洞庭湖典型多元結構地層垸堤減壓井滲控效果研究

摘要：針對減壓井技術在洞庭湖區(qū)尤其是多元結構地層中適用性的研究較為匱乏的問題，以洞庭湖重點垸堤防加固工程為背景，對長春垸二元結構及多元結構堤基的堤防滲流安全開展模擬分析，系統(tǒng)評價防滲墻與減壓井在不同地層結構形式下的堤防滲流安全，對比研究減壓井在不同結構地層中應用效果的差異，驗證減壓井對于湖區(qū)多元結構地層的適配能力。結果表明：在洞庭湖區(qū)二元結構地層應用減壓井時，單井排水量較大，減壓效果顯著；多元結構地層中效果雖不及在二元結構地層中顯著，但仍能有效消減堤內(nèi)承壓水，保障堤防滲流安全。研究成果可為洞庭湖重點垸堤防加固工程的滲控設計提供參考。

關鍵詞：洞庭湖區(qū)堤防； 減壓井； 二元結構地層； 多元結構地層

中圖法分類號：TV223.4""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.010

文章編號：1006-0081（2024）08-0065-07

0 引 言

洞庭湖是長江中下游重要的調(diào)蓄湖泊，擔負著長江干流的分流分沙和洪水調(diào)蓄任務，在長江中游歷次大洪水中，荊江洞庭湖區(qū)堤岸險情頻發(fā)，災情也最為嚴重［1-2］。滲透破壞以及與滲流有關的問題是造成堤防在洪水期間出現(xiàn)險情的主要原因［3］。在洞庭湖區(qū)歷次堤防險情中，滲透破壞問題占比超50%［4］，在2020年汛期，管涌、散浸等滲流類型的險情占比更達到了73.2%。因此，對堤防滲流進行合理控制，是保障汛期湖區(qū)垸堤安全的重中之重［5］。

堤防滲流控制的工程措施可分為3類：①" 水平吹填壓蓋措施工程量較大，且占用大量土地；②" 垂直防滲墻費用高，且有時難以形成封閉，對消除管涌隱患作用有限；③ 利用減壓井技術控制堤壩基礎滲流，具有造價低、靈活性大、占地少、對環(huán)境影響較小等特點，在長江流域堤防工程中得到了廣泛應用［6］。

大量工程實踐表明：減壓井應用于上部為薄弱透水層、下部為深厚砂卵石層的典型二元結構堤基時，滲流控制效果非常顯著［7-8］。徐文兵等［9］對北江大堤的瞬態(tài)滲流開展數(shù)值模擬，對比了在不同貫入深度條件下的減壓井排水減壓效果，設計并優(yōu)化了防滲方案。張偉等［10］針對可拆換式減壓井技術在長江干堤整險工程中的應用開展了系統(tǒng)工作，其中荊南長江干堤減壓井已運行超20 a，歷經(jīng)多次洪水考驗，證明了新型可拆換式減壓井技術在長江干流應用的有效性。

但是，長期以來，針對洞庭湖區(qū)，特別是多元結構地層之上的垸堤，采用減壓井技術能否有效進行滲流控制，從而大幅降低堤防滲透破壞險情的發(fā)生概率的研究仍較為匱乏，亟待進一步探索。本文以洞庭湖重點垸堤防加固工程為背景，針對長春垸二元結構地層和多元結構地層上的堤防開展?jié)B流分析，對防滲墻與減壓井聯(lián)合作用下的堤防滲流安全進行分析評價，對比分析減壓井在不同結構地層中應用效果的差異性，研究減壓井技術對于多元結構地層的適配能力。本文可為洞庭湖重點垸堤防加固及類似工程的滲控設計提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

長春垸三面環(huán)水，南以資水為界，東臨甘溪港河及萬子湖，北靠東南湖（位置見圖1）。其中，堤垸西北部（木梓潭）位于常德市漢壽縣，東北部位于沅江市，南部屬益陽市資陽區(qū)管轄。區(qū)內(nèi)地層變化不明顯，除烈公橋附近見有板巖及變質(zhì)砂巖出露外，其他地段均為深厚的第四系河湖相松散堆積層覆蓋。

長春垸堤防范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散堆積層中的孔隙水，一般上部為孔隙潛水，下部為孔隙承壓水。地下水接受大氣降水和河湖水補給，一般排泄于河谷與湖盆。根據(jù)鉆孔觀測成果，地下水動態(tài)季節(jié)性變化明顯，受外河水位影響較大。在歷次地勘工作中，對堤垸堤基各土層進行了現(xiàn)場測試與試驗工作，歷次勘探做注水試驗136段，試驗成果見表1。

本研究分別選取了長春垸典型的二元結構堤基和多元結構堤基作為研究對象，兩堤段附近在過去10 a內(nèi)均曾發(fā)生管涌險情。

其中32+509堤段為二元堤基結構，上覆覆蓋層較薄，厚度僅5.83 m。堤內(nèi)地面高程與外江防洪設計水位相差較大，水位差達7.42 m，堤段滲流安全風險較高，易發(fā)生滲透破壞險情。32+509段堤基地質(zhì)結構簡單，表部為粉質(zhì)黏土層，底部為粉細砂及砂礫石層，厚度＞30 m（地層剖面見圖2）。

長春垸47+000堤段作為典型的多元互層堤基結構，上覆覆蓋層較薄，厚度僅4.44 m。堤段滲流安全風險較高，易出現(xiàn)管涌等滲透破壞險情。本文將針對該段堤防的滲控措施設計進行分析評估，對比研究多元結構堤基條件下的減壓井滲控效果。堤段上部堤基土為全新統(tǒng)沖湖積堆積（Qal+l4）、灰褐色淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)壤土等，中部為上更新統(tǒng)（Qal3）粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)壤土及粉細砂，底部為砂礫石，厚度大于8 m（地層剖面見圖3）。

2 洞庭湖二元結構堤基減壓井滲控效果研究

2.1 三維滲流模型構建

研究模型區(qū)域以長春垸32+509斷面為中心，沿堤防軸線方向向兩側各延伸60 m；垂直于堤防方向以堤頂為中心，上游取至200 m處，下游取至400 m處。滲流計算模型頂高程為地面，底高程取至-10 m砂礫石，為隔水邊界。模型中堤防上游設置為給定水頭邊界，假設強透水層在江中出露，取該段堤防防洪設計水位35.27 m，下游邊界設置為出逸邊界。整體三維滲流模型概化為各向同性三維穩(wěn)定流。

針對巖土滲流的連續(xù)多孔介質(zhì)的三維飽和穩(wěn)定滲流場方程為

-xikijhxj+Q=0（1）

式中：xi為坐標，i=1，2，3；

kij為二階對稱的滲透張量，描述巖體的滲透各向異性；

h=x3+p/γ為總水頭，x3為位置水頭，p/γ為壓力水頭；

Q為滲流域中的源或匯項。

采用有限元方法進行數(shù)值計算，三維滲流模型頂高程為地面，底高程取至-10 m高程，在減壓井和防滲墻位置增加網(wǎng)格密度以提高計算精度。模擬域共剖分有限單元495 432個，節(jié)點269 230個。模擬區(qū)域剖分見圖4，地層概化示意見圖5。

模型地層參數(shù)主要依據(jù)設計單位的可行性研究報告成果并參照類似工程經(jīng)驗，將模擬域地層概化為非均質(zhì)各向同性，根據(jù)不同巖性和水文地質(zhì)條件對參數(shù)進行分區(qū)。模型采用的計算參數(shù)根據(jù)表1展示的注水試驗結果進行概化，參數(shù)取值見表2。

2.2 計算方案及成果分析

滲流計算方案見表3。其中，F(xiàn)1方案模擬設計洪水位條件下不設防滲墻和減壓井時天然狀態(tài)下地下水流場分布，主要用于評估極端條件下的圩垸滲流安全。F2方案模擬設計洪水位條件下建設防滲墻但無減壓井時滲流場分布特征，用于闡明防滲墻對堤防滲流場的控制作用。F3方案模擬建設防滲墻且布設減壓井的情景，減壓井間距為20 m。F4方案在F3基礎上將井間距拉大至30 m，分析其是否滿足滲流安全要求。各方案計算得到的最大出逸比降變化見圖6，剖面滲流場分布見圖7。

比降滿足要求。因此，洞庭湖堤防典型的二元結構堤段宜采用減壓井消減汛期堤內(nèi)承壓水，降低滲透破壞的風險。采用防滲墻+減壓井的方式安全余度更大，有助于維護洞庭湖垸堤的長期滲流安全。

3 洞庭湖多元結構堤基減壓井滲控效果研究

3.1 三維滲流模型構建

研究區(qū)域以長春垸47+000斷面為中心，滲流計算模型頂高程為地面，模型底高程取至-20 m。外江水位取防洪設計水位33.88 m。

三維滲流模型坐標系以垂直堤軸線指向河床為x軸正向，沿堤軸線順河向為y軸正向，z軸為高程。采用8結點超單元剖分的方式將模擬范圍進行有限元網(wǎng)格剖分，同時為了保證模型計算精度，盡量控制每個網(wǎng)格大小相近。模擬區(qū)域在垂向上共分為7層，在防滲墻、減壓井位置增加了網(wǎng)格數(shù)以過渡計算網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分及地層概化情況見圖8。

模型將模擬域地層概化為非均質(zhì)各向同性，根據(jù)不同巖性和水文地質(zhì)條件對參數(shù)進行分區(qū)，各區(qū)參數(shù)取值見表2。

3.2 計算方案及成果分析

滲流計算方案見表4。各方案計算得到的最大出逸比降變化見圖9，剖面滲流場分布見圖10。

從計算結果可以看出，在無墻無井的天然狀態(tài)下，堤防下游最大垂直滲透比降為0.43，超過了地表淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的允許比降0.40，有發(fā)生滲透破壞的可能性。在建設防滲墻后最大滲透比降降至0.40，仍接近于地表地層的允許比降。當F3方案建設間距為20 m的減壓井后，兩井間的斷面的最大滲透比降降至0.06，減壓井流量為13.36 m3/h，減壓效果顯著。當減壓井間距加大至30 m時，堤防下游滲透比降小幅提升至0.07，仍在安全范圍內(nèi)，此時流量增至18.08 m3/h。

對比F1～F4方案的計算結果可知，在洞庭湖區(qū)典型的多元結構地層，當上覆覆蓋層較薄且下伏較厚的強透水層時，也會存在出現(xiàn)滲透破壞的可能性。僅采用懸掛式防滲墻，同樣難以使堤后的滲透比降滿足要求。從F3和F4方案的計算結果看，減壓井技術同樣適用洞庭湖區(qū)的多元結構地層。

3.3 減壓井在多元結構地層與二元結構地層中應用的效果差異

綜合對比47+000堤段和32+509堤段的數(shù)值計算結果，可以看出多元結構堤基與二元結構堤基滲流狀態(tài)的不同和減壓井應用效果的差異。

兩個典型堤段在透水層之上的覆蓋層均較薄，32+509段的覆蓋層為5.83 m，47+000段的覆蓋層厚度僅為4.44 m。但是，在二元結構地層中，由于砂礫石等強透水層距地表距離更小，因此天然狀態(tài)下的出逸比降更大。在不采取工程措施的條件下，當?shù)掏獬霈F(xiàn)防洪設計水位時，堤內(nèi)的最大出逸比降大于1，遠超地表粉質(zhì)黏土層的允許比降，出現(xiàn)險情的概率較大。47+000段是多元結構地層，雖然粉細砂層作為透水層距地表較近，但其滲透能力有限，主要的強透水層距地表10 m以上。在汛期的天然狀態(tài)下滲透比降略超過地表的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，存在一定的滲流安全風險。

在減壓井的應用效果方面，在32+509段建設懸掛式防滲墻加井間距為20 m的減壓井群后，單井出水量超過30 m3/h，地表最大出逸比降相比于僅建設防滲墻的方案下降了98.4%?？梢钥闯?，在二元結構地層中使用減壓井，排水減壓效果十分顯著。

在47+000段建設井間距為20 m的減壓井群后，單井出水量為13.36 m3/h，地表最大出逸比降相比于僅建設防滲墻的方案下降了85%，下降幅度雖不及32+509段，但排水減壓效果仍較為明顯。

綜合來看，在洞庭湖區(qū)多元結構地層中應用減壓井的效果雖不如二元結構地層，但仍能起到較強的滲流控制作用，在湖區(qū)垸堤廣泛存在滲透破壞風險的背景下，使用減壓井能大幅減小堤內(nèi)的水頭壓力，降低管涌、流土等險情的風險。目前濾芯可拆換式減壓井在洞庭湖區(qū)尚未出現(xiàn)成規(guī)模的體系應用，該技術具有占地小、經(jīng)濟安全等優(yōu)點，濾芯可清洗或拆換可大幅延長減壓井服役壽命，若其應用成功，可以有效解決洞庭湖區(qū)堤防管涌險情隱患問題。

4 結 論

本研究主要采用數(shù)值計算的方法對減壓井在洞庭湖長春垸二元及多元結構地層中的應用效果問題展開系統(tǒng)分析。基于三維滲流計算，對于天然狀態(tài)、有防滲墻無減壓井狀態(tài)及不同減壓井間距條件下的堤防滲流安全和減壓井出水量進行對比研究，得到了如下結論。

（1） 在天然條件下長春垸32+509段和47+000段堤防汛期遭遇防洪設計水位時，堤內(nèi)均存在一定的滲流安全風險，有必要采用懸掛式防滲墻加減壓井的聯(lián)合措施保障堤防安全。

（2） 在洞庭湖二元結構堤基的堤段使用減壓井技術，減壓效果十分顯著，能夠大幅降低堤后滲透比降，消除堤內(nèi)管涌險情隱患。

（3） 在洞庭湖多元結構地層中使用減壓井技術，其效果雖不及在二元結構地層中顯著，但仍能有效釋放堤后水頭壓力，保障堤防圩垸的滲流安全。

（4） 本文減壓井單井出水量是極端工況下的模擬結果，其受模型邊界和地層透水性影響敏感。該模型中假設砂卵石強透水層在江中出露且砂卵石層均按最大滲透性；若外江深泓未至強透水層或砂卵石層沿深度方向滲透性有差異，單井出水量可能會有較大不同。

（5） 堤內(nèi)地層滲透性在順堤及深度方向的差異性可能直接影響減壓井實際應用效果，因此，減壓井設計中應根據(jù)實際地質(zhì)條件變化適當調(diào)整參數(shù)，也可根據(jù)已實施堤段的實際地勘及監(jiān)測結果，對模型進行率定后，作為類似堤段的減壓井設計依據(jù)。

參考文獻：

［1］ 黃艷.長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案的實踐與思考——2020年防洪調(diào)度 ［J］.人民長江，2020，51 （12）：116-128，134.

［2］ 夏軍，陳進，王綱勝，等.從2020年長江上游洪水看流域防洪對策 ［J］.地球科學進展，2021，36 （1）：1-8.

［3］ 周曉杰.堤防的滲透變形及其發(fā)展的研究［D］.北京：清華大學，2006.

［4］ 周永強，向新顏.洞庭湖區(qū)堤防特大管涌應急搶護案例分析與思考 ［J］.湖南水利水電，2022（4）：19-21，25.

［5］ 姜祥德.洞庭湖區(qū)典型江段管涌除險與防治調(diào)查和分析研究［D］.長沙：長沙理工大學，2020.

［6］ 張偉，許繼軍，吳昌瑜.可拆換過濾器減壓井的應用研究 ［J］.人民長江，2009，40（3）：81-83.

［7］ 吳昌瑜，張偉，李思慎，等.減壓井機械淤堵機制與防治方法試驗研究 ［J］.巖土力學，2009，30（10）：3181-3187.

［8］ 崔皓東，陸齊，陳勁松，等.長江干堤典型管涌險情成因分析及對策研究 ［J］.水利水電快報，2021，42（1）：54-58.

［9］ 徐文兵，姚清河，王生，等.北江大堤的瞬態(tài)滲流分析與減壓井防滲效果模擬 ［J］.中山大學學報（自然科學版），2019，58（6）：97-103.

［10］ "張偉，朱國勝.過濾器可拆換式減壓井實用手冊［M］.武漢：長江出版社，2014.

編輯：高小雲(yún)

Study on seepage control effect of relief wells in typical embankment section of Dongting Lake with multivariate structural strata

WANG Daoyong1，CUI Haodong2，TANG Yao1，F(xiàn)AN Yue2

（1.Hunan Water Resources Hydropower Survey，Design，Planning and Research Co.，Ltd.，Changsha 410002，China；

2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In response to the lack of research on the applicability of relief well technology in the Dongting Lake area，especially in the multivariate structural strata，we took the key embankment reinforcement project of Dongting Lake as the background，conducted simulation analysis on the seepage safety of Changchun embankment′s binary structure and multivariate structural embankment foundation，systematically evaluated the seepage safety of anti-seepage walls and relief wells in different geological structure forms，compared and studied the differences in the application effect of relief wells in different structural strata，and verified the adaptability of relief wells to multivariate structural strata in the lake area. The results showed that when applying relief wells in the dual structure strata of Dongting Lake area，the single well drainage was large and the pressure relief effect was significant. Although the effectiveness of its use in multivariate structure formations was not as significant as in binary structure formations，it could still effectively reduce the pressure of confined water inside the embankment and ensure the safety of seepage in the embankment. The research results can provide a reference for the seepage control design of key embankment reinforcement projects in Dongting Lake.

Key words：

Dongting Lake area levee； relief well； dual structure strata； multivariate structural strata

作者簡介：王導勇，男，高級工程師，主要從事水利水電工程設計與研究工作。E-mail：34075490@qq.com

通信作者：崔皓東，男，正高級工程師，博士，主要從事防洪減災、水工滲流及地下水方面的研究工作。E-mail：Seep3d@qq.com

引用格式：王導勇，崔皓東，唐堯，等.洞庭湖典型多元結構地層垸堤減壓井滲控效果研究［J］.水利水電快報，2024，45（8）：65-71，95.