地质构造控制论的实例——防御长江洪水泛滥的地质基础
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发布时间：2022-04-30 04:03
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时间：2023-10-11 03:39
洪水泛滥成灾是自然灾害中的一项重大灾害。1998年10月18日北京青年报报道：据民政部公布1998年灾情截至10月12日全国共有3.8亿人（次）受到各类灾害影响，因灾死亡4610人，造成直接经济损失3072亿元。特别是入汛以后，长江出现了继1954年的一次全流域性的洪水，嫩江、松花江流域出现超历史记录的特大洪水，许多省区重复受灾，造成严重损失。据民政部统计，受水灾影响，全国29个省（市）2.3亿人（次）不同程度受到灾害影响，因灾死亡3656人，紧急转移安置2044万人；倒塌房屋733万间，损坏房屋1379万间；农作物受灾2544万公顷，成灾1599万公顷，绝收614万公顷；水灾造成经济损失2642亿元。1998年水灾造成的经济损失占自然灾害造成的损失的80%以上。
洪灾过后，各界都在反思，经过论证得出结论：“我们别无选择，必须一方面立即停止上游乱砍滥伐，另一方面刻不容缓地加紧中下游清淤、整治河道。从这个角度来说，防洪治洪比抗洪更为重要”。北京青年报1998年10月18日以“中科院百名专家呼吁全流域重建长江生态环境”为题，报道了专家们为长江勾画了“上蓄、中防、下排”的防洪远景：“即首先将大量雨水留存于有绿色水库之称的森林中，并在上游筑坝控制流量，然后在中游采取加固堤坝、平垸行洪等综合措施防御洪水，再在下游地区宽留滞洪区和行洪道以利排泄”。这些意见无疑都是正确的，但并不全面。水是天上降下来的，汇集成洪水是植被破坏造成的，江水中泥沙含量高是植被大量破坏的结果，这是形成洪水和河道淤积的重要原因，但是形成地上悬河和洪水泛滥成灾并不都是这些原因，著者认为与洪泛区的地质条件密切有关，防洪大堤设计不仅要根据水文资料，而且必须充分考虑地质资料。
1.大江大河洪水泛滥特点
洪水是大气降水到地面汇集成的水流，水流大者称为洪水。洪水不一定都成灾。成灾者系洪水漫出河道，淹没耕田、村庄和城镇，造成经济损失的自然现象。一般河道洪水泛滥也可以淹没河道两岸耕地，甚至较小的村庄，淹没造成的经济损失一般不大，被淹没地区在地貌上常划分为漫滩（低漫滩和高漫滩），这是正常的现象。大江大河产生的洪水泛滥，造成大灾的主要是防洪大堤决口引起的。河道两岸大堤越高，大堤决口引起的洪水泛滥造成的灾害越大，这种现象主要产生于大江大河存在有地上悬河的情况下，长江黄河发生的洪水泛滥就是由此产生的。地上悬河是产生洪水泛滥的主要隐患。
地上悬河是指大堤围限的河道水位高于堤外地面，即河水位高于地面的现象。长江、黄河的中下游都存在地上悬河。在洪水期间由于洪水漫堤、大堤塌方、产生管涌诱发的溃堤都可以引起大堤决口，1998年长江洪水期间引起洪水泛滥的最大威胁是管涌和洪水漫堤。产生管涌的主要原因是受地上悬河高度和大堤下的土质控制的，产生洪水漫堤的原因是大堤高度不够，这是制定防洪方案和工程设计必须考虑的。
2.地上悬河成因
长江黄河中下游都存在地上悬河。1998年长江荆江河段长江大堤一般高出地面10余m，也就是说地上悬河一般高于地面十余米；黄河由于多次泛滥对地面产生淤积，地上悬河较低，但是开封市建设中开挖发现开封古城埋于地下达8m，如果从开封古地面算起，黄河地上悬河高出地面高度远远高于长江地上悬河高出地面的高度，其原因在于黄河形成地上悬河地段的开封盆地地壳沉降速度大于长江形成地上悬河地段的江汉盆地地壳沉降速度。
1998年长江洪水流量并不大于1954年，但洪水水位高于1954年，为了防御1998洪水泛滥，在大堤上加高筑有子堤，子堤有的高达2～3m（这里可能有地面下沉造成的原因），也就是说长江地上悬河高于地面12～13m。
地上悬河是怎么形成的?水利学观点认为是淤积形成的，也就是说因为长江、黄河河水中泥沙含量大，在中下游沉积，淤高河床形成地上悬河。这种观点是不完全符合实际的。黄河在历史上河水中的泥沙含量一直很高，这是事实。可是长江就不是这样，长江大堤在晋朝时就开始修建，而长江水一直都是清的，新中国成立后由于上游植被破坏，河水泥沙含量才增多，而且愈来愈多。由此可见，说是泥沙淤积形成地上悬河是与实际不符的。著者认为：地上悬河的成因主要在于地质构造因素，对长江是，对黄河也是。长江存在地上悬河的洪泛区在地质上位于江汉盆地，或者称为江汉近代沉降带；黄河存在地上悬河的洪泛区在地质上位于开封凹陷盆地内，也就是华北平原沉积盆地里的近代沉降最显著的开封盆地内。由于地壳下沉，江、河水泛滥，为了防止江、河水泛滥，则筑堤束水，随着地面不断下沉，大堤不断增高；由于大堤增高，水深加大，由此导致流速减缓，引起泥沙淤积；由此可见，不是泥沙淤积形成地上悬河；而是地面下沉，筑堤束水形成地上悬河。由此可见，单纯一味追求加高大堤并非是防御洪水泛滥的良策，在一定地质条件下，不适当地加高大堤还会对防御洪水泛滥起到相反的作用。所以在加高大堤时，还应考虑地面不断下沉这一地质因素对策。
3.防御长江洪水泛滥的地质对策
前面谈到过，洪水泛滥的主要方式有：①洪水漫堤；②溃堤。溃堤产生方式是大堤塌方和管涌。
洪水漫堤主要是由于大堤高度不够引起的，解决的办法是加高大堤。大堤塌方可以通过控制筑堤质量解决，管涌则不能采用这种办法解决。管涌则必须通过降低产生管涌的条件来控制。管涌能否产生，主要决定于堤脚下土质成分和渗透水形成的渗透压力或称为动水压力，动水压力大小控制于渗透水出逸坡降。土质是客观存在的，渗透水动水压力或出逸坡降是与修筑大堤有关，大堤加高了，形成渗透的水位增高或者说加大了出逸坡降I，增大了动水压力。动水压力PV为
地质工程学原理
上式表明，具有重度ρ的流动的地下水的动水压力与渗透系数和水力坡降（出逸坡降）的二次方成正比。渗透系数（K）和水力坡降（I）愈大时，渗透压力愈大，愈易引起管涌。
长江黄河存在地上悬河的地段，在地质上属于冲洪积土质，由粉细砂和粉质粘土组成，比较容易产生管涌。但是它存在一个产生管涌的临界条件，即临界出逸坡降或允许出逸坡降I0。这个指标不仅决定于土质，而且决定于土体结构，应该综合分析给出。
综上所述，解决长江洪水泛滥问题技术方案，除了已提出的禁止乱砍滥伐，封山育林，进行水土保持，筑坝拦水外，还应从地质角度作两方面考虑：
（1）治本措施——放淤：因为形成洪水泛滥的地上悬河是筑堤束水，*地壳下沉造成地面沉降接受淤积，致使大堤与地面高差不断加大，隐患愈来愈大。筑堤挡水由于地壳不断沉降，随之而来的是险情不断增大，大堤必须不断加高，这不是长久之计。从长远来说，最好的办法是放淤。也就是说通过放淤将沉降地带填平，减小大堤高度，实际上是对大堤进行压脚，防止管涌发生。提高大堤的安全度，这是治本的办法，这是适应自然规律，这就需要*有计划地进行，这个难度更大。一个沉降盆地有许多城市，很难全部同时搬迁。但是著者认为这很可能是解决问题的长远方案。著者认为就长江和黄河的泥沙含量来说，通过20年淤平一个盆地是可能的。地壳下沉速率每年按1cm计，淤平一次我估计至少可以保1000年平安。从历史来看，长江大堤是晋朝时开始修建的，到现在已经1500多年了，现在淤一次，保证1000多年的安全，从长远来看是值得的。改道也是一个治理方案，但也不容易，改道最好是改到地壳稳定地区，那就必须把这个区域地质构造搞清楚，特别是要把这个区域的新构造搞清楚，这须要认真论证。地壳总是不断地在变动，水向低处流，你能控制住河道么，也不是一件容易的事，难度很大。而且，应该看到，目前江水中泥沙含量很高，具有很好的放淤条件。现在上游正在大力开展水土保持，在不久的将来，江水有可能变清，泥沙含量很少，利用放淤措施，治理长江洪水泛滥条件就不存在了，治理长江洪水泛滥的难度就更大了，目前是难得的放淤的良机。应该明确，地壳沉降何时停止，我们还不得而知，所以这两个方案还不是根治的治本的方案，这是自然规律规定了的，不可能根治，这一点必须清楚。但从长治久安着想，放淤还是上策。
（2）应急方案——加高加固大堤：这是一项简便易行的应急措施，大堤加高加固一次可以考虑保一百年平安。加固加高大堤应从三个方面考虑：
a.防止洪水漫堤 唯一的办法是加高大堤。大堤高度的决定不仅要根据水文资料，而且要考虑地壳沉降速率资料。如根据水文资料确定的大堤高度为H，地壳沉降速度为a，大堤设计使用时间假设为100年，则由于地壳沉降需加高大堤高度为a×100，则设计的大堤高度应为H+100a。
b.防止产生管涌 大堤加高了，管涌发生的机会就增大了，必须采取措施降低渗透水出逸坡降，具体的办法可以采用清淤压脚或设置防渗墙增大渗透途径，这是应急措施，也是一项简易可行的措施。
c.防止大堤坍塌 加高大堤，溃堤的危险性就加大了，在此同时，必须加固大堤。加固大堤的重要措施是合理设计大堤坡度、加固堤脚和加宽大堤。为此，在大堤设计时必须认真考虑动水压力。河道涨水时必须考虑渗透水在外边坡出逸问题；退水时必须认真考虑渗透水逸出的动水压力，采取合适的加固措施。因此，大堤外必须留出一定宽度的大堤加固带，在进行国土规划时必须考虑这个问题。
因为地壳沉降人类目前还无法控制，只能采取躲避*处理，因此不论是为了放淤还是加高大堤，都必须*地上悬河沿江地段（如沙市、武汉、九江等）的大城市发展，避免造成巨大损失。
上述表明，地质是防御长江洪水泛滥的不可忽视的基础依据之一，仅考虑洪水和淤积进行防洪和治洪是不全面的，防御洪水泛滥是一个综合课题，必须综合考虑。进行科学地防洪设计时，既要进行充分的水文气象论证，也要进行充分的地质条件论证。地质条件论证包括：
（1）防洪设计地区的地质结构、土质成分调查，对产生管涌的允许出逸坡降I0进行论证，这是防洪大堤设计必须的重要参数。如加高大堤，提高了水位，实际上是加大了出逸坡降I，如出逸坡降I出现大于允许出逸坡降I0，大堤很容易产生管涌，引起溃堤；为了防止大堤出现溃堤，需要加大渗透途径，可以采取加高堤外地面（清淤堆积于堤脚，放淤抬高地面等措施）或于大堤内建筑隔水墙，增长渗透途径。
（2）地壳沉降速度调查研究，这也是进行大堤高度设计必需的参数。如上所述，大堤高度设计不仅要根据水文资料，而且要考虑地壳沉降速率，这是大堤设计的重要参数，应认真研究。
