里運(yùn)河堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型失效模式分析

戴永琪，李宏恩，劉曉青

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

堤防工程作為我國防洪工程體系的重要組成部分[1]，能夠有效抵御洪水的侵襲，但由于我國的堤防工程歷史悠久，現(xiàn)有的堤防大多是在民埝或者舊堤基礎(chǔ)上加高培厚逐漸形成的，沒有經(jīng)過專業(yè)的地質(zhì)勘探和地基處理，也沒有嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工填筑質(zhì)量，并且在長期運(yùn)行過程中歷經(jīng)多次加固、搶險(xiǎn)和生物破壞，堤身和堤基的情況非常復(fù)雜，存在諸多安全隱患，嚴(yán)重威脅堤防工程的安全[2]。因此，進(jìn)行堤防工程險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型失效模式分析十分必要。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，一些國家逐步建立起堤防工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，對(duì)復(fù)雜繁多的堤防信息和監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行有效管理和實(shí)時(shí)分析，并開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)資料安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)堤防工程的重點(diǎn)堤段和問題堤段進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，為防汛查險(xiǎn)爭(zhēng)取了主動(dòng)性，也為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)堤防系統(tǒng)的科學(xué)化管理奠定了基礎(chǔ)。例如，日本、荷蘭等一些發(fā)達(dá)國家建立了基于堤防信息管理系統(tǒng)和工程風(fēng)險(xiǎn)分析的堤防工程安全評(píng)價(jià)體系[4]。20世紀(jì)末，我國許多學(xué)者對(duì)大壩安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了較為深入的研究，近年來，堤防工程安全評(píng)價(jià)的重要性已引起有關(guān)部門的重視?！兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定，堤防的安全鑒定是對(duì)所研究堤段防洪能力的綜合檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，是堤防加固設(shè)計(jì)前工作的重要組成部分。

里運(yùn)河堤防工程沿線現(xiàn)存的清水潭、車邏壩、小蔡潭等13處險(xiǎn)工險(xiǎn)段不僅普遍存在不良地質(zhì)、穿堤涵洞多、多次加固堤段資料不詳?shù)葐栴}，更具有位于南水北調(diào)東線輸水主干線、部分沿線建筑為文物保護(hù)對(duì)象等特殊性。因此，開展里運(yùn)河堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段失效模式分析與安全評(píng)價(jià)研究，為里運(yùn)河堤防工程的設(shè)計(jì)加固工作提供依據(jù)，對(duì)確保南水北調(diào)東線工程運(yùn)行調(diào)度與沿線公眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的實(shí)際意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 里運(yùn)河堤防工程概況

里運(yùn)河是京杭大運(yùn)河最早開鑿的河段，自古“鹽運(yùn)”、“南糧北運(yùn)”及“北煤南運(yùn)”等通航作用巨大。南水北調(diào)東線工程全線貫通后，里運(yùn)河作為輸水主干線肩負(fù)了重要的提水北送任務(wù)。里運(yùn)河位于南水北調(diào)東線江蘇省內(nèi)，介于長江和淮河之間，北接中運(yùn)河，南接江南運(yùn)河，是輸水河道和通航河道，同時(shí)也是淮河入江水道的一條泄洪通道。里運(yùn)河設(shè)計(jì)水位為8.5 m，兩岸地面高程較低，因此水位一直高于兩側(cè)地面。揚(yáng)州市管轄的高郵、江都段內(nèi)的里運(yùn)河堤防為國家一級(jí)堤防，東堤全長74.4 km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。里運(yùn)河?xùn)|堤自北向南分為里運(yùn)河高郵段、里運(yùn)河江都段和江都高水河3個(gè)堤段，沿線的堤防及穿堤建筑物大部分建設(shè)年代久遠(yuǎn)，最早涵閘(如子?jì)腴l)為文物。里運(yùn)河?xùn)|堤目前普遍存在堤防超高不足、堤身單薄、窨潮滲漏、堤后深塘、堤基深淤、護(hù)坡?lián)p壞和沿線建筑物老化嚴(yán)重等安全隱患。里運(yùn)河?xùn)|堤是高郵和江都兩地的防洪安全屏障，是沿線群眾生產(chǎn)生活的安全保證。

2 里運(yùn)河?xùn)|堤典型失效模式分析

2.1 土堤失效模式

根據(jù)堤防破壞的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料和歷史文獻(xiàn)資料，土堤的失效模式可分為水文破壞和結(jié)構(gòu)破壞。水文破壞是指堤防由于水文因素的不確定性造成的堤防失事，水文因素的不確定性主要考慮實(shí)際水位或流量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況，因此水文破壞主要為漫堤破壞。結(jié)構(gòu)破壞則是指堤防由于材料和組成等各種結(jié)構(gòu)因素的不確定性造成的堤防失事，主要包括滲透破壞和失穩(wěn)破壞[5]。

2.1.1漫堤破壞 漫堤破壞可分為洪水漫溢和洪水漫頂兩種形式[6]。漫堤破壞通常是由于堤防高度不足(堤頂未達(dá)到設(shè)計(jì)高程或堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過低)或者堤前水位過高(發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水)而造成的。里運(yùn)河江都段共有邵伯臨鎮(zhèn)和昭關(guān)船廠北兩處堤防超高不足，江都高水河沿線有邵伯烈士陵園南人字壩一處堤防超高不足。若河道實(shí)際發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，這3處堤段很可能由于堤頂高程不滿足設(shè)計(jì)要求而引起堤防漫堤破壞。

通過上述對(duì)里運(yùn)河?xùn)|堤漫堤破壞機(jī)理的分析可知，堤防工程漫堤破壞的內(nèi)部因素主要是堤防高度不足，外部因素主要是超標(biāo)準(zhǔn)洪水。

2.1.2滲透破壞 滲透破壞是堤防工程的主要破壞形式，我國歷史上的堤防決口絕大多數(shù)都與堤防的滲流有關(guān)[7]。滲透破壞是指堤身或堤基由于滲流時(shí)產(chǎn)生的滲透力而導(dǎo)致的堤防破壞，可分為管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失4種形式。

江都高水河?xùn)|堤沿線共有土山洞北和人字壩兩處堤身單薄，急需加寬堤身處理。由于這些堤段的堤身單薄(堤身斷面不足)，堤防背水坡會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，隨著汛期洪水位的升高，當(dāng)?shù)躺淼膶?shí)際滲透坡降大于堤身土層的允許坡降時(shí)，滲透水流會(huì)將堤身透水層的細(xì)顆粒沖刷帶走，可能引起堤防管涌破壞。

里運(yùn)河高郵段的車邏壩背水坡在里運(yùn)河高水位運(yùn)行時(shí)曾出現(xiàn)多處滲漏點(diǎn)；里運(yùn)河江都段共有崇灣斜路南、崇灣油碼頭、戚運(yùn)公路北、小六堡、戚運(yùn)公路南、小蔡潭南、新莊路北、王莊路北、昭關(guān)壩、宋家淺、昭關(guān)閘、江港作業(yè)區(qū)、銅材廠院內(nèi)和萬壽宮等14處窨潮滲漏段，部分堤段的滲漏情況經(jīng)歷年防滲、導(dǎo)滲處理有所緩解，但仍存在窨潮滲漏現(xiàn)象；江都高水河共有江都老船廠段、原劉莊小橋北段、談莊洞南和邵伯臨鎮(zhèn)大王廟段背水坡等4處窨潮滲漏段。窨潮滲漏是指運(yùn)河高水位運(yùn)行時(shí)堤防背水坡滲水的現(xiàn)象，可能造成堤坡沖刷和堤身漏洞等險(xiǎn)情，容易引起堤防滲透破壞。

里運(yùn)河高郵段沿線有多處堤后深塘和魚塘，嚴(yán)重侵蝕堤防土體，且堤防兩側(cè)水位差很大，導(dǎo)致堤防滲漏嚴(yán)重；里運(yùn)河江都段共有來圣庵、小六堡、小蔡潭、荷花塘、昭關(guān)壩和宋家淺等6處堤后深塘，這些深塘大都是人工養(yǎng)殖的魚塘，對(duì)堤腳的侵蝕不容小視；江都高水河共有黑魚塘、南塘和人字頭壩等3處堤后深塘，加之這些堤段堤身質(zhì)量較差，滲漏情況嚴(yán)重。這些堤段的堤后深塘使得堤基長時(shí)間浸水，導(dǎo)致堤基及其附近土壤變得潮濕松軟且透水性強(qiáng)，滲漏嚴(yán)重，容易引起滲透破壞。隨著汛期洪水位的升高，當(dāng)?shù)袒膶?shí)際滲透坡降大于堤基土層的允許坡降時(shí)，滲透水流會(huì)將堤基透水層的細(xì)顆粒沖刷帶走，引起堤防管涌破壞。同時(shí)，堤后深塘堤段的堤防兩側(cè)水位差較大，在滲透動(dòng)水壓力的作用下，使得堤腳局部土體浮動(dòng)流失，引起堤防流土破壞。

通過上述對(duì)里運(yùn)河?xùn)|堤滲透破壞機(jī)理的分析可知，堤防工程滲透破壞的內(nèi)部因素主要與堤身斷面形式、堤身和堤基的材料及力學(xué)特性，如堤防填筑材料的級(jí)配、密實(shí)度以及土層的滲透特性等條件有關(guān)。除此之外，洪水期間波浪對(duì)堤防迎水面強(qiáng)烈的沖擊作用和對(duì)堤基產(chǎn)生的淘刷作用等外部因素也是引起堤防滲透破壞的原因。

2.1.3失穩(wěn)破壞 失穩(wěn)破壞也是堤防工程中常見的破壞形式。失穩(wěn)破壞是指堤防由于局部岸坡土體的滑動(dòng)或崩塌而造成的堤防破壞，可分為滑坡和崩岸兩種形式[8]，通常發(fā)生在暴雨、長期降雨以及退水期。

里運(yùn)河高郵段共有邵家溝至頭閘段和清水潭段兩處堤基深淤，堤基淤土最深處達(dá)30.8 m，堤身不穩(wěn)定存在安全隱患；里運(yùn)河江都段共有東堤小六堡塘北、蔡家潭、宋家淺和淤溪河口等4處堤基深淤，最大淤深23.8 m，最小7.5 m。這些堤段堤基深淤中的淤泥屬于軟土，具有含水量大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度和承載力低的特點(diǎn)，在堤身自重和堤頂動(dòng)荷載的作用下，易使堤防產(chǎn)生不均勻沉降變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致堤身下陷和裂縫，在汛期暴雨的影響下，雨水充滿裂縫并沿裂縫滲入堤身內(nèi)部，使得堤防土體強(qiáng)度降低，引起堤防失穩(wěn)破壞。堤基淤泥層性質(zhì)軟弱、強(qiáng)度低且抗沖性差，堤防臨水面的堤基深淤在河流沖刷和高水位時(shí)水壓力的作用下，易使淤泥層受到水流侵蝕并產(chǎn)生側(cè)向擠壓流動(dòng)，堤防岸坡的上部土體前緣臨空失去穩(wěn)定，引起堤防失穩(wěn)破壞。

里運(yùn)河高郵段東堤界首段迎水面塊石護(hù)坡出現(xiàn)多處浪窩、浪洞(單個(gè)面積約為10～20 m2)，高郵船閘以北的東堤漿砌石護(hù)坡由于船行波和河水沖刷導(dǎo)致護(hù)坡淘刷損壞嚴(yán)重；里運(yùn)河江都段共有東堤露筋渡口、聯(lián)盟莊碼頭、王莊段、邵伯臨鎮(zhèn)段等4處護(hù)坡?lián)p壞，也是由于靠船及河水沖刷造成護(hù)坡?lián)p壞。船行波和河水風(fēng)浪的沖擊淘刷作用使得堤防護(hù)坡不斷受到侵蝕損壞，易造成護(hù)坡塌陷，引起堤防失穩(wěn)破壞。

通過上述對(duì)里運(yùn)河?xùn)|堤失穩(wěn)破壞機(jī)理的分析可知，堤防工程失穩(wěn)破壞的內(nèi)部因素主要與堤防岸坡條件有關(guān)，如堤防土體的組成、土體的物理力學(xué)性質(zhì)、土層的滲透特性等。除此之外，高水位作用、暴雨、船行波和河流沖刷等外部因素也是引起堤防失穩(wěn)破壞的原因。

綜上，里運(yùn)河?xùn)|堤的失效模式見表1。

表1 里運(yùn)河?xùn)|堤失效模式Tab.1 Failure modes of the Li Canal East Levee

2.2 水閘失效模式

根據(jù)有關(guān)水閘破壞的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料和歷史文獻(xiàn)資料，里運(yùn)河?xùn)|堤沿線水閘的失效模式可分為滲漏破壞、沖刷破壞和裂縫破壞。

滲漏破壞有兩種情況:一是水閘基礎(chǔ)的閘下滲漏；二是水閘與堤防邊坡連接處的繞閘滲漏。水閘的滲漏破壞主要由地基本身存在安全隱患以及水閘的防滲排水設(shè)施失效等因素造成。里運(yùn)河部分水閘存在閘門底漏水的問題，長期滲漏會(huì)引起閘基和堤防邊坡土體的滲透變形，甚至導(dǎo)致閘室傾斜和倒塌，嚴(yán)重威脅水閘的安全。

沖刷破壞是水閘破壞中常見的破壞形式，包括閘基、閘室底板、翼墻、護(hù)坦等部位的沖刷。沖刷破壞主要是由閘基軟弱、水流流速過大、產(chǎn)生波狀水躍等自然和人為因素造成的。水流沖刷會(huì)導(dǎo)致水閘各組成結(jié)構(gòu)的剝蝕、磨損和毀壞，是里運(yùn)河部分水閘存在翼墻塊石脫落問題的原因。

裂縫破壞可分為溫度裂縫和沉降裂縫[9]。溫度裂縫主要是由于溫降時(shí)混凝土的溫度應(yīng)力過大，是里運(yùn)河部分水閘存在混凝土脹裂問題的主要原因；沉降裂縫是由閘基的不均勻沉降引起的。需要注意的是，裂縫往往會(huì)引起水閘其他形式的破壞，并形成惡性循環(huán)，對(duì)水閘的安全造成嚴(yán)重危害。

2.3 穿堤涵洞失效模式

根據(jù)有關(guān)涵洞破壞的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料和歷史文獻(xiàn)資料，穿堤涵洞的失效模式主要為滲漏破壞，即由于滲漏引起的穿堤涵洞破壞。由于里運(yùn)河?xùn)|堤沿線部分穿堤涵洞長期運(yùn)行，老化和損壞問題嚴(yán)重，且存在多處滲漏點(diǎn)，對(duì)堤防安全造成嚴(yán)重影響。里運(yùn)河?xùn)|堤穿堤涵洞的施工過程中，由于施工條件的限制，穿堤涵洞周圍回填土填筑質(zhì)量差，洞身與堤身的接觸面不密實(shí)，在上、下游水位差的作用下，造成洞身和堤身之間的接觸滲漏[10]。高水位運(yùn)行時(shí)，滲水流經(jīng)堤身進(jìn)入涵洞及其周邊孔隙，在長期滲流的作用下，易在穿堤涵洞周圍形成滲漏通道，不斷沖刷涵洞外壁及其周邊土壤，從而導(dǎo)致洞身局部沉陷，產(chǎn)生錯(cuò)位裂縫，引起洞身滲漏，嚴(yán)重時(shí)將造成堤防滲透破壞。除此之外，里運(yùn)河?xùn)|堤還有多處堤段存在堤基深淤的安全隱患，其中的淤泥屬于軟土，具有含水量大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度和承載力低的特點(diǎn)，在堤身自重和堤頂動(dòng)荷載的作用下，易使堤防產(chǎn)生不均勻沉降變形，洞身擠壓變形，從而導(dǎo)致穿堤涵洞的斷裂漏水。

3 里運(yùn)河堤防工程安全評(píng)價(jià)

圖1 水力比降等值線(單位：m)Fig.1Hydraulic ratio drop contour maps(unit:m)

選取里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段中的清水潭、車邏壩和小蔡潭共3個(gè)典型斷面，運(yùn)用AutoBank軟件對(duì)上述典型斷面進(jìn)行滲流安全和穩(wěn)定安全分析。其中，邊界條件根據(jù)計(jì)算工況確定，計(jì)算參數(shù)根據(jù)里運(yùn)河堤防工程地勘報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果綜合選擇。

3.1 滲流安全分析

求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤線位置，AutoBank采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤線位置和滲流量[11]。經(jīng)過滲流計(jì)算，根據(jù)AutoBank軟件的滲流場(chǎng)后處理分析，可得堤防各典型斷面在設(shè)計(jì)水位8.5 m下的滲流量，再在圖中出逸點(diǎn)處插入等值線，可以得到出逸點(diǎn)的高程和水力比降，里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型斷面滲流計(jì)算成果見圖1。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算得里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段各典型斷面堤身土體的允許水力比降見表2。

表2 里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型斷面滲流計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of seepage flow in typical dangerous sections of Li Canal East Levee

由表2可知，堤防各典型斷面背水側(cè)堤坡的出逸點(diǎn)水力比降均小于允許水力比降，在設(shè)計(jì)水位運(yùn)行條件下，堤防的滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。按照《堤防工程安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》SL/Z 679— 2015，雖然土堤的滲透坡降滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是由于運(yùn)行中存在局部滲流異?，F(xiàn)象，故滲流安全性定為B級(jí)。

3.2 穩(wěn)定安全分析

采用AutoBank軟件的穩(wěn)定計(jì)算并結(jié)合有效應(yīng)力法和畢肖普法求解里運(yùn)河?xùn)|堤的邊坡穩(wěn)定。在t=0處輸入設(shè)計(jì)水位高程8.5 m，在t=24 h處輸入正常水位6.5 m。經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算，可得堤防各典型斷面在不同工況下的最危險(xiǎn)穩(wěn)定滑弧面及其安全系數(shù)，里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型斷面穩(wěn)定計(jì)算成果見圖2。

圖2 各段面最危險(xiǎn)滑弧面(單位：m)Fig.2The most dangerous stable sliding surfaces(unit:m)

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，采用畢肖普法時(shí)，在正常運(yùn)用條件下，土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.50；在非常運(yùn)用條件下，土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.20。里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段各典型斷面邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

由表3可知，清水潭斷面和車邏壩斷面在前3種工況下的安全系數(shù)計(jì)算值均小于邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值，土堤的邊坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，有發(fā)生穩(wěn)定破壞的危險(xiǎn)；小蔡潭斷面在各工況下的安全系數(shù)計(jì)算值均大于邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值，土堤的邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。按照《堤防工程安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》SL/Z 679—2015，由于堤防結(jié)構(gòu)安全性不滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，故結(jié)構(gòu)安全性定為C級(jí)。

表3 里運(yùn)河?xùn)|堤險(xiǎn)工險(xiǎn)段典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of stability in typical dangerous sections of the Li Canal East Levee

3.3 安全綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述堤防滲流和穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果，經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)，里運(yùn)河?xùn)|堤運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程存在安全隱患。按照《堤防工程安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》SL/Z 679—2015，由于堤防滲流安全性定為B級(jí)、結(jié)構(gòu)安全性定為C級(jí)，故里運(yùn)河堤防綜合評(píng)價(jià)為三類。

里運(yùn)河?xùn)|堤目前普遍存在堤防超高不足、堤身單薄、窨潮滲漏、堤后深塘、堤基深淤、護(hù)坡?lián)p壞和沿線建筑物老化嚴(yán)重等安全隱患，并且綜合評(píng)價(jià)為三類堤，應(yīng)盡快提出除險(xiǎn)加固方案建議。

4 結(jié) 語

本文在研究南水北調(diào)東線里運(yùn)河堤防工程現(xiàn)狀隱患的基礎(chǔ)上，分析里運(yùn)河?xùn)|堤典型失效模式，對(duì)里運(yùn)河堤防主要險(xiǎn)工險(xiǎn)段的典型斷面進(jìn)行滲流和穩(wěn)定計(jì)算，并對(duì)典型險(xiǎn)工險(xiǎn)段進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)。經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)，由于堤防滲流安全性定為B級(jí)、結(jié)構(gòu)安全性定為C級(jí)，故里運(yùn)河?xùn)|堤綜合評(píng)價(jià)為三類。