湔江堤防水毀原因分析與應(yīng)對(duì)初探

宿波

【摘要】筆者在彭州從事基層水利工作與湔江打交道20年，在感嘆湔江難治的同時(shí)，也不停思考湔江堤防水毀的原因，努力尋找科學(xué)有效治理湔江的好方案，這是本文寫作的動(dòng)機(jī)和目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】河道治理；洪水；堤防毀因；對(duì)策

【Abstract】I engaged in Pengzhou primary water work dealing with Jianjiang 20 years， lamented Jianjiang intractable， but also kept the damaged embankment Thinking Jianjiang reasons， trying to find a scientific and effective governance Jianjiang good program， which is as of this writing motives and goals.

【Key words】River training；Flood；Dike destroyed due；Countermeasure

1. 引言

（1）湔江是成都市轄縣級(jí)市彭州市的主要排洪河道，由于其具有洪水陡漲陡落、河道縱坡比降大、推移質(zhì)量大粒粗、河床變化大等特點(diǎn)，因而洪水的破壞力極大，遭遇洪水常致堤坍岸塌，使之成為成都市的最難治河道。筆者在彭州從事基層水利工作與湔江打交道20年，在感嘆湔江難治的同時(shí)，也不停思考湔江堤防水毀的原因，努力尋找科學(xué)有效治理湔江的好方案，這是本文寫作的動(dòng)機(jī)和目標(biāo)。

（2）囿于作者水平有限，認(rèn)識(shí)和分析必有偏漏之處，懇請(qǐng)專家老師批評(píng)指正，從而使湔江治理早日走上正確道路，湔江早成安瀾之河。

2. 湔江概況

（1）湔江發(fā)源于四川盆地北部龍門山脈的太子城峰（在成都市轄縣級(jí)市彭州市境內(nèi)）南麓的紅龍池一帶，流域面積約2000Km2，河道長(zhǎng)約140Km。其源頭段稱作銀廠溝，接納左岸支流五道河后稱沙金河，蜿蜒南行接納右岸支流白水河后始稱湔江，南行至丹景山鎮(zhèn)（即關(guān)口）流出山區(qū)進(jìn)入平原。湔江山區(qū)段河道長(zhǎng)約65Km，集雨面積627Km2，河道天然落差約3200m。

（2）在湔江出山口處，建有由全溢流的湔江攔河大壩和沖砂閘、取水閘等水工建筑構(gòu)成的湔江堰取水樞紐。

（3）歷史上湔江進(jìn)入平原后曾有鴨子河、小石河、馬牧河等九條行洪通道，上世紀(jì)六十年代完成的湔江堰首改造工程封閉了其余河口，實(shí)現(xiàn)了由小石河一條河道排洪，故彭州境內(nèi)的湔江平原段習(xí)慣上稱作小石河。小石河在湔江攔河大壩下游500m內(nèi)完成了一個(gè)約45°的左轉(zhuǎn)后向東略偏南流，平原段河道順直，流出彭州后進(jìn)行入德陽(yáng)市境內(nèi)，最后在廣漢市匯入沱江的一級(jí)支流石亭江。小石河在彭州境內(nèi)長(zhǎng)22.2Km，天然落差210.6m。

（4）湔江流域以山地與平原兩大地貌單元為主，地形較復(fù)雜，山地、丘陵、平原俱全。湔江中上游地處鹿頭山暴雨中心籠罩區(qū)及影響區(qū)，山高谷深，坡陡流急，水系發(fā)育完善；而湔江下游河段則全部位于成都平原沖積扇，與相鄰河流之間無(wú)明確的天然分水嶺。

（5）湔江流域?qū)偎拇ㄅ璧貋啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明。夏季印度洋孟加拉灣以及南海的曖濕氣流受副熱帶高壓影響向內(nèi)地輸入，在龍門山脈地形影響下急遽抬升與高空冷氣流相遇，形成高強(qiáng)度的區(qū)域降水，即四川著名的四大暴雨區(qū)之一的鹿頭山暴雨區(qū)。湔江中上游即處于鹿頭山暴雨區(qū)的腹心地帶，暴雨量級(jí)和強(qiáng)度都較大，據(jù)《四川省水文手冊(cè)》，湔江中上游大部地區(qū)最大24小時(shí)降雨量在300mm以上，年最大24小時(shí)雨量的多年均值在130mm以上。年降雨量隨海拔遞增，流域內(nèi)白果坪、白水河、關(guān)口三站海拔分別為1400m、1050m、760m，實(shí)測(cè)多年平均降水量分別為1465.6mm、1289.9mm、993.7mm。降水年內(nèi)分配不均，主要集中在7～9月，約占全年總量的60%。

（6）降水是本流域徑流的主要補(bǔ)給源，因而洪水與降水關(guān)聯(lián)度極高，基本集中在7、8、9三個(gè)月，洪水量級(jí)受中上游山區(qū)暴雨量級(jí)控制，平原段流域產(chǎn)流比例低，匯流時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)湔江洪峰的貢獻(xiàn)小。

（7）湔江泥沙尚未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的觀測(cè)和研究分析，但據(jù)湔江關(guān)口水文站零星泥沙資料統(tǒng)計(jì)，湔江多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為1189t/Km2·年，最高為1420 t/Km2·年，屬重度侵蝕區(qū)。

3. 湔江洪水的特點(diǎn)

3.1從水文角度看，湔江上游山區(qū)地處成都平原和青藏高原過(guò)渡帶的龍門山東部迎風(fēng)坡，處于四川著名的鹿頭山暴雨區(qū)腹心地帶，降雨充沛，多年平均年降雨量在1000至1400mm左右。

3.2從地質(zhì)角度看，湔江山區(qū)段位于龍門山活動(dòng)斷裂帶內(nèi)，龍門山斷裂帶的三大斷裂中有兩大斷裂（主中央大斷裂和主山前邊界大斷裂）橫穿湔江上游山區(qū)，區(qū)內(nèi)地應(yīng)力高，地質(zhì)構(gòu)造較為破碎，尤其是2008年“5·12”汶川特大地震后，流域內(nèi)的山體表面崩塌破碎嚴(yán)重，大量的松散砂土堆積在湔江及其支流河道兩側(cè)的山體甚至直接堆積在河床上。

3.3從地形角度看，湔江山區(qū)段的縱坡比降大，從河源至湔江攔河大壩的落差達(dá)3201m，縱坡比降接近50‰，其中尤以龍門山場(chǎng)鎮(zhèn)以上段的比降為大，約為75‰。平原段比降較小，從湔江攔河大壩消力池后的海漫（頂高程730.8m）到人民渠下穿涵洞（頂高程612.8m）河道天然落差為118m，河段長(zhǎng)12. Km，比降約為10‰；從涵洞下游河床（河床高程約601.5m）到彭州出口斷面（河床高程約538.5m）河道天然落差63m，河段長(zhǎng)10.3Km，比降約為6‰。

3.4由于湔江具有以上特殊的水文、地質(zhì)、地形條件，因而湔江洪水具有如下特點(diǎn)。

3.4.1河道流量變化大。

由于湔江流域上游山區(qū)山勢(shì)陡峻，山高谷深，水系為復(fù)合羽狀，匯流時(shí)間短促，造成湔江洪水具有峰高量大的特點(diǎn)。根據(jù)1960～2012年洪水資料系列分析，湔江最大洪峰流量都發(fā)生在6～9月，尤以7、8兩月最為集中，其頻次達(dá)69.8%，洪水過(guò)程一般歷時(shí)1～2天，洪峰峰型尖瘦，多為單峰和雙峰，雙峰的主峰一般靠后。據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，洪水流量大于2000m3/s的有11次，最大洪峰流量達(dá)4490m3/s（1978年）；而年最小洪峰流量?jī)H有128 m3/s（1986年），最大洪峰流量是最小洪峰流量的35倍，洪峰的年際變化較大，而洪枯比（最大流量與最小流量之比）更是高達(dá)2000以上。

3.4.2河道山區(qū)段洪水流速高、挾沙能力強(qiáng)、推（懸）移質(zhì)粒粗量大。

（1）如前所述，由于湔江上游位于青藏高原向成都平原的過(guò)渡帶，地形變化劇烈，河道比降大，因而水流速度高，湔江雖無(wú)實(shí)測(cè)流速資料，但據(jù)有關(guān)單位所作水力計(jì)算，洪水流速可由曼寧公式

（2）水流搬運(yùn)物體的重量與流速的6次方成正比，由于湔江流速大，可見(jiàn)湔江的挾沙能力之強(qiáng)。加之流域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎，泥砂補(bǔ)給豐富，大量松散砂石在高速水流的作用下迅速啟動(dòng)，最終形成推（懸）移質(zhì)含量高、速度高的水流，對(duì)堤防的破壞力十分巨大。其推移質(zhì)不僅數(shù)量大，而且最大粒徑大，在湔江山區(qū)段河道中常見(jiàn)粒徑超過(guò)1m的卵石，粒徑3m左右的漂石也不罕見(jiàn)。

3.4.3平原段河道落淤嚴(yán)重，折沖水流多發(fā)且?jiàn)A角大，局部沖刷深度大。

落淤嚴(yán)重導(dǎo)致局部沖刷加劇乍聽(tīng)起來(lái)相互矛盾，但實(shí)際情況的確如此：湔江洪水?dāng)y帶的大量泥沙進(jìn)入平原段后，由于流速沿程逐漸變緩，洪水?dāng)y帶的大量泥沙也逐漸停淤，由于泥沙落淤具有隨機(jī)性和不均勻性，因而導(dǎo)致河床劇烈隨機(jī)變化，造成了河道岔壕發(fā)育，流量分布極不均勻，主流偏離河道走向左右搖擺，形成大角度沖擊兩岸堤防的折沖水流。筆者見(jiàn)過(guò)的最大折沖水流與堤防的夾角約為70°，這在順直的河道中實(shí)屬罕見(jiàn)。大角度折沖水流導(dǎo)致的最直接后果就是在岸坡處產(chǎn)生大的局部沖刷深度。

4. 湔江堤防損毀原因分析及對(duì)策

4.1湔江現(xiàn)有堤型概況。

湔江現(xiàn)有防洪工程分為斜坡式漿砌卵石面板堤、斜坡式混凝土面板堤和衡重式混凝土堤三種。數(shù)量最多（接近90%）的為斜坡式漿砌卵石面板砂礫石堤，其迎水面的面板坡比m=1～1.6，在上世紀(jì)八十年代以前主要采用石灰砂漿或水泥石灰混合砂漿砌卵石，垂直厚度為60～120cm，由于施工時(shí)全部采用人工開(kāi)挖，挖深受到限制，堤防的基礎(chǔ)埋深一般不足4m，往往小于沖刷深度，通常會(huì)在堤防的河床高程附近加筑一道5～10m寬的水平防護(hù)體，靠河一側(cè)加齒墻（俗稱平抱腳），在彌補(bǔ)堤防在豎直方向上抗沖刷能力的不足；在上世紀(jì)八十年代以后主要采用水泥砂漿或細(xì)石混凝土砌卵石，垂直厚度為40～80cm，堤防的基礎(chǔ)埋深一般在4m左右，仍需采用平抱腳加強(qiáng)防沖能力；從本世紀(jì)初開(kāi)始基本采用機(jī)械開(kāi)挖，挖深逐漸能滿足抗沖刷要求，近幾年開(kāi)始探索采用現(xiàn)澆混凝土作為面板抵抗洪水沖刷，其基礎(chǔ)埋深一般在4～7m，也有個(gè)別堤防的基礎(chǔ)埋深達(dá)到了9m，面板坡比m=1.5，垂直厚度30～60cm；也有個(gè)別重要堤段采用了鋼筋混凝土面板堤和衡重式鋼筋混凝土堤型。

4.2現(xiàn)有堤型特點(diǎn)分析。

（1）斜坡式漿砌卵石面板堤的優(yōu)點(diǎn)是就地取材，最大限度利用了當(dāng)?shù)夭牧?，膠凝材料用量較少；以石抗石，堤防抵抗推（懸）移質(zhì)撞擊與磨蝕的能力強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)，各種線型均易完成且線型美觀。漿砌卵石由于其工作面狹窄且不斷移動(dòng)，難以使用機(jī)具輔助施工，從而形成了其砌筑工序只能由手工完成的特點(diǎn)。對(duì)機(jī)械的依賴程度低，這在生產(chǎn)力水平較低時(shí)是優(yōu)點(diǎn)，但隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高就逐漸變成變成了缺點(diǎn)：因手工操作其實(shí)體質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性較差，施工質(zhì)量控制較難是其最大缺點(diǎn)；另外手工操作導(dǎo)致的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大從而導(dǎo)致其成本高也是其顯著缺點(diǎn)。

（2）斜坡式混凝土面板堤相對(duì)漿砌面板的最大缺點(diǎn)是混凝土抵抗推（懸）移質(zhì)撞擊與磨蝕的能力比漿砌堤露頭的卵石低，特別是河床附近的面板表面受撞擊磨蝕破壞較為嚴(yán)重；優(yōu)點(diǎn)是施工工藝通用性強(qiáng)且較為簡(jiǎn)單，對(duì)工人的技術(shù)要求不高；可采用機(jī)械的方式入倉(cāng)、振搗和成型，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較??；通常采用插入式和表面式相結(jié)合的機(jī)械振搗方式施工，其質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性有保證。隨著新的混凝土工藝的不斷涌現(xiàn)和使用，該堤型的不足逐漸被彌補(bǔ)，是今后應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)推廣和發(fā)展的方向。

（3）衡重混凝土堤和斜坡式鋼筋混凝土面板堤成本高，不能大范圍使用，故討論從略。

4.3湔江堤防水毀的主要形式和原因。

4.3.1面板破壞。

（1）常見(jiàn)破壞形式，多發(fā)于湔江山區(qū)段。其表現(xiàn)為脆性圬工材料構(gòu)成的堤防面板在高速水流和高速水流挾帶的推（懸）移質(zhì)反復(fù)撞擊下發(fā)生裂縫、孔洞后，堤身填筑材料被水流沖刷帶走，導(dǎo)致面板失穩(wěn)出現(xiàn)更大面積破壞和更多的堤身填筑材料被水流沖刷，最終導(dǎo)致堤防坍塌甚至決堤的破壞形式。

（2）面板破壞產(chǎn)生的外因是湔江推移質(zhì)粒粗量大這一客觀存在，內(nèi)因是圬工面板材料的累積損傷、疲勞破壞或自身缺陷。自身缺陷包括設(shè)計(jì)和施工兩方面原因造成的產(chǎn)品缺陷：設(shè)計(jì)方面，由于現(xiàn)行堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)砌體和混凝土面板厚度的計(jì)算方法只考慮了抗風(fēng)浪穩(wěn)定和自身穩(wěn)定方面的因素，并未考慮推移質(zhì)撞擊因素，因而設(shè)計(jì)出的堤防面板厚度有可能不足以抗御大粒徑推移質(zhì)的持續(xù)撞擊；施工方面，面板施工的不均勻性有可能導(dǎo)致局部存在薄弱部位如果碰巧處在河床附近，則可能在大粒徑推移質(zhì)的持續(xù)撞擊產(chǎn)生局部破壞，在洪水和推移質(zhì)的持續(xù)作用下，破壞范圍會(huì)不斷擴(kuò)大。

4.3.2基礎(chǔ)破壞，多發(fā)于湔江平原段。

（1）其表現(xiàn)形式為松散的堤防地基在大角度折沖水流的作用下發(fā)生接觸沖刷被搬離，導(dǎo)致脆性材料構(gòu)成的堤防圬工結(jié)構(gòu)被架空后在自身重力和紊流擾動(dòng)作用下破裂破壞，最終導(dǎo)致堤防坍塌甚至決堤的破壞形式。

（2）基礎(chǔ)破壞的主要成因有兩方面，一是河段因推（懸）移質(zhì)停淤改變河床，產(chǎn)生大角度的折沖水流對(duì)堤防處的局部河床造成強(qiáng)烈的掏刷下蝕產(chǎn)生的局部基礎(chǔ)埋深減小甚至為零，二是彭州“5·12”地震災(zāi)后重建等工程需要的大量砂石骨料主要從湔江河道中獲取，這也在一定程度上導(dǎo)致了湔江平原段河道河床全線下切，從而加劇了湔江堤防的基礎(chǔ)埋深不足現(xiàn)象。

4.3.3滲透變形破壞。

（1）在湔江這種砂質(zhì)河床和堤身為砂卵石填筑的條件下，滲透變形破壞表現(xiàn)形式主要為面板受到由內(nèi)而外垂直作用于面板內(nèi)表面的水壓力作用失穩(wěn)變形，導(dǎo)致破壞。

（2）其主要產(chǎn)生原因一是背坡有水流滲入堤身后產(chǎn)生作用在面板內(nèi)表面、方向向外的水壓力，或因堤防面板密封性差導(dǎo)致洪水滲入堤身，在河水位迅速消落時(shí)入滲水外泄產(chǎn)生作用在面板內(nèi)表面、方向向外的水壓力過(guò)大，導(dǎo)致面板向河道內(nèi)變形，最終破壞的現(xiàn)象。

4.3.4磨蝕破壞，是指堤防的圬工結(jié)構(gòu)在高速水流和高速水流挾帶的推（懸）移質(zhì)反復(fù)摩擦下發(fā)生的表面磨蝕現(xiàn)象，多發(fā)于河床附近的混凝土面板上。根據(jù)觀測(cè)，其單場(chǎng)洪水的磨蝕深度最大可達(dá)2cm左右，最小可以為0，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)堤防造成致命性破壞。

4.4應(yīng)對(duì)辦法。

（1）針對(duì)面板破壞，鑒于面板破壞的外因是由其上游山區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素決定的，人力無(wú)法改變，只能從內(nèi)因上想辦法來(lái)應(yīng)對(duì)：一是尺寸方面考慮，設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行面板厚度設(shè)計(jì)時(shí)不能自縛手腳，要博取眾家之長(zhǎng)，參考相近領(lǐng)域的類似設(shè)計(jì)規(guī)范，在充分考慮推移質(zhì)撞擊因素進(jìn)行面板厚度設(shè)計(jì)；二是從改進(jìn)材料性能方面考慮，采用添加纖維的方式來(lái)增強(qiáng)混凝土的韌性。纖維混凝土主要有四種：鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、碳纖維混凝土和合成纖維混凝土。前三種屬于高彈模纖維混凝土，纖維能顯著提高混凝土的韌性、強(qiáng)度及抗疲勞性能以，顯著改善混凝土的脆性，但價(jià)格較高。合成纖維（SNFRC）一般是低彈模纖維，在混凝土中應(yīng)用最廣泛的是聚丙烯纖維，它對(duì)混凝土能起到阻裂增韌、抗磨抗?jié)B的作用，由于價(jià)格低廉，每立方米混凝土單價(jià)僅增加數(shù)十元，遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土的價(jià)格，且施工方便，因此在各種素混凝土面板工程中應(yīng)用日益廣泛，應(yīng)該在堤防面板中積極推廣使用。

（2）針對(duì)基礎(chǔ)破壞，可從三個(gè)方面來(lái)應(yīng)對(duì)：一是堅(jiān)持“疏堵結(jié)合”的河道綜合治理方針，在加強(qiáng)堤防建設(shè)完善封閉防洪圈的同時(shí)，要堅(jiān)持河床整理，對(duì)心灘進(jìn)行行當(dāng)開(kāi)挖，并用開(kāi)挖所得砂石對(duì)坡腳低洼帶進(jìn)行回填加固，盡最大可能消除折沖水流以減小堤防所受的掏刷，減小堤防工程的防洪壓力；二是堅(jiān)決制止以采砂為目的的河道疏浚，并加大打擊盜采砂石違法行為的力度，盡量減少對(duì)河道的人為不利影響；三是對(duì)水毀堤防進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)要以河段折沖水流與堤防的最大夾角來(lái)計(jì)算沖刷深度，并以河道深泓點(diǎn)作為基礎(chǔ)埋深的河床起算點(diǎn)，以保證堤防在垂直方向上有足夠的防沖刷能力，同時(shí)還可適當(dāng)采取增設(shè)格賓防沖墊等措施來(lái)應(yīng)對(duì)發(fā)生超過(guò)設(shè)計(jì)沖刷深度的洪水組合時(shí)給堤防安全造成的威脅。

（3）針對(duì)滲透變形破壞可采取的措施：一是加強(qiáng)施工質(zhì)量，增強(qiáng)面板的密封效果，防止過(guò)多水量滲入堤身；二是重視設(shè)置帶反濾體的排水孔，使之既能及時(shí)有效排除滲水減小壓力，又不帶出堤身填料；三是要與堤防同步建設(shè)堤背排水設(shè)施，盡量避免堤后積水滲入堤身。

（4）針對(duì)磨蝕破壞可采取的措施：除了采用前面提到的纖維混凝土外，還可在拌合混凝土?xí)r摻入微硅粉，以增加混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，提高其耐磨和抗腐蝕能力。

（5）除對(duì)湔江堤防損毀采取有針對(duì)性的措施之外，在湔江上游建設(shè)控制性水庫(kù)也對(duì)減輕湔江防洪壓力，實(shí)現(xiàn)管理洪水和利用洪水資源很有作用，前幾年彭州市提出了在湔江上游山區(qū)籌建東林寺水庫(kù)（中型水庫(kù)），已進(jìn)入了工程可行性研究階段，因“5·12”地震后庫(kù)區(qū)和上游泥石頻發(fā)而暫緩?fù)七M(jìn)，隨著山區(qū)松散泥石堆積物逐漸穩(wěn)定，植被逐漸恢復(fù)，應(yīng)該積極謀劃，爭(zhēng)取使工程早日上馬。