長江干堤典型管涌險情成因分析及對策研究

崔皓東，陸 齊，陳勁松，盛小濤，張 偉

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430010；2.安慶市長江河道管理處，安徽安慶 246003）

1 研究背景

洪水是有史以來人類面臨的最大威脅之一，長江中下游又曾是洪災(zāi)頻發(fā)地區(qū)。2020年長江遭遇了近幾年最嚴(yán)重的洪水，其中城陵磯站水位超警戒持續(xù)時間長達(dá)60 d，居新中國成立以來第3位，僅次于1998年和1954年；最高水位達(dá)34.74 m，為21世紀(jì)第二高水位。2020年長江干堤險情相對較少，得益于1998年洪水后長江堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)及三峽水庫的精細(xì)調(diào)度，但仍有部分管涌險情、井險及老舊涵閘險情等發(fā)生。

管涌是長江堤防最常見的險情，據(jù)1998年災(zāi)后統(tǒng)計，長江干堤及洞庭湖區(qū)較大險情中，管涌占比超過50%［1］。截至2020年7月20日，長江干堤湖北段管涌險情占比56%，出險點(diǎn)距堤腳60～490 m。湖南、江西及安徽等地險情也以管涌居多。

筆者在2020年防汛時發(fā)現(xiàn)，長江干堤管涌險情的明顯特點(diǎn)是，出險點(diǎn)多為農(nóng)田溝渠內(nèi)或老舊減壓井附近，如洪湖長江干堤復(fù)糧洲村距堤腳490 m的田邊溝渠、洪湖新灘口鎮(zhèn)上北洲稻田灌溉渠、九江濟(jì)益公堤豬婆凼排水明渠內(nèi)等均發(fā)現(xiàn)管涌。而岳陽君山垸瓦灣村管涌則發(fā)生在減壓井附近，黃州長孫堤因減壓井失效引發(fā)險情。

長江堤防多填筑在第四系松散堆積物上，部分堤基土具有二元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上部以沖積成因的黏性土為主，下部則為砂及砂卵（礫）石層，厚度大，分布穩(wěn)定［2］。汛期外江高水位經(jīng)滲流作用，在堤內(nèi)地層內(nèi)形成承壓水，使表層較薄的無黏性土或少黏性土體中的細(xì)小顆粒發(fā)生移動或被滲流帶出形成管涌，近堤腳管涌若不能及時發(fā)現(xiàn)處理，會危及堤防安全。實(shí)際上，管涌險情發(fā)生是滲透比降超土層允許比降所致［3-4］。本文以長江干堤岳陽瓦灣段管涌險情為例，利用歷史資料和現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)該段地質(zhì)條件及滲控措施，建立了三維滲流有限元模型，重點(diǎn)模擬減壓井失效及功能發(fā)揮工況下，該段地層內(nèi)滲透比降分布特征，揭示該處管涌險情成因，并探討相應(yīng)處理對策，為類似堤段汛后除險加固提供參考。

2 管涌險情成因分析

2.1 長江干堤岳陽瓦灣段概況

岳陽長江干堤位于長江中游湖南省岳陽市境內(nèi)，上起華容縣五馬口，下止黃蓋湖農(nóng)場鐵山咀，總長137 km，全線干堤為多年加高培厚形成，堤基地質(zhì)條件復(fù)雜。1998年洪水期間，該堤段出現(xiàn)數(shù)十處管涌、散浸及崩岸險情。1998年洪水后進(jìn)行了加固處理，主要有垂直防滲、壓浸平臺及減壓井等工程措施。

長江干堤瓦灣段（樁號63+288～63+788）屬于岳陽長江干堤君山垸堤段，地層根據(jù)SL 188-2005《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》［5］分類屬于為C類，堤基為Ⅱ1，為典型的薄覆蓋層+深厚粉細(xì)砂層二元結(jié)構(gòu)，易發(fā)生管涌。2000年主要采取了堤內(nèi)壓浸平臺+減壓井的治理措施，以防止管涌發(fā)生。但是，在近幾年汛期，當(dāng)江水位達(dá)到34.5 m以上時，瓦灣段范圍內(nèi)堤防出現(xiàn)過散浸、管涌等險情。2020年7月6日起，該堤段水位超警期間出現(xiàn)管涌、管涌群等險情，出險點(diǎn)均在現(xiàn)壓浸平臺外的農(nóng)田溝渠里（見圖1和圖2）。

圖1 瓦灣段管涌險情分布位置示意

圖2 出險點(diǎn)位于農(nóng)田溝渠

圖3 瓦灣段堤防典型橫斷面示意

2.2 瓦灣段堤防三維滲流模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場查勘與歷史資料，瓦灣段干堤在2001年加固后已達(dá)到二級堤防標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)當(dāng)時設(shè)計，堤身錐探灌漿結(jié)合外堤坡土工膜防滲，堤腳設(shè)寬60 m的壓浸平臺+減壓井（間距30 m）滲控體系。但減壓井運(yùn)行已20 a，根據(jù)當(dāng)前堤防管理現(xiàn)狀，隨著時間的推移，減壓井不可避免地會發(fā)生淤堵并失效［6-9］。鑒于此，選擇典型堤段（樁號63+400，見圖3）建立堤防及減壓井三維滲流模型（見圖4），模擬減壓井失效或發(fā)揮功能條件下，堤內(nèi)薄層弱透水層內(nèi)滲透比降特征，以揭示管涌發(fā)生的原因。

圖4 堤防三維滲流模型

模型范圍堤外取200 m，堤內(nèi)距堤腳350 m，堤基取至高程-40 m，順堤140 m；減壓井口高程28.8 m，井徑45 cm，深30 m，井間距30 m，采用對稱模型；格節(jié)點(diǎn)總數(shù)10 294個，單元總數(shù)9 705個。表層粉質(zhì)壤土厚約3 m，滲透系數(shù)2.8×10-5cm/s，下部深厚粉細(xì)砂層為7.4×10-3cm/s。

本文采用長江科學(xué)院自主研發(fā)軟件SFA中SSC-3D模塊模擬。該方法通過有限元網(wǎng)格按實(shí)際尺寸刻畫減壓井，按溢流型排水孔算法進(jìn)行模擬［10］，該方法可精細(xì)模擬減壓井真實(shí)尺寸及三維效應(yīng)，具體算法此處不再贅述。

在堤防工程中，減壓井作為最有效的排水減壓措施，應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)以往研究可知［11-12］，有減壓井堤段若減壓井不發(fā)生淤堵失效，可顯著改善堤內(nèi)滲流場分布，基本不會發(fā)生管涌險情。另根據(jù)2020年汛期瓦灣段部分減壓井基本不出水的狀況，可初步認(rèn)為，發(fā)生管涌極可能與減壓井淤堵失效有關(guān)。

鑒于此，本文在管涌成因分析中，根據(jù)2020年城陵磯站最高水位34.74 m，建立該段滲流模型。通過滲流有限元精細(xì)模擬手段，量化分析考慮減壓井失效和功能正常發(fā)揮兩種工況，進(jìn)行對比模擬分析，方案見表1。方案F1模擬減壓井完全失效，方案F2則是其功能完全恢復(fù)，通過兩口減壓井之間剖面最大比降來對比分析滲透比降變化特征。

表1 岳陽長江干堤瓦灣段堤防滲流模擬工況

2.3 瓦灣段堤防三維流場特征分析

方案F1模擬在洪水位達(dá)33.74 m條件下減壓井失效工況，堤基流場分布見圖5，總體上，由于江內(nèi)深弘切割砂層出露，外江水位較高時通過堤基下部砂層向堤內(nèi)快速滲透，在堤內(nèi)薄層覆蓋的沙壤土內(nèi)形成承壓水，堤內(nèi)薄層覆蓋層內(nèi)水頭等值線密集分布，其比降達(dá)0.53～0.66（見表2），均超表層粉質(zhì)壤土允許比降0.5，與除險加固前比降分布特征基本一致［13］。從該工況可以看出，距壓浸平臺坡腳300 m處仍可能發(fā)生管涌險情。

圖5 方案F1減壓井失效狀態(tài)下堤防流場分布

方案F2減壓井按30 m間距考慮，堤內(nèi)流場分布與方案F1有顯著不同，流場水頭等值線在減壓井附近分布密集，這也是減壓井排水減壓效果較好的體現(xiàn)（見圖6）。相比方案F1，方案F2井間對稱剖面比降顯著降低，其中壓浸平臺腳位置減小約64%，其他部位也都有不同程度的降低，堤內(nèi)比降最大僅為0.37，均小于允許比降，這種狀態(tài)下，堤內(nèi)基本不會發(fā)生管涌險情。該工況下減壓井出水量約10 m3/h，接近黃?？诘绦滦蜏p壓井同期出水量。

圖6 方案F2減壓井功能恢復(fù)狀態(tài)下堤防流場分布

表2 岳陽長江干堤瓦灣段典型工況比降分布特征

2.4 減壓井影響范圍分析

長江堤防堤基C、D類地層堤段，設(shè)置減壓井是最為有效的滲控措施，但減壓井間距設(shè)置多少合適，需要采用試驗(yàn)或者數(shù)值模擬進(jìn)行事先分析，從安全和經(jīng)濟(jì)角度選擇最合適的減壓井間距，為堤防減壓井設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。針對此類問題，長江科學(xué)院早在1960年就利用三維電模擬試驗(yàn)進(jìn)行過量化研究［14］，本文采用精細(xì)有限元模擬，通過不同剖面可以清晰展示該類地層條件下，減壓井排水減壓效果及影響范圍（見圖7和圖8）。

圖7 兩口降壓井流場分布（順堤向）（單位：m）

圖8 27.5 m高程流場分布（平切圖）

通過模型不同方向和高程平切圖可知，隨著遠(yuǎn)離井中心位置，表層弱透水覆蓋層內(nèi)比降明顯增加，距井中心約20 m處，表層最大比降已達(dá)0.24。結(jié)合表2可知，距離堤腳較遠(yuǎn)處比降最大為0.37。由此可基本確定，該類地層在設(shè)計洪水位條件下，減壓井有效影響半徑約為20 m，從安全考慮，井間距按30 m布置是合理的。

2.5 瓦灣段管涌險情成因分析

管涌險情發(fā)生首先要考慮地層因素，綜合以上模擬結(jié)果并結(jié)合水位和地層條件，長江干堤岳陽瓦灣段堤內(nèi)薄層弱透水地層下伏深厚滲透強(qiáng)透水砂層，屬于長江中下游典型的二元結(jié)構(gòu)地層，該類地層堤段也是歷史上的險工險段。

根據(jù)地層條件并結(jié)合以上模擬分析可知，2020年瓦灣段管涌險情產(chǎn)生的最直接原因是減壓井失效，無法消減堤內(nèi)薄層覆蓋層內(nèi)滲透壓力；其次是人類活動致使堤內(nèi)地層出現(xiàn)相對薄弱點(diǎn)（如無反濾措施的農(nóng)田溝渠），進(jìn)一步削弱了該處承擔(dān)承壓水能力，滲透比降增大，使得管涌直接在該處發(fā)生。

3 管涌典型險情處理對策探討

長江干堤岳陽瓦灣段與荊南長江干堤、洪湖新灘口堤、黃岡長生堤、黃石?？诘?、安慶江堤等部分堤段地層結(jié)構(gòu)較為類似，屬于典型的二元結(jié)構(gòu)地層，歷史上多次出現(xiàn)管涌險情，至今部分堤段仍有管涌險情出現(xiàn)（見圖9和圖10）。

圖9 洪湖市新灘口鎮(zhèn)上北洲稻田溝渠內(nèi)管涌群（2020年7月）

圖10 黃岡市孫鎮(zhèn)村孫家咀管涌群（2020年7月）

長江堤防險工段一般歷經(jīng)多次除險加固處理，如吹填壓浸、填塘固基、堤基防滲墻等措施，此類措施可有效控制堤身散浸及堤內(nèi)一定范圍的管涌，但如遠(yuǎn)處有相對薄弱缺陷或者溝渠，即使千米遠(yuǎn)也可能出現(xiàn)管涌險情。該類地層下部為強(qiáng)透水砂層，很難從根本上消除管涌隱患。另外，防滲墻不同程度截斷含水層與江水的水力聯(lián)系，可能對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。

根據(jù)前人治水經(jīng)驗(yàn)，“前堵后排”是治理承壓水危害的最有效方法，而減壓井恰恰是排水減壓的有效措施。我國早在20世紀(jì)50年代開始采用減壓井治理堤防險情，取得較好的效果。但減壓井淤堵是客觀存在且難以避免的［11］。根據(jù)調(diào)查分析，長江科學(xué)院總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從減壓井淤堵機(jī)理出發(fā)［6-9］，提出了新型可拆換減壓井［11-12］，可根據(jù)減壓井運(yùn)行狀況更換濾芯，使其恢復(fù)排水減壓功能。從荊南長江干堤李家花園段新型減壓井（2001年建成已運(yùn)行20 a，2020年汛期單井出水量仍約2～3 m3/h）、陽新長江干堤新型減壓井運(yùn)行情況（2017建成，2020年單井出水量約10 m3/h）可知，這種新型減壓井只要適當(dāng)維護(hù)，基本可以永久消除管涌隱患。

綜上分析，典型管涌險情處理對策建議如下。

（1）堤內(nèi)一定范圍應(yīng)避免開挖農(nóng)田溝渠，保證二元結(jié)構(gòu)地層上層覆蓋層不被削弱；若出現(xiàn)管涌險情應(yīng)及時做反濾導(dǎo)滲或蓄水反壓，以防險情發(fā)展。

（2）經(jīng)驗(yàn)表明，要加強(qiáng)對減壓井的日常維護(hù)及監(jiān)測。已建傳統(tǒng)或新型減壓井堤段，采取汛前檢查應(yīng)按比例抽檢、結(jié)合井下電視或抽水試驗(yàn)檢查淤堵情況、汛前洗井、失效井重建新型井、新型減壓井更換濾芯等方式，可避免減壓井功能減退而發(fā)生管涌險情。

（3）如堤基為典型二元結(jié)構(gòu)地層，下伏砂層較厚，采用技術(shù)成熟的新型減壓井技術(shù)除險加固，是較為合適的選擇。

（4）減壓井作為防洪工程，相比其他措施具有投資少、效果好特點(diǎn)，應(yīng)參照水閘泵站等工程進(jìn)行日常維護(hù)，這對其工程性能發(fā)揮具有決定意義。

（5）可采用智能化技術(shù)，重點(diǎn)監(jiān)測汛期減壓井出水情況，及時掌握減壓井狀態(tài)，為防汛搶險及汛后維護(hù)提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）長江干堤岳陽瓦灣段管涌險情屬于減壓井失效直接導(dǎo)致農(nóng)田溝渠薄弱點(diǎn)出險。

（2）研究可知，瓦灣段減壓井影響半徑約20 m，此類堤段減壓井間距不宜大于30 m。

（3）新型減壓井可以更換濾芯，屬長效減壓井，如正常維護(hù)，基本可以消除二元結(jié)構(gòu)地層管涌險情風(fēng)險。

（4）減壓井作為防洪工程，應(yīng)參照水閘、泵站工程進(jìn)行日常維護(hù)，特別是汛前檢查應(yīng)加強(qiáng)減壓井淤堵情況摸底，及時洗井清淤或更換濾芯。