沂河下游灘地穩(wěn)定性分析及防護措施

賈運崗

沂河下游灘地穩(wěn)定性分析及防護措施

賈運崗

河道邊坡穩(wěn)定性直接關(guān)系到河道安全與否，不穩(wěn)定的邊坡可能造成滑坡、塌方甚至決堤，后果嚴(yán)重，因此邊坡穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。影響邊坡穩(wěn)定性因素很多，也非常復(fù)雜，主要是河床地質(zhì)構(gòu)造、水流因素以及人類活動等因素相互作用的結(jié)果。近年來，許多學(xué)者對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素進行了大量研究。本文在已有工作的基礎(chǔ)上，主要研究了不同水位對沂河下游西蔡段土體岸坡安全系數(shù)的影響，并提出邊坡防護處理措施。

一、沂河下游西蔡段概況

沂河西蔡段（中泓樁號為33+840～37+180，長3.34km）位于沂河土山攔河閘下游，江風(fēng)口至蘇魯省界段內(nèi)，50年一遇設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量8000m3/s，上游距李莊攔河閘約11km，距劉家道口節(jié)制閘約17km，下游距馬頭攔河閘約20.5km，兩岸均為二級堤防，堤距980～1620m，平均約1120m，河口寬度510～1160m，平均約650m。

該段河床總體為平原曲流型河床，河床構(gòu)成大部分為砂質(zhì)，土山閘下約1.5km長度區(qū)段內(nèi)，巖層隆起，土沙層較淺，原靠右岸有較寬的沙洲，河道主流緊靠左岸；近年來右岸沙洲受沖刷等多種因素影響，下切較大，下切至河床底部巖石層，且底部巖石層存在向右岸的橫向比降，左右岸高差約3m，河道主流逐漸演變至緊靠右岸；此段河底高程37.50～37.90m，灘地高程 46.00～48.88m，河岸垂直高差較大，右岸灘地土質(zhì)為沙土，上部為厚1m左右的壤土層，下部為厚層中粗沙，抗沖性差，主流演變至右岸后，右岸灘地岸線總體后退20～100m，平均約40m，并多次在局部發(fā)生較大幅度的坍塌險情。

表1 土層參數(shù)表

二、河道邊坡穩(wěn)定性相關(guān)理論

土體穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法、極限分析法和有限元法等。在邊坡穩(wěn)定性分析中，極限分析法和有限元法都還不夠成熟。因此，目前工程實踐中基本都是采用極限平衡法。極限平衡方法分析的一般步驟是：假定斜坡破壞是沿著土體內(nèi)某一確定的滑裂面滑動，根據(jù)滑裂土體的靜力平衡條件和莫爾—庫倫強度理論，可以計算出沿該滑裂面滑動的可能性，即土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的大小或破壞概率的高低，然后再系統(tǒng)地選取許多個可能的滑動面，用同樣的方法計算其穩(wěn)定安全系數(shù)或破壞概率。穩(wěn)定安全系數(shù)最低或者破壞概率最高的滑動面就是可能性最大的滑動面。

三、沂河下游西蔡段土體岸坡穩(wěn)定性分析

沂河土山閘下西蔡段位于沂河丘陵山區(qū)河道的下邊緣，河床由河卵石漸變?yōu)樯百|(zhì)河床，河道的沖淤主要受水、沙條件及邊界條件控制。近幾年來由于受社會經(jīng)濟發(fā)展影響，人為活動也對河床演變產(chǎn)生了極大的影響。現(xiàn)狀沂河下游西蔡段主流位于右岸，險情也發(fā)生在右岸，因此對右岸土體岸坡進行了穩(wěn)定性計算分析，計算選取中泓樁號36+000斷面。

本文穩(wěn)定分析采用極限平衡方法的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB，地質(zhì)參數(shù)采用土山攔河閘初設(shè)地質(zhì)勘察報告中參數(shù)，斷面資料采用本次實測斷面中泓樁號36+000，計算各個水位時的安全系數(shù)。

岸坡安全系數(shù)受許多因素共同影響，水位升降時其變化規(guī)律是復(fù)雜的。坡外水位上升時，浸潤線以上非飽和區(qū)范圍減少，基質(zhì)吸力減少，對岸坡穩(wěn)定不利，而坡內(nèi)外的水位差使岸坡受到向著坡內(nèi)的滲透壓力，同時岸坡水下部分受到水的浮力作用，這些作用對岸坡穩(wěn)定有利。

圖1 安全系數(shù)隨水位變化柱狀圖

從圖1可以看出，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)趨勢隨著水位上升先減小后增大，存在一個最危險水位。斷面主要土質(zhì)為細砂，岸坡坡內(nèi)水位與坡外水位大致持平，基質(zhì)吸力降低較多，水的浮力作用也較明顯，而極限平衡方法考慮的是土條底面處的基質(zhì)吸力，水位開始上升時，浸潤線處滑動面較平緩，基質(zhì)吸力對岸坡穩(wěn)定的貢獻減小較多，故岸坡安全系數(shù)減小；隨著水位不斷上升，浸潤線處滑動面變陡，浮力對岸坡穩(wěn)定的貢獻開始起主導(dǎo)作用，當(dāng)相對水位為5m時，岸坡安全系數(shù)開始增大。故最危險水位的位置大約在岸坡高度的4/11～7/11處，因此汛期應(yīng)注重防御中小洪水。

四、防護措施

1.工程措施

護灘工程的作用是控導(dǎo)河勢，保護灘岸，多年的治河經(jīng)驗表明：“灘存則槽穩(wěn)，槽穩(wěn)則堤固，守堤不如守灘。”河槽的橫向變形是主流線位置變動的反映，與水沙條件、河床灘岸土質(zhì)以及整治工程的控導(dǎo)作用密切相關(guān)。蜿蜒性河道的變形規(guī)律是“一彎變則多彎變”。在確定河道主槽寬度后，要根據(jù)整治后的寬度，及時做好護灘工程，鞏固治理成果，控制河床的橫向變形，把中常洪水束縛在主河槽內(nèi)，其頂部高程應(yīng)與灘地頂部齊平。建議對沂河下游西蔡段右岸現(xiàn)狀灘地進行護險。

2.非工程措施

沂河西蔡段上游為土山攔河閘，鑒于目前已形成下游河床較大變形實際狀態(tài)，應(yīng)結(jié)合攔河樞紐實際控制運用方案等非工程措施來減少下游沖刷，特別要減少右岸沖刷。中小洪水時應(yīng)首先運用上游土山攔河閘削峰滯洪作用，減少下游沖刷，防止橫向流對右岸沖刷?？茖W(xué)控制運用土山攔河閘，攔河閘泄流時應(yīng)先優(yōu)先開啟右岸閘門，下游河槽水深穩(wěn)定后，再開啟左側(cè)閘門，以減小橫向流對右岸的沖刷。

科學(xué)控制河段采砂，要本著“安全第一、河道整治和資源利用相結(jié)合、依法許可”的原則有限度地進行下游河道采砂。采砂地點進行科學(xué)設(shè)計和規(guī)劃，現(xiàn)階段應(yīng)以靠左岸采砂為主；要限制開采強度和開采方式，科學(xué)控制開采深度。

五、結(jié)論

（1）河床整體穩(wěn)定性：現(xiàn)狀沂河西蔡段河床底部為巖石，經(jīng)過多年沖涮，河床已基本穩(wěn)定，但河底巖石層左岸比右岸高3m，小流量時存在橫向流，且右岸灘地為砂土，抗沖能力差，對右岸灘地沖刷較為嚴(yán)重。從河勢上看，此段下游彎道段，右岸為凹岸，受彎道離心力和地轉(zhuǎn)偏向力影響，引起橫向環(huán)流，對右岸灘地淘刷沖蝕較嚴(yán)重。因此，河段右岸灘地整體受沖刷威脅較為嚴(yán)重。

（2）根據(jù)中泓樁號36+000斷面岸坡安全系數(shù)的計算結(jié)果，在相對水位為4～7m時，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)不足1.5，在中小水流下，會發(fā)生進一步的塌岸。

（3）根據(jù)沂河西蔡段現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合上游水閘的運用，進一步分析河道整治的技術(shù)措施，統(tǒng)籌安排河道整治工程的實施計劃

（作者單位：山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院 276000）