地下径流对小流域土石坝径流环境的影响及防洪要素分析

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：论述了引水渠及泄洪渠的坝体地下径流对小流域土石坝径流环境的影响及其防洪要素。通过研究鲁南某泄洪灌溉渠土石坝个案的AHP，结合部分量化分析发现，堤坝地下径流对堤坝坝体的损伤、动植物环境、附近人类环境、公共安全事件中对坝体和河床的破坏、堤坝日常运行中水蚀和冲刷对堤坝的损伤等都会影响坝体地下径流环境。通过优化堤坝巡检修复工作，控制间接影响堤坝安全的因素，保证堤坝防洪的安全性。
　　关键词：地下径流;土石坝;防洪要素
　　文章编号：1004-7026（2020）06-0092-02         中国图书分类号：TV121         文献标志码：A
　　1  地下径流与地表径流的关系
　　 采用无心墙设计的土石坝结构，在条件较好的前提下，可以认定为均质坝体结构。此时其运行环境可以分为两个状态，即地表径流水位高于浅层地下水顶板水位的状态和地表径流水位低于浅层地下水顶板水位的状态。前者地表径流通过地下径流补给浅层地下水，后者淺层地下水通过地下径流补给地表径流，如图1。
　　 渗透压（Ph）公式如下。
　　 Ph=∫pw（Hr-Hg） （1）
　　 式中，Pw为流域水体比重，Hr为地表径流实时水位，Hg为浅层地下水顶板实时水位。
　　 从公式（1）及图1可以看出，当地表径流流域水位与浅层地下水顶板水位差距较小时，渗透压较小，因为渗透阻尼基本保持不变，此时地下径流流量较小，动压较小。反之，渗透压较大，地下径流流量较大，动压较大。水位差较大时，坝体承受的安全压力较大，反之，坝体承受的安全压力较小。日常工作中，人们重视汛期地表径流流域水位较高时的坝体安全保障工作，忽视了枯水期地表径流流域水位较低时的坝体安全保障工作，导致坝体在枯水期的低部渗流破坏得不到有效控制，加大了坝体风险[1]。
　　2  坝体防洪要素个案分析
　　 以某泄洪灌溉渠为例，该渠位于鲁南低山丘陵地区，从水渠两侧各延伸2 500 m为勘探区，区域海拔313～752 m，水渠长度32 km，经过临沂市及泰安市部分地区，汇入沂河。水渠流域面积212 km2，近20年年均降水量168～242 mm，平均年降水量223 mm。水渠为梯形断面，顶宽45 m、底宽35 m、深5.5 m，坝体底宽165 m、顶宽35 m、高6 m，为无心墙土石坝结构。流域洪水来源主要为汇聚雨水，近20年最大24 h的降水量为55 mm，流域内的理论总洪水量为1 160万m3，平均泄洪压力为36万m3/km，洪峰理论水位小于2.2 m。通过分析可知，防洪要素有以下几点。
　　 （1）防止植物根茎及鼠蚁破坏。因为堤坝表面采用植草方式保护，草坡中的杂草有扎根较深的草种，导致堤坝深部结构发生损伤，可能增加局部地下径流，导致堤坝内部水蚀现象加剧，可能对堤坝造成局部破坏，在洪峰期形成管涌。
　　 （2）防止地下径流破坏。堤坝没有发生局部破坏时，受地下径流冲刷的影响，土石坝内部结构被水蚀，在浅层地下水顶板水位线附近形成水蚀层。表现为土层沙化、腐殖质及黏土流失等。局部不稳定的地下径流可能对堤坝造成局部破坏，在洪峰期形成管涌[2]。
　　 （3）防止人为破坏。案例中宽度为10 m的坝顶道路为双向4车道，车道限高5.5 m，可通过轻型载重汽车及农用车辆。车辆对堤坝的冲击压力可能影响地下不稳定径流的通道，加重破坏。
　　 （4）防止边坡冲刷损伤。案例的堤坝河道侧采用草坡式水线上护坡模式，水线下采用护坡石护坡，但在洪峰期可能出现大流量地表径流冲刷堤坝内侧坝坡。一方面增加地下径流，另一方面造成坝体土石流失，给堤坝带来双重不良影响。
　　3  基于地下径流控制的土石坝防洪保护对策
　　 个案中土石坝损伤的直接原因是地下径流，但间接原因较为复杂。为了控制土石坝的地下径流环境，阻断可能对堤坝造成损伤的不可控地下径流，应该对一系列可预见的间接原因进行有效控制，对策如下。
　　 （1）加强堤坝自然环境管理。根系较深的植物和打洞的动物会破坏堤坝，应该密切观察草坡中的杂草分布情况，识别根系较深的杂草并连根去除，及时查找鼠穴、蚁穴，采用诱捕、灌药等方式杀灭并注浆。日常的堤坝自然环境管理中容易出现两个问题，一是有害动植物的杀灭不彻底，即日常巡检工作中不能发现全部的有害动植物;二是巡检人员没有完全了解动植物特征，发现问题时不能作出有效判断，洪峰来临时因为漏检而发生小规模堤坝事故[3]。
　　 （2）加强堤坝公共安全管理。与公安机构合作，加强堤坝的公共安全管理，严查在堤坝坝体非法取土和在河道非法采砂等行为，且在发生相关公共安全事件后，及时对受损的堤坝及河道进行处理。单纯补充堤坝损失土体难以确保堤坝的稳定性，必须进行深孔注浆、土钉及锚索加固，保证新夯实堤坝坝体与原有坝体的融合性。损坏的水渠河床在洪峰来临时容易扰动地表径流，形成漩涡、回流等局部地表径流，减弱水渠的泄洪功能，加大局部水流对坝体的冲击。
　　 （3）加强堤坝巡检修复工作。除自然环境及公共安全事件对堤坝造成的损伤外，堤坝实际运行过程中也可能出现其他损伤，例如日常水蚀冲刷对堤坝的损伤及车辆振动和附近施工对堤坝的损伤。在日常巡检工作中，要及时发现损伤且在汛期之前及时修复损伤，这是堤坝巡检修复工作的核心任务。
　　4  结束语
　　 影响堤坝安全的直接风险来自堤坝地下径流对堤坝坝体的损伤，动植物环境、附近人类环境、公共安全事件中对坝体和河床的破坏、堤坝日常运行中水蚀和冲刷对堤坝的损伤等都可能对坝体地下径流环境造成影响。通过优化堤坝巡检修复工作，可以实现对堤坝防洪安全的有效控制。
　　参考文献：
　　[1]宋庆平.高压喷射灌浆在土石坝防渗加固中的应用[J].河南水利与南水北调，2019，48（12）：48-49.
　　[2]陈东乾，张长飞.洪水位下土石坝渗流特性及稳定性分析[J].工程技术研究，2019，4（22）：14-16.
　　[3]魏文强，胡继刚，贺彪.小型土石坝防渗加固前后渗流及稳定分析[J].珠江水运，2019（17）：80-81.
　　作者简介：杨  涛（1993—），男，工程师，研究方向：水文、水资源。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15188787.htm