鄱陽(yáng)湖防洪圩堤壩潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)及治理方案研究

何松HE Song；曹凱CAO Kai；朱小偉ZHU Xiao-wei；薛凱喜XUE Kai-xi

（①江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330095；②江西省公路橋梁工程有限公司，南昌 330029；③江西省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站有限公司，南昌 330001；④東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于“十四五”規(guī)劃經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量快速發(fā)展的關(guān)鍵期，對(duì)水資源的需求量在急速增加，同時(shí)也對(duì)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪圩堤安全保障建設(shè)需求急劇增加。防洪圩堤是在沿河低洼地區(qū)、沿海地區(qū)和沿海湖區(qū)為抵御外界水入侵、保護(hù)耕地而修建的堤防建筑；也是鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪體系的重要組成部分，更是歷史各時(shí)期防洪搶險(xiǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)[1]。因此需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，強(qiáng)化水庫(kù)的土石壩，穩(wěn)定土石壩，避免產(chǎn)生泄漏。

常見(jiàn)的圩堤安全隱患有：堤身滲漏問(wèn)題、堤基滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題、堤基變形問(wèn)題、堤坡穩(wěn)定問(wèn)題，依次對(duì)應(yīng)有流土破壞、管涌破壞、脫坡破壞等，同時(shí)對(duì)應(yīng)的加固方案也有許多種，例如：復(fù)合土工膜、透水戧臺(tái)和心墻治理流土破壞、反濾圍井及和濾鋪蓋治理管涌、固腳阻滑和濾水土撐治理脫坡等，因此亟需技術(shù)性評(píng)價(jià)并選出合適的方案，但是大多數(shù)停留在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面[2]。

針對(duì)鄱陽(yáng)湖重點(diǎn)圩堤工程存在諸多的安全隱患問(wèn)題，需要對(duì)每個(gè)安全隱患問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的出險(xiǎn)形式進(jìn)行判別，及時(shí)了解潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)與演化機(jī)制，最終采取防洪圩堤出險(xiǎn)加固措施，保護(hù)湖區(qū)百姓生民財(cái)產(chǎn)安全。

1 防洪圩堤壩潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)

1.1 防洪圩堤險(xiǎn)情形式分析

防洪圩堤防洪后，堤后坡或堤腳附近的表層土壤潮濕、柔軟、漏水，稱(chēng)為滲水險(xiǎn)情。出險(xiǎn)情況較為輕微時(shí)應(yīng)由圩堤工程管理人員進(jìn)行觀測(cè)，嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)采取出險(xiǎn)加固措施，以防危害圩區(qū)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。滲水險(xiǎn)情的嚴(yán)重程度可以從滲流量、逸出點(diǎn)高程和出水渾濁程度等三個(gè)方面加以判別：

①當(dāng)防洪圩堤下游坡嚴(yán)重滲水或開(kāi)始沖刷壩體時(shí)，滲水混濁含有泥沙石等附著物，說(shuō)明危險(xiǎn)正在惡化，必須及時(shí)處理，防止危險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。

②滲水為清水，但逸出點(diǎn)高（粘土堤不得高于堤坡的1/3，沙土一般不允許在堤體上滲水）。回水邊坡容易發(fā)生滑坡、漏洞、天坑，應(yīng)及時(shí)處理。

③由于防洪圩堤的洪水浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致防洪圩堤下游邊坡滲水。滲水逸出點(diǎn)位于防汛堤下游坡腳處，為少量清水，經(jīng)觀測(cè)無(wú)發(fā)展，可通過(guò)觀測(cè)予以加強(qiáng)。

1.2 防洪圩堤險(xiǎn)潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)

1.2.1 流土破壞

流土破壞[4]通常主要發(fā)生在壩下游滲流出口無(wú)反濾保護(hù)或反濾措施失效的情況下。工程經(jīng)驗(yàn)表明，流土的出險(xiǎn)點(diǎn)常發(fā)生在防洪圩堤下游坡滲流逸出處加固保護(hù)情況下，防洪圩堤表現(xiàn)為堤身表層為滲透系數(shù)?。╧1）的黏性土層，堤基為滲透性大（k2）的非黏性土層，且k1＜＜k2。在自上而下的滲流逸出處，任何土，包括黏性土或者黏性土，只要滿足滲透坡降i 大于臨界水力坡降icr這一水力條件，會(huì)出現(xiàn)流土破壞。

1.2.2 管涌破壞

具有一定逸出坡降的細(xì)顆粒在滲流作用下開(kāi)始土壤的孔隙間運(yùn)動(dòng)并發(fā)現(xiàn)在土體外側(cè)的現(xiàn)象，稱(chēng)為管涌[5]。對(duì)于兩者都是黏性土，因存在粘結(jié)力的緣故，滲流不會(huì)將個(gè)別土體顆粒帶走。因此，不會(huì)產(chǎn)生管涌。汛期水位較高時(shí)，土壤中的細(xì)粒滲出，落在孔口周?chē)?，形成砂環(huán)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管涌險(xiǎn)情后應(yīng)及時(shí)采取出險(xiǎn)加固措施。土是否士發(fā)生管涌，首先取決于土的性質(zhì)。一般黏性土（分散土除外）只會(huì)發(fā)生流土破壞，不會(huì)發(fā)生管涌破壞，故屬于非管涌土。

1.2.3 脫坡破壞

防洪圩堤滑坡又稱(chēng)脫坡，通常是由水沖刷、內(nèi)部滲水或上部壓載引起的?；掳l(fā)生后，路堤段變窄，水的滲徑變短，容易引發(fā)其他危險(xiǎn)情況。在發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況后，應(yīng)查明原因，及時(shí)進(jìn)行救援。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（（GB 50286-2013））及鄱陽(yáng)湖區(qū)重點(diǎn)防洪圩堤為5 級(jí)堤防，可得防洪圩堤邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)，其安全系數(shù)不應(yīng)小于表1 的規(guī)定。

表1 防洪圩堤邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)

其中：正常運(yùn)行為設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期或不穩(wěn)定滲流期的背水堤坡；非正常運(yùn)行條件Ⅰ是施工期的臨水、背水側(cè)堤坡；非正常運(yùn)行條件Ⅱ是多年平均水位時(shí)遭遇地震，其他稀遇的水、背水側(cè)堤坡。

1.3 管涌預(yù)測(cè)理論模型

管涌破壞會(huì)將地層中粉細(xì)砂涌出地表，使得地層松散、強(qiáng)度降低、透水性增大，更嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起防洪圩堤或地面凹陷，嚴(yán)重影響防洪圩堤的防洪安全。因此，探明管涌在堤基地層中的影響范圍及深度是汛期后提高防滲加固效果的必要條件。

以鄱陽(yáng)湖某防洪圩堤為例，期斷面如圖1 所示，堤基上部砂壤土為弱透水層，其厚度為T(mén)r，滲透系數(shù)為Kr，其下部為強(qiáng)透水層，厚度為T(mén)q，滲透系數(shù)為Kq，上游河水滲入堤基并在防洪圩堤下游CE 段出逸。

圖1 某防洪圩堤斷面圖

設(shè)防洪圩堤上下游堤基段覆蓋層長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2，為了方便分析，將其分別轉(zhuǎn)化為等效不透水層L1e和L2e，即堤基弱透水層在B-B 及C-C 斷面上的滲流量和水頭損失相同，由本奈特公式計(jì)算得：

式中：△hx=hx-Hx

根據(jù)式（2）求得堤基覆蓋層得滲流水頭hx后即可計(jì)算各點(diǎn)滲流逸出坡降：

令i=ikp（覆蓋層土的臨界坡降）；△HCC=HCC-Hx，則有：

此管涌預(yù)測(cè)模型就建立成功，便可預(yù)測(cè)管涌發(fā)生范圍，且適用于任意kq/kr的情況，求出xkp后，可作如下預(yù)測(cè)：

①xkp<0，整個(gè)CE 段均不會(huì)有發(fā)生管涌的可能性；

②0

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在都已經(jīng)確定了該通道在分子通信中的作用。斯普金斯的團(tuán)隊(duì)在特定的癌細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)了一種受體，它可以引導(dǎo)癌細(xì)胞到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并很有可能成為治療目標(biāo)。赫利森和她的同事們發(fā)現(xiàn)這些通道也有免疫功能。斯普金斯和赫利森的研究結(jié)果分別發(fā)表在7月的《自然》和8月的《自然-神經(jīng)科學(xué)》上，它們?yōu)檠芯亢椭委煱ò┌Y、多發(fā)性硬化和阿爾茨海默氏癥在內(nèi)的腦部疾病開(kāi)辟了道路。

③xkp>L2，整個(gè)CE 段均會(huì)發(fā)生管涌。

2 防洪圩堤壩除險(xiǎn)加固治理措施

鄱陽(yáng)湖防洪圩堤沿江河而筑，堤身土質(zhì)主要由（粉質(zhì)）粘土、壤土、砂壤土組成，部分堤段夾薄層粉細(xì)砂組成，堤基砂性土堤段，因受雨季汛期水流長(zhǎng)期沖刷以及庫(kù)水位變動(dòng)作用易形成流土、管涌及脫坡破壞現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)庫(kù)水位升降耦合降雨作用出險(xiǎn)特征確定出四種典型工況出險(xiǎn)形式，因滲流破壞對(duì)防洪圩堤危險(xiǎn)很大，研究防洪圩堤滲流破壞除險(xiǎn)加固措施對(duì)確保鄱陽(yáng)湖防洪圩堤安全度汛具有重要意義。

2.1 流土除險(xiǎn)加固方案

防洪圩堤壩體常見(jiàn)的流土破壞治理措施有心墻、斜墻等。壩基防滲措施通常按布置形式不同分為水平和垂直防滲兩類(lèi)[6]，實(shí)質(zhì)上是擴(kuò)大了土石壩的滲透直徑，使其滲透坡降不超過(guò)允許的滲透坡降，維持防洪圩堤的滲流穩(wěn)定性。水平滲流措施主要是上游水平滲流地段覆蓋防滲物；豎向防滲措施包括混凝土、泥漿防滲墻等。然而，僅靠防滲措施往往不經(jīng)濟(jì)，也不可能完全切斷壩基滲水。

因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆罎B措施和滲透措施相結(jié)合，以保持土石壩的滲透穩(wěn)定性。本節(jié)主要從土工膜、斜墻、透水后戧及心墻來(lái)比選最優(yōu)“上堵下排”措施組合，在滿足工程安全性的要求下，盡可能使得采用的防滲措施經(jīng)濟(jì)合理可行。

2.1.1 土工膜設(shè)計(jì)

復(fù)合土工膜廣泛應(yīng)用于圩堤段上游坡面防滲，具有抗變形能力強(qiáng)，抗?jié)B性能好的等優(yōu)點(diǎn)[7]。根據(jù)《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[8]可知采用抗老化土工膜及復(fù)合土工膜，膜厚度不小于1.5mm，膜應(yīng)固定于圩堤上游坡面。為了定量分析在防洪圩堤中應(yīng)用復(fù)合土工膜可行性，在上游坡設(shè)復(fù)合土工膜，運(yùn)用滲流計(jì)算的水力學(xué)法對(duì)防洪圩堤自由面和滲流量進(jìn)行計(jì)算分析。如圖2 所示，假設(shè)防洪圩堤上游壩面上加復(fù)合土工膜作為其防滲體，此時(shí)計(jì)算滲徑長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)考慮壩體上游對(duì)計(jì)算滲徑的影響，滲徑延長(zhǎng)應(yīng)按等效矩形的水平長(zhǎng)度：

圖2 上游坡面加復(fù)合土工膜的防洪圩堤滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中，he為等效矩形的高度；m1為上游坡坡率。

按照滲流計(jì)算的水力學(xué)法，可通過(guò)以下公式進(jìn)行復(fù)合土工膜土石壩的滲流計(jì)算，該復(fù)合土工膜的滲流量qt以及下游壩體滲流量qx分別為：

式中：H1為上游水位；a0為滲流逸出面高度；Ke為復(fù)合土工膜的滲流系數(shù)；Kd為層狀壩體土料的等效滲透系數(shù)；m1為上游坡坡率；δe為復(fù)合土工膜厚度；L 為壩體底面寬度；△L 為等效虛擬矩形水平長(zhǎng)度。

將公式（5）代入上式，得到：

按照水力學(xué)連續(xù)性原理，通過(guò)下游壩體的滲流量qx應(yīng)等于復(fù)合土工膜的滲流量qt與降雨入滲滲流量qw之和，迭代計(jì)算可求出a0、qt及he，進(jìn)而根據(jù)上游坡坡率關(guān)系求得上游坡應(yīng)鋪設(shè)土工膜的最佳長(zhǎng)度。

2.1.2 透水后戧臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于透水后戧臺(tái)而言，由《防洪圩堤搶險(xiǎn)規(guī)范》可得，圩堤壩坡滲水嚴(yán)重，但圩區(qū)旁砂土物料豐富，施工機(jī)具便于開(kāi)展，可在下游坡?lián)屩?，搶筑時(shí)應(yīng)提前清除地表雜物，避免污染物料。防洪圩堤的逸出高程為12.7m，戧頂一般高出浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)0.5～1m、頂寬2～4m，戧坡1∶3～1∶5，長(zhǎng)度超過(guò)滲水堤段兩端各5m，以便達(dá)到流土破壞搶險(xiǎn)的目的[9]。

2.1.3 瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì)

碾壓式直型心墻設(shè)計(jì)具有適宜機(jī)械化施工、防滲面積小、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)[10]，本工程亦采用這種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（SLJ01--2010）[11]規(guī)定：瀝青混凝土心墻的最大厚度一般為壩高的1/60～1/100，墻頂最小厚度一般不小于30cm，高壩不小于50cm。

2.2 管涌除險(xiǎn)加固方案

當(dāng)圩堤發(fā)生管涌時(shí)，由于水深和入滲點(diǎn)的分散，導(dǎo)致難以檢查和堵塞，一般而言堤體背水坡腳附近普遍存在危險(xiǎn)，采用反過(guò)濾滲透，控制沙，留下出路滲漏，不僅可以使細(xì)砂、粘土顆粒不再滲漏地面，還可以降低滲水壓力，使危險(xiǎn)盡可能避免。一般的搶護(hù)措施有反濾鋪蓋、反濾圍井、減壓圍井及水下管涌強(qiáng)護(hù)。

2.2.1 反濾鋪蓋設(shè)計(jì)

當(dāng)有大面積噴涌時(shí)，若反濾料來(lái)源充足，可采用反濾鋪蓋進(jìn)行保護(hù)。即在管涌范圍內(nèi)，采用具有良好滲透性的反濾料，可有效避免地基土體顆粒流失。因管涌涌出地表土層的性質(zhì)，防洪圩堤將考慮細(xì)砂層（含細(xì)砂層）以下四層土以及其上部的砂壤土層，基于此，滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖包括堤身及堤基，詳見(jiàn)圖3 所示。

圖3 反濾鋪蓋厚度計(jì)算

按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）附錄A 中計(jì)算防洪圩堤下游坡各點(diǎn)的反濾鋪蓋厚度：

式中：ti——i 處鋪蓋厚度/（m）；hi——根據(jù)滲流計(jì)算得的i 處的表層弱透水層承壓水頭/（m）；Gs——表層弱透水層土粒比重；n——表層弱透水層土粒的孔隙率；Tr——表層弱透水層厚度/（m）；ρ——鋪蓋土石料的密度/（kg/m3）；ρw——水的密度/（kg/m3）；K——鋪蓋安全系數(shù)，當(dāng)強(qiáng)透水層可能出現(xiàn)的破壞形式為管涌時(shí)，K 可取1.5，當(dāng)強(qiáng)透水層可能出現(xiàn)的破壞形式為流土?xí)r，可取2.0。

結(jié)合鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪圩堤工程管理范圍和滲流計(jì)算成果表明出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情堤段，填塘后再作壓蓋處理，壓蓋厚1.5m，壓浸臺(tái)末端外邊坡為1∶2，所用土料采用砂質(zhì)土料。

2.2.2 反濾圍井設(shè)計(jì)

適用于單個(gè)管涌，設(shè)置前應(yīng)先清除地表面雜物并將軟泥挖出至10～20cm，用防汛土袋錯(cuò)縫圍成井狀，井內(nèi)分層鋪設(shè)反濾料，從上到下層依次設(shè)置為粗砂、小石子、大石子，每層厚20～40cm，并在反濾層頂面設(shè)置排水管。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪圩堤面臨的安全挑戰(zhàn)，深入分析了防洪圩堤的潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相應(yīng)的除險(xiǎn)加固治理措施。研究結(jié)果表明，流土、管涌和脫坡是防洪圩堤的主要潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)，需要通過(guò)技術(shù)評(píng)價(jià)選擇合適的加固措施。在此基礎(chǔ)上，本文深入探討了流土除險(xiǎn)加固理論，并比較了不同加固措施的經(jīng)濟(jì)性和可行性。此外，本文還提出了管涌預(yù)測(cè)理論模型，以指導(dǎo)汛期后的防滲加固工作，提高防洪圩堤的防洪安全。

總體而言，本研究為鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪圩堤的安全保障提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步關(guān)注加固措施的實(shí)際應(yīng)用效果，以及如何在保證安全性的同時(shí)，提高加固措施的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。