長江干堤廣興洲鎮(zhèn)段管涌現(xiàn)狀分析及防治方法研究

李常輝

(湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊，湖南 湘潭 411100)

1 引言

2012年7月初至8月中旬，受長江中上游4次洪水過程影響，長江防洪干堤廣興洲段局部又出現(xiàn)管涌地質(zhì)災(zāi)害，其中4處管涌地質(zhì)災(zāi)害較為明顯。當?shù)卣o急搶險，采取搶筑砂石圍井和擋水土壩等措施進行處險，管涌得以被控制。

近年來，汛期長江大堤的防汛任務(wù)仍十分繁重，其中管涌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率較高，防汛難度大，給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)等構(gòu)成巨大隱患。本次我隊承擔了岳陽市君山區(qū)1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查項目，其中長江大堤管涌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查是重要的內(nèi)容之一。本文作者作為此項目負責人，根據(jù)調(diào)查材料及研究成果，對管涌地質(zhì)災(zāi)害形成機制及防治方法有些新的認識。

2 概況

2.1 區(qū)域概況

廣興洲鎮(zhèn)位于君山區(qū)北部，北臨長江，總面積88.4萬平方公里，人口約4.38萬，耕地面積6.8萬畝，水域面積1萬畝。以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為主，是有名的魚米之鄉(xiāng)。長江防洪干堤廣興洲鎮(zhèn)段起始樁號33+774至51+012，共長17.238 km。

2.2 廣興洲段防洪干堤概況

2.2.1 防洪堤概況

長江干堤廣興洲鎮(zhèn)段外灘寬30～100 m，堤身為就近取土、多年不斷加高培厚加固而成，內(nèi)坡坡比1∶2.5～1∶2，外坡坡比1∶1.25～1∶1.5；地基基礎(chǔ)較軟弱，每逢汛期險情不斷。特別在1998年連續(xù)8次洪峰，水位高，持續(xù)時間長，干堤全線險象環(huán)生，汛后進行堤防加固處理，處理后堤頂寬8 m；堤身高度大于6 m的內(nèi)設(shè)寬6 m的壓滲平臺，外坡比1∶3，內(nèi)坡比1∶ 3.5，堤后為寬10 m、高2 m的防汛巡查線路。

2.2.2 巖土體特征

廣興洲鎮(zhèn)位于長江中下游河漫灘，大堤地基土層剖面屬二元結(jié)構(gòu)(圖1)。干堤上部分由河漫灘黏性土組成，具水平層理、顆粒細小均勻、高含水量特征。因地下水水位高、形成晚，土質(zhì)難以得到有效固結(jié)，具有軟土特點。根據(jù)工程性質(zhì)劃分為：淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土。黏性土表層呈現(xiàn)出周期性干濕循環(huán)，形成具有超固結(jié)形狀的硬殼層。河漫灘與河床之間存在一些黏性土、粉砂層過渡相，土質(zhì)非常不均勻。

圖1 管涌示意圖

干堤下部分則由河床相砂、卵石及砂礫石等粗碎屑類土組成，一般40～80 m，厚者可達220 m。經(jīng)分析，成分多為石英質(zhì)，卵石中含有燧石、石灰?guī)r以及變質(zhì)巖等。上述河床組成成分、級配、顆粒大小、形狀及排列等主要受水流速度、物源以及運距等因素影響。區(qū)段上游至下游，其粒徑逐漸變細。從地質(zhì)剖面分析，由上而下粒徑逐漸變粗，呈現(xiàn)出韻律層特點。這是因為砂層沉積過程中局部水力條件的變化，出現(xiàn)透鏡體與黏性土薄層。對河床現(xiàn)場沉積的粉細砂進行樣品分析，發(fā)現(xiàn)其細砂、粉粒以及粉細砂均存在抗?jié)B能力低下、級配不良及抗液化水平不高的特點。

干堤大部分處于長江Ⅰ級階地前緣，沉積環(huán)境受長江洪水影響，也受地形地貌及水文地質(zhì)條件的制約，松散的地層變化復(fù)雜。局部有單一黏性土或砂性土的單層結(jié)構(gòu)，大部分為漫灘河流階段沖積而成的雙層結(jié)構(gòu)，上部為2～5 m的黏性土，下部為厚層砂、礫、卵石層。

3 管涌現(xiàn)狀分析

3.1 管涌發(fā)育現(xiàn)狀

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及搜集資料，在1996年和1998年長江干堤廣興洲鎮(zhèn)段多處發(fā)生管涌，后經(jīng)過治理及對長江干堤加高、加固等工程，大部分管涌災(zāi)害得到了治理。經(jīng)過近幾年的巡查監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，局部仍有少量管涌災(zāi)害發(fā)生，其中2012年有多處管涌發(fā)生。通過本次調(diào)查，廣興洲鎮(zhèn)長江干堤仍然存在4處管涌：(1)長江干堤樁號42+000處距大堤約200 m的農(nóng)科六組韓某屋后魚池有直徑為10 cm的管涌點；(2)長江干堤樁號42+500處距大堤約350 m的四支渠內(nèi)、塊石護坡的坡邊上，有3處管涌點，其中一處直徑為8 cm，另兩處直徑均為15 cm；(3)長江干堤樁號41+900處距大堤約400 m的農(nóng)科六組灌溉渠內(nèi)有2處管涌點，一處直徑約為60 cm，另一處直徑為30 cm，兩管涌點相距約80 cm；(4)長江干堤樁號41+800處距大堤約400 m的農(nóng)科六組某魚池有直徑15 cm的管涌點。

3.2 水力聯(lián)系及管涌的形成條件

本區(qū)所在位置屬于長江中下游河漫灘，上部分黏性土中的上層滯水由降水與地表水補給，黏性土滲透系數(shù)小、含水量小。砂礫石層中潛水與長江水體水力聯(lián)系密切，汛期由長江水體補給地下水，枯水期由河漫灘對河水進行補給。因此河漫灘地下水位會隨長江水位的變化而變化，但變化動態(tài)在長江水位變化之后。

由于長江中下游河漫灘地下水變化動態(tài)在江水變化之后，使岸坡受到機械潛蝕作用。當土體不均勻系數(shù)大于10、水力坡度超出臨界水力坡度，細顆粒將被沖走，土體結(jié)構(gòu)將受損。汛期，地表黏性土覆蓋下的砂礫石層中的地下水具有承壓性，在多次滲透壓力作用環(huán)境下，土體中的細顆粒被帶出，經(jīng)支管狀通道，出現(xiàn)噴砂現(xiàn)象。骨架顆粒被沖走，使得土堤發(fā)生了破壞(如圖1)。

廣興洲鎮(zhèn)長江堤防工程多建于軟土地基環(huán)境，堤身是土體結(jié)構(gòu)，地質(zhì)環(huán)境為第四系河流相沉積區(qū)。堤基土層結(jié)構(gòu)為單透水層地基和雙透水層地基兩種類型。地下水有孔隙承壓水和潛水，與地表水體(江、渠)水力聯(lián)系密切。由于堤基強透水層(砂礫石層、礫卵石層)的作用，堤壩內(nèi)近1 km的廣闊區(qū)域均受到滲透壓力的影響。隨著洪水位不斷上漲，滲透壓力逐漸增大，地表土結(jié)構(gòu)在滲透壓力作用下遭受不同程度的破壞，從而在局部逐漸形成不同大小的管涌。

3.3 典型管涌發(fā)育特征

根據(jù)我隊現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪、鉆探工程揭露，廣興洲鎮(zhèn)聯(lián)合村管涌區(qū)堤基土為典型的二元結(jié)構(gòu)，上層為透水性相對較弱的粉土，下部為透水性較強的細砂層，且與長江水體相通(圖2)。堤外水位較高時，強透水層的滲透水體水頭損失較小，堤內(nèi)側(cè)1 km區(qū)域表土層底部承受較大的水壓力，一旦沖破粉土層，粉砂在沒有反濾層保護下流出，造成管涌或流土現(xiàn)象。

圖2 管涌勘查工程地質(zhì)剖面示意圖

管涌區(qū)域自上而下分布的地層為：人工填土(Q4ml，滲透系數(shù)約6.95×10-5cm/s，屬弱透水層)、粉質(zhì)黏土(Q4al，厚度2.1～4.0 m，滲透系數(shù)約2.59×10-6cm/s，屬微透水層)、粉土(Q4al，厚度2.7～6.9 m，滲透系數(shù)約為8.12×10-4cm/s，屬中等透水層)、細砂層(Q4al，厚度43.4～46.3 m，屬中等透水層)、礫砂層(Q4al，厚度1.4～1.2 m，屬強透水層)、二長花崗巖(ηγ53)。

3.4 管涌形成機制分析

3.4.1 宏觀地質(zhì)因素

根據(jù)鉆孔(ZK1)揭露，堤內(nèi)地表為粉土，屬中等透水層，厚度6.9 m，向堤外延伸逐漸被沖刷變薄；其下為細砂和礫砂，屬中-強透水層，厚度43.4 m，與河水連通，向堤內(nèi)延伸，有利于管涌的形成；礫砂下部為微透水的花崗巖層，相對隔水。發(fā)生管涌的位置位于距離鉆孔約500 m的水渠內(nèi)，水渠約2 m，表層粉質(zhì)黏土層及粉土層厚度和完整性遭到破壞，汛期高水位時，由于細砂層滲透水頭損失很小，表層粉質(zhì)黏土及粉土底部將承受較大水壓力。該壓力作用于粉土與粉質(zhì)黏土層，且無反濾層，粉砂隨著水流出，進而出現(xiàn)管涌。

3.4.2 透水層的結(jié)構(gòu)特性

區(qū)內(nèi)堤基土為多層結(jié)構(gòu)，中-強透水層分別為細砂、礫砂層，粒徑在0.5～0.075 mm的顆粒含量占50%以上，其與上部粉土層以及下部粉土層的滲透系數(shù)變化大，對滲透變形具有促進作用。

3.4.3 堤基水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性

區(qū)內(nèi)堤基水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征為多層結(jié)構(gòu)，堤內(nèi)分布有溝渠，由于蓋層被破壞，砂性土層裸露于地表，高水位時，堤內(nèi)、外形成水頭差，堤基滲流產(chǎn)生水力比降，將細顆粒攜帶出而發(fā)生管涌。

3.4.4 工程因素影響

在建房、修渠時破壞了天然黏性土覆蓋層，加之堤垸內(nèi)遍布民用搖泵井，這些都為管涌的發(fā)生提供了條件。

綜上所述，區(qū)內(nèi)堤基管涌是多種因素影響形成的。從理論上分析：只要堤防迎水側(cè)和背水側(cè)存在水頭差，就會產(chǎn)生水頭壓力，進而產(chǎn)生滲流現(xiàn)象。當這種滲透水流形成的動水壓力超過土體的抗?jié)B強度，且土體具有不利于滲透變形的結(jié)構(gòu)特性，加之適宜的地形地質(zhì)條件和工程因素的影響，就有可能產(chǎn)生管涌。

3.5 管涌穩(wěn)定性計算與分析評價

根據(jù)土層臨界水力比降、允許水力比降、實際水力比降綜合判定，并分析發(fā)展趨勢和危害程度，對管涌的滲透穩(wěn)定性進行綜合評價。

區(qū)內(nèi)地基土結(jié)構(gòu)為表層粉質(zhì)黏土及粉土，下部為細砂、砂礫和粉土，根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)計算分析如下：

(1)堤基土臨界水力比降采用太沙基公式計算：

Icr=(Gs-1)(1-n)

(1)

Gs為土粒比重，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)取平均值2.67；n為孔隙率，取經(jīng)驗值0.36；計算求得臨界水力比降Icr為1.069。

(2)堤基土允許水力比降計算公式：

[I]=Icr/K

(2)

依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，K為無黏性土的安全系數(shù)，宜取1.5～2.0，本次取2.0。

[I]=1.069/2.0=0.535

求得允許水力比降[I]為0.535。

(3)堤基土實際水力比降的確定。勘查區(qū)地基土為雙層結(jié)構(gòu)，土層厚度穩(wěn)定，透水性均一，堤后上升滲流段的平均水力比降(即出逸比降)計算式為：

(3)

式中：H1、H2為堤外、內(nèi)水位，m，分別取值為H1=37.09 m、H2=25 m；2b為堤底寬度，取值70 m；M1、M2為上、下土層厚度，m，分別取值為M1=6.9 m、M2=43.4 m；K1、K2為上、下土層滲透系數(shù)， m/d，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗值分別取值為K1=8.12×10-4cm/s、K2=5.38×10-3cm/s。

通過計算求得：

=0.49

堤基下水平滲流段的平均水力比降可按下式計算：

I水平=(H3-H4)/2b

(4)

式中：H3-H4為堤外、內(nèi)堤腳處測壓管水位差，m，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔水位推測，堤外、內(nèi)堤腳處測壓管水位差為0.5 m。

通過計算I水平=0.5/70=0.007。

允許最高洪水位：

(5)

式中I上平取允許水力比降[I]=0.535；Hmax=38.188 m；內(nèi)、外水位差H=Hmax-H2，H=13.188 m。

(4)堤基穩(wěn)定性分析評價。通過上述計算，采用歷年(1998年廣興洲段)最高洪水位37.09 m，計算得出堤后上升滲流段的平均水力比降(即出逸比降)為0.49，而確定的堤基土允許水力比降為0.535，實際水力比降約小于允許水力比降。因此現(xiàn)狀條件下，暫不會發(fā)生管涌，為滲透相對穩(wěn)定狀態(tài)；當河水位上升至一定高度(Hmax=38.188 m)，堤內(nèi)外水位差足夠大(H=13.188 m)且堤內(nèi)上部蓋層土厚度足夠小、伴有擾動破壞、浸泡時間足夠長時，較容易發(fā)生管涌或流土。

4 防治方法

本次調(diào)查結(jié)果分析得出：區(qū)內(nèi)管涌集中發(fā)生于5～8月期間，為強降雨階段時節(jié)，與降水、洪水位漲幅分布基本一致。管涌發(fā)生位置距離河堤有近有遠，最遠可達1 km；規(guī)模大小不一，冒水孔小的在1～2 cm，大的可在5 m 以上。

要對管涌采取有效的防治措施，需遵循既定規(guī)范標準施工與優(yōu)化控制原則，采取截、壓措施聯(lián)合，以延長管涌滲流通道路徑，進而改變堤防土層滲流狀態(tài)與穩(wěn)定性。結(jié)合巡防制度，確保管涌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生初期能迅速得到控制。

4.1 管涌險情判別

對管涌險情大小與嚴重程度分析，需將管涌口與堤腳的距離、管涌口直徑、涌水水頭、涌水量以及洞口擴展等情況相結(jié)合來判斷。

(1)如管涌出現(xiàn)在背水堤腳附近或距離較遠的坑塘洼地，應(yīng)根據(jù)與堤腳的距離遠近來判斷管涌的危害影響。經(jīng)驗證實，通常距堤腳水位差15倍距離范圍內(nèi)的管涌危害最大。(2)管涌發(fā)生點與堤腳距離較遠，但處于不斷發(fā)展狀態(tài)；如果管涌口徑、流量不斷增大，管涌口帶出的沙子越來越多且粒徑越大，則應(yīng)將其判斷為重大險情，應(yīng)及時搶護來達到預(yù)期。(3)管涌發(fā)生在農(nóng)田或洼地的，多以管涌群狀態(tài)發(fā)生。險情程度應(yīng)看管涌口內(nèi)是否存在沙粒跳動，如呈現(xiàn)出“煮稀飯”現(xiàn)象，且涌出的水多為清水，可以判斷管涌險情較穩(wěn)定，暫采取觀測處理。(4)管涌發(fā)生于坑塘中，水體帶沙、色渾，水面翻花鼓泡、水較深時看到冒泡(可潛水探摸，感知涼水涌出)，在洞口形成沙環(huán)，應(yīng)重視并采取措施。(5)河堤內(nèi)側(cè)地面膨脹、隆起、浮動等現(xiàn)象是發(fā)生管涌的前兆，隨著堤外長江水位的上漲，水頭壓力可能穿透上覆土層，對這種險情需高度重視并及時處理。

4.2 現(xiàn)場搶險方法

當發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)(主要包括淵溏、河流、水井)翻砂鼓水、冒黑砂等現(xiàn)象，應(yīng)馬上報告相關(guān)部門，盡快搶險處理，并自行架設(shè)好照明設(shè)施，日夜守護觀察其變化情況。現(xiàn)場搶險主要處理方法有：圍井導(dǎo)濾、反濾層壓蓋。

4.2.1 圍井導(dǎo)濾

對單個管涌或管涌數(shù)量較大，但集中發(fā)生在地面或潛水區(qū)，現(xiàn)場搶險可采用圍井導(dǎo)濾辦法進行處理。具體作用有兩點∶(1)井內(nèi)導(dǎo)濾材料可以防止土、沙隨水流出，流出清水不帶泥沙，并降低滲流壓力；(2)限制和引導(dǎo)滲流集中向一個方面流出，增加滲流距離從而降低水力坡度，間接保護周邊土層不受破壞。

圍井內(nèi)必須選用透水料鋪填，切忌用不透水材料。具體操作如下：從外地運來土體、砂、卵石等裝進麻袋或編織袋，并在管涌口周邊進行圍井搶筑。與此同時，還要在井底鋪填反濾材料，并對涌水帶沙現(xiàn)象進行控制，以避免險情造成更多的危害。對管涌口較小的情況，可采用無底水桶或汽油桶當作圍井，以提高處理效率。

在設(shè)置圍井的過程中，面積需按照搶險工作開展的實際場地情況、管涌險情大小及儲備料物等因素來進行確定。在確定圍井高度的過程中，應(yīng)根據(jù)涌水帶沙的實際情況，將其控制在1.5 m以內(nèi)，這樣圍井周邊的薄弱區(qū)域就不會受到影響而出現(xiàn)新的管涌。處理管涌群時，相關(guān)人員需按照管涌口的間距來確定搶護方式。目前，可供選擇的搶護方式為設(shè)置一個或多個圍井進行控制。值得注意的是，當圍井與地面的接觸較為緊密，相關(guān)人員應(yīng)防止出現(xiàn)大量漏水，控制漏水量增加，使圍井水位不能升高(如圖3)。

圖3 圍井導(dǎo)濾示意圖

4.2.2 反濾層壓蓋

在河堤內(nèi)出現(xiàn)大面積管涌或管涌群時，如料源充足可采用反濾層壓蓋的方法，降低管涌涌水流速，阻止地基土石層中泥沙流失，穩(wěn)定險情。

反濾層壓蓋必須選用透水性能較好的材料(切忌用不透水材料)。根據(jù)選用的反濾材料不同，反濾層壓蓋可分為：蓄水反壓、沙石反濾壓蓋、梢料反濾壓蓋。

蓄水反壓操作簡單，應(yīng)用普遍，通過抬高管涌區(qū)內(nèi)的水位達到降低堤內(nèi)外水頭差的目的，進而降低滲透壓力和出逸水力坡降，實現(xiàn)阻止管涌破壞、穩(wěn)定管涌險情的目的(如圖4)。

圖4 無濾層圍井蓄水反壓示意圖

由于蓄水反壓會對內(nèi)坡造成浸泡影響，進而造成脫坡等現(xiàn)象，因此，相關(guān)人員應(yīng)按照管涌的危害程度來確定險情控制方案。當遇到以下情況之一，應(yīng)果斷采取蓄水反壓：(1)出現(xiàn)大面積管涌群；(2)管涌距離堤腳近, 壓滲平臺土體中沙含量大, 控制住一處管涌又在旁邊新發(fā)生管涌；(3)泵站或涵閘的內(nèi)渠道出現(xiàn)管涌；(4)開始發(fā)生明顯的面積較大的流土險情。

4.3 預(yù)防措施

4.3.1 堤內(nèi)修筑壓滲平臺

對于管涌災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域，河堤內(nèi)側(cè)堤腳應(yīng)采取平臺壓滲處理，加重蓋層，強化區(qū)域抗?jié)B穩(wěn)定效果。

4.3.2 堵截滲流

管涌是否進一步加劇發(fā)生，關(guān)鍵在于河水的滲流壓力是否會大于地基基礎(chǔ)的抗?jié)B強度。堵截滲流工程措施可采取填筑河堤外平臺、堤外坡抽槽翻筑，或?qū)嵤┽∧蛔{、做防滲墻(深度15～20 m)，或灌注泥漿等。堵截滲流或延長長江水體向堤基內(nèi)滲透的路徑長度，減小水力坡度。

4.3.3 做減壓井

對于區(qū)內(nèi)涵閘或渠道內(nèi)管涌等險情控制措施，應(yīng)按照預(yù)防原則，通過控制滲流、杜絕砂沸以及管涌險情等來達到預(yù)期效果。值得注意的是，如地基的砂層深厚且與長江江水相通，需采用減壓井與排水減壓處理。

4.3.4 巡防、聯(lián)防制度

(1)非汛期時，結(jié)合當?shù)匕傩?、水委會，摸排調(diào)查區(qū)內(nèi)潛在管涌危害點；(2)汛期，洪水位較高時必須保證24 h值班巡查，認真做好交、接班記錄；(3)汛期，關(guān)注區(qū)內(nèi)冒水、冒泥沙點情況；流出濁水或大量翻沙，屬險情異常，應(yīng)馬上電告相關(guān)部門，并及時動手在管涌處鋪填一層山砂(約15～20 cm)后，再繼續(xù)加填卵石一層(約30 cm)，按此要求分層填筑砂、卵石直到管涌處冒出清水為止；(4)汛期壓水井是很容易發(fā)生管涌險情的人為隱患，在高洪水位時發(fā)動群眾關(guān)注自家壓水井，如果在無外力作用下民井自流出水、顏色混濁或見黑沙，應(yīng)及時向相關(guān)部門匯報情況；(5)在管涌點附近，認真查看周圍有無其他變化，若發(fā)現(xiàn)其他險情，應(yīng)馬上報各相關(guān)部門。

5 結(jié)語

長江干堤廣興洲鎮(zhèn)段已有多處發(fā)生管涌，經(jīng)過治理及對長江干堤加高、加固等工程，目前大部分管涌災(zāi)害已得到了治理，但局部仍有少量管涌災(zāi)害發(fā)生。管涌地質(zhì)災(zāi)害防治與研究是廣興洲鎮(zhèn)長江防洪干堤防洪工作的重點。本文從長江干堤廣興洲鎮(zhèn)段防洪堤特征、區(qū)域巖土體特征、管涌發(fā)育現(xiàn)狀、管涌形成條件、形成機制、穩(wěn)定性分析、險情判別、防治措施等方面進行了詳細闡述。

根據(jù)區(qū)內(nèi)管涌、巖土體特征，相關(guān)部門應(yīng)規(guī)范當?shù)厣a(chǎn)、建設(shè)等活動，避免誘發(fā)管涌。若發(fā)生管涌，應(yīng)及時正確判別管涌險情，采取正確防治措施，最大程度減輕管涌造成的損失，達到保護區(qū)內(nèi)人民生命及財產(chǎn)安全的目的。