长江马湖堤窝崩成因分析

长江马湖堤窝崩成因分析

1水库-沃尔的破碎机制分析1.1影响因素及其后果水库洪峰是局部河床发育过程的一个非常复杂过程。有许多影响因素，目前尚不清楚其结构。国内外有关河堤窝崩机理的研究还不是很多,现有的研究成果可以归纳为以下几类。1.1.1土体液化的研究持这种观点者认为河堤土体液化致使堤岸崩塌。国内外有关江河海岸液化的已有不少记载,例如荷兰的西兰海岸从1881至1946年间共记录下二百多次沙体液化现象,沙中90%是直径为0.07～0.2mm的均匀细沙。1970年美国的罗伯特、L·威格尔等提出沙层和沙透镜体的液化对滑坡有促进作用。80年代,丁普育、张敬祝对土体液化的机理、液化与崩岸的关系进行了研究,认为土体液化与土体的粒径、级配和密实程度密切相关,当沙土的中值粒径d50=0.07～0.2mm、不均匀系数=2～5、粘粒含量小于10%时抗液化能力很低,而当沙土的d50<0.07mm或d50>0.15mm时,抗液化能力增强;对饱和沙土,若在设计烈度为6度时相对密度小于0.65或在设计烈度为7度时相对密度小于0.7,则受震动会发生液化;对亚粘土和沙壤土,其强度随土体中含水量的多少而变化,即对于塑性指数≥3的饱和少粘性土,当液性指数≥0.75～1.0时,受震动就可能发生液化。1.1.2窝崩地的土壤条件长江干流上的堤防窝崩主要发生在湖口以下的长江下游,这不能说是偶然现象。长江下游堤防多建于第四纪沉积物冲积层上,堤防土体颗粒组织较为松散,抗冲能力较弱。陈引川、彭海鹰在分析了发生在长江大通以下的安徽和江苏境内的窝崩地土质后指出,对于由中密及稍密细沙或粉质、沙质壤土组成的河堤,不仅抗冲能力极弱,而且崩塌的土体极易分解成散粒而被水流带走;在水流冲刷能力很强和土质抗冲能力极弱的条件下,如果河岸抗冲性沿程比较均一,则河岸将以较大的崩塌速度基本上平行后退,岸线呈连续的“锯齿形”或“香蕉形”,只有在间断护岸或丁坝、矶头护岸或者其他某种特定条件形成的河岸抗冲性局部较强的条件下,才有可能形成“鸭梨形”或“口袋形”的窝崩。荣栋臣在分析下荆江天星阁护岸段上端崩岸原因时指出,崩岸发生的部位往往是沙层和粘性层的分界处。1.1.3堤身渗流对其岸身的影响水文地质条件直接影响土体的渗透应力场,对堤身稳定影响重大。丁普育等分析马鞍山恒兴洲地下水位观测资料后,指出当长江水位高于堤身地下水位时,堤身土体的渗流对岸坡的稳定起积极作用,而当江水位低于地下水位时,渗流通过岸坡向长江渗出,对堤身稳定起破坏作用。许润生总结了长江安庆地区堤防历年崩岸实际情况后,认为堤基渗漏与崩岸有一定关系,建筑在冲积层上的长江中下游堤防的堤基结构一般上面为壤土或沙壤土弱透水层、下面为细沙或中沙透水层,两层渗透系数差异较大,为具有承压渗流的双层基础;汛期堤段内脚饱和发软、堤内地面沼泽化,枯水期堤内脚承受剪切渗流应力作用,对引发崩岸有促进作用。文宗伦在分析了汉江下游崩岸后,指出河流落水时,由于地下水向外江逸出,渗透压力可引起河岸的滑坡、塌岸、挫塌以及窝崩等,并且这一过程要影响到较长一段时间。1.1.4临界地貌和崩岸原因河流的河势对河床的演变起着动力输移作用。有关河势对平顺崩岸的促进作用方面的研究成果很多,例如,荣栋臣在研究下荆江姜介子河段崩岸原因中,提出了临界地貌的概念。所谓临界地貌是指地貌系统由稳定变为突然不稳定的突变点及其发生的空间和时间。陈引川等认为受水流顶冲的河岸河宽较窄的滩岸,单宽流量大,若出现相对较大而持续时间长的流量时,容易造成窝崩。王志昆在分析嘶马段崩岸原因时指出,江水主流顶冲是造成崩岸的主要原因,而局部水流结构有加剧作用。综上所述,国内外关于窝崩成因的解释还众说纷纭,因此有必要进行深入研究。1.2土体质量“窝崩”的特征窝崩是指河堤崩塌后堤身缺口的平面形态类似半窝状的河堤崩岸,其基本特征是窝体的平面宽度接近或大于窝口的长度。窝崩是一种异形崩岸,其平面形态一般都呈“窝状”或“鸭梨状”。它所崩塌的土体体积一般都是非常巨大的,可多达百万吨级。窝崩发生一般都很突然,并且在很短时间内(若干小时)分几次完成,这明显区别于较平顺河岸的崩岸过程——逐步的、长时间过程。较平顺河岸崩岸的成因一般可以从河流动力作用角度来解释,而窝崩则难以单独从河流动力作用角度作出令人信服的解释。下面对窝崩的过程和窝崩形成的原因进行分析。1.2.1窝崩的三阶段河堤窝崩的过程比较独特,现有一些观测分析资料也表明,窝崩发生的过程可描述如下。第一阶段:窝崩地江河岸坡坡脚遭冲刷侵蚀、出现较狭窄的深槽楔入,并不断向堤内进逼。长江燕子矶1983年8月窝崩前、高家圩1973年10月窝崩前、潜洲1973年12月窝崩前和嘶马1984年7月窝崩前都出现了-20m水下地形等高线楔入40～200m不等,如图1所示。彭泽马湖1996年1月窝崩前也出现了坡脚深槽楔入:根据九江水文站监测,1993年5月测制的马湖堤段水下地形图表明,河床-20m高程线与1982年测图相比,向堤坡方向迁移了近20m;1993年以后、特别是经1995年特大洪水冲刷后,马湖堤段近岸河槽又冲深2m多、高程已达-23m,大堤至深泓线的坡比平均为1∶2.3～1∶2.5、局部地段达到1∶1.5～1∶2.0。这说明在1996年1月窝崩前马湖堤脚已经出现了深槽,并且堤坡很陡。由此可见,窝崩前不久堤脚深水部分已经发生了演变。但是,这种深槽楔入位于水下,一般不易注意到。第二阶段:窝崩开始,首先崩塌的部位是正对着楔入的深槽的那部分堤身土体;这部分土体崩入楔入的深槽时,立即迫使深槽内水体向周边和向深槽口门方向的急剧冲击。这种冲击水流所具有的能量同首次崩塌的土体体积成正比,若此体积不是太小,冲击水流就会对周边堤脚形成强烈淘刷,使楔入的深槽向周边急剧扩大,使周边形成陡坡。土体的崩塌和冲击水流同时又会引起水体和堤身局部范围内的震动,这种震动正好又促使深槽周边边坡崩塌。周边边坡的崩塌又会激起更强烈的冲击水流和更大的震动,从而引起更大范围的崩塌。这样下去不久,“窝”便形成了,并且随着崩塌过程的继续而扩大。需要注意到的是,土体崩塌激发的冲击水流在冲至深槽口门时,立即激起波浪。一阵接一阵的冲击水流连续冲向口门,激起的波浪一浪高过一浪,甚至叠加形成巨浪。由于冲击水流是因土体崩塌时塌落的土体挤压引起的,因此冲击水流是近河床的大流速潜流。在口门处,它不仅激起大波浪,而且造成波浪沿顺时针方向(即表流流向窝口、底流流向江中)的翻滚。这种波浪很快便进入崩窝内,其表流对崩塌中的土体形成阻挡作用,对崩塌体形成反倾表象有一定贡献;其底流起到快速输移崩塌下来的土体的作用。在此阶段,土体崩塌入水和波浪翻滚较为激烈,可以在现场听到轰隆隆的沉雷声,马湖崩岸后现场调查证实了这一点。第三阶段:窝崩尾声。随着崩塌范围的扩大,崩窝的平面范围增大,崩塌土体激发的水流紊动减小,冲击作用减弱;另一方面,崩窝周边边坡经过崩塌调整,逐渐趋于稳定,因此窝崩逐渐减缓直至停止。在整个窝崩过程中,堤体的崩塌次序如图2所示。1.3沃斯克的崩塌探讨窝崩的形成原因主要应探讨:堤脚深槽的形成与楔入原因、首次崩塌的激发原因和大窝的形成原因。下面分别予以讨论。1.3.1大坝坍塌形成和楔入原因堤脚深槽的出现是一种局部河床冲刷现象,其形成取决于局部水流强烈的紊动结构和局部抗冲性能较差的边界条件。(1)单宽流量大,成本低根据河流动力学理论,河床冲刷一般发生在水流挟沙力大于水流含沙量的地方,亦即水流动力作用较强之处。而水流动力作用的强弱同水流的单宽流量的大小成正比,因此在单宽流量较大的地方容易发生冲刷现象。一般说来,在河流弯道的凹岸、束流节点的上游、狭窄河段、河道主流的顶冲位置附近和一些挑流构筑物(如丁坝)的顶部等部位,单宽流量都较大,并且竖轴环流较强,易于发生局部冲刷。(2)护岸的抗冲性即使有强烈紊动的水流条件,如果边界抗冲性能很好,那么也不会发生冲刷现象。因此,强烈紊动的水流条件只是发生局部冲刷的必要条件,边界抗冲性能差是发生局部冲刷的充分条件。堤基的抗冲性能取决于两个方面,其一是堤身土质的抗冲性能,其二是抗冲护岸的连续性。堤身土质的抗冲性能是由堤身土体的组成所决定的。一般说来,粘土的抗冲性比粉质或沙质壤土好。如果堤身表面粘土覆盖层很厚,就不易发生严重的局部冲刷现象。粉质和沙质壤土不仅抗冲性能差,而且崩塌的土体极易被水流分解成散粒而被水流带走。在水流冲刷能力很强和土质抗冲性能很差的条件下,如果河岸护岸的抗冲性能比较连续均一,那么河岸将以较大的崩塌速度基本上是平行后退,岸线呈连续的“香蕉形”或“锯齿形”。只有在护岸抗冲性能不连续的条件下,才有可能形成楔入的深槽。特别是位于上下游均有较强抗冲性能的护岸之间的堤段,更易于发生局部堤基淘刷、形成楔入的深槽。例如,马湖堤段处于彭泽河段的凹岸,长江主流直接顶冲堤脚,对大堤的稳定十分不利。并且,其下游彭郎矶和小孤山构成的束流节点对长江水流的固定束窄作用,使马湖堤脚附近单宽流量很大且水流十分紊乱。更为糟糕的是,彭泽河段护岸抗冲性不均一:彭泽县城堤段由于有较坚固的浆砌块石护岸,抗冲性能较好;而马湖堤段只有不均匀且很单薄的抛石护岸,抗冲性能较差。1.3.2错误的激发原因在已经形成深槽楔入的条件下,能否发生窝崩还取决于下列的条件。(1)粉质或砂土体堤身土体的抗滑稳定性取决于堤身土体的组成、土体的含水量、孔隙比、内摩擦角等指标。一般说来,粘土的抗滑稳定性远强于粉质或沙质壤土。对于粘粒含量少于10%的粉质或沙质壤土,其抗滑稳定性很差。例如,马湖堤区地质勘探分析结果表明,该堤区近地表10m深度范围内土体的内摩擦角只有5°、孔隙比达0.93～1.15、压缩系数达0.3～0.4,可见其抗滑稳定性较差;在近地表30m深度范围内,多含粉质粘土或沙质粘土,而且在深度介于20～30m范围有一层厚度近10m的细沙层,这种沙层的抗滑稳定性能很差。(2)洪水对马湖堤渗流场的影响在地下水动水压力的作用下,堤身土体承受剪切应力的作用,当江河水位高于堤身地下水位时,这种应力场对岸坡的稳定起积极作用,而当江河水位低于堤身地下水位时,渗流通过岸坡向江河渗出,这种应力场对堤身稳定起剪切破坏作用。例如,根据水文观测,1995年7、8月份特大洪水过后,长江水位经历了长达6个月的持续下降,至1996年1月8日长江马湖水位落差达10余m。在此期间,马湖堤区近岸坡一带的渗流场亦处于由洪水期对隔水层的浮托力和向堤岸坡的渗透静、动水压力转化的调整阶段。长江水位从洪水位20.72m开始的持续下降到8.0m后,对堤基和堤身渗透应力场的影响具体表现在:①堤内鱼塘长期积水,粉质粘土中地下水位长期保持在高程12～14m,而在1995年7～9月期间回升至同长江洪水位齐平,此时上覆粘土盖层一方面处于有效应力状态,另一方面因其自身阻力而受下伏承压含水层的承压水顶托,使其初始应力场转化为不稳定状态。吴玉华等估计,在此期间0m高程左右的粉质粘土底板以上增加了向外的水力推力145t/m。②当长江水位由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减少了437t/m,有利于大堤失稳。(3)机械压实作用对于处于窝崩临界状态的大堤,如果在堤身上突加荷载,使堤身重量骤增,则会加剧堤身的失稳,从而对窝崩的发生起到了促进和加速作用。例如,水利部门于1995年12月对马湖堤段原堤加高了2m、加宽了6m,因此大堤附加荷载21.6t/m,加固期间采用机械碾压。当碾压振动达到一定程度时,可引起堤基内部粉沙土层骨架破坏,从而导致该层土体的微小沉陷。这种微小沉陷即激发岸坡的整体变形、启动窝崩。实际上,马湖窝崩就发生在1996年1月3日大堤加固工程刚刚完工之际。1.3.3堤身抗冲性能差在单宽流量巨大、局部水流紊动十分强烈的堤段,如果堤身抗滑稳定条件太差,就有可能形成大崩窝。在单宽流量巨大、河岸护岸抗冲性能间断多次的堤段,如果堤身抗滑条件差,就有可能出现连续崩窝。综上所述,窝崩的发生是有其一定的条件的,其中巨大的单宽流量和强烈的局部紊动是发生窝崩的必要条件,护岸不连续均一和堤身抗冲抗滑性能差是发生窝崩的充分条件,突加荷载或震动等因素只起辅助作用。2护岸结构分类一般说来,当崩岸发生后,如果崩塌的土石方量很小,可以采用原堤修复方法来处理,如果崩塌的土石方量较大,则只能采用退堤方法来处理,即将原堤线后退一定范围以避开崩塌坑后修建新堤,这种处理方法的先决条件是堤内有可供退堤的土地。如果位于城区段,在退堤方法行不通时,只能在原堤位置采用修建钢筋混凝土结构来修复。但是,对于窝崩,在采用退堤处理的同时,应当采用耐冲刷材料封堵窝口,以防止进一步窝崩的发生而危及新堤的安全。另外,新堤堤基要选择在比较结实的地基基础上。新堤与旧堤的结合部一定要平顺和结实,不可出现护岸不均一现象而留下隐患。江河护岸技术在长期的工程实践中不断改进和提高,护岸形式也多种多样。根据平面形态,现有护岸形式可分为平顺护岸、矶头护岸和丁坝护岸三种;根据护岸机理,现有护岸可分类为实体抗冲护岸和减速防冲护岸二种。实体护岸是以实体抗冲材料覆盖岸坡顶住江流的直接冲刷或以实体材料修建挑流构筑物把江流挑开,以达到保护岸坡的作用。例如,一般的块石或砌石护岸、丁坝或矶头、沉排、土工枕、土工模袋等均属此类。有关实体护岸的设计方法和施工技术已经比较成熟,有不少文献可以参照。实体护岸往往投资比较大,特别是对大江大河的岸坡进行护岸所需费用十分巨大。如果资金不足,护岸工程往往难以达到令人满意的效果。实体护岸还存在一个自身稳定问题,抛石护岸中石块的自身稳定问题、丁坝或矶头护岸中顶部防冲稳定问题等等。减速防冲护岸是利用非实心结构来降低水流的近底和近岸流速,尽可能把流速降到可以使泥沙落淤的程度,达到护岸的目的。例如,杩杈、挂柳、钢筋混凝土网格排等均属于此类,这种护岸的费用一般比实体护岸省得多。但杩杈容易翻滚,自身不稳定;钢筋混凝土网格排水下施工较为复杂,并需要足够的埋深才能保证网格排不被冲蚀和破坏。西北水利科学研究所韩瀛观教授在整治多沙游荡性河道试验研究中提出采用四面六边透水框架群来护岸,试验表明这种护岸框架减速落淤效果很好,自身稳定性也很好,并且不存在基础被冲刷的问题,是一项值得推广的护岸技术。王南海等从1995年开始,就进行了四面六边透水框架群护岸技术的完善和推广工作,于1996年4月在九江市长江东升堤长70m堤段内抛投四面六边透水框架护坡。经过2个月的运用后,1996年6月长江水利委员会九江水文站实测了抛投区的流速,实测结果表明抛投区近底流速减小了47%～75%。1996年12月上旬,长江水位降落后,抛投区露出水面,现场可明显看到抛投区产生了大量淤积。根据实测资料分析