溃口合龙条件下洞庭湖团洲垸抽排对堤防安全的影响

doi:10.11988/ckyyb.20240851

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (12): 196-201.DOI: 10.11988/ckyyb.20240851

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溃口合龙条件下洞庭湖团洲垸抽排对堤防安全的影响

李少龙(), 范越, 周欣华, 王金龙, 肖利, 王艳丽, 崔皓东()

长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010

收稿日期:2024-08-12 修回日期:2024-09-16 出版日期:2024-12-01 发布日期:2024-12-01
通信作者:
崔皓东(1976-),男,河南项城人,正高级工程师,博士,主要从事防洪减灾、水工渗流及地下水方面的研究工作。E-mail:Seep3d@qq.com
作者简介:
李少龙(1979-),男,湖北嘉鱼人,高级工程师,博士,主要从事渗流控制及数值模拟研究工作。E-mail:lishaol@mail.crsri,cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2023YFC3209504); 中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2024346/YT)

Influence of Pumping Drainage during Breach Closure on Embankment Safety in Tuanzhou Township of Dongting Lake

LI Shao-long(), FAN Yue, ZHOU Xin-hua, WANG Jin-long, XIAO Li, WANG Yan-li, CUI Hao-dong()

Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received:2024-08-12 Revised:2024-09-16 Published:2024-12-01 Online:2024-12-01

摘要/Abstract

摘要：

全球气候变化背景下越来越频繁的极端水文事件严重威胁堤坝防洪安全,2016年、2020年长江流域均发生大洪水并伴有堤防溃决;2024年7月5日湖南洞庭湖团洲垸堤发生溃决,给人民生命财产安全带来极大威胁。为人民群众早日返回家园并防止次生灾害,溃堤发生后通常会尽早抢险封堵合龙。此时圩垸堤内外水位相平,溃口合龙条件下圩垸内应急快速抽排,水位骤降对主堤及二道防线堤防安全的影响备受关注,甚至制约应急抢险。为分析洞庭湖团洲垸应急抽排对堤防安全的影响,并为应急抢险方案制定提供支撑,以洞庭湖水位维持不变为背景,结合地质和设计资料,构建团洲垸临溃口主堤和钱团隔堤非稳定渗流和稳定分析模型,在团洲垸溃口合龙条件下,重点分析应急抽排过程中垸堤内水位极端骤降速率0.3、0.6 m/d工况下,堤防渗透稳定和边坡安全。分析结果表明,各工况下堤防最大渗透坡降和边坡稳定均满足3级堤防规范要求。综合考虑诸多影响因素,提出了相关降速的建议,为应急抢险和二道防线守护等提供了技术支撑;也可为水位骤降条件下堤坝边坡安全分析提供参考。

关键词: 抽排水, 堤防溃口合龙, 非稳定渗流, 稳定分析, 堤防安全, 洞庭湖, 团洲垸

Abstract:

Under the background of global climate change, extreme hydrological events with increasing frequency pose severe threat to dam safety. Large floods in the Yangtze River Basin, accompanied by levee breaches, occurred in 2016 and 2020. On July 5, 2024, the embankment of Tuanzhou township in Dongting Lake area, Hunan Province, collapsed, endangering the safety of people’s lives and property. To expedite the return of residents to their homes and prevent secondary disasters, early emergency closure measures are typically implemented post-breach. At this stage, with equalized water levels inside and outside the polder, rapid emergency drainage is conducted under breach closure conditions. The impact of sudden water level drops on the safety of the main embankment and the secondary embankment has attracted significant attention, even constraining emergency rescue operations. To assess the effects of emergency drainage on embankment safety in the Tuanzhou polder of Dongting Lake area and aid in the formulation of emergency response plans, we constructed non-steady seepage and stability analysis model for the main embankment and the Qianlianghu-Tuanzhou interval embankment near the breach with Dongting Lake water level remaining unchanged. The analysis focuses on the seepage stability and slope safety of the embankment under extreme sudden water level drop rates of 0.3 m/d and 0.6 m/d during emergency drainage during breach closure. The results indicate that the maximum seepage gradient and slope stability of the embankment meet the standards for third-level embankment safety under various conditions. Additionally, we propose rapid drainage measures in comprehensive consideration of multiple factors to provide technical support for emergency rescue and shed new insights for safety analysis under similar conditions.

Key words: pumping and drainage, embankment breach closure, non-steady seepage, stability analysis, embankment safety, Dongting Lake, Tuanzhou township

中图分类号:

TV223.4水工建筑物的渗流和防渗

李少龙, 范越, 周欣华, 王金龙, 肖利, 王艳丽, 崔皓东. 溃口合龙条件下洞庭湖团洲垸抽排对堤防安全的影响[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(12): 196-201.

LI Shao-long, FAN Yue, ZHOU Xin-hua, WANG Jin-long, XIAO Li, WANG Yan-li, CUI Hao-dong. Influence of Pumping Drainage during Breach Closure on Embankment Safety in Tuanzhou Township of Dongting Lake[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(12): 196-201.

图/表 11

图1 洞庭湖团洲垸溃口位置示意图

Fig.1 Location of breach in Tuanzhou township of Dongting Lake

图2 典型横断面

Fig.2 Typical cross section of the embankment

图3 模型网格示意图

Fig.3 Two-dimensional meshes

表1 典型堤段各分区渗透系数

Table 1 Permeability coefficients of typical levees

分区	渗透系数/(cm·s^-1)	允许渗透坡降	备注
人工填土	5.00×10^-5		—
压浸平台	1.00×10^-3		团洲垸主堤
$Q 4 a l + l$ 粉质壤土	2.75×10^-4	0.40	团洲垸主堤
$Q 4 a l + l$ 粉细砂	2.84×10^-3	0.20	团洲垸主堤
$Q 2 l$ 粉质黏土	3.09×10^-5	0.45	团洲垸主堤
壤土	5.00×10^-5	0.40	钱团隔堤
砂壤土	5.00×10^-4	0.22	钱团隔堤
粉细砂	2.84×10^-3	0.20	钱团隔堤
粉质黏土	3.09×10^-5	0.45	钱团隔堤
粉质壤土	2.75×10^-4	0.40	钱团隔堤

表1 典型堤段各分区渗透系数

Table 1 Permeability coefficients of typical levees

分区	渗透系数/(cm·s^-1)	允许渗透坡降	备注
人工填土	5.00×10^-5		—
压浸平台	1.00×10^-3		团洲垸主堤
$Q 4 a l + l$ 粉质壤土	2.75×10^-4	0.40	团洲垸主堤
$Q 4 a l + l$ 粉细砂	2.84×10^-3	0.20	团洲垸主堤
$Q 2 l$ 粉质黏土	3.09×10^-5	0.45	团洲垸主堤
壤土	5.00×10^-5	0.40	钱团隔堤
砂壤土	5.00×10^-4	0.22	钱团隔堤
粉细砂	2.84×10^-3	0.20	钱团隔堤
粉质黏土	3.09×10^-5	0.45	钱团隔堤
粉质壤土	2.75×10^-4	0.40	钱团隔堤

表2 非饱和渗流参数

Table 2 Unsaturated seepage parameters

分区	进气值参数α/ mm^-1	形状参数 n	饱和含水量θ_s	残余含水量θ_r
人工填土	0.003	1.23	0.38	0.10
压浸平台	0.013	2.40	0.35	0.05

表3 堤防物理力学参数

Table 3 Physical and mechanical parameters of embankment

分区	重度γ/(kN·m^-3)		固结快剪
分区	天然	饱和	黏聚力C/kPa	内摩擦角Φ/(°)
堤身填土	18.8	19.1	13	12
壤土	18.9	19.3	12	15
粉质壤土	19	19.5	16	15
砂壤土	19	19.6	15.2	18.5
粉质黏土	19	19.2	17	15.0
粉细砂	19.5	20.0	0	25.0

表4 模拟方案

Table 4 Simulation schemes

方案	计算条件及参数	方案说明
F1-1	团洲垸应急抽水降速0.3 m/d	主堤渗流
F2-1	团洲垸应急抽水降速0.3 m/d	隔堤渗流
F1-2	团洲垸应急抽水降速0.6 m/d	主堤渗流
F2-2	团洲垸应急抽水降速0.6 m/d	隔堤渗流
F3-1	团洲垸应急抽水降速0.6 m/d, 堤顶车载20 kPa	主堤稳定
F4-1	团洲垸应急抽水降速0.6 m/d, 堤顶车载20 kPa	隔堤稳定

图4 渗流场水头等值线水头单位:m

Fig.4 Head contours of seepage field

图5 方案F1-2团洲垸主堤脚水平出逸坡降变化过程

Fig.5 Process of horizontal hydraulic gradient in simulation program F1-2

表5 抗滑稳定模拟结果

Table 5 Anti-sliding safety factors in different cases

方案	抗滑安全系数		稳定标准
方案	降速0.6 m/d	稳态	稳定标准
F3-1	1.487	1.602	1.3
F4-1	1.438	1.489	1.3

图6 边坡典型滑弧位置示意注:F为安全系数。

Fig.6 Position of typical slide arc

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溃口合龙条件下洞庭湖团洲垸抽排对堤防安全的影响

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