圍井反濾在江西省圩堤堤基管涌搶險中的應用及若干認識

盛小濤，陸 齊，張 偉，江洎洧，饒錫保

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，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

在汛期高水位驅動下，江河堤防堤基易發(fā)生“管涌”［1］（廣義上的管涌定義）破壞。1998年長江中下游堤防出現較大險情共1 702處，其中管涌險情872處，占51.2%［2］。2016年長江干堤50處險情中，管涌險情30處，占60.0%［1］；管涌險情占比均超過一半［3］。2020年長江流域再次遭遇大范圍強降雨，長江干流及主要支流多站水位超警戒、超保證甚至超歷史水位，長江流域多地堤基發(fā)生管涌險情。筆者參與了2020年江西省鄱陽湖圩堤和湖北省長江干堤防汛工作。堤防管涌險情產生地點多面廣，可能發(fā)生在堤腳、坑塘、建（構）筑物周邊、基坑等覆蓋層薄弱地帶，甚至距離堤腳幾百米至1 km。江西永安堤距離堤腳600 m以外某處基坑發(fā)生管涌險情，湖北黃石長江干堤某管涌群距堤腳1.17 km。這是由于長江大堤堤基70%以上為雙層或多層地基，地基中強透水層水壓力傳遞快、衰減慢，堤內大范圍地表土體受到承壓水頂托影響，在薄弱處地表土體被承壓水頂穿，產生管涌險情。

管涌險情搶護原則是反濾導滲，控制涌水帶砂，流出滲水出路，防止?jié)B透破壞。目前，不少研究指出應當重視管涌等滲流出口保護［4-5］。管涌口保護可采取的措施有圍井（堰）反濾、蓄水反壓、導濾堆等多種方式，其中圍井反濾措施是針對管涌險情的一種常用并被證明有效的搶護方法。1998年7月17日洪湖干堤王洲段出現管涌險情，起始孔徑1 cm，30 min內發(fā)展到15 cm，當即采用圍井反濾措施，濾層為三級配粗砂、瓜米石和碎石，管涌口滲水轉清，險情得到控制［6］。汛后開挖發(fā)現管涌已向上游發(fā)展，夾層砂全部流失，由于控制及時，險情沒有形成更大災害。2016年7月4～9日，黃石干堤某段接連發(fā)生管涌、翻砂鼓水等險情，其中，管涌5處、翻沙鼓水點10處。在每處管涌點外圍做一個直徑約4 m、高約1 m的圍井，圍井用黏土灌編織袋雙排壘砌，圍井內形成三級反濾，每層厚30 cm。處置完成后管涌點出水為清水，險情得到了及時控制，后期保持密切監(jiān)測，其涌水量大小與江水位呈正相關關系，最大管涌點涌水量近270 L/min。

雖然圍井反濾在堤防險情搶護中得到廣泛應用，但是由于對洪水變化過程、管涌危急程度、險情點環(huán)境條件等多方面因素考慮不周，圍井反濾未能達到預期效果。2017年湖南省益陽市某民垸的管涌險情距堤內腳約60 m，起始管涌口直徑約15 cm，實施的圍井反濾被沖毀，險情迅速向上游發(fā)展，導致地面及堤身沉陷［1］。2020年江西省某圩堤堤腳出現管涌險情后，實施圍井反濾，濾層表面持續(xù)管涌跳砂，如圖1所示，也有的從土袋圍井縫隙中涌水涌砂。

圖1 濾層表面可見顆粒流失

目前，對于圍井反濾應用目標、達成條件及特殊環(huán)境下的應用技巧還缺乏足夠認識。本文對圍井反濾作用機理及其研究現狀進行分析，并結合2020年堤防管涌險情搶護實踐經驗總結了一些認識，對今后堤防防汛搶險提供一定的參考依據。

2 圍井反濾作用機理

應用圍井反濾技術是為了達到保土排水效果，解決堤基土體承受水力比降大于允許水力比降而造成地基管涌問題。管涌的發(fā)生是由于地基土體滲透壓力超過了自身的允許值，導致滲流出口帶走土顆粒，然后繼續(xù)向上游發(fā)展，進而形成上下游聯通的滲流通道，最后導致地基沉降。但若出口無滲流破壞條件，內部即使有薄弱層或裂縫也不會發(fā)生滲透破壞。圍井反濾是保護滲流出口，阻止管涌發(fā)生、發(fā)展比較直接的方法。

圍井反濾技術結構主要由圍井和濾層兩部分組成。圍井的主要作用是控制濾層范圍，支撐濾層穩(wěn)定，約束滲透水流垂直向上進入濾層，并為排水提供有利條件。濾層的作用是降低管涌口的涌水流速，減小動水壓力，使原流動的土顆?；謴头€(wěn)定，防止顆粒大量流失，抑制管涌險情進一步發(fā)展。圍井反濾作用原理區(qū)別于蓄水反壓［7］，蓄水反壓的滲流控制思想是“壓蓋”，在管涌口蓄高下游水頭，減小上下游水頭差以降低土體承受的水力比降。而圍井反濾是在出口產生反濾保護，形成新的地層系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的抗?jié)B性能，增大允許水力比降，并通過及時疏排降低水壓力。

目前，許多專家學者針對濾層的防治效果開展了大量的研究以揭示反濾作用機理。如周健等［8］通過細觀層面試驗研究管涌土在反濾保護下的顆粒移動規(guī)律。在室內建立基料-濾層垂直滲流模型，并通過高倍顯微鏡觀察顆粒流失現象，分析顆粒位移場。研究發(fā)現，隨著水力比降增加，基料移動顆粒中的粗顆粒運動后在濾層交界面形成穩(wěn)定的“濾餅”，阻止更細的顆粒流失并保持良好的透水性。這與早年國內外學者［9-11］觀點一致，他們認為基料的穩(wěn)定性與其中粗顆粒密切相關，遷移中的粗顆粒在濾層表面形成濾餅。同時，周健等［12］通過離散元數值試驗研究基料-濾料不同層間系數D15/d85值對濾層防治效果的影響，證明了層間系數D15/d85值是反濾是否形成的關鍵因素。周健等［8］的試驗同時表明，即使未形成自濾層，還是會延緩系統(tǒng)破壞時間。姚志雄等［13］通過體視顯微鏡觀察到土體內部系統(tǒng)發(fā)生的管涌現象，其臨界的細顆粒可在復雜的水土相互作用下達到層間系數值而自行穩(wěn)定，使管涌停止。

自濾層的形成在流土型土和管涌型土中有不同的表現。劉杰［14］通過試驗研究兩類土自濾反濾過程，發(fā)現流土型土不同于管涌型土，其在裝樣施工完成時即形成自濾層阻止顆粒流失。

是否形成自濾層與濾層厚度直接相關。白彥峰［15］通過試驗研究了不同濾層厚度下得到的系統(tǒng)水力比降變化特征。當濾層厚度為5 cm時，細顆?？焖偻ㄟ^濾層，未能形成自濾層，不能阻止管涌發(fā)生；當濾層厚度為15 cm時，系統(tǒng)抗?jié)B性能得到大幅提升，濾層厚度再增加至20 cm時，提升效果并不明顯。

自濾層也容易受到外界環(huán)境影響而失效。李曉慶等［16-17］調查和分析地下集水廊道的濾層失效成因主要包括自濾層堵塞、自濾層擊穿和旁流。毛昶熙［10］認為，根據特定水力條件，如能按照一定的水力坡降和流向設計濾層，則可采用粗顆粒強透水濾層，李曉慶也認為水力穩(wěn)定性濾層是解決上述問題的方向。

濾層除須阻止顆粒流失之外，還應具備良好的排水條件。劉杰［2］將被保護土和濾層簡化為雙層土體，根據雙層介質滲流計算理論，濾層與被保護土的滲透系數和水力比降滿足下式：

式中：k1，J1為濾層的滲透系數和實際承受的水力比降；k2，J2為被保護土的滲透系數和實際承受的水力比降。濾層滲透性越強，其本身承受的水力比降越小，表明減壓效果越好。

綜上，濾層應用須滿足層間系數要求，且有足夠的厚度使流失顆粒中的粗顆粒在交界面形成自濾層，阻止細顆粒流失，保留滲水通道，減小系統(tǒng)承受的水力比降。而系統(tǒng)內部的管涌潛蝕隨著顆粒移動可以形成自穩(wěn)定。由于汛期江河水位及復雜的水土相互作用關系，導致水力條件多變，應持續(xù)觀察反濾層是否失效。

3 當前圍井反濾常用的材料和結構方案

3.1 圍井反濾結構

圍井反濾種類較多，根據濾材分類，有傳統(tǒng)砂石、寬級配砂石、土工織物和梢料圍井反濾等。根據圍井結構分類，有土袋式、裝配式、充水式圍井等。目前，在堤防管涌險情搶護中常用的是土袋砂石圍井，其在管涌口處用編織袋裝土搶筑圍井，井內逐級鋪填反濾料并埋設排水管，深部埋設排水管則管壁應透水且包裹反濾紗網。

3.2 圍井研究現狀

傳統(tǒng)土袋圍井技術方法成熟，經驗豐富，但是往往存在黏土填料缺失、裝袋搬運耗時耗力等不足，圍井的結構性能朝著簡易、快速、易儲備、可擴展的方向發(fā)展。目前，多種新型圍井結構得到越來越廣泛應用。

江西省某圩堤采用無底鐵桶，在桶壁周邊鑿孔排水，形成簡易圍井。侯英杰、陶同康等［18-19］設計了裝配式圍井，通過組合拼接完成安裝，其尺寸大小和高度可現場調節(jié)，擴展性較好。長江科學院堤防險情應急搶險修復技術與裝備項目團隊提出“以水治水”的思想，積極研發(fā)充水式圍井，通過充水氣囊作為濾層圍護結構，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土袋，運輸攜帶方便，安裝簡捷。

圍井作為一種圍護結構，給濾層提供穩(wěn)定支撐，阻止邊壁無防護滲水，雖然新型圍井技術已經得到有效發(fā)展應用，然而管涌險情復雜且具有發(fā)展的特點，應根據現場條件和險情發(fā)展恰當使用。有些管涌險情發(fā)生在較深的坑塘中間，對其進行蓄水反壓后仍然冒水涌砂，圍井修筑條件復雜。有些管涌險情發(fā)生在渠道斜坡上，新型圍井結構自身穩(wěn)定存在問題。有些圍井反濾失效，進一步添加濾料將導致圍井加高，威脅結構安全。因此，有必要根據圩堤典型險情特點作有針對性地研發(fā)和物資儲備。

3.3 寬級配濾料應用

傳統(tǒng)的濾材多是均勻多層反濾料，級配范圍窄，顆粒組成比較均勻，濾土排水能力強，反濾效果顯著［20-21］。然而，均勻料抗沖刷性能差，往往需要多層反濾。此外，均勻料還存在施工勞動強度大、篩分量大、費工、費時等問題。因此，寬級配濾層得以研究和應用。

寬級配濾層往往具備當地取材、生產簡單、料源廣、可機械化操作等優(yōu)點，其區(qū)別于傳統(tǒng)均勻濾層最大的特點是顆粒級配不均勻系數Cu大。劉杰［22］以d20為特征粒徑，建立了均勻和不均勻濾層的內在聯系，認為只要d20相同，且滿足反濾準則，均可起到反濾作用。郭慶國［21］認為太沙基保土準則（D15/d85＜4）無下限和排水準則（D15/d85＞4）無上限，而寬級配料級配寬、粒徑范圍大，不適用于太沙基準則，應針對被保護土料的性質設計寬級配濾層。吳昌瑜［4］在垂直滲透儀內進行了中細砂與砂礫石的接觸變形試驗，以某堤段天然砂礫石平均線和下包線級配料充當反濾料，試驗表明組合樣整體的抗?jié)B性能超過了中細砂，平均線可以達到濾料的抗?jié)B強度，但下包線濾料在增加滲透比降后率先發(fā)生管涌變形。寬級配濾層發(fā)展應用空間很大，但應根據被保護土性質，合理運用反濾準則進行試驗并通過實踐檢驗其適用性。2020年在長江鄱陽湖流域圩堤上，寬級配砂卵石料被廣泛應用在防汛搶險工作中。

寬級配濾層作為粒狀顆粒材料，在裝卸、運輸、鋪裝時粗細顆粒容易分離，而且級配越寬越容易分離。使用時應設法嚴格控制施工質量，主要措施有：限制最大顆粒尺寸；保持一定的含水量；適當加大濾層厚度和圍井尺寸；保證濾料清潔無雜質。應用中加強搶險效果的動態(tài)監(jiān)測。

4 對圍井反濾技術應用的認識

本文總結了管涌險情圍井反濾技術作用機理及其結構研究現狀，并分別展開討論。結合該技術在2020年鄱陽湖圩堤和湖北長江大堤的堤防防汛搶險應用情況，主要得到如下幾點認識。

（1）圍井反濾技術應用目的有兩個：①保護管涌出口，阻止細顆粒土料持續(xù)流失，或者部分細顆粒流出但可為進一步險情搶護措施實施贏得時間。②在保護滲流出口的同時，疏導管涌口水流排出，以消殺水勢，減小周邊土體揚壓力。

（2）圍井反濾內管涌出口水流垂直向上進入反濾層，由涌出砂中較粗顆粒在反濾層的交界面形成自濾層阻止細顆粒土料流失。圍井結構應起到約束水流垂直向上滲透的作用。2020年部分圩堤實施的土袋圍井側邊空隙中涌水涌砂，土顆粒流失嚴重，險情搶護和值守時應密切注意圍井結構完整性。

（3）寬級配土料應用的反濾準則區(qū)別于傳統(tǒng)的均勻多層反濾料。料場選擇應根據被保護土性質，優(yōu)選優(yōu)用，須通過試驗和實踐檢驗其適用性。用于管涌口反濾保護時，應確保級配連續(xù)，細料損失嚴重的土料不適宜直接用于搶險。寬級配反濾料較易產生分層現象，現場應備有余料以便及時補充填料。

（4）圍井反濾技術應用要有針對性，對管涌位置、圍井反濾應作針對性調整。2020年長江干堤某泵站引水渠岸坡上發(fā)現管涌險情，出水量達到25 L/min，實施圍井反濾后起初可正常排水，但是由于未能清除底層淤泥，濾層發(fā)生嚴重堵塞，排水量逐漸減小甚至不出水。在渠道底部、岸邊和沼澤區(qū)的管涌險情，其淤泥常常堵塞濾層，阻礙排水。實施圍井反濾時，應清除井底淤泥及雜物或者先正級配鋪填大塊石、碎石、瓜米石，塊石厚度超過淤泥層厚，再按反級配鋪填濾料。

（5）圍井反濾技術不一定能徹底根治管涌，實施反濾技術后，應根據出水量、含沙量、江河水位條件情況，持續(xù)觀察值守。增加濾層厚度可提高系統(tǒng)的抗?jié)B破壞能力，并可延遲系統(tǒng)破壞的時間。濾層太薄，不利于自濾層的形成，不能阻止管涌發(fā)生。然而，濾層也不宜過厚，只要滿足要求便可，層間系數是控制管涌是否發(fā)展的關鍵因素。2020年部分圩堤上實施的反濾圍井濾層表面繼續(xù)涌砂，再次添加濾料增加其厚度后，阻止了顆粒流失。

（6）堤內基坑、淵塘等的表層弱透水土比較薄弱甚至粉細砂層直接出露，較易出現管涌險情，目前遇險搶護方法包括：①修筑圍井反濾或者直接拋投反濾料阻止涌水帶砂；②在岸邊加高子堤進行蓄水反壓。一些圩堤為實現圍井填筑條件，首先降低坑塘內水位，在圍井實施完成后再重新蓄水，操作復雜且過程中削弱防洪能力，有必要發(fā)展適用于坑塘管涌險情搶護的圍井結構，優(yōu)選反濾料防止骨料分離，實現水下險情搶護，提高搶險效率和可靠性。

（7）堤防上尚有一部分管涌險情是鉆孔封堵不嚴導致，覆蓋層厚度減薄，形成承壓水出溢通道。這類險情管涌出口明確、流速快、涌水量大、水力比降大。圍井反濾設計時應適當選擇較大的圍井尺寸，采用塊石、卵石首先消殺水勢，使過流面積增加、滲透流速降低，再逐級回填濾料，并在圍井周邊設置多層排水管，及早排泄水壓力。地表弱透水層較厚時，可適當增加濾層厚度。