湔江堤防水毁原因分析与应对初探

宿波

【摘要】笔者在彭州从事基层水利工作与湔江打交道20年，在感叹湔江难治的同时，也不停思考湔江堤防水毁的原因，努力寻找科学有效治理湔江的好方案，这是本文写作的动机和目标。

【关键词】河道治理；洪水；堤防毁因；对策

【Abstract】I engaged in Pengzhou primary water work dealing with Jianjiang 20 years， lamented Jianjiang intractable， but also kept the damaged embankment Thinking Jianjiang reasons， trying to find a scientific and effective governance Jianjiang good program， which is as of this writing motives and goals.

【Key words】River training；Flood；Dike destroyed due；Countermeasure

1. 引言

（1）湔江是成都市辖县级市彭州市的主要排洪河道，由于其具有洪水陡涨陡落、河道纵坡比降大、推移质量大粒粗、河床变化大等特点，因而洪水的破坏力极大，遭遇洪水常致堤坍岸塌，使之成为成都市的最难治河道。笔者在彭州从事基层水利工作与湔江打交道20年，在感叹湔江难治的同时，也不停思考湔江堤防水毁的原因，努力寻找科学有效治理湔江的好方案，这是本文写作的动机和目标。

（2）囿于作者水平有限，认识和分析必有偏漏之处，恳请专家老师批评指正，从而使湔江治理早日走上正确道路，湔江早成安澜之河。

2. 湔江概况

（1）湔江发源于四川盆地北部龙门山脉的太子城峰（在成都市辖县级市彭州市境内）南麓的红龙池一带，流域面积约2000Km2，河道长约140Km。其源头段称作银厂沟，接纳左岸支流五道河后称沙金河，蜿蜒南行接纳右岸支流白水河后始称湔江，南行至丹景山镇（即关口）流出山区进入平原。湔江山区段河道长约65Km，集雨面积627Km2，河道天然落差约3200m。

（2）在湔江出山口处，建有由全溢流的湔江拦河大坝和冲砂闸、取水闸等水工建筑构成的湔江堰取水枢纽。

（3）历史上湔江进入平原后曾有鸭子河、小石河、马牧河等九条行洪通道，上世纪六十年代完成的湔江堰首改造工程封闭了其余河口，实现了由小石河一条河道排洪，故彭州境内的湔江平原段习惯上称作小石河。小石河在湔江拦河大坝下游500m内完成了一个约45°的左转后向东略偏南流，平原段河道顺直，流出彭州后进行入德阳市境内，最后在广汉市汇入沱江的一级支流石亭江。小石河在彭州境内长22.2Km，天然落差210.6m。

（4）湔江流域以山地与平原两大地貌单元为主，地形较复杂，山地、丘陵、平原俱全。湔江中上游地处鹿头山暴雨中心笼罩区及影响区，山高谷深，坡陡流急，水系发育完善；而湔江下游河段则全部位于成都平原冲积扇，与相邻河流之间无明确的天然分水岭。

（5）湔江流域属四川盆地亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，四季分明。夏季印度洋孟加拉湾以及南海的暧湿气流受副热带高压影响向内地输入，在龙门山脉地形影响下急遽抬升与高空冷气流相遇，形成高强度的区域降水，即四川著名的四大暴雨区之一的鹿头山暴雨区。湔江中上游即处于鹿头山暴雨区的腹心地带，暴雨量级和强度都较大，据《四川省水文手册》，湔江中上游大部地区最大24小时降雨量在300mm以上，年最大24小时雨量的多年均值在130mm以上。年降雨量随海拔递增，流域内白果坪、白水河、关口三站海拔分别为1400m、1050m、760m，实测多年平均降水量分别为1465.6mm、1289.9mm、993.7mm。降水年内分配不均，主要集中在7～9月，约占全年总量的60%。

（6）降水是本流域径流的主要补给源，因而洪水与降水关联度极高，基本集中在7、8、9三個月，洪水量级受中上游山区暴雨量级控制，平原段流域产流比例低，汇流时间长，对湔江洪峰的贡献小。

（7）湔江泥沙尚未经过系统的观测和研究分析，但据湔江关口水文站零星泥沙资料统计，湔江多年平均悬移质输沙模数为1189t/Km2·年，最高为1420 t/Km2·年，属重度侵蚀区。

3. 湔江洪水的特点

3.1从水文角度看，湔江上游山区地处成都平原和青藏高原过渡带的龙门山东部迎风坡，处于四川著名的鹿头山暴雨区腹心地带，降雨充沛，多年平均年降雨量在1000至1400mm左右。

3.2从地质角度看，湔江山区段位于龙门山活动断裂带内，龙门山断裂带的三大断裂中有两大断裂（主中央大断裂和主山前边界大断裂）横穿湔江上游山区，区内地应力高，地质构造较为破碎，尤其是2008年“5·12”汶川特大地震后，流域内的山体表面崩塌破碎严重，大量的松散砂土堆积在湔江及其支流河道两侧的山体甚至直接堆积在河床上。

3.3从地形角度看，湔江山区段的纵坡比降大，从河源至湔江拦河大坝的落差达3201m，纵坡比降接近50‰，其中尤以龙门山场镇以上段的比降为大，约为75‰。平原段比降较小，从湔江拦河大坝消力池后的海漫（顶高程730.8m）到人民渠下穿涵洞（顶高程612.8m）河道天然落差为118m，河段长12. Km，比降约为10‰；从涵洞下游河床（河床高程约601.5m）到彭州出口断面（河床高程约538.5m）河道天然落差63m，河段长10.3Km，比降约为6‰。

3.4由于湔江具有以上特殊的水文、地质、地形条件，因而湔江洪水具有如下特点。

3.4.1河道流量变化大。

由于湔江流域上游山区山势陡峻，山高谷深，水系为复合羽状，汇流时间短促，造成湔江洪水具有峰高量大的特点。根据1960～2012年洪水资料系列分析，湔江最大洪峰流量都发生在6～9月，尤以7、8两月最为集中，其频次达69.8%，洪水过程一般历时1～2天，洪峰峰型尖瘦，多为单峰和双峰，双峰的主峰一般靠后。据实测资料统计，洪水流量大于2000m3/s的有11次，最大洪峰流量达4490m3/s（1978年）；而年最小洪峰流量仅有128 m3/s（1986年），最大洪峰流量是最小洪峰流量的35倍，洪峰的年际变化较大，而洪枯比（最大流量与最小流量之比）更是高达2000以上。

3.4.2河道山区段洪水流速高、挟沙能力强、推（悬）移质粒粗量大。

（1）如前所述，由于湔江上游位于青藏高原向成都平原的过渡带，地形变化剧烈，河道比降大，因而水流速度高，湔江虽无实测流速资料，但据有关单位所作水力计算，洪水流速可由曼宁公式

（2）水流搬运物体的重量与流速的6次方成正比，由于湔江流速大，可见湔江的挟沙能力之强。加之流域内地质结构破碎，泥砂补给丰富，大量松散砂石在高速水流的作用下迅速启动，最终形成推（悬）移质含量高、速度高的水流，对堤防的破坏力十分巨大。其推移质不仅数量大，而且最大粒径大，在湔江山区段河道中常见粒径超过1m的卵石，粒径3m左右的漂石也不罕见。

3.4.3平原段河道落淤严重，折冲水流多发且夹角大，局部冲刷深度大。

落淤严重导致局部冲刷加剧乍听起来相互矛盾，但实际情况的确如此：湔江洪水携带的大量泥沙进入平原段后，由于流速沿程逐渐变缓，洪水携带的大量泥沙也逐渐停淤，由于泥沙落淤具有随机性和不均匀性，因而导致河床剧烈随机变化，造成了河道岔壕发育，流量分布极不均匀，主流偏离河道走向左右摇摆，形成大角度冲击两岸堤防的折冲水流。笔者见过的最大折冲水流与堤防的夹角约为70°，这在顺直的河道中实属罕见。大角度折冲水流导致的最直接后果就是在岸坡处产生大的局部冲刷深度。

4. 湔江堤防损毁原因分析及对策

4.1湔江现有堤型概况。

湔江现有防洪工程分为斜坡式浆砌卵石面板堤、斜坡式混凝土面板堤和衡重式混凝土堤三种。数量最多（接近90%）的为斜坡式浆砌卵石面板砂砾石堤，其迎水面的面板坡比m=1～1.6，在上世纪八十年代以前主要采用石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆砌卵石，垂直厚度为60～120cm，由于施工时全部采用人工开挖，挖深受到限制，堤防的基础埋深一般不足4m，往往小于冲刷深度，通常会在堤防的河床高程附近加筑一道5～10m宽的水平防护体，靠河一侧加齿墙（俗称平抱脚），在弥补堤防在竖直方向上抗冲刷能力的不足；在上世纪八十年代以后主要采用水泥砂浆或细石混凝土砌卵石，垂直厚度为40～80cm，堤防的基础埋深一般在4m左右，仍需采用平抱脚加强防冲能力；从本世纪初开始基本采用机械开挖，挖深逐渐能满足抗冲刷要求，近几年开始探索采用现浇混凝土作为面板抵抗洪水冲刷，其基础埋深一般在4～7m，也有个别堤防的基础埋深达到了9m，面板坡比m=1.5，垂直厚度30～60cm；也有个别重要堤段采用了钢筋混凝土面板堤和衡重式钢筋混凝土堤型。

4.2现有堤型特点分析。

（1）斜坡式浆砌卵石面板堤的优点是就地取材，最大限度利用了当地材料，胶凝材料用量较少；以石抗石，堤防抵抗推（悬）移质撞击与磨蚀的能力强；适应性强，各种线型均易完成且线型美观。浆砌卵石由于其工作面狭窄且不断移动，难以使用机具辅助施工，从而形成了其砌筑工序只能由手工完成的特点。对机械的依赖程度低，这在生产力水平较低时是优点，但随着生产力水平的不断提高就逐渐变成变成了缺点：因手工操作其实体质量的均匀性和稳定性较差，施工质量控制较难是其最大缺点；另外手工操作导致的工人劳动强度大从而导致其成本高也是其显著缺点。

（2）斜坡式混凝土面板堤相对浆砌面板的最大缺点是混凝土抵抗推（悬）移质撞击与磨蚀的能力比浆砌堤露头的卵石低，特别是河床附近的面板表面受撞击磨蚀破坏较为严重；优点是施工工艺通用性强且较为简单，对工人的技术要求不高；可采用机械的方式入仓、振捣和成型，工人劳动强度较小；通常采用插入式和表面式相结合的机械振捣方式施工，其质量的均匀性和稳定性有保证。随着新的混凝土工艺的不断涌现和使用，该堤型的不足逐漸被弥补，是今后应当重点推广和发展的方向。

（3）衡重混凝土堤和斜坡式钢筋混凝土面板堤成本高，不能大范围使用，故讨论从略。

4.3湔江堤防水毁的主要形式和原因。

4.3.1面板破坏。

（1）常见破坏形式，多发于湔江山区段。其表现为脆性圬工材料构成的堤防面板在高速水流和高速水流挟带的推（悬）移质反复撞击下发生裂缝、孔洞后，堤身填筑材料被水流冲刷带走，导致面板失稳出现更大面积破坏和更多的堤身填筑材料被水流冲刷，最终导致堤防坍塌甚至决堤的破坏形式。

（2）面板破坏产生的外因是湔江推移质粒粗量大这一客观存在，内因是圬工面板材料的累积损伤、疲劳破坏或自身缺陷。自身缺陷包括设计和施工两方面原因造成的产品缺陷：设计方面，由于现行堤防工程设计规范中对砌体和混凝土面板厚度的计算方法只考虑了抗风浪稳定和自身稳定方面的因素，并未考虑推移质撞击因素，因而设计出的堤防面板厚度有可能不足以抗御大粒径推移质的持续撞击；施工方面，面板施工的不均匀性有可能导致局部存在薄弱部位如果碰巧处在河床附近，则可能在大粒径推移质的持续撞击产生局部破坏，在洪水和推移质的持续作用下，破坏范围会不断扩大。

4.3.2基础破坏，多发于湔江平原段。

（1）其表现形式为松散的堤防地基在大角度折冲水流的作用下发生接触冲刷被搬离，导致脆性材料构成的堤防圬工结构被架空后在自身重力和紊流扰动作用下破裂破坏，最终导致堤防坍塌甚至决堤的破坏形式。

（2）基础破坏的主要成因有两方面，一是河段因推（悬）移质停淤改变河床，产生大角度的折冲水流对堤防处的局部河床造成强烈的掏刷下蚀产生的局部基础埋深减小甚至为零，二是彭州“5·12”地震灾后重建等工程需要的大量砂石骨料主要从湔江河道中获取，这也在一定程度上导致了湔江平原段河道河床全线下切，从而加剧了湔江堤防的基础埋深不足现象。

4.3.3渗透变形破坏。

（1）在湔江这种砂质河床和堤身为砂卵石填筑的条件下，渗透变形破坏表现形式主要为面板受到由内而外垂直作用于面板内表面的水压力作用失稳变形，导致破坏。

（2）其主要产生原因一是背坡有水流渗入堤身后产生作用在面板内表面、方向向外的水压力，或因堤防面板密封性差导致洪水渗入堤身，在河水位迅速消落时入渗水外泄产生作用在面板内表面、方向向外的水压力过大，导致面板向河道内变形，最终破坏的现象。

4.3.4磨蚀破坏，是指堤防的圬工结构在高速水流和高速水流挟带的推（悬）移质反复摩擦下发生的表面磨蚀现象，多发于河床附近的混凝土面板上。根据观测，其单场洪水的磨蚀深度最大可达2cm左右，最小可以为0，短期内不会对堤防造成致命性破坏。

4.4应对办法。

（1）针对面板破坏，鉴于面板破坏的外因是由其上游山区的地质结构等因素决定的，人力无法改变，只能从内因上想办法来应对：一是尺寸方面考虑，设计单位在进行面板厚度设计时不能自缚手脚，要博取众家之长，参考相近领域的类似设计规范，在充分考虑推移质撞击因素进行面板厚度设计；二是从改进材料性能方面考虑，采用添加纤维的方式来增强混凝土的韧性。纤维混凝土主要有四种：钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土和合成纤维混凝土。前三种属于高弹模纤维混凝土，纤维能显著提高混凝土的韧性、强度及抗疲劳性能以，显著改善混凝土的脆性，但价格较高。合成纤维（SNFRC）一般是低弹模纤维，在混凝土中应用最广泛的是聚丙烯纤维，它对混凝土能起到阻裂增韧、抗磨抗渗的作用，由于价格低廉，每立方米混凝土单价仅增加数十元，远低于钢筋混凝土的价格，且施工方便，因此在各种素混凝土面板工程中应用日益广泛，应该在堤防面板中积极推广使用。

（2）针对基础破坏，可从三个方面来应对：一是坚持“疏堵结合”的河道综合治理方针，在加强堤防建设完善封闭防洪圈的同时，要坚持河床整理，对心滩进行行当开挖，并用开挖所得砂石对坡脚低洼带进行回填加固，尽最大可能消除折冲水流以减小堤防所受的掏刷，减小堤防工程的防洪压力；二是坚决制止以采砂为目的的河道疏浚，并加大打击盗采砂石违法行为的力度，尽量减少对河道的人为不利影响；三是对水毁堤防进行修复设计时要以河段折冲水流与堤防的最大夹角来计算冲刷深度，并以河道深泓点作为基础埋深的河床起算点，以保证堤防在垂直方向上有足够的防冲刷能力，同时还可适当采取增设格宾防冲垫等措施来应对发生超过设计冲刷深度的洪水组合时给堤防安全造成的威胁。

（3）针对渗透变形破坏可采取的措施：一是加强施工质量，增强面板的密封效果，防止过多水量渗入堤身；二是重视设置带反滤体的排水孔，使之既能及时有效排除渗水减小压力，又不带出堤身填料；三是要与堤防同步建设堤背排水设施，尽量避免堤后积水渗入堤身。

（4）针对磨蚀破坏可采取的措施：除了采用前面提到的纤维混凝土外，还可在拌合混凝土时掺入微硅粉，以增加混凝土的密实度和强度，提高其耐磨和抗腐蚀能力。

（5）除对湔江堤防损毁采取有针对性的措施之外，在湔江上游建设控制性水库也对减轻湔江防洪压力，实现管理洪水和利用洪水资源很有作用，前几年彭州市提出了在湔江上游山区筹建东林寺水库（中型水库），已进入了工程可行性研究阶段，因“5·12”地震后库区和上游泥石频发而暂缓推进，随着山区松散泥石堆积物逐渐稳定，植被逐渐恢复，应該积极谋划，争取使工程早日上马。