采砂对富春江应沙嘴岸滩稳定及堤塘的影响分析

赵渭军,黄水龙,侯石华,王文杰

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江钱塘江水利建筑工程公司,浙江 杭州 310020)

富春江应沙嘴位于东洲岛的洲尾。为了保障富春江河段的防洪,确保河势稳定和应沙嘴至长岭头河段堤塘安全,尤其是应沙嘴围堤及岸滩稳定,需要了解应沙嘴周边水域采砂对该河段河势和岸滩稳定性及堤塘的影响。对禁采区域有否发生采砂行为、采砂对应沙嘴围堤及前沿边滩安全造成多大影响进行专题技术分析,为管理部门提供决策依据。

1 河道概况

1.1 河道基本情况

钱塘江上游兰江与新安江在梅城汇合后,下行至浦阳江口东江嘴的河段称为富春江。应沙嘴至长岭头河段为富春江富阳水域中的1段,位于富阳鹳山以下。由于鹳山断面缩窄后又急剧放宽,以及闻家堰急弯卡口的顶托作用,流域带来的粗颗粒泥沙沉积形成系列沙洲,逐渐发育成多级分汊河道。20世纪60年代以前沙洲下移并岸,如民主沙并入东洲,长安沙不断扩大且与小沙洲合并,使得江道支汊减少,水流归槽。上段被新沙和东洲2个江心洲分为3汊,中汊一直为主汊;下段江心有长安沙和小沙,70年代以来南汊逐渐发育成为主汊。1960年以后,由于新安江水库和富春江水库的兴建,流域粗砂被拦截,分汊河势渐趋稳定。河段平面位置见图1。

图1 富春江应沙嘴河段位置图

1.2 堤防概况

1998年,根据《富春江电站至闸口段标准江堤规划》要求,杭州西湖区南北大塘、富阳市江北片城镇和皇天畈段为II级堤防工程,防洪标准为50 a一遇;富阳境内其他干流堤防为IV、V级堤防工程,采用20,10 a一遇的防洪标准。应沙嘴位于钱塘江五桥上游富春江东洲岛的东端,与闻家堰水文站相距约9 km。应沙嘴围堤均为土堤,拟定的防洪标准为10～20 a一遇。

2 富阳至闻家堰河段河势分析

2.1 河段冲淤变化

20世纪50年代以来,富阳鹳山至三江口段4 m高程以下各年洪汛后6—7月份4 m以下的河床容积变化如图2。由图可见,50年代该河段河床容积较大,达1.25亿m3。60年代之后,由于岸滩和沙洲的陆续围垦和堵汊,到1971年河床容积减小到1.1亿m3以下。1971年至1976年,河床容积基本未变,冲淤达到基本平衡。80年代拆除堵坝后,河床容积迅速增大,到1989年达到1.28亿m3,90年代以后仍有所增大,到1997年达到1.34亿m3。自 1976年至1999年的24 a中,4 m以下容积变幅达20%[1]。

除堵、拆坝原因外,1954年至1976年,由于新安江建库后下泄径流量减少,河道处于淤积状态,容积减小。自70年代末开始,对河床容积影响较大的人类活动主要有采砂活动。开始用畚箕、竹竿等工具进行少量人工采砂,至80年代中期,随着建筑用砂的急剧增加,开始出现小型吸砂船,黄砂开采量增加较多;进入90年代,黄砂需求量大增,出现了中型的链斗式采砂船和大型的真空泵吸砂船,使采砂量猛增[2]。同时,由于上游建库拦截了大量流域来沙,下泄沙量大为减少。在2000年前,采砂量较大,如1999年,年采砂强度约2.10m,而年平均处自然冲刷强度约0.30m,采砂量和冲刷量远大于回淤量。因此,80年代以来富阳河段造成容积迅速增大的主要原因是河道大范围的采砂等人为因素,自然冲刷是次要的。

图2 鹳山至三江口段4 m以下河床容积变化图

2.2 深泓线变化

江道深泓线是水流动力轴线运行的轨迹,也是反映槽、滩冲淤变化的主要指标。

在上游兴建大型水库以后,洪峰流量得到调节,径流的年际年内变幅进一步减小,大冲大淤的现象不再发生,即使出现连续枯水年,深泓线也不会贴近南岸。因此今后深泓线的变化将会趋于稳定,走中的几率显著增大。另一方面,自大规模采砂以来,应沙嘴以上段主槽线南移走中,应沙嘴至长安沙嘴段,主槽线有所北移,平均约50 m,自长安沙嘴以下,主槽走中偏南。显然,近几年采砂没有对河势造成明显不利的影响,山、潮水顶冲点没有发生显著变化,总之,从河势来看,应沙嘴至长岭头河段没有出现危及堤防与边滩稳定及安全的不利情况[3]。

3 应沙嘴滩地变化调查分析

应沙嘴围堤前沿滩地,历史上没有大比例的地形测量资料可供对比论证,本文分析是根据本次底质钻探资料和测量的围堤断面资料从与相邻断面岸滩对比、临界岸坡的稳定性方面进行初步稳定性分析,富春江应沙嘴地理位置见图1。

3.1 堤前滩地变化分析

应沙嘴地貌单元属近代河相淤积,滩地高程较平整,高程在5.4～5.6 m左右,现有土堤高程为8.9～9.4 m。在土堤与主槽之间,土堤外侧有2级显著的平台和2个陡坡相连接,堤脚处的一级平台为平坦且宽度为30～100m不等的保护滩地,高程为5～6 m;二级平台为平坦且宽度为90～165 m不等的河漫滩,高程为-2.5～-4.0 m,两平台之间为一连接的陡坡,陡坡坡度在1∶5.2～1∶12。二级台地与主槽相连接的陡坡坡度为1∶1.9～1∶3.2,外坡陡于内坡。

表1为应沙嘴围堤前沿120m内岸坡变化分析资料,其中P1～P4断面为围堤上游侧相邻段的围堤断面,P5～P8断面为重点分析段围堤断面,P9断面为区域分界线的断面,所选围堤典型断面剖面形态见图4。由表1可见,分析段的所选围堤断面岸坡无论是一级平台边坡还是二级平台边坡其坡度均小于临界稳定坡度,处于较稳定的状态;与相邻段的围堤断面比较,分析段的围堤代表断面堤脚平台宽度均大于相邻段的滩面宽度,除P6断面以外,平台下部边滩坡度稍小于相邻段断面的坡度。由此可见,分析段没有发生不利于围堤或堤脚稳定的变化,也没有发现因河槽采砂而出现岸滩危险的情况。

图3 富春江应沙嘴边滩地形测量范围及断面位置图

表1 应沙嘴边滩岸坡变化分析表

图4a 应沙嘴P1围堤断面图

图4b 应沙嘴P6围堤断面图

3.2 勘探资料调查

据调访当地居民所知,采砂船只对江心洲南侧的富春江区域进行过采砂作业,而北侧的江道未进行过采砂作业,通过对南侧ZK04钻孔、ZK06钻孔及北侧的ZK01钻孔地层情况对比分析,南北侧土堤下部地层分布较稳定均匀,可知采砂未对当前的土堤造成影响。若采砂船在江中采砂造成周围的粉土、粉砂层向采砂船附近的区域集积,会形成采砂漏斗,将造成砂层上部的地层发生下沉,粉土、粉砂层厚度变小,而本次勘察未发现上述情况。总之,调查未发现围堤前沿滩地有近岸采砂行为[4]。

从以上2方面分析来看,现有土堤外围有53～69 m不等的保护滩地,采砂区与土堤也有相当的安全距离,从目前堤下部土层的稳定分布情况来看,应沙嘴所选围堤段没有出现主槽逼岸、淘空和切割堤脚的现象,从而使堤身失稳,导致堤身下沉、开裂、塌方、滑坡等险情发生。

富春江采砂作业区域的主要砂层富集在第④层部分,主要以粉土夹砂层为主,厚度及层位变化较大,砂粒含量不高。

4 应沙嘴围堤稳定性验算

应沙嘴所属西湖区袁浦镇新浦沿村和富阳市紫铜村,境内有农田、鱼塘100多公顷,因长期受钱塘江潮水的冲刷及采砂船只近距离作业,导致堤身受到一定影响。从堤防安全角度考虑,选择几个典型断面,利用瑞典圆弧滑动法,分别按照设计工况、最不利工况验算采砂区域堤塘岸坡的稳定性。

4.1 圆弧滑动稳定计算

堤防设计工况:外坡正常运用情况下,外江由平均高潮位降至平均低潮位,内水位取正常水位7.13 m。

外坡非常运用情况下,外江由10 a一遇高潮位降至平均低潮位,内水位取20%洪水位8.0 m。

表2 各土层物理力学指标参数表

参照《堤防工程设计规范》,堤防整体稳定计算采用瑞典圆弧法,其计算公式为:

式中:K为安全系数;ci、φi分别为土体粘聚力和摩擦角;bi为土条宽度(m);αi为土条滑动面中点切线与水平线夹角(度);Wai、Wsi分别为产生抗滑力矩和滑动力矩的计算土条重量(kN·m/m3)。

计算采用各土层的参数值见表2。

计算断面选取3个典型断面(P7、P8、P9)进行分析计算,各个断面位置见平面布置图3。

4.2 计算结果分析

经计算,各典型断面堤身整体抗滑稳定安全系数见表3。

表3表明,应沙嘴前沿P7、P8、P9三个典型断面其整体稳定安全系数远大于规范要求的系数,说明应沙嘴围堤及边滩所选位置没有出现不稳定的情况。

表3 整体稳定计算结果表

5 结 语

(1)在上游建库以后,洪峰流量得到调节,今后深泓线的变化将会趋于稳定,走中的几率显著增大。分析河段主支汊20多年来较稳定,平面变化幅度较小,洲滩的平面摆动不大。

(2)20世纪80年代以来富阳河段造成容积迅速增大的主要原因是大范围采砂等人类活动因素,自然冲刷是次要的。据近几年测量的水下地形图来看,采砂对河势造成的不利影响不太明显,应沙嘴至长岭头河段没有出现危及堤防与边滩稳定及安全的不利情况。

(3)稳定计算分析表明,应沙嘴前沿3典型断面其整体稳定安全系数均大于规范要求,即所选代表断面没有发生不利于围堤或堤脚稳定的变化,也没有发现因河槽采砂而发生岸滩失稳破坏的险情。

[1]赵渭军,史英标,王文杰.杭州市抗咸二期工程取水口位置选择 [R].杭州:浙江省水利水电河口海岸研究设计院,2001.

[2]江海洋,吴志龙,卢祥兴,等.富春江富阳河段黄砂开采控制规划 [R].杭州:浙江省河口海岸研究所,2000.

[3]赵渭军,鲁海燕,程杭平.杭州市抗咸二期工程长安沙嘴取水口岸滩稳定性分析[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

[4]陈志芳,祝湛毅.富春江应沙嘴长岭头采砂论证分析地质调查岩土工程勘察报告 [R].杭州:.浙江省钱塘江管理局勘测设计院,2007.