论文部分内容阅读
摘要：西辽河全长403km，流域面积为14.76×104km2。西辽河防洪工程保护着自治区内通辽市全境及周边4个旗县的安全，区内还有引水渠、公路、铁路、输电线、光缆、工矿企业等重要设施，堤防的防洪安全十分重要。西辽河堤防许多坐落在砂土上，汛期堤基砂土渗透变形是主要工程地质问题，本文通过160组砂类土原状样试验成果，对砂类土渗透变形进行了分析，对砂类土临界水力比降和允许水力比降进行了计算，提出了砂类土允许水力比降取值原则。
关键词：砂类土；颗粒分析；物理力学指标；渗透变形
引言：西辽河发源于河北省承德市东北平泉县七老图山脉的光头山（海拔1490m），沿老哈河流向东北，与西拉木伦河汇合后，始称西辽河，西辽河干流全长403km，流域面积为14.76×104km2。西辽河干流由西向东流至白音他拉镇的白音他拉农场纳入右侧支流教来河，汇后继续东流至小瓦房村，经郑家屯汇入左侧支流乌力吉木仁河折向东南于福德店之前纳入东辽河后，始称辽河。
西辽河防洪保护区，是内蒙古自治区东部的经济、文化中心，也是东北环勃海经济带的交通枢纽。京通、通让、大郑、通霍、集通等五条铁路在此交汇，年客运量220万人，货物吞吐量340万吨。占地2km2的通辽铁路编组站是全国7个大型编组站之一。国道111线、303线和304线汇于本市，客运量66.4万人，货运量110万吨。因此西辽河防洪体系进一步完善对自治区经济发展乃致全国经济发展有巨大的作用。
1、西辽河堤防等级
西辽河堤防保护范围存在很大差异，因此，防洪标准和堤防级别各有不同。通辽市城区以上段按50年一遇的防洪标准，堤防级别为2级，堤防高度一般为3～4m；通辽市城区为100年一遇，堤防级别为1级，堤防高度一般为4～5m，通辽市城区以下段20年一遇，堤防等级为4级，堤防高度一般为2～3m。
2、 西辽河水文特征
西辽河从通辽市开鲁县西安村（海流吐）至东、西辽河汇合口，称西辽河干流，西辽河干流全长403km，平均河宽为1000m，比降0.4‰，西辽河郑家屯以上控制流域面积为9.14×104km2，流经内蒙古通辽市的一区四旗（县），分别是科尔沁区（通辽市）、开鲁县（开鲁镇）、奈曼旗（大沁他拉镇）、科尔沁左翼中旗（保康镇）、科尔沁左翼后旗（甘旗卡镇）。
该范围属工作区属温带大陆性季风气候。春季干旱多风；夏季短促温热，降水集中；秋季凉爽；冬季干冷。大部分地区无霜期为90至150天。年降雨量350～450毫米。全年多西风和西北风。封冻期为每年的十一月到翌年5月初，区内标准冻土深度1.60m。
西辽河流域的老哈河与西拉木伦河交汇后称为西辽河，西辽河上游的老哈河呈不对称的扇状水系，在老哈河上游段，河谷狭窄，两岸高山环绕，河床深切于谷底，水流湍急，河网发育，河道比降约1/200，在暴雨多发区大部分支流入汇，河道由丘陵进入西辽河冲积平原，使老哈河称为西辽河主要洪水发源地。
西辽河上游的西拉木伦河呈羽毛状水系，流域內也主要以山区和丘陵为主，在下游段进入西辽河冲积平原，在下游段有台河口水利枢纽向新开河分流，在老哈河与西拉木伦河交汇处的西辽河起始段为历次洪水决口危险段。
1949～2011年，西辽河干流段及西辽河支流水系多次发生洪水，使人民生命财产受到极大的损失。
从2000年以来西辽河干流堤防险情分析，西辽河干流洪水主要产生于上游的老哈河和西拉木伦河，近年来西辽河洪冲积平原地下水位有逐年下降的趋势，且河道多为呈中等透水的砂性土，使两河洪水在汇入西辽河干流以后，洪水有自上而下呈递减的趋势，因此堤防有承受高水位运行时间一般较短的特点。
3、西辽河防洪工程地质概况
3.1 地形地貌
工作区位于大兴安岭的东南麓、松辽沉降平原的西端，属堆积地貌类型，表现为西辽河两侧的河谷冲积平原、风积冲积平原的地貌形态。
3.1.1 河谷冲积平原
主要分布在西辽河两岸，主要由河床及河漫滩组成，在河流长期冲刷、搬运和堆积的过程中，形成一个近东西向延续的，宽阔平坦的河谷平原地形，工作区地面高程在140～290m，西南部地形较高，东北度较低，由西南倾向东北，平均坡降1‰，在河谷平原上部由于河流频繁改道和变迁，多见有断续的干河床及旧河道分布，其边缘地带大部分被砂丘覆盖，在中间地带也有零星砂丘分布。
河漫滩在西辽河两岸广泛分布，发育连续，大部分呈对称分布，高出河床0.5～2.0m，滩面宽阔平坦，具有向河床倾斜的特征，坡角0.5～1°。
3.1.2 风积冲积平原
广泛分布于西辽河两侧大部分区域，多以固定、半固定砂丘和风蚀洼地形态出现。地势西南高，东北低，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：砂丘呈椭圆形分布，一般为北东向、北西向延伸，砂丘高度在5～10m，迎风坡坡角为5～10°，背风坡坡角为10～15°，西辽河下游局部地段砂丘连续分布，形成砂垄或砂梁，其延伸方向大多呈北东向，其上生长的植被有沙地疏林、沙生灌丛、沙蒿等群落砂。
风蚀洼地：大部分分布于各砂丘间的低洼地带，由东向西呈带状分布，具有由外围向中间倾斜的特征，坡角1～2°，在洼地中土层有盐渍化的特征。
3.2 地层岩性
西辽河堤基10m深度范围内地层主要由第四系全新统冲积层（Q4al）、洪冲积层（Q4pal）、冲湖积层（Q4l+al）和风积层（Q4eol）组成。主要岩性为：壤土、砂壤土、粘土、粉砂、细砂、含少量砾细砂，局部堤段岩性为粗砂、砾质中砂等。
3.3水文地质
堤防沿线地下水类型为第四系冲积层孔隙潜水和第四系冲积、湖积层孔隙潜水。含水层主要岩性为第四系全新统、中更新统和上更新统的砂层与细砾及砂砾石层。含水层分布稳定，埋深浅，渗透系数K=2.01×10-4～8.60×10-2cm/s。 主要以接受垂向大气降水补给为主、其次为侧向迳流补给、河流入渗补给和灌溉田间入渗补给。地下水迳流方向大致由西向东，基本与地表水流方向一致，含水层厚且均匀，地下水迳流条件较好。地下水排泄的途径主要是蒸发，其次是人工开采及水平侧向排泄。
4、渗透变形问题解析
4.1 堤基砂类土颗粒组成特点
西辽河全段堤基砂类土主要为细砂，局部为粉砂；上游局部地段堤基砂类土相对较粗，岩性为粗砂、砾质中砂。
本文采用的是西辽河堤基160组砂类土原状试样颗分资料，根据其粒径组成，堤基砂类土可分为粒径分布范围在<0.005～0.25mm的粉砂（5组）、<0.005～0.5mm的粉砂、细砂（41组）、<0.005～2mm的细砂（53组） 、<0.005～5mm的含少量砾细砂（22组）、0.075～0.5mm细砂（43组）、0.075～2mm的细砂（25组）、0.075～5mm含少量砾细砂（24组）、0.075～20mm的含少量砾细砂（8组）的8类试样，其代表性试样颗粒级配曲线见图1、图2。各岩性颗粒组成及不均匀系数Cu值、曲率系数Cc值见表1、表2。
4.2 渗透变形类型判别
在渗流作用下，为判别土体是产生管涌破坏还是流土破坏，国内外各家通过大量试验提出了多种不同的方法。如细粒含量判别法、土体不均匀系数判别法、室内渗透试验法、现场渗透试验法等。其中具有代表性的方法为细粒含量判别法和土体不均匀系数判别方法，细粒含量判别方法适用于对卵石、砾石层的判别而不适合对含砾中砂层、中细砂层的判别，按不均匀系数判别的方法最简便适用【1】，故本次采用不均匀系数Cu判别法【2】：
Cu<10为流土；
10 Cu>20为管涌；
西辽河堤防堤基砂类土不均匀系数为1.038～6.036，依据上述判别方法，渗透变形破坏判别结果为：堤基砂类土渗透变形类型均为流土。
4.3 临界水力比降及允许水力比降确定
西辽河防洪工程堤基砂类土渗透变形类型为流土，采用下列公式计算临界水力比降。
式中 Jcr——土的临界水力比降；
Gs——土粒比重；
n——土的孔隙率（%）；
各岩土临界水力比降、允许水力比降计算成果见表3。
综合上述分析计算结果，西辽河堤防堤基砂类土渗透变形破坏形式为流土。砂类土临界水力比降为0.83～1.12，取安全系数2.0，则西辽河防堤防堤基砂类土的允许比降应为0.42～0.56。
通过160组试验样品分析计算得出的允许水力比降，较《堤防工程地质勘察规程》（SL188-2005）表D.0.4给定的不均匀系数 情况下给定的经驗值大，但与不均匀系数 情况下给定的经验值较为接近。因此，西辽河范围内堤基砂类土允许水力比降建议值为0.42～0.56。
结语
（1）西辽河防洪工程中采取了160组砂类土的原状试样，为本次论文的编制提供了大量的基础数据。
（2）根据西辽河堤防堤基砂类土渗透变形破坏形式判别结果，堤基砂类土的破坏形式主要为流土。
（3）西辽河堤防堤基砂类土临界水力比降为0.83～1.12，允许水力比降值建议取0.42～0.56。
【参考文献】：
[1]习茂绪.渭河中游堤防地基的渗透变形特征及其方法比较[J].勘察科学技术，2001（3）：3-8
[2]郭见扬，谭周地等.中小型水利水电工程地质[M].北京：水利电力出版社，1995.
关键词：砂类土；颗粒分析；物理力学指标；渗透变形
引言：西辽河发源于河北省承德市东北平泉县七老图山脉的光头山（海拔1490m），沿老哈河流向东北，与西拉木伦河汇合后，始称西辽河，西辽河干流全长403km，流域面积为14.76×104km2。西辽河干流由西向东流至白音他拉镇的白音他拉农场纳入右侧支流教来河，汇后继续东流至小瓦房村，经郑家屯汇入左侧支流乌力吉木仁河折向东南于福德店之前纳入东辽河后，始称辽河。
西辽河防洪保护区，是内蒙古自治区东部的经济、文化中心，也是东北环勃海经济带的交通枢纽。京通、通让、大郑、通霍、集通等五条铁路在此交汇，年客运量220万人，货物吞吐量340万吨。占地2km2的通辽铁路编组站是全国7个大型编组站之一。国道111线、303线和304线汇于本市，客运量66.4万人，货运量110万吨。因此西辽河防洪体系进一步完善对自治区经济发展乃致全国经济发展有巨大的作用。
1、西辽河堤防等级
西辽河堤防保护范围存在很大差异，因此，防洪标准和堤防级别各有不同。通辽市城区以上段按50年一遇的防洪标准，堤防级别为2级，堤防高度一般为3～4m；通辽市城区为100年一遇，堤防级别为1级，堤防高度一般为4～5m，通辽市城区以下段20年一遇，堤防等级为4级，堤防高度一般为2～3m。
2、 西辽河水文特征
西辽河从通辽市开鲁县西安村（海流吐）至东、西辽河汇合口，称西辽河干流，西辽河干流全长403km，平均河宽为1000m，比降0.4‰，西辽河郑家屯以上控制流域面积为9.14×104km2，流经内蒙古通辽市的一区四旗（县），分别是科尔沁区（通辽市）、开鲁县（开鲁镇）、奈曼旗（大沁他拉镇）、科尔沁左翼中旗（保康镇）、科尔沁左翼后旗（甘旗卡镇）。
该范围属工作区属温带大陆性季风气候。春季干旱多风；夏季短促温热，降水集中；秋季凉爽；冬季干冷。大部分地区无霜期为90至150天。年降雨量350～450毫米。全年多西风和西北风。封冻期为每年的十一月到翌年5月初，区内标准冻土深度1.60m。
西辽河流域的老哈河与西拉木伦河交汇后称为西辽河，西辽河上游的老哈河呈不对称的扇状水系，在老哈河上游段，河谷狭窄，两岸高山环绕，河床深切于谷底，水流湍急，河网发育，河道比降约1/200，在暴雨多发区大部分支流入汇，河道由丘陵进入西辽河冲积平原，使老哈河称为西辽河主要洪水发源地。
西辽河上游的西拉木伦河呈羽毛状水系，流域內也主要以山区和丘陵为主，在下游段进入西辽河冲积平原，在下游段有台河口水利枢纽向新开河分流，在老哈河与西拉木伦河交汇处的西辽河起始段为历次洪水决口危险段。
1949～2011年，西辽河干流段及西辽河支流水系多次发生洪水，使人民生命财产受到极大的损失。
从2000年以来西辽河干流堤防险情分析，西辽河干流洪水主要产生于上游的老哈河和西拉木伦河，近年来西辽河洪冲积平原地下水位有逐年下降的趋势，且河道多为呈中等透水的砂性土，使两河洪水在汇入西辽河干流以后，洪水有自上而下呈递减的趋势，因此堤防有承受高水位运行时间一般较短的特点。
3、西辽河防洪工程地质概况
3.1 地形地貌
工作区位于大兴安岭的东南麓、松辽沉降平原的西端，属堆积地貌类型，表现为西辽河两侧的河谷冲积平原、风积冲积平原的地貌形态。
3.1.1 河谷冲积平原
主要分布在西辽河两岸，主要由河床及河漫滩组成，在河流长期冲刷、搬运和堆积的过程中，形成一个近东西向延续的，宽阔平坦的河谷平原地形，工作区地面高程在140～290m，西南部地形较高，东北度较低，由西南倾向东北，平均坡降1‰，在河谷平原上部由于河流频繁改道和变迁，多见有断续的干河床及旧河道分布，其边缘地带大部分被砂丘覆盖，在中间地带也有零星砂丘分布。
河漫滩在西辽河两岸广泛分布，发育连续，大部分呈对称分布，高出河床0.5～2.0m，滩面宽阔平坦，具有向河床倾斜的特征，坡角0.5～1°。
3.1.2 风积冲积平原
广泛分布于西辽河两侧大部分区域，多以固定、半固定砂丘和风蚀洼地形态出现。地势西南高，东北低，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：砂丘呈椭圆形分布，一般为北东向、北西向延伸，砂丘高度在5～10m，迎风坡坡角为5～10°，背风坡坡角为10～15°，西辽河下游局部地段砂丘连续分布，形成砂垄或砂梁，其延伸方向大多呈北东向，其上生长的植被有沙地疏林、沙生灌丛、沙蒿等群落砂。
风蚀洼地：大部分分布于各砂丘间的低洼地带，由东向西呈带状分布，具有由外围向中间倾斜的特征，坡角1～2°，在洼地中土层有盐渍化的特征。
3.2 地层岩性
西辽河堤基10m深度范围内地层主要由第四系全新统冲积层（Q4al）、洪冲积层（Q4pal）、冲湖积层（Q4l+al）和风积层（Q4eol）组成。主要岩性为：壤土、砂壤土、粘土、粉砂、细砂、含少量砾细砂，局部堤段岩性为粗砂、砾质中砂等。
3.3水文地质
堤防沿线地下水类型为第四系冲积层孔隙潜水和第四系冲积、湖积层孔隙潜水。含水层主要岩性为第四系全新统、中更新统和上更新统的砂层与细砾及砂砾石层。含水层分布稳定，埋深浅，渗透系数K=2.01×10-4～8.60×10-2cm/s。 主要以接受垂向大气降水补给为主、其次为侧向迳流补给、河流入渗补给和灌溉田间入渗补给。地下水迳流方向大致由西向东，基本与地表水流方向一致，含水层厚且均匀，地下水迳流条件较好。地下水排泄的途径主要是蒸发，其次是人工开采及水平侧向排泄。
4、渗透变形问题解析
4.1 堤基砂类土颗粒组成特点
西辽河全段堤基砂类土主要为细砂，局部为粉砂；上游局部地段堤基砂类土相对较粗，岩性为粗砂、砾质中砂。
本文采用的是西辽河堤基160组砂类土原状试样颗分资料，根据其粒径组成，堤基砂类土可分为粒径分布范围在<0.005～0.25mm的粉砂（5组）、<0.005～0.5mm的粉砂、细砂（41组）、<0.005～2mm的细砂（53组） 、<0.005～5mm的含少量砾细砂（22组）、0.075～0.5mm细砂（43组）、0.075～2mm的细砂（25组）、0.075～5mm含少量砾细砂（24组）、0.075～20mm的含少量砾细砂（8组）的8类试样，其代表性试样颗粒级配曲线见图1、图2。各岩性颗粒组成及不均匀系数Cu值、曲率系数Cc值见表1、表2。
4.2 渗透变形类型判别
在渗流作用下，为判别土体是产生管涌破坏还是流土破坏，国内外各家通过大量试验提出了多种不同的方法。如细粒含量判别法、土体不均匀系数判别法、室内渗透试验法、现场渗透试验法等。其中具有代表性的方法为细粒含量判别法和土体不均匀系数判别方法，细粒含量判别方法适用于对卵石、砾石层的判别而不适合对含砾中砂层、中细砂层的判别，按不均匀系数判别的方法最简便适用【1】，故本次采用不均匀系数Cu判别法【2】：
Cu<10为流土；
10
西辽河堤防堤基砂类土不均匀系数为1.038～6.036，依据上述判别方法，渗透变形破坏判别结果为：堤基砂类土渗透变形类型均为流土。
4.3 临界水力比降及允许水力比降确定
西辽河防洪工程堤基砂类土渗透变形类型为流土，采用下列公式计算临界水力比降。
式中 Jcr——土的临界水力比降；
Gs——土粒比重；
n——土的孔隙率（%）；
各岩土临界水力比降、允许水力比降计算成果见表3。
综合上述分析计算结果，西辽河堤防堤基砂类土渗透变形破坏形式为流土。砂类土临界水力比降为0.83～1.12，取安全系数2.0，则西辽河防堤防堤基砂类土的允许比降应为0.42～0.56。
通过160组试验样品分析计算得出的允许水力比降，较《堤防工程地质勘察规程》（SL188-2005）表D.0.4给定的不均匀系数 情况下给定的经驗值大，但与不均匀系数 情况下给定的经验值较为接近。因此，西辽河范围内堤基砂类土允许水力比降建议值为0.42～0.56。
结语
（1）西辽河防洪工程中采取了160组砂类土的原状试样，为本次论文的编制提供了大量的基础数据。
（2）根据西辽河堤防堤基砂类土渗透变形破坏形式判别结果，堤基砂类土的破坏形式主要为流土。
（3）西辽河堤防堤基砂类土临界水力比降为0.83～1.12，允许水力比降值建议取0.42～0.56。
【参考文献】：
[1]习茂绪.渭河中游堤防地基的渗透变形特征及其方法比较[J].勘察科学技术，2001（3）：3-8
[2]郭见扬，谭周地等.中小型水利水电工程地质[M].北京：水利电力出版社，1995.