原因在已經(jīng)形成深槽楔入的條件下,能否發(fā)生窩崩還取決于下列的條件。(1)粉質(zhì)或砂土體堤身土體的抗滑穩(wěn)定性取決于堤身土體的組成、土體的含水量、孔隙比、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)。一般說來,粘土的抗滑穩(wěn)定性遠(yuǎn)強于粉質(zhì)或沙質(zhì)壤土。對于粘粒含量少于10%的粉質(zhì)或沙質(zhì)壤土,其抗滑穩(wěn)定性很差。例如,馬湖堤區(qū)地質(zhì)勘探分析結(jié)果表明,該堤區(qū)近地表10m深度范圍內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角只有5°、孔隙比達0.93～1.15、壓縮系數(shù)達0.3～0.4,可見其抗滑穩(wěn)定性較差;在近地表30m深度范圍內(nèi),多含粉質(zhì)粘土或沙質(zhì)粘土,而且在深度介于20～30m范圍有一層厚度近10m的細(xì)沙層,這種沙層的抗滑穩(wěn)定性能很差。(2)洪水對馬湖堤滲流場的影響在地下水動水壓力的作用下,堤身土體承受剪切應(yīng)力的作用,當(dāng)江河水位高于堤身地下水位時,這種應(yīng)力場對岸坡的穩(wěn)定起積極作用,而當(dāng)江河水位低于堤身地下水位時,滲流通過岸坡向江河滲出,這種應(yīng)力場對堤身穩(wěn)定起剪切破壞作用。例如,根據(jù)水文觀測,1995年7、8月份特大洪水過后,長江水位經(jīng)歷了長達6個月的持續(xù)下降,至1996年1月8日長江馬湖水位落差達10余m。在此期間,馬湖堤區(qū)近岸坡一帶的滲流場亦處于由洪水期對隔水層的浮托力和向堤岸坡的滲透靜、動水壓力轉(zhuǎn)化的調(diào)整階段。長江水位從洪水位20.72m開始的持續(xù)下降到8.0m后,對堤基和堤身滲透應(yīng)力場的影響具體表現(xiàn)在:①堤內(nèi)魚塘長期積水,粉質(zhì)粘土中地下水位長期保持在高程12～14m,而在1995年7～9月期間回升至同長江洪水位齊平,此時上覆粘土蓋層一方面處于有效應(yīng)力狀態(tài),另一方面因其自身阻力而受下伏承壓含水層的承壓水頂托,使其初始應(yīng)力場轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)。吳玉華等估計,在此期間0m高程左右的粉質(zhì)粘土底板以上增加了向外的水力推力145t/m。②當(dāng)長江水位由20.72m下降到8.0m后,高程-20m以上的坡面承受的江水水平推力減少了437t/m,有利于大堤失穩(wěn)。(3)機械壓實作用對于處于窩崩臨界狀態(tài)的大堤,如果在堤身上突加荷載,使堤身重量驟增,則會加劇堤身的失穩(wěn),從而對窩崩的發(fā)生起到了促進和加速作用。例如,水利部門于1995年12月對馬湖堤段原堤加高了2m、加寬了6m,因此大堤附加荷載21.6t/m,加固期間采用機械碾壓。當(dāng)碾壓振動達到一定程度時,可引起堤基內(nèi)部粉沙土層骨架破壞,從而導(dǎo)致該層土體的微小沉陷。這種微小沉陷即激發(fā)岸坡的整體變形、啟動窩崩。實際上,馬湖窩崩就發(fā)生在1996年1月3日大堤加固工程剛剛完工之際。1.3.3堤身抗沖性能差在單寬流量巨大、局部水流紊動十分強烈的堤段,如果堤身抗滑穩(wěn)定條件太差,就有可能形成大崩窩。在單寬流量巨大、河岸護岸抗沖性能間斷多次的堤段,如果堤身抗滑條件差,就有可能出現(xiàn)連續(xù)崩窩。綜上所述,窩崩的發(fā)生是有其一定的條件的,其中巨大的單寬流量和強烈的局部紊動是發(fā)生窩崩的必要條件,護岸不連續(xù)均一和堤身抗沖抗滑性能差是發(fā)生窩崩的充分條件,突加荷載或震動等因素只起輔助作用。2護岸結(jié)構(gòu)分類一般說來,當(dāng)崩岸發(fā)生后,如果崩塌的土石方量很小,可以采用原堤修復(fù)方法來處理,如果崩塌的土石方量較大,則只能采用退堤方法來處理,即將原堤線后退一定范圍以避開崩塌坑后修建新堤,這種處理方法的先決條件是堤內(nèi)有可供退堤的土地。如果位于城區(qū)段,在退堤方法行不通時,只能在原堤位置采用修建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來修復(fù)。但是,對于窩崩,在采用退堤處理的同時,應(yīng)當(dāng)采用耐沖刷材料封堵窩口,以防止進一步窩崩的發(fā)生而危及新堤的安全。另外,新堤堤基要選擇在比較結(jié)實的地基基礎(chǔ)上。新堤與舊堤的結(jié)合部一定要平順和結(jié)實,不可出現(xiàn)護岸不均一現(xiàn)象而留下隱患。江河護岸技術(shù)在長期的工程實踐中不斷改進和提高,護岸形式也多種多樣。根據(jù)平面形態(tài),現(xiàn)有護岸形式可分為平順護岸、磯頭護岸和丁壩護岸三種;根據(jù)護岸機理,現(xiàn)有護岸可分類為實體抗沖護岸和減速防沖護岸二種。實體護岸是以實體抗沖材料覆蓋岸坡頂住江流的直接沖刷或以實體材料修建挑流構(gòu)筑物把江流挑開,以達到保護岸坡的作用。例如,一般的塊石或砌石護岸、丁壩或磯頭、沉排、土工枕、土工模袋等均屬此類。有關(guān)實體護岸的設(shè)計方法和施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟,有不少文獻可以參照。實體護岸往往投資比較大,特別是對大江大河的岸坡進行護岸所需費用十分巨大。如果資金不足,護岸工程往往難以達到令人滿意的效果。實體護岸還存在一個自身穩(wěn)定問題,拋石護岸中石塊的自身穩(wěn)定問題、丁壩或磯頭護岸中頂部防沖穩(wěn)定問題等等。減速防沖護岸是利用非實心結(jié)構(gòu)來降低水流的近底和近岸流速,盡可能把流速降到可以使泥沙落淤的程度,達到護岸的目的。例如,榪杈、掛柳、鋼筋混凝土網(wǎng)格排等均屬于此類,這種護岸的費用一般比實體護岸省得多。但榪杈容易翻滾,自身不穩(wěn)定;鋼筋混凝土網(wǎng)格排水下施工較為復(fù)雜,并需要足夠的埋深才能保證網(wǎng)格排不被沖蝕和破壞。西北水利科學(xué)研究所韓瀛觀教授在整治多沙游蕩性河道試驗研究中提出采用四面六邊透水框架群來護岸,試驗表明這種護岸框架減速落淤效果很好,自身穩(wěn)定性也很好,并且不存在基礎(chǔ)被沖刷的問題,是一項值得推廣的護岸技術(shù)。王南海等從1995年開始,就進行了四面六邊透水框架群護岸技術(shù)的完善和推廣工作,于1996年4月在九江市長江東升堤長70m堤段內(nèi)拋投四面六邊透水框架護坡。經(jīng)過2個月的運用后,1996年6月長江水利委員會九江水文站實測了拋投區(qū)的流速,實測結(jié)果表明拋投區(qū)近底流速減小了47%～75%。1996年12月上旬,長江水位降落后,拋投區(qū)露出水面,現(xiàn)場可明顯看到拋投區(qū)產(chǎn)生了大量淤積。根據(jù)實測資料分析