1、淤背区打井对黄河堤防安全的影响【摘要】随着黄河下游标准化堤防工程建设的完成，黄河工程的抗洪强度提高的同时，也形成了上万亩的淤背区土地，为黄河人提供了得天独后的土地资源优势，为黄河人发挥聪明才智及施展才能的提供了更广阔的天地。本文主要以抽水试验验证和分析淤背区打井对堤防工程安全的影响。 【关键词】淤背区打井，黄河堤防，安全 中图分类号： TV871 文献标识码： A 一.前言 黄河於背区是黄河流域经济发展的重要资源之一，如何做好淤背区打井对堤防工程安全的影响是有着十分重要的意义，同时也是使於背区成为黄河经济发展的重要支柱，是摆在人们面前的重要课题。黄河流域是一个特定的空间范围，自然、文化、社会因
2、素构成了黄河於背区经济区域，保持其经济稳定发展与增长，已经成为广大黄河职工乃至全社会黄河事业发展的人们关注的热点。针对淤背区打井对堤防工程安全的影响进行深入的研究和探讨。 二.黄河於背区的概念和山东黄河淤背区基本情况 1.黄河於背区的概念 黄河於背区是指将含沙量大的黄河水引到黄河堤防工程的背河侧，沉沙落淤所形成的区域。它是黄河防洪工程的重要组成部分，又是黄河人的一项丰富的土地资源。 2.山东黄河淤背区基本情况 山东黄河自 70 年代初机淤固堤以来,已淤筑土方 3.2 亿 m3,加固堤防460km,对提高堤防抗洪能力起了重要作用,同时也淤出了大量的可供开发利用的土地。截至 1996 年底已淤至设
3、计高度的淤背区面积达 2600hm2,尚未淤至标准的面积为 867 hm2。 淤背区土质为细砂、粉细砂,只有位于淤区尾部的属轻质沙壤土。平均物理力学指标:无凝聚力,天然孔隙比为 0.844,相对密度为 57.6%,不均匀系数为 2.3,中数粒径为 0.081mm,密度为 2.67kg/m3,渗透系数为 8. 4x10-4cm/s,12m 内的含水量仅为 5%10%,保水性极差。对堤防工程安全有很大的影响。 三.先来说说黄河堤防安全存在的主要问题 黄河堤防安危，关系到国民经济的发展和人民财产的安全，至关重要。目前的黄河堤防主要特点是： 1.黄河堤防大多是在历代民埝的基础上多次加修而成的，在早期加
4、高培厚堤防时，为争取获得更多的耕地，多是顺河傍水而筑。堤线多是靠近河岸，对堤基没有选择的余地，不象水库大坝那样，经过勘探，了解地址情况，多方案选择。并且堤防绝大多数没有做地基处理。 2.干堤堤防修筑历史悠久，大部分黄河堤防都是由小堤建成干堤，成为现在的堤防。 3.堤防修筑，开始多有农民自发围垦，逐渐加高培厚而成。由于受当时技术、设备和社会环境等条件限制，筑堤质量不一，也不象修筑水库土坝那样，有精密的设计，严格的控制施工质量。堤身裂缝多、土质不良，填筑不实。堤防填土混杂，修筑质量差，堤身内存在白蚁、鼠、獾等洞穴以及坟墓、坑道等多种隐患。 4.堤防受河势水流影响，冲淤变化，有些河段临近堤脚，取土筑
5、堤、抢险堵口或决口冲刷，不禁破坏了地面的覆盖层，形成很多的坑塘、洼地，还有一些过去堵口的柳席、柴草等杂物。 5.堤身多为沙质土(属沙壤土、粉细沙)，渗透系数大，洪水期易发生渗水、流土；局部用黏土修筑的堤防，易干缩裂缝，形成过水通道，威胁堤防安全。堤基复杂，多种堤基并存，上部或成层为相对不透水层，下部或成层为透水层。当汛期高水位时，堤身必然出现散浸或漏水，堤基将产生较高的承压水头，一旦超过堤后的表土层的抵抗能力，就会被顶穿，下部细沙颗粒被承压水流带出，形成翻砂鼓水、泡泉或管涌等险情。 三.再以抽水试验验证淤背区打井对黄河堤防安全的影响 1.试验成果整理 本次抽水试验所选机井都在上部潜水层范围内，
6、机井底部都有淤积，透水花管置于底部，长度一般在 10m 左右，未贯穿整个含水层，因此属于无压含水层非完整井。含水层渗透系数的计算方法很多，主要有稳定流和非稳定流计算两种。本次试验数据的计算分别采用稳定流的扎马林一佛希海默公式和非稳定流的恢复试验法两种方法计算，以相互印证、补充和参考。 式中：k 为渗透系数，ms；Q 为抽水流量，m3s；日。为抽水时有效含水层深度，m；h 为抽水稳定时井中水深，m；l 为花管长度，m；R为引用补给半径，m；r0 为抽水井半径，m。淤背区机井抽水引用补给半径 R 可参照黄河滩区的引用补给半径确定为 300m。计算时先确定有效含水层深度，其值为 式中：s。为抽水稳定
7、时的井水位降落深度，m。抽水稳定时；当计算的比实际含水层厚度日大时，取 He=H。 根据菏泽断面的抽水试验资料，按上式计算出各断面的地层综合渗透系数，计算结果见表 1。 断面 抽水井半径 引用补给半径 花管长度 抽水有效深度 抽水稳定水深 抽水流量/(m3/s) 渗透系水/(m/s) 抽水历时/min 测压管水位降落深度 菏泽 0.15 300 10.5 32.25 33.15 0.0091 3.2x10-4 325 -0.0250.432 2.现场抽水试验结论 本次抽水试验主要模拟淤背区机井实际灌溉运行状况，抽水历时短，出水流量满足灌溉要求。对抽水试验结果进行初步分析，可得到以下几点认识：
8、（一）用 4 英寸(10cm)泵抽水 27 小时，黄河堤身测压管水位变化为一 00150590m，由此可以说明单井小规模的抽水对黄河大堤浸润线的影响较小。 （二）机井抽水过程中，出水流量较为稳定，水质清纯，不含杂物和泥沙，说明机井的成井质量较好；机井(距大河较近)经 2 小时抽水后，出水仍有异臭味，在抽水过程中，测压管水位仍有上升的趋势，说明该机井受大河水位影响明显。 3.试验结果分析 根据本次现场抽水试验的结果及室内试验结果，同时考虑抽水试验断面的水位及抽水流量的观测结果，经过数次计算，直到计算结果与试验结果基本一致，最终确定计算断面各土层的渗透系数。相应的计算结果与试验结果比较见表 2。
9、（一）从表 2 看出，有限元计算结果与实测结果整体上是基本一致的。其中测压管实测值普遍高于计算值，这是由于观测孔的实测值是在抽水试验过程中即时观测所得，其观测值不是真正的稳定浸润线，而计算所得浸润线则是在完全稳定的情况下所得，亦即是抽水井长期运行的结果。堤身浸润线的变化滞后于井水位的变化，浸润线的高低不但与临河水位的高低有关，而且与洪水历时和地层结构分布也有很大关系。从计算结果可以看出，其计算所取的参数和边界条件基本上能够反映抽水井运行时的工作状态。 （二）从计算的平面等势线分布情况可以看出：在井的附近，等水位线呈封闭状，在上游面等水位线表现相对较为密集，表明黄河是机井运行过程中水源的主要补给
10、者。 （三）计算表明，在机井周围等势线较集中，表明此处人井水流变化急剧，而在离抽水井较远处分布则较为均匀，水流较为平稳。同时，在介质分界面处，等势线发生转折，反映了水头损失率(水力坡降)在该处是有突变的。这点与抽水试验过程中，井附近的观测孔水位变化幅度较大的反映基本一致。 四.影响淤背区打井对堤防工程安全的因素 1.目前淤背区安全管理还没有出台行之有效的管理制度，大多是区（县）局根据实际情况，临时制订一些承包管理措施。主要承租对象为职工个人及周边当地村民，承租对象的局限性制约淤背区经济开发利用，未能完全做好对堤防工程安全措施，造成淤背区打井的危险性系数大大增加。 2.经营项目单一，技术水平低，
11、科技含量低。从历城淤背区安全数据看出，影响淤背区安全的主要原因有各种树木的种植，树木的种植可以大大的提升淤背区打井安全。而且树木的种植的品种极为单一情况下，安全的改善就不会那么明显，一般树木的种植结构主要以杨树、梧桐为主。种植技术水平较低，造成传统的“大路”产品多，高附加值、高效益、受消费者青睐的产品少，对淤背区的安全影响很大。 3.膨润土及防渗对黄河堤防安全影响 沙土由于其颗粒较粗,空隙较大,水肥在重力作用下渗透流失。普通壤土粘土受矿物组成成分、晶体结构制约,土粒为块状、粒状、针状或其他不规则形状,即使最佳土粒级配、压实度再好仍有渗漏通道,如壤土渗透系数为 6x10-6,属于中等透水层;普通
12、粘土渗透系数小于 6 火 10-6Cm/S,属于相对不透水层。而膨润土是一种化学粘土矿,山东省潍坊等地储量丰富,已大量开采,广泛用于化工、石油开采等领域。主要矿物成分为蒙脱石,分子式为。mHZo,杂质为长石、石英、云母等。土体结构如图 1 所示,粘粒含量大于 70%,且呈片状结构,紧密、空隙小,是一种优质的天然防止水渗漏材料,其渗透系数小于 1x10-9cm/s,而且可与其他土混合形成防渗层。这样就会对黄河堤防安全产生很大的影响。 五.改善淤背区打井对堤防工程安全的影响的对策 1.制定科学合理的淤背区安全规划 淤背区安全规划包含多项内容，必须以发挥区位优势为先导，种植以发展高效林木为主，因地制
13、宜，合理确定高效林木种类、比例。坚持种养结合，以种促养，以养促种，逐渐形成良性循环。坚持“效益决定开发，市场调节结构”的原则，以提高经济效益为中心，统一规划，科学种植。 2.建立相应的安全管理体制 一是加快人才培养，以人为本，培养自己的安全管理人才。二是建立安全机构，内设相应职能部门，负责淤背区安全规划、实施、信息收集传递。三是引进外部资金，通过闲置庭院租赁等多种途径引进外资，加快淤背区安全管理的步伐。 3.合理利用树木林来降低淤背区打井对堤防工程安全的影响 (1) 黄河生态堤防植物配置原则 沿黄生态防护建设是自然景观线和生态防护线建设的重要内容, 针对淤背区打井对堤防工程安全影响,在植物的选
14、择上,应根据不同地段植物所发挥的功能特点,坚持生态价值与美学观赏价值兼顾的原则以及安全防御原则。 （一）营造简约健康的生态园林带,遵循整体环境开发与环境保护协调发展的原则,整合空间融合多种功能为有机整体,将黄河堤防景观设计成具有地方特色的生态功能带。 （二）采用植物或植物与土木工程相结合的方式,减轻水流、风浪、雨水等各类侵蚀的程度,提高坡面及坡脚的稳定性,实现河岸生态群落向顶级群落的演变。 （三）植物的配置应以乡土植物为主,极力回避外来物种,合理布局,以保证高的异质性。植被中土著种越多,生态岸堤看上去就越接近天然状态,并且它的生态功能也就越强。 （四）适地适树。沿黄地段土壤类型差别较大,从潮土
15、到盐渍土,即使同一地段,由于断面上的差别,土肥条件差别也很大,在植物栽植过程中,应充分考虑立地环境条件。 不同的植被类型对生态黄河岸堤功能有不同的影响，包括稳固河床、抵御洪水;改善水生生物和牧场动物栖息地;提供景观视觉效果;保护地下水和饮用水的供给;过滤沉淀物和营养物质等。 （2）通过增加农业基础设施的投入，调整生产结构，促进农业整体素质和经济效益的提高。 （3）推广应用现代农业科学技术，提高职工科学文化素质。首先，调动现有科技人员面向淤背区安全管理，主动为绿色产业提供智力支持和科技服务的积极性。其次，采取请进来、派出去和短期培训班的形式，培训安全管理的骨干人才。 4.修订完善淤区工程安全管理
16、办法，进一步规范淤区工程安全管理，根据上级对淤区工程安全管理的新要求，在进一步完善原有淤区工程安全管理办法的基础上，制定淤区工程运行观测和维修养护安全管理办法，进一步规范淤区工程的安全管理。 5.如何降低膨润土及防渗对黄河堤防安全影响 为减少膨润土用量,降低造价,山东省化工研究院又研制了以纯碱和其他含有钠离子的无机盐的复合物为主的分散剂,在膨润土中加少量的分散剂一是可拆散或削弱膨润土颗粒之间相互粘结的网络结构,提高分散程度;二是使离子发生交换,分散剂中的钠离子置换膨润土中的钙离子,促进膨润土分散,还可沉除钙离子使钙质土变成水化作用强的钠质土(如图 1所示),形成具有足够量的片状结构微粒,可与一
17、般土料相结合,利用膨润土土粒细小、片状来充填一般土中颗粒空隙,形成理想的高效防渗材料。将这种材料与沙土混合铺设在淤背区耕作层以下,即可减少盖顶土厚,建成具有良好防止水肥渗漏流失的农田,如图 2。 土壤中的水分为吸着水和自由水,吸着水不能被植物吸收利用,自由水可被植物吸收利用。自由水包括毛细管上升水、毛细管悬着水和重力水。沙土空隙大,能容纳大量的毛细水和重力水,但因渗漏速度快,不能长时间保留。这样就会降低对黄河堤防安全的影响。 六.结束语 黄河堤防工程是防洪工程体系的重要组成部分，在其运行中，受多种因素影响，出现不同程度的病害。对于堤防道路病害，应从设计、材料、施工、养护、管理等方面采取相应措施
18、预防病害的出现，使堤防道路工程发挥应有效益，保证防洪安全。本文通过对影响淤背区打井对堤防工程安全的因素及其对策进行分析，来阐述了怎么样降低淤背区打井对黄河堤防安全的影响。所以对淤背区打井对黄河堤防安全的影响进行研究是有着十分重要的意义。 参考文献： 1杨祖雷，曹锐.浅谈水利工程的经济效益J.科技致富向导，2011（26）. 2李晓玲,高慧民,杨世华;黄河大堤堤基砂性土渗透变形特性研究J;人民黄河;2011 年 07 期 3杜玉海;黄河淤背固堤生产中存在的问题及解决途径J;人民黄河;2012 年 07 期 4王修果,田学立,仲兰英;黄河下游淤背区开发存在的问题及对策J;中国水利;2012 年 04 期 5沈建红，黄河下游淤背区开发前期工作存在问题及改进措施J;人民黄河;2010 年 11 期. 作者简介： 杨军（1970-） ，男，山东鄄城人，本科，从事黄河水利工程维修养护工作。
