淮北大堤饒荊段險情類型及成因分析

任增平，潘光宜

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 蚌埠 233000)

淮北大堤是保護淮北平原的主要防洪屏障，堤防級別為1級，由淮河左堤、穎河左堤、西淝河左堤、渦河左堤、渦河右堤組成，其中淮河左堤在渦河口以上簡稱饒荊段，長120.2km。

饒荊段土堤修筑始于明代，至解放前堤身矮小單薄，1954年淮河發(fā)生全流域的大洪水后開始進行全面加高培厚，后期又?jǐn)嗬m(xù)對存在的問題進行了多次(處)小范圍應(yīng)急除險或續(xù)建加固。2004年最后一次加固工程實施前淮河大水年份行洪期仍出現(xiàn)許多險情(隱患)，對堤防安全構(gòu)成威脅。2007年堤防加固完成后至今，淮河汛期始終低水位運行，無堤防險情發(fā)生。

本文根據(jù)有關(guān)資料，對1991—2003年饒荊段土堤訊期險情進行系統(tǒng)分類和地質(zhì)成因研究，為今后堤防工程地質(zhì)勘察、設(shè)計、運行管理、防訊搶險提供依據(jù)。

1 堤身的險情類型及成因

1.1 險情類型

1991—2003年堤身險情總計23處，除2003年樁號99+560堤身出現(xiàn)縱向裂縫外，其它均屬滲漏及滲透穩(wěn)定類險情，主要表現(xiàn)為汛期堤防背水坡滲水、散浸、內(nèi)堤(坡)腳滲水。

1.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險情成因

1.2.1部分堤段堤身砂壤土含量較高，滲透性較強

1991年淮河水位23m時，樁號59+900～60+240堤內(nèi)坡腳高程20.5m以下、原始地面以上滲水，局部清水明流，長80m人行陷腳，2003年汛期該段堤腳仍然嚴(yán)重滲水。樁號60+700～61+540堤身險情類型與之相同。

勘察表明樁號17+400～24+800段堤身輕粉質(zhì)壤土含量36.4%、砂壤土含量13.6%；樁號44+870～62+000段堤身輕粉質(zhì)壤土含量25.5%、砂壤土含量28.6%，其中樁號45+700～47+700為“金包銀”堤身。兩大段的滲透系數(shù)10-4cm/s量級，為中等透水性，抗?jié)B性較差。

堤基表層為砂壤土的堤段往往堤身中砂壤土含量也高，有時砂壤土在堤身下部成層分布。樁號60+130處堤身底高程19.94m，堤基表層主要為砂壤土，夾少量粉質(zhì)壤土，松散～稍密，厚度7.2m；堤身以砂壤土為主，夾粉質(zhì)壤土、粘土，松散。樁號59+800在高程22.5m以下堤身存在三處砂壤土薄層，樁號61+110在高程22.0m以下堤身存在兩處砂壤土薄層，其中一處薄層位于堤身的最下部。

堤身土質(zhì)較差、填筑不均及滲透性較強是堤內(nèi)坡、堤腳滲漏及滲透穩(wěn)定類險情的主要成因。

1.2.2筑堤前未清基或清基不徹底

2003年樁號74+000附近長66m堤腳滲水，險情記錄原因是堤身與堤基結(jié)合不緊密。依據(jù)樁號74+030勘探剖面，堤基表層為粉質(zhì)粘土、粘土，厚度3.6～5.3m，滲透系數(shù)3×10-6cm/s，下伏1.7～2.9m的粉質(zhì)壤土夾薄層的砂壤土、極細砂，堤高4.5m，填土以粉質(zhì)粘土為主，夾粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)10-6cm/s量級，呈微透水性。同年樁號68+000～69+800堤段中長105m堤腳滲水，堤防管理部門分析險情成因是堤基表面未清基，形成滲漏通道。

饒荊段土堤歷史悠久，系沿河人民就近取土填筑而成，囿于認知水平和條件限制，多數(shù)堤防填筑前沒清基或清基不徹底，堤基表面往往存有樹根、草甸土等有機物質(zhì)，后期經(jīng)腐爛造成堤基、堤身結(jié)合不緊密，汛期河水沿結(jié)合部滲漏。

1.2.3決口后應(yīng)急復(fù)堤料雜亂

禹山壩(樁號33+124～36+624)堤內(nèi)地勢低洼，堤高8.0～9.2m，1991年和1996年淮河水位23.5m時，堤內(nèi)坡 20.0m高程滲水嚴(yán)重，陷足，并發(fā)生管涌，汛期臨時采取砂石料壓滲處理。

研究認為，堤基在宋代為西淝河老河道，由峽山口入淮。1954年發(fā)生淮河潰口，潰口處沖坑深度3～4 m，搶險時采用石塊與草包等雜物，在復(fù)堤時沒有清除。復(fù)堤土質(zhì)雜亂，堤身、堤基均夾有輕粉質(zhì)壤土和極薄層細砂，導(dǎo)致汛期發(fā)生滲漏和滲透破壞。

1.3 裂縫成因

2003年樁號99+560附近堤身產(chǎn)生長6m、寬2～3cm的縱向裂縫，同期此類裂縫險情在淮河支流渦河左右堤上多處出現(xiàn)。研究認為，該段堤身土質(zhì)為粘性土，堤坡較陡，外河水位仍然較高時，閘站排澇使內(nèi)水水位迅速下降，堤身局部發(fā)生滑移下錯產(chǎn)生縱向裂縫。

2 堤基險情(隱患)類型及成因

2.1 險情(隱患)類型

1991—2003年汛期出現(xiàn)15處堤基險情，可分為滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、沉陷變形三大類，其中滲漏及滲透穩(wěn)定類險情12處，占絕大多數(shù)，主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)堤基滲水、管涌。

2.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險情成因

2.2.1堤基表層的砂壤土層滲透性較強、抗?jié)B性較差

通常，砂性土單一結(jié)構(gòu)、上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)及表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基，最易發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險情。按SL 188—2005《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)范》劃分，本段堤防不存在砂性土單一結(jié)構(gòu)堤基，險情主要發(fā)生在上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)及表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基中。

1991年汛期，淮河水位23.0～24.5m時，樁號17+860～18+885、19+484～20+500、21+700～23+200段堤內(nèi)坡堤腳附近滲水嚴(yán)重，堤身出逸點位于堤腳以上0.5～1.0m范圍內(nèi)，堤腳以下堤基散浸、滲水，或冒渾水，對3處險情汛期均采取了砂礫石壓浸的臨時處理措施。2003年7月10日，樁號18+694內(nèi)堤腳發(fā)生管涌；同年汛期樁號21+114～21+833段堤腳出現(xiàn)6處管涌，直徑1～3cm。

樁號17+358～23+200段堤基是表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)如圖1所示。表層砂壤土夾少量的粉質(zhì)粘土，松散～稍密，滲透系數(shù)2.5×10-4cm/s，呈中等滲透性，厚度1.1～7.6m，平均厚度3.28m；下伏4.2～13.5m厚的粉質(zhì)壤土層，夾粉質(zhì)粘土和薄層極細砂或砂壤土透鏡體，平均厚度7.7m，軟塑～可塑，滲透系數(shù)5.8×10-5cm/s，滲透性弱。

研究認為，對發(fā)生在上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)和表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基中的滲漏及滲透穩(wěn)定類險情而言，成因基本相同。一是堤基表層存在抗?jié)B性較差的砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，土體本身粘粒含量低、滲透性較好，滲透系數(shù)可達10-4cm/s量級及以上；二是砂壤土、輕粉質(zhì)壤土成層展布于堤身以下，構(gòu)成了溝通堤內(nèi)外的滲流通道，汛期在河水浸泡飽水后，受堤內(nèi)外水頭差的作用發(fā)生滲流，在堤后一定的范圍內(nèi)滲出，出逸比降超過土體的破壞比降時便可發(fā)生滲透破壞。堤防附近的坑塘降低了堤基的臨空高程，增大了滲透比降，不同程度地加劇了滲漏及滲透穩(wěn)定險情的發(fā)生。

饒荊段土堤多是歷年就近取土填筑而成，在堤基表層分布有砂壤土、輕粉質(zhì)壤土的堤段，往往堤身填土也是此類土，尤其是堤身的下部填土，因此，這些堤段堤基發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險情時，多數(shù)在堤腳以上的堤身下部也同時發(fā)生滲水險情，堤基險情、堤身險情相伴而生。

堤基表層分布砂壤土是饒荊段堤防堤基發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險情的主要原因。

2.2.2堤內(nèi)微地形復(fù)雜，破壞了表層粘性土的完整性

1991年淮河水位23.5m時，樁號70+800～71+900段堤防背水側(cè)22m高程平臺散浸，19.0m高程翻砂，發(fā)現(xiàn)4個直徑3cm的冒水孔，當(dāng)時堤腳緊鄰深塘，推測細砂層上土層厚度僅0.5～1.0m，汛期采取了堤坡加戧和填塘的臨時處理措施?？辈旖沂?，該段堤防底高程20.16～20.68m，堤防高度6.1～6.6m，樁號70+800～71+400段堤基表層為4.1～4.2m的粉質(zhì)壤土層，夾極薄層粉細砂或砂壤土，樁號71+400～71+900段堤基表層為3.4～5.1m的粉質(zhì)粘土、粘土層，偶夾極薄層砂壤土，粘性土層在樁號71+540附近最薄。表部兩層粘性土滲透系數(shù)2×10-6～3×10-5cm/s，可視為相對隔水層，厚度超過堤高的1/2。下伏土層為細砂～砂壤土層，厚6.8～7.4m。再下是厚度大于7.2m的粉質(zhì)粘土～重粉質(zhì)粘土層。該段堤防堤基屬表層為上厚粘性土，下砂性土、粘性土互層的多層結(jié)構(gòu)。

圖1 表層為砂性土的堤基地質(zhì)剖面圖

研究認為，堤基表層粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等粘性土滲透性弱～微，無論厚度大小對堤基的防滲均有利，但防滲效果除厚度越大越明顯外，還受粘性土的土質(zhì)、結(jié)構(gòu)、滲透性及抗?jié)B性，以及下伏地層的滲透性、堤防擋水水頭高度、擋水歷時、滲徑長短、坑塘溝渠微地貌等多因素的影響。本段堤防堤基表層厚度大于3m的粘性土層出現(xiàn)險情，主要原因是堤內(nèi)地形低洼，或有坑塘分布，表層的粘性土厚度和完整性遭受破壞。

2.2.3堤基表層的粘性土中夾細砂、砂壤土薄層，滲透水流通過夾層發(fā)生險情

1991年8月淮河水位23.5m時，樁號67+375～68+200局部堤段滲水，當(dāng)時沿堤長280m為深塘，塘深2m，汛期臨時采取了填塘的處理措施。險情記錄該段堤身土質(zhì)以粉質(zhì)粘土～重粉質(zhì)壤土為主，堤基中粉質(zhì)粘土夾極薄層砂壤土。

經(jīng)勘察，該段堤防底高程20.42～21.04m，堤高5.5～6.7m，樁號67+375～67+830分布2.7～5.7m的粉質(zhì)粘土、粘土層，偶夾極薄層砂壤土，其下為1.3～2.4m的粉質(zhì)壤土夾砂壤土和極薄層細砂，再下為3.0～3.9m的細砂和砂壤土；樁號67+830～68+200段堤基表層為1.4～2.6m的粉質(zhì)壤土層，夾粉質(zhì)粘土和薄層極細砂或砂壤土透鏡體如圖2所示。砂層以上土層在垂向上滲透系數(shù)2×10-6～3×10-5cm/s，可視為相對隔水層，厚度6.6～8.7m，超堤高。盡管堤基表層粘性土厚度較大，但其所夾薄層極細砂或砂壤土被堤腳附近的坑塘溝渠揭露，汛期發(fā)生了滲漏及滲透穩(wěn)定類險情。

饒荊段堤防很多堤基淺部由第②層粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)粘土和薄層極細砂或砂壤土透鏡體、第③層粉質(zhì)粘土～粘土偶夾極薄層砂壤土和第④層粉質(zhì)壤土夾砂壤土和極薄層細砂組成，均系河流沖、洪積沉積形成，物質(zhì)組成不均一，在不同深度、平面位置分布有砂壤土、極細砂，在垂向上以夾薄層或透鏡體呈現(xiàn)。盡管土體的總體滲透性不大，但砂壤土、極細砂的存在使得土體的滲透性呈各項異性，水平滲透系數(shù)比垂向滲透系數(shù)大的多。外灘狹窄，堤內(nèi)坑塘溝渠揭露砂壤土或極細砂夾(薄)層，導(dǎo)致堤基在坑塘溝渠發(fā)生滲水等險情。

圖2 表部粘性土中夾薄層砂性土堤基地質(zhì)剖面圖

2.2.4微地貌為堤基險情的產(chǎn)生提供了條件

堤防兩側(cè)的微地貌主要是坑塘溝渠、外灘等，饒荊段內(nèi)、外溝塘多，大多為堤身加培近堤取土形成的坑。據(jù)2004年調(diào)查，內(nèi)、外溝塘分布長度分別為51.5km和35.97km，占堤防總長度的42.5%和30%。兩側(cè)溝塘有的連片，大多沿堤向分布長0.1～1.85km，少數(shù)連片塘長達2.84～3.1km。塘深一般為2.0～4.5m左右，最深達6.8～7.0m，除部分堤內(nèi)塘離堤腳50～70m外，大多數(shù)堤內(nèi)、外塘距堤腳30～50m以內(nèi)，有的靠近堤腳。

淮河主泓底在4.0m高程左右，覆蓋層中的砂性土層多在灘頭及主河槽出露，汛期淮河水直接補給砂性土層。堤防外灘寬窄差別大，最窄處僅13m，寬度小于50m的堤段長3331m，寬度50～200m的堤段長36820m。

外灘狹窄除洪水對堤身產(chǎn)生較大的沖刷破壞外，也使得堤基的滲徑變短，增大堤后地下水的滲透比降。堤外的坑塘降低甚至破壞了迎水側(cè)表層粘性土的隔水性能，導(dǎo)致堤基滲透水流的滲徑縮短。靠近大堤的堤后坑塘削弱了覆蓋層的蓋重作用，使汛期堤內(nèi)散浸、滲漏較為普遍，甚至塘內(nèi)翻砂鼓水。總之，除地質(zhì)條件外，堤基的滲漏及滲透穩(wěn)定類險情的成因與外灘寬度，深泓的位置、深度，坑塘溝渠的分布、深度等微地貌關(guān)系密切，因此，進行堤內(nèi)外填塘固基是處理險情的常見工程措施。

2.3 抗滑穩(wěn)定類險情(隱患)成因

1991～1996年的主要險情記錄中，樁號25+150～25+403及樁號41+000～41+520均被視為主要險情堤段，前段堤高7.3～8.2m，堤外無護堤地和防浪林，外堤腳緊鄰深塘，2004年調(diào)查樁號25+258～25+390堤外側(cè)水塘距堤腳7m，塘寬13～24m，長130m，深3m；后段內(nèi)堤腳分布深塘，部分堤段無外坡，垮塌至堤身。同年調(diào)查樁號41+120～41+640堤內(nèi)側(cè)水塘距堤腳0m，塘寬19～84m，長350m，深1m。兩段的險情(隱患)類型均為堤基的抗滑穩(wěn)定。

樁號108+470～110+040為老茨河河口封閉堤，外灘較窄，內(nèi)側(cè)鄰塘，堤身最高處達9.31m，堤基土質(zhì)自上而下分別為砂壤土～輕粉質(zhì)壤土、中～重粉質(zhì)壤土含淤泥質(zhì)，軟塑～流塑狀，局部厚達11.8m。當(dāng)外河持續(xù)高水位時，堤身浸潤線升高，堤身以及堤基含水量達到飽和狀態(tài)，抗剪強度降低，堤基、堤坡的穩(wěn)定性變差。外堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.234，內(nèi)堤坡為1.195，均不能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的1級堤防正常運用條件和非常運用條件下的穩(wěn)定計算要求。

研究認為，饒荊段堤防由于歷次搶險和培修加固就近取土等原因，使堤內(nèi)外溝塘連片，堤身相對高度增加1.0～3.0m。由粉質(zhì)粘土、粘土組成的堤基在坑塘水長期浸泡作用下，土體的天然含水量高而抗剪強度較低。近堤腳的坑塘使坑塘底部以上的堤基、堤身等臨空高度增加，汛期加之水的作用，降低了堤防的抗滑穩(wěn)定性，形成了抗滑穩(wěn)定類險情(隱患)。

2.4 沉陷變形類險情(隱患)成因

饒荊段堤防堤基總體說來淤泥、淤泥質(zhì)軟土分布不多，因此堤基的沉陷變形問題不突出，沉陷變形類險情(隱患)不多，比較而言，淮河決口復(fù)堤段、支流河口封閉段或老河道段堤基的沉陷變形量大，如1954年淮河決口處復(fù)堤的禹山壩、老茨河河口封閉堤，原因有二：一是這些堤段往往堤身高度大，對堤基的附加荷載大；二是這些堤段堤基尤其是淺表部土體沉積時間短，土體軟弱壓縮性較高，從而產(chǎn)生較大的沉陷變形。

3 結(jié)語

1991—2003年淮北大堤饒荊段堤身、堤基存在的險情均以滲水、散浸、管涌等滲漏及滲透穩(wěn)定類險情為主，堤身險情成因與堤身存在砂壤土、清基、復(fù)堤填筑料雜亂等有關(guān)，堤基險情主要是表層存在砂壤土或堤后坑塘破壞了粘性土蓋層的完整性。堤基表層為砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高，導(dǎo)致這些堤段堤基、堤身經(jīng)常同時發(fā)生險情。

本文可為堤防工程地質(zhì)勘察和險情分類、地質(zhì)成因研究提供借鑒，但每條河流地形地質(zhì)、水情均有自身特點，現(xiàn)行地質(zhì)勘察規(guī)程不可能制定一概而全符合任何河流的規(guī)定，比如建議表層粘性土厚度的厚薄分界按堤防高度的一半考慮，尚沒提出表層粘性土的最小有效厚度，沒有堤身質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)，等等，均需在今后的堤防勘察中總結(jié)和研究。