“98·8”洪水江堤险情两个科研问题
毛昶熙 段祥宝 毛佩郁
经过几年的专项课题“堤防渗流与防冲”的研究,结合,98洪水期间,安庆市水电设计院王华棠院长和九江市水利局的同志共同查看并向我们介绍的长江大堤险情情况,现就管涌与崩岸两个防洪抢险问题讨论如下。
管涌险情问题
1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍,沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。如果冒砂管涌洞口出现在堤内脚附近,外侧江水面有游涡迹象,自然以迅速在外侧堵漏为上策。但如果管涌险情离堤很远,就只有在管涌出口导滤压盖了。此时除压盖备料应符合拦砂不阻水的原则外,还得设法判别管涌险情是否会继续发展影响大堤的安全。我们可以从两个方面来研究这个问题:
一个是地层结构,一个是离开堤脚远近。
长江堤基的土层结构基本上是上层为弱透水复盖层,下面是深厚的砂砾石强透水层,属二元双层地基。这是容易在薄弱环节发生管涌的原因。但若复盖层主体下部相对于上部浅层更为透水,即使表层土渗透坡降超过临界值发生浮动管涌现象,也不危险。同马大堤汇口堤段一个小镇,在堤脚的农田中普遍渗水冒泡形成沼泽地,而在其房后井水面却高出农田地面很多,估计是属于这种地层结构。若复盖土层夹杂薄沙层,通连江水,其表层土相对于下部又较不透水时,就容易被承压水顶穿形成管涌通道,比较危险。南京江浦县林山圩江堤的堤基就类似此种土层结构,去年洪水在堤脚附近水塘边出现管涌洞,如不及时抢险,是很危险的。
管涌险情离开大堤多远就没有危险呢?我们可以用井的影响半径这个概念来估算,例如取库沙金公式
,或席恰特公式
来估算。此时地下水降深Se可考虑为承压水头,取值5米,渗流深度H可考虑为基砂含水层厚度,取为20米,基砂渗透系数k=10
崩岸问题
威胁堤防安全的大敌,还有迎溜顶冲崩岸问题。长江中下游江堤3600公里崩岸长度就有1500公里,江苏境内1160公里江岸,崩岸长度就有450公里。1998年,长江崩岸险情有300余起。崩岸险情发生,多以抛石抢险,水下单位抛石量高达每米100~200立方米以上,耗资可观。但河势变化、河床继续淘刷,见效只会是一时的。因此应加以研究。对局部冲刷深度、抛石大小和落距、稳定边坡、底层布局等,我们研究已取得下列初步成果可供参考:
| 河湾凹岸水面以下局部冲深: |
|
| 岸坡及河床抛石大小: |
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| 抛石落距: |
|
| 或 |
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| 抛石体孔隙真实流速: |
|
| 以上各式中,量纲是和谐的。 |
| h为河床或坡面核算处冲前水深: |
| |
| q(=h |
| D为抛石大小粒径; |
| d为砂粒径; |
| s(=γs/γ)为砂石或抛石比重; |
| B为河宽; |
| r2为河流凹岸弯曲半径; |
| θ为岸坡的坡角; |
| g为重力加速度; |
| n为抛石体孔隙率; |
| J为抛石体中渗流坡降,可认为与河流比降一致,在河湾处应采用弯道横比降或波动比降; |
| λ为堆石体中水流阻力系数,紊流区与抛石的粗糙度有关,λ=1~4,可取λ=2。 |
|
|
设抛石有效直径D=15厘米,J=1/1000~1/100时可算出抛石体中真实流速v
'=2.7~8.6厘米/秒,此流速作用在粉细砂河床上,必然发生冲刷。因此必须在抛石下设法抛置垫层或土工织物。考虑渗流时,按照Istomina垫层要求为D10/d10 ≤30,采用土工布时,可选大孔眼D90/d90≤1~5。抛石防冲是临时性抢险,也是局部的。从长远考虑还应对整治河势、稳定河湾、规范堤防、改顺流向等进行一些控导工程措施的研究工作。护岸固滩除了抛石还有抛四面体框架、柔性沉排、柳坝以及土工织物垫层等,这些也是值得研究的。
崩岸险情多发生在河湾迎溜顶冲部位,滔滔洪水人所共睹,但注意地下水流的危害却还不多。实际上地下水对崩岸影响并不亚于洪水顶冲,而且其危害和治导原理类同,都需要改造流场疏导流向,避免冲向岸坡。这里举出在布达佩斯召开的国际会议上的一篇计算渗流场与坡岸稳定性密切相关的部分成果图2、3、4,这是经过系统地计算75种岸坡情况按照Bishop法求得的最小抗滑安全系数。它说明疏导流向能提高岸坡稳定性,随岸坡陡缓高低不同,岸坡地下水流向不同,其抗滑安全系数可由1提高到1.5~1.8。
因此,解决崩岸问题就必须从防冲与渗流两个方面研究其控导工程措施以及其间的相应影响关系。同时还应预埋地下水流场的观测设备并结合岸坡土质、洪水升降过程编好程序及时计算,预报汛期崩岸的可能性以便采取何种措施。力求避免不研究盲目施工,导致浪费大量资财于水下、地下而不察觉的局面。
| (作者单位:水利部南京水利科学研究院) | 责任编辑张名立 |
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