北部引嫩渠道侵蚀及其治理措施
摘要：根据二十多年来北部引嫩渠道的演变情况，分析了渠道侵蚀破坏的原因，进而提出综合整治措施。
关键词：渠道 侵蚀 整治
1 前言
黑龙江省北部引嫩工程位于黑龙江省西部，是以满足大庆石油和化工生产及生活用水为主，同时解决沿途农业用水的综合性大型无坝引程。自1976年建成通水以来，已累计引水100多亿立米，取得了巨大的，社会和生态环境效益，成为黑龙江省西部关系到国计民生的重点工程。
北部引嫩工程地处嫩江中游左岸松嫩平原腹地，地理位置在东经124°～126°，北纬46°～48°之间，整个工程由渠首工程、渠道工程、三处大型交叉枢纽及两座年调节水库组成。总干渠全长203km，分干渠长40km。总干渠在乌裕尔河交叉处分为乌南和乌北两个部分，设计年引水量4.65亿立米，引水期为每年4月下旬至10月下旬。北引渠道地处高纬度地区，结冻期长达180天，引水运用20多年来，渠道冻融侵蚀强烈，部分渠段渠底宽已由原设计17m，侵蚀扩宽至50～60m，边壁剥蚀下来的泥沙经渠内水流搬运沿程发生淤积，最大淤厚1.2m。渠道严重的冲淤变形，已影响到渠道的安全运用，迫切需要对引嫩渠道进行综合治理。
2 渠道破坏的成因分析
2.1 地质岩性
北部引嫩工程位于松嫩冲积平原的中部，大地构造单元属松辽凹陷第四纪下沉区，构成区内广布堆积地貌；二级阶地、一级阶地、闭流洼地和河漫滩地。表层大部分为黄土状粘土和黄土状亚粘土，具有湿陷性和崩介性，部分盐碱地段土质具有分散性，亲水性，易膨胀性和风干性。此类土壤失水后干、硬、脆，遇水后滑、软、塑。渠坡在水位变化区范围内由于水上边坡与水下边坡处于两种状态，下部处于饱水状态，水的软化作用及水流的冲刷作用呈立陡状，坡度可达90°，并逐渐剥蚀，剥落。 |
|
实验结果表明，当土颗粒在0.05～0.005mm时，冻胀最强烈，亚粘土刚好在此范围。由于主要冻胀活动是在最接近0℃等温线相当的冻结面进行，而且冻胀位移和冻胀压力的方向与热流方向平行，亚粘土的最强冻胀温度是-5°～7℃。因此，充足的水分补给、适宜的土颗粒及冻结时间导致北引渠道工程的冻融破坏极为普遍。
2.2 气候因素
北引渠道地处高纬度地区，冬季最低气温常在零下30～40度，渠道冻融破坏严重。破坏形态主要是经过一个冬季，在春季通水时，在渠坡顶部顺渠道方向产生裂隙，裂隙深度可深达渠底，裂隙距坝肩约0.8～1.2m(见图1)，渠道通水后沿此裂隙蹋滑。
影响土体冻胀的因素有水、土、温、压。土的冻结是土中存在的孔隙水的冻结，随着温度的下降，孔隙水由液相变为固相，开始生成冰核，冰核不断吸收外界水分，并逐渐扩展，形成冰相，使［水—土］体系达到热平衡状态，土中水逐渐集中起来，在有外界水分补给的情况下，冰相非常迅速地形成较厚的冰层。冰相会引起土外表的体积膨胀，土颗粒排列变化，土壤团粒破坏等，造成冻融土的强度下降。冻结土在融解也不能恢复到原来的状态，作为整体仍保持膨胀松软的状态进入了下一个冻结——融解的过程，使土的强度累积降低。冻胀使坡体中出现软弱带，并导致松弛胀裂，此软弱带即是冰层的位置。此外，近年来由于嫩江春季枯水，后期引水时间延长，每年的引水时间都延长到十月末，而此时的最低气温在-5℃以下，沿线渗漏水未及回渗，渠道坡面已经冻结，使得裂隙现象频繁发生，有的裂缝延续几十公里，除个别填方渠段外，其余渠段均发生了不同程度的冻融破坏。
2.3 渗透水流作用
北部引嫩渠道乌南40～91km左侧大部分地区广布着大片湿地(当地称双阳河滩地积水和明青坡地积水)，地表长年积水，渠外地下水位高而向渠内渗透，由于渗透水流作用导致渠坡破坏主要表现为淤泥质软土边坡的塑性流动，其主要原因是坡体过饱和，抗剪强度降低，在渗透水作用下，渠坡整体滑动。
2.4 坡面来水作用
北引渠道大部分流经坡地，坡水量较大，乌北渠段坡水面积2129km2，乌南渠段坡水面积6140km2，坡面水沙对渠道造成影响。突出表现在乌北28～64km，67～75km左侧，这两段位于嫩江滩地前缘，微地形变化较大，部分渠段为大挖方，加之植被较差，每遇较大强度降雨，即可导致坡面蹋滑。
2.5 边坡形态
北引渠道建成于1976年，乌南段渠道边坡系数在建设时期采用一般粘壤土的容许值1∶1.5，但由于北部引嫩工程地处高寒区，且部分渠坡土质具有崩介性，分散性，实践证明渠道边坡较陡，造成边坡的稳定状况较差。从乌南段的渠道整体情况看，水位变化区范围内渠坡立陡，尤其是乌南15～30km，54～78km之间，变化最明显，重要原因是坡角的选择不合理。与该段具有相同条件的中部引嫩干渠亦是土坡，边坡系数采用1∶3，经过几年的运行，渠坡状况良好。
2.6 弯道冲刷
北引渠道乌北面经过嫩江和乌裕尔河阶地边缘，弯道较多，在弯道环流的作用下，弯道凹岸侵蚀较为严重。
3 整治措施
整治病害边坡，控制失稳边坡是遏制北引渠道冲淤变形的治本之策。由于病害边坡的作用因素复杂，输水渠道边坡要同时满足抗冻，抗渗，抗滑，抗裂，抗冲刷，抗风化的要求。因此必须采取综合性防治措施。
3.1 措施
由于北引渠坡冻融破坏及水的软化作用破坏较为普遍，采用措施，对渠坡护砌应是主要措施。目前北引渠道的护坡形式主要有：块石护坡，(即削完坡后，先铺10cm的碎石垫层，块石厚25cm)主要用于弯道处；碎石护坡(即削完坡后，上碎石垫层25cm，碎石粒径3～7cm)主要用于顺直渠段；砼预制板护坡(削完坡后，先铺无纺布反滤层，再铺预制板，板尺寸50×50×10cm)。花砌(块石与砼预制板混合砌)。但砼预制板护砌，块石护砌及花砌造价较高，而且砼板护砌容易破坏，即臌胀裂缝，隆起架空，滑蹋及整体上抬等。这主要是由于不均匀冻胀及河床水补给造成的。 |
|
近年来通过摸索，表明碎石护坡具有造价低，简单，维修方便等特点，且碎石层呈柔性，适应冻胀变形。只*.咂禄河*1∶2.5即可，而且可以采用轻型护脚(图2)。碎石表层糙率较大，水中悬移质使表层碎石日久挂淤，这同时又能满足反滤要求。
1997年笔者在乌北22km处利用当地材料搞了一段粗砾石护坡，砾石最大粒径6cm，层厚20cm，坡比1∶3，采用厚10cm，高50cm的砼板轻型护脚，目前看效果良好。
3.2 防渗措施
对于乌南43～50km左侧穿越双阳河滩地渠段，宜在外侧设置隔水带，隔水带可先开挖至渠底高程处，内下防渗膜，之后回填，此法，在渠坡内进行碎石护坡(见图3)。因最深处约2.5m，此方法较经济。
|
|
图3 防渗措施 | 图4 排水措施 |
Impervious barrier | Drainage measure |
3.3 排水措施
对于乌北28～64km，67～75km左侧要结合土地划界确定开挖截流沟(见图4)，雨后形成的坡水经截流沟截流由坡水入渠工程处顺畅进入渠道或在交叉涵处穿越渠道。
3.4 生物措施
在现存的马道上，乌南段可栽植耐盐碱的沙棘，乌北栽植穴柳。对填方段渠堤可采用植生带草皮护坡。
3.5 调度措施
江道整治工程结束后，枯水期引流量加大，可考虑畅流期乌北渠道最大输水量不超过42m3/s，乌南不超过30m3/s，并在每年的10月15日前关闸停水，在封冻前排空渠道。
3.6 对渠坡破坏的原因深入研究，引进新技术
要进行渠道工程的原型观测，边坡变形，边坡水文地质观测，边坡整治效果观测，要积极探讨植生带草皮护坡，固化剂护坡，膜袋护坡等新技术，在实验的基础上确定最优的工程护坡方案。