西遼河防洪工程堤基砂性土滲透變形問(wèn)題分析

宋利春

摘要：西遼河全長(zhǎng)403km，流域面積為14.76×104km2。西遼河防洪工程保護(hù)著自治區(qū)內(nèi)通遼市全境及周邊4個(gè)旗縣的安全，區(qū)內(nèi)還有引水渠、公路、鐵路、輸電線、光纜、工礦企業(yè)等重要設(shè)施，堤防的防洪安全十分重要。西遼河堤防許多坐落在砂土上，汛期堤基砂土滲透變形是主要工程地質(zhì)問(wèn)題，本文通過(guò)160組砂類土原狀樣試驗(yàn)成果，對(duì)砂類土滲透變形進(jìn)行了分析，對(duì)砂類土臨界水力比降和允許水力比降進(jìn)行了計(jì)算，提出了砂類土允許水力比降取值原則。

關(guān)鍵詞：砂類土；顆粒分析；物理力學(xué)指標(biāo)；滲透變形

引言：西遼河發(fā)源于河北省承德市東北平泉縣七老圖山脈的光頭山（海拔1490m），沿老哈河流向東北，與西拉木倫河匯合后，始稱西遼河，西遼河干流全長(zhǎng)403km，流域面積為14.76×104km2。西遼河干流由西向東流至白音他拉鎮(zhèn)的白音他拉農(nóng)場(chǎng)納入右側(cè)支流教來(lái)河，匯后繼續(xù)東流至小瓦房村，經(jīng)鄭家屯匯入左側(cè)支流烏力吉木仁河折向東南于福德店之前納入東遼河后，始稱遼河。

西遼河防洪保護(hù)區(qū)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是東北環(huán)勃海經(jīng)濟(jì)帶的交通樞紐。京通、通讓、大鄭、通霍、集通等五條鐵路在此交匯，年客運(yùn)量220萬(wàn)人，貨物吞吐量340萬(wàn)噸。占地2km2的通遼鐵路編組站是全國(guó)7個(gè)大型編組站之一。國(guó)道111線、303線和304線匯于本市，客運(yùn)量66.4萬(wàn)人，貨運(yùn)量110萬(wàn)噸。因此西遼河防洪體系進(jìn)一步完善對(duì)自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃致全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有巨大的作用。

1、西遼河堤防等級(jí)

西遼河堤防保護(hù)范圍存在很大差異，因此，防洪標(biāo)準(zhǔn)和堤防級(jí)別各有不同。通遼市城區(qū)以上段按50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，堤防級(jí)別為2級(jí)，堤防高度一般為3～4m；通遼市城區(qū)為100年一遇，堤防級(jí)別為1級(jí)，堤防高度一般為4～5m，通遼市城區(qū)以下段20年一遇，堤防等級(jí)為4級(jí)，堤防高度一般為2～3m。

2、 西遼河水文特征

西遼河從通遼市開(kāi)魯縣西安村（海流吐）至東、西遼河匯合口，稱西遼河干流，西遼河干流全長(zhǎng)403km，平均河寬為1000m，比降0.4‰，西遼河鄭家屯以上控制流域面積為9.14×104km2，流經(jīng)內(nèi)蒙古通遼市的一區(qū)四旗（縣），分別是科爾沁區(qū)（通遼市）、開(kāi)魯縣（開(kāi)魯鎮(zhèn)）、奈曼旗（大沁他拉鎮(zhèn)）、科爾沁左翼中旗（?？垫?zhèn)）、科爾沁左翼后旗（甘旗卡鎮(zhèn)）。

該范圍屬工作區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。春季干旱多風(fēng)；夏季短促溫?zé)幔邓?；秋季涼爽；冬季干冷。大部分地區(qū)無(wú)霜期為90至150天。年降雨量350～450毫米。全年多西風(fēng)和西北風(fēng)。封凍期為每年的十一月到翌年5月初，區(qū)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度1.60m。

西遼河流域的老哈河與西拉木倫河交匯后稱為西遼河，西遼河上游的老哈河呈不對(duì)稱的扇狀水系，在老哈河上游段，河谷狹窄，兩岸高山環(huán)繞，河床深切于谷底，水流湍急，河網(wǎng)發(fā)育，河道比降約1/200，在暴雨多發(fā)區(qū)大部分支流入?yún)R，河道由丘陵進(jìn)入西遼河沖積平原，使老哈河稱為西遼河主要洪水發(fā)源地。

西遼河上游的西拉木倫河呈羽毛狀水系，流域內(nèi)也主要以山區(qū)和丘陵為主，在下游段進(jìn)入西遼河沖積平原，在下游段有臺(tái)河口水利樞紐向新開(kāi)河分流，在老哈河與西拉木倫河交匯處的西遼河起始段為歷次洪水決口危險(xiǎn)段。

1949～2011年，西遼河干流段及西遼河支流水系多次發(fā)生洪水，使人民生命財(cái)產(chǎn)受到極大的損失。

從2000年以來(lái)西遼河干流堤防險(xiǎn)情分析，西遼河干流洪水主要產(chǎn)生于上游的老哈河和西拉木倫河，近年來(lái)西遼河洪沖積平原地下水位有逐年下降的趨勢(shì)，且河道多為呈中等透水的砂性土，使兩河洪水在匯入西遼河干流以后，洪水有自上而下呈遞減的趨勢(shì)，因此堤防有承受高水位運(yùn)行時(shí)間一般較短的特點(diǎn)。

3、西遼河防洪工程地質(zhì)概況

3.1 地形地貌

工作區(qū)位于大興安嶺的東南麓、松遼沉降平原的西端，屬堆積地貌類型，表現(xiàn)為西遼河兩側(cè)的河谷沖積平原、風(fēng)積沖積平原的地貌形態(tài)。

3.1.1 河谷沖積平原

主要分布在西遼河兩岸，主要由河床及河漫灘組成，在河流長(zhǎng)期沖刷、搬運(yùn)和堆積的過(guò)程中，形成一個(gè)近東西向延續(xù)的，寬闊平坦的河谷平原地形，工作區(qū)地面高程在140～290m，西南部地形較高，東北度較低，由西南傾向東北，平均坡降1‰，在河谷平原上部由于河流頻繁改道和變遷，多見(jiàn)有斷續(xù)的干河床及舊河道分布，其邊緣地帶大部分被砂丘覆蓋，在中間地帶也有零星砂丘分布。

河漫灘在西遼河兩岸廣泛分布，發(fā)育連續(xù)，大部分呈對(duì)稱分布，高出河床0.5～2.0m，灘面寬闊平坦，具有向河床傾斜的特征，坡角0.5～1°。

3.1.2 風(fēng)積沖積平原

廣泛分布于西遼河兩側(cè)大部分區(qū)域，多以固定、半固定砂丘和風(fēng)蝕洼地形態(tài)出現(xiàn)。地勢(shì)西南高，東北低，地面高程在150～228m，地形起伏不平，高度一般小于10m。

固定、半固定砂丘：砂丘呈橢圓形分布，一般為北東向、北西向延伸，砂丘高度在5～10m，迎風(fēng)坡坡角為5～10°，背風(fēng)坡坡角為10～15°，西遼河下游局部地段砂丘連續(xù)分布，形成砂壟或砂梁，其延伸方向大多呈北東向，其上生長(zhǎng)的植被有沙地疏林、沙生灌叢、沙蒿等群落砂。

風(fēng)蝕洼地：大部分分布于各砂丘間的低洼地帶，由東向西呈帶狀分布，具有由外圍向中間傾斜的特征，坡角1～2°，在洼地中土層有鹽漬化的特征。

3.2 地層巖性

西遼河堤基10m深度范圍內(nèi)地層主要由第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）、洪沖積層（Q4pal）、沖湖積層（Q4l+al）和風(fēng)積層（Q4eol）組成。主要巖性為：壤土、砂壤土、粘土、粉砂、細(xì)砂、含少量礫細(xì)砂，局部堤段巖性為粗砂、礫質(zhì)中砂等。

3.3水文地質(zhì)

堤防沿線地下水類型為第四系沖積層孔隙潛水和第四系沖積、湖積層孔隙潛水。含水層主要巖性為第四系全新統(tǒng)、中更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的砂層與細(xì)礫及砂礫石層。含水層分布穩(wěn)定，埋深淺，滲透系數(shù)K=2.01×10-4～8.60×10-2cm/s。endprint

主要以接受垂向大氣降水補(bǔ)給為主、其次為側(cè)向逕流補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給和灌溉田間入滲補(bǔ)給。地下水逕流方向大致由西向東，基本與地表水流方向一致，含水層厚且均勻，地下水逕流條件較好。地下水排泄的途徑主要是蒸發(fā)，其次是人工開(kāi)采及水平側(cè)向排泄。

4、滲透變形問(wèn)題解析

4.1 堤基砂類土顆粒組成特點(diǎn)

西遼河全段堤基砂類土主要為細(xì)砂，局部為粉砂；上游局部地段堤基砂類土相對(duì)較粗，巖性為粗砂、礫質(zhì)中砂。

本文采用的是西遼河堤基160組砂類土原狀試樣顆分資料，根據(jù)其粒徑組成，堤基砂類土可分為粒徑分布范圍在<0.005～0.25mm的粉砂（5組）、<0.005～0.5mm的粉砂、細(xì)砂（41組）、<0.005～2mm的細(xì)砂（53組） 、<0.005～5mm的含少量礫細(xì)砂（22組）、0.075～0.5mm細(xì)砂（43組）、0.075～2mm的細(xì)砂（25組）、0.075～5mm含少量礫細(xì)砂（24組）、0.075～20mm的含少量礫細(xì)砂（8組）的8類試樣，其代表性試樣顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1、圖2。各巖性顆粒組成及不均勻系數(shù)Cu值、曲率系數(shù)Cc值見(jiàn)表1、表2。

4.2 滲透變形類型判別

在滲流作用下，為判別土體是產(chǎn)生管涌破壞還是流土破壞，國(guó)內(nèi)外各家通過(guò)大量試驗(yàn)提出了多種不同的方法。如細(xì)粒含量判別法、土體不均勻系數(shù)判別法、室內(nèi)滲透試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)法等。其中具有代表性的方法為細(xì)粒含量判別法和土體不均勻系數(shù)判別方法，細(xì)粒含量判別方法適用于對(duì)卵石、礫石層的判別而不適合對(duì)含礫中砂層、中細(xì)砂層的判別，按不均勻系數(shù)判別的方法最簡(jiǎn)便適用【1】，故本次采用不均勻系數(shù)Cu判別法【2】：

Cu<10為流土；

10

Cu>20為管涌；

西遼河堤防堤基砂類土不均勻系數(shù)為1.038～6.036，依據(jù)上述判別方法，滲透變形破壞判別結(jié)果為：堤基砂類土滲透變形類型均為流土。

4.3 臨界水力比降及允許水力比降確定

西遼河防洪工程堤基砂類土滲透變形類型為流土，采用下列公式計(jì)算臨界水力比降。

式中 Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土粒比重；

n——土的孔隙率（%）；

各巖土臨界水力比降、允許水力比降計(jì)算成果見(jiàn)表3。

綜合上述分析計(jì)算結(jié)果，西遼河堤防堤基砂類土滲透變形破壞形式為流土。砂類土臨界水力比降為0.83～1.12，取安全系數(shù)2.0，則西遼河防堤防堤基砂類土的允許比降應(yīng)為0.42～0.56。

通過(guò)160組試驗(yàn)樣品分析計(jì)算得出的允許水力比降，較《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（SL188-2005）表D.0.4給定的不均勻系數(shù) 情況下給定的經(jīng)驗(yàn)值大，但與不均勻系數(shù) 情況下給定的經(jīng)驗(yàn)值較為接近。因此，西遼河范圍內(nèi)堤基砂類土允許水力比降建議值為0.42～0.56。

結(jié)語(yǔ)

（1）西遼河防洪工程中采取了160組砂類土的原狀試樣，為本次論文的編制提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)西遼河堤防堤基砂類土滲透變形破壞形式判別結(jié)果，堤基砂類土的破壞形式主要為流土。

（3）西遼河堤防堤基砂類土臨界水力比降為0.83～1.12，允許水力比降值建議取0.42～0.56。

【參考文獻(xiàn)】：

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