采砂對富春江應(yīng)沙嘴岸灘穩(wěn)定及堤塘的影響分析

趙渭軍,黃水龍,侯石華,王文杰

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江錢塘江水利建筑工程公司,浙江 杭州 310020)

富春江應(yīng)沙嘴位于東洲島的洲尾。為了保障富春江河段的防洪,確保河勢穩(wěn)定和應(yīng)沙嘴至長嶺頭河段堤塘安全,尤其是應(yīng)沙嘴圍堤及岸灘穩(wěn)定,需要了解應(yīng)沙嘴周邊水域采砂對該河段河勢和岸灘穩(wěn)定性及堤塘的影響。對禁采區(qū)域有否發(fā)生采砂行為、采砂對應(yīng)沙嘴圍堤及前沿邊灘安全造成多大影響進(jìn)行專題技術(shù)分析,為管理部門提供決策依據(jù)。

1 河道概況

1.1 河道基本情況

錢塘江上游蘭江與新安江在梅城匯合后,下行至浦陽江口東江嘴的河段稱為富春江。應(yīng)沙嘴至長嶺頭河段為富春江富陽水域中的1段,位于富陽鸛山以下。由于鸛山斷面縮窄后又急劇放寬,以及聞家堰急彎卡口的頂托作用,流域帶來的粗顆粒泥沙沉積形成系列沙洲,逐漸發(fā)育成多級分汊河道。20世紀(jì)60年代以前沙洲下移并岸,如民主沙并入東洲,長安沙不斷擴(kuò)大且與小沙洲合并,使得江道支汊減少,水流歸槽。上段被新沙和東洲2個江心洲分為3汊,中汊一直為主汊;下段江心有長安沙和小沙,70年代以來南汊逐漸發(fā)育成為主汊。1960年以后,由于新安江水庫和富春江水庫的興建,流域粗砂被攔截,分汊河勢漸趨穩(wěn)定。河段平面位置見圖1。

圖1 富春江應(yīng)沙嘴河段位置圖

1.2 堤防概況

1998年,根據(jù)《富春江電站至閘口段標(biāo)準(zhǔn)江堤規(guī)劃》要求,杭州西湖區(qū)南北大塘、富陽市江北片城鎮(zhèn)和皇天畈段為II級堤防工程,防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇;富陽境內(nèi)其他干流堤防為IV、V級堤防工程,采用20,10 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)沙嘴位于錢塘江五橋上游富春江東洲島的東端,與聞家堰水文站相距約9 km。應(yīng)沙嘴圍堤均為土堤,擬定的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10～20 a一遇。

2 富陽至聞家堰河段河勢分析

2.1 河段沖淤變化

20世紀(jì)50年代以來,富陽鸛山至三江口段4 m高程以下各年洪汛后6—7月份4 m以下的河床容積變化如圖2。由圖可見,50年代該河段河床容積較大,達(dá)1.25億m3。60年代之后,由于岸灘和沙洲的陸續(xù)圍墾和堵汊,到1971年河床容積減小到1.1億m3以下。1971年至1976年,河床容積基本未變,沖淤達(dá)到基本平衡。80年代拆除堵壩后,河床容積迅速增大,到1989年達(dá)到1.28億m3,90年代以后仍有所增大,到1997年達(dá)到1.34億m3。自 1976年至1999年的24 a中,4 m以下容積變幅達(dá)20%[1]。

除堵、拆壩原因外,1954年至1976年,由于新安江建庫后下泄徑流量減少,河道處于淤積狀態(tài),容積減小。自70年代末開始,對河床容積影響較大的人類活動主要有采砂活動。開始用畚箕、竹竿等工具進(jìn)行少量人工采砂,至80年代中期,隨著建筑用砂的急劇增加,開始出現(xiàn)小型吸砂船,黃砂開采量增加較多;進(jìn)入90年代,黃砂需求量大增,出現(xiàn)了中型的鏈斗式采砂船和大型的真空泵吸砂船,使采砂量猛增[2]。同時,由于上游建庫攔截了大量流域來沙,下泄沙量大為減少。在2000年前,采砂量較大,如1999年,年采砂強(qiáng)度約2.10m,而年平均處自然沖刷強(qiáng)度約0.30m,采砂量和沖刷量遠(yuǎn)大于回淤量。因此,80年代以來富陽河段造成容積迅速增大的主要原因是河道大范圍的采砂等人為因素,自然沖刷是次要的。

圖2 鸛山至三江口段4 m以下河床容積變化圖

2.2 深泓線變化

江道深泓線是水流動力軸線運行的軌跡,也是反映槽、灘沖淤變化的主要指標(biāo)。

在上游興建大型水庫以后,洪峰流量得到調(diào)節(jié),徑流的年際年內(nèi)變幅進(jìn)一步減小,大沖大淤的現(xiàn)象不再發(fā)生,即使出現(xiàn)連續(xù)枯水年,深泓線也不會貼近南岸。因此今后深泓線的變化將會趨于穩(wěn)定,走中的幾率顯著增大。另一方面,自大規(guī)模采砂以來,應(yīng)沙嘴以上段主槽線南移走中,應(yīng)沙嘴至長安沙嘴段,主槽線有所北移,平均約50 m,自長安沙嘴以下,主槽走中偏南。顯然,近幾年采砂沒有對河勢造成明顯不利的影響,山、潮水頂沖點沒有發(fā)生顯著變化,總之,從河勢來看,應(yīng)沙嘴至長嶺頭河段沒有出現(xiàn)危及堤防與邊灘穩(wěn)定及安全的不利情況[3]。

3 應(yīng)沙嘴灘地變化調(diào)查分析

應(yīng)沙嘴圍堤前沿灘地,歷史上沒有大比例的地形測量資料可供對比論證,本文分析是根據(jù)本次底質(zhì)鉆探資料和測量的圍堤斷面資料從與相鄰斷面岸灘對比、臨界岸坡的穩(wěn)定性方面進(jìn)行初步穩(wěn)定性分析,富春江應(yīng)沙嘴地理位置見圖1。

3.1 堤前灘地變化分析

應(yīng)沙嘴地貌單元屬近代河相淤積,灘地高程較平整,高程在5.4～5.6 m左右,現(xiàn)有土堤高程為8.9～9.4 m。在土堤與主槽之間,土堤外側(cè)有2級顯著的平臺和2個陡坡相連接,堤腳處的一級平臺為平坦且寬度為30～100m不等的保護(hù)灘地,高程為5～6 m;二級平臺為平坦且寬度為90～165 m不等的河漫灘,高程為-2.5～-4.0 m,兩平臺之間為一連接的陡坡,陡坡坡度在1∶5.2～1∶12。二級臺地與主槽相連接的陡坡坡度為1∶1.9～1∶3.2,外坡陡于內(nèi)坡。

表1為應(yīng)沙嘴圍堤前沿120m內(nèi)岸坡變化分析資料,其中P1～P4斷面為圍堤上游側(cè)相鄰段的圍堤斷面,P5～P8斷面為重點分析段圍堤斷面,P9斷面為區(qū)域分界線的斷面,所選圍堤典型斷面剖面形態(tài)見圖4。由表1可見,分析段的所選圍堤斷面岸坡無論是一級平臺邊坡還是二級平臺邊坡其坡度均小于臨界穩(wěn)定坡度,處于較穩(wěn)定的狀態(tài);與相鄰段的圍堤斷面比較,分析段的圍堤代表斷面堤腳平臺寬度均大于相鄰段的灘面寬度,除P6斷面以外,平臺下部邊灘坡度稍小于相鄰段斷面的坡度。由此可見,分析段沒有發(fā)生不利于圍堤或堤腳穩(wěn)定的變化,也沒有發(fā)現(xiàn)因河槽采砂而出現(xiàn)岸灘危險的情況。

圖3 富春江應(yīng)沙嘴邊灘地形測量范圍及斷面位置圖

表1 應(yīng)沙嘴邊灘岸坡變化分析表

圖4a 應(yīng)沙嘴P1圍堤斷面圖

圖4b 應(yīng)沙嘴P6圍堤斷面圖

3.2 勘探資料調(diào)查

據(jù)調(diào)訪當(dāng)?shù)鼐用袼?采砂船只對江心洲南側(cè)的富春江區(qū)域進(jìn)行過采砂作業(yè),而北側(cè)的江道未進(jìn)行過采砂作業(yè),通過對南側(cè)ZK04鉆孔、ZK06鉆孔及北側(cè)的ZK01鉆孔地層情況對比分析,南北側(cè)土堤下部地層分布較穩(wěn)定均勻,可知采砂未對當(dāng)前的土堤造成影響。若采砂船在江中采砂造成周圍的粉土、粉砂層向采砂船附近的區(qū)域集積,會形成采砂漏斗,將造成砂層上部的地層發(fā)生下沉,粉土、粉砂層厚度變小,而本次勘察未發(fā)現(xiàn)上述情況?？傊?調(diào)查未發(fā)現(xiàn)圍堤前沿灘地有近岸采砂行為[4]。

從以上2方面分析來看,現(xiàn)有土堤外圍有53～69 m不等的保護(hù)灘地,采砂區(qū)與土堤也有相當(dāng)?shù)陌踩嚯x,從目前堤下部土層的穩(wěn)定分布情況來看,應(yīng)沙嘴所選圍堤段沒有出現(xiàn)主槽逼岸、淘空和切割堤腳的現(xiàn)象,從而使堤身失穩(wěn),導(dǎo)致堤身下沉、開裂、塌方、滑坡等險情發(fā)生。

富春江采砂作業(yè)區(qū)域的主要砂層富集在第④層部分,主要以粉土夾砂層為主,厚度及層位變化較大,砂粒含量不高。

4 應(yīng)沙嘴圍堤穩(wěn)定性驗算

應(yīng)沙嘴所屬西湖區(qū)袁浦鎮(zhèn)新浦沿村和富陽市紫銅村,境內(nèi)有農(nóng)田、魚塘100多公頃,因長期受錢塘江潮水的沖刷及采砂船只近距離作業(yè),導(dǎo)致堤身受到一定影響。從堤防安全角度考慮,選擇幾個典型斷面,利用瑞典圓弧滑動法,分別按照設(shè)計工況、最不利工況驗算采砂區(qū)域堤塘岸坡的穩(wěn)定性。

4.1 圓弧滑動穩(wěn)定計算

堤防設(shè)計工況:外坡正常運用情況下,外江由平均高潮位降至平均低潮位,內(nèi)水位取正常水位7.13 m。

外坡非常運用情況下,外江由10 a一遇高潮位降至平均低潮位,內(nèi)水位取20%洪水位8.0 m。

表2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

參照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》,堤防整體穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧法,其計算公式為:

式中:K為安全系數(shù);ci、φi分別為土體粘聚力和摩擦角;bi為土條寬度(m);αi為土條滑動面中點切線與水平線夾角(度);Wai、Wsi分別為產(chǎn)生抗滑力矩和滑動力矩的計算土條重量(kN·m/m3)。

計算采用各土層的參數(shù)值見表2。

計算斷面選取3個典型斷面(P7、P8、P9)進(jìn)行分析計算,各個斷面位置見平面布置圖3。

4.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)計算,各典型斷面堤身整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表3表明,應(yīng)沙嘴前沿P7、P8、P9三個典型斷面其整體穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的系數(shù),說明應(yīng)沙嘴圍堤及邊灘所選位置沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

表3 整體穩(wěn)定計算結(jié)果表

5 結(jié) 語

(1)在上游建庫以后,洪峰流量得到調(diào)節(jié),今后深泓線的變化將會趨于穩(wěn)定,走中的幾率顯著增大。分析河段主支汊20多年來較穩(wěn)定,平面變化幅度較小,洲灘的平面擺動不大。

(2)20世紀(jì)80年代以來富陽河段造成容積迅速增大的主要原因是大范圍采砂等人類活動因素,自然沖刷是次要的。據(jù)近幾年測量的水下地形圖來看,采砂對河勢造成的不利影響不太明顯,應(yīng)沙嘴至長嶺頭河段沒有出現(xiàn)危及堤防與邊灘穩(wěn)定及安全的不利情況。

(3)穩(wěn)定計算分析表明,應(yīng)沙嘴前沿3典型斷面其整體穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求,即所選代表斷面沒有發(fā)生不利于圍堤或堤腳穩(wěn)定的變化,也沒有發(fā)現(xiàn)因河槽采砂而發(fā)生岸灘失穩(wěn)破壞的險情。

[1]趙渭軍,史英標(biāo),王文杰.杭州市抗咸二期工程取水口位置選擇 [R].杭州:浙江省水利水電河口海岸研究設(shè)計院,2001.

[2]江海洋,吳志龍,盧祥興,等.富春江富陽河段黃砂開采控制規(guī)劃 [R].杭州:浙江省河口海岸研究所,2000.

[3]趙渭軍,魯海燕,程杭平.杭州市抗咸二期工程長安沙嘴取水口岸灘穩(wěn)定性分析[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

[4]陳志芳,祝湛毅.富春江應(yīng)沙嘴長嶺頭采砂論證分析地質(zhì)調(diào)查巖土工程勘察報告 [R].杭州:.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院,2007.