堤防運(yùn)行工況變化條件下管涌險情整治研究及實(shí)踐

黃雍　翁朝暉　覃蓮超　趙四新　舒國新

摘要：管涌是堤防最常見也是危害最大的險情之一，成因復(fù)雜多樣，堤防管涌險工段經(jīng)多次除險加固處理后險情可得到有效控制，但隨著堤防運(yùn)行工況的變化，仍有可能出現(xiàn)新的險情，給治理帶來一定難度。為深入研究管涌險情治理措施，以長江流域1級堤防漢江遙堤李家洲險段為例，通過收集該險段歷史險情及地質(zhì)資料，結(jié)合已建水利工程現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了該險段經(jīng)除險加固后再次出現(xiàn)管涌險情的原因，并通過三維滲流有限元模型計算揭示了多種工況下該堤段地層滲流場分布特征，提出了水平防滲及排水減壓相結(jié)合的綜合整治措施，選用了新型可拆換式減壓井結(jié)構(gòu)，并在庫區(qū)特殊水文地質(zhì)條件下付諸實(shí)施。該方案已于2022年汛前實(shí)施完成，達(dá)到預(yù)期整治效果。目前漢江中下游已建、在建崔家營、雅口、碾盤山、興隆等多個梯級，部分堤防的運(yùn)行工況由汛期短歷時擋水轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期中高水頭運(yùn)行，研究成果對類似堤防的除險加固及運(yùn)行維護(hù)具有重要的借鑒作用和參考價值。

關(guān) 鍵 詞：堤防工程； 管涌； 除險加固； 減壓井； 漢江遙堤

中圖法分類號： TV87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.033

0 引 言

堤基管涌險情嚴(yán)重威脅堤防安全，除漫頂潰堤外，歷史上絕大多數(shù)潰堤都是由管涌造成［1］。1998年洪水期間長江中下游堤防工程較大險情統(tǒng)計資料顯示，堤基管涌占險情總數(shù)的52.4%，居各種險情之首［2］。1998年大洪水后，長江中下游進(jìn)行了大規(guī)模堤防除險加固，險情大為減少。2020年大洪水期間，管涌和散浸險情數(shù)量仍然占到當(dāng)年險情總數(shù)的80.1%［3］。

國內(nèi)外科技工作者在深入研究管涌形成機(jī)理及其發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，探索了管涌險情的治理措施，并取得了豐富的成果。毛昶熙［4］、張家發(fā)等［5］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)懸掛式防滲墻雖對管涌發(fā)生的臨界條件影響很小，但可以有效阻止管涌的繼續(xù)發(fā)展；介玉新等［6］采用滲流管流耦合的方法進(jìn)行管涌模擬，結(jié)果表明懸掛式防滲墻雖對降低出口處水力坡降效果不明顯，但能控制管涌發(fā)展進(jìn)程；秦云香等［7］使用三維有限元法比較了不同水平鋪蓋長度對滲流場特征的影響，發(fā)現(xiàn)增加水平鋪蓋長度可以明顯降低下游壩腳處和鋪蓋末端的水力坡降；曼舍等［8］提出通過有效的減壓井系統(tǒng)，提高堤基的抗?jié)B能力，避免重大管涌險情的發(fā)生。

本文以長江流域1級堤防——漢江遙堤李家洲險段為例，通過收集該險段歷史險情及地質(zhì)資料，根據(jù)已建水利工程現(xiàn)狀詳細(xì)分析該險段經(jīng)除險加固后再次出現(xiàn)管涌險情的成因，并通過建立三維滲流有限元模型揭示多種工況下該堤段地層滲流場分布特征。

1 管涌險情變化及成因分析

1.1 近期險情變化特點(diǎn)

漢江遙堤是漢江左岸1級堤防，位于湖北省中心腹地，漢北平原最上端的漢江左岸，上起鐘祥市羅漢寺，下至天門市多寶灣，是漢北平原及武漢市的防洪屏障，全長55.265 km。遙堤于2000年進(jìn)行了除險加固，主要加固措施為堤身加培、填塘固基等，并對堤內(nèi)11處管涌險情頻發(fā)的重點(diǎn)險段進(jìn)行了堤基滲控處理，根據(jù)各險段地質(zhì)條件的不同，采用了蓋重壓滲，堤身、堤基垂直防滲墻及減壓井等滲控措施，經(jīng)2005，2010，2011年洪水檢驗(yàn)，整治效果良好。

李家洲險段位于天門市多寶鎮(zhèn)境內(nèi)，下距興隆水利樞紐（以下簡稱“興隆”）壩址約14 km，對應(yīng)漢左遙堤樁號263＋600～265＋900，全長2 300 m，屬一類險段。該段堤防為灘地填筑，堤基土層為二元結(jié)構(gòu)，上部覆蓋層為砂壤土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土，層厚約10 m；下部為粉細(xì)砂層，層厚18～22 m左右，粉細(xì)砂層以下為砂卵石層。該險段為歷史老險段，堤內(nèi)地勢低洼，汛期高水位運(yùn)行下極易發(fā)生散浸和管涌險情，歷年散浸、管涌險情在堤內(nèi)100～200 m范圍內(nèi)廣泛分布。2000年遙堤除險加固時，對李家洲險段堤內(nèi)100 m范圍進(jìn)行了蓋重，并在蓋重末端修建54口減壓井，此后至2013年該堤段無險情發(fā)生。

2013年興隆水庫下閘蓄水，當(dāng)漢江洪水來量在1 156～7 080 m3/s區(qū)間時，均維持水庫正常蓄水位36.20 m（1956年黃海高程，下同）運(yùn)行。因堤內(nèi)排水系統(tǒng)不完善，地下水位的抬高導(dǎo)致堤內(nèi)土壤受到浸沒影響，造成農(nóng)作物減產(chǎn)減收，興隆配套庫岸綜合整治工程在距堤腳100～150 m范圍內(nèi)修建了截滲溝。此后，李家洲險段于2014，2016，2017年在距離堤腳133～150 m處均發(fā)生過管涌險情。2021年8月29日，在遙堤樁號265+200距堤腳132 m堤內(nèi)水田內(nèi)出現(xiàn)小型管涌群（見圖1），出險時漢江水位38.86 m，單孔孔徑5～8 mm，共7孔，出水帶青砂，水冰涼，無水頭。9月2日，樁號265+100距堤腳136 m截滲溝邊坡上出現(xiàn)小型管涌群，共6孔，主孔孔徑約5 cm，其余5孔孔徑1～2 cm，出水帶青砂，水冰涼，無水頭。發(fā)現(xiàn)上述險情后，堤防主管部門立即啟動應(yīng)急搶險預(yù)案，在管涌險情點(diǎn)周邊搶筑反濾圍井，井內(nèi)由下至上按黃砂、瓜米、碎石分層鋪設(shè)反濾層，及時控制險情，保證清水出逸，并派出專人24 h值守。

1.2 管涌險情成因分析

1.2.1 堤防運(yùn)行工況改變

李家洲險段位于興隆庫區(qū)，2013年下閘蓄水后庫區(qū)部分河段內(nèi)水位比水庫蓄水前正常年份的中枯水位抬高4～6 m，漢江7 080 m3/s流量下李家洲險段回水水位較壩址處正常蓄水位36.20 m高0.04 m，基本持平。該險段堤外灘地高程約36.00 m，堤防運(yùn)行工況由興隆蓄水前的汛期短歷時擋水轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期高水頭運(yùn)行，堤內(nèi)地下水位的抬高及充分補(bǔ)給導(dǎo)致堤基土體均為飽和土體，易形成穩(wěn)定滲流，并在這種不利工況下長期工作。水情對管涌的發(fā)生與發(fā)展具有重要影響，但影響最大的是高水位的持續(xù)時間，而不是高水位［9］。遙堤李家洲險段于2000年加固后至2013年未出現(xiàn)險情，但自興隆蓄水之后，該險段多次在原蓋重范圍外出現(xiàn)新的管涌險情，充分說明興隆蓄水后堤防運(yùn)行工況的改變是導(dǎo)致該堤段頻繁出現(xiàn)新險情的主要原因。

1.2.2 現(xiàn)有減壓井效能降低、排水不暢

李家洲險段原設(shè)計有54口減壓井，建于2000年，至今已運(yùn)行23 a。受制于堤防管理及維護(hù)資金短缺等原因，減壓井效能嚴(yán)重降低，其主要原因是物質(zhì)在滲透介質(zhì)孔隙中的沉淀聚集導(dǎo)致孔隙堵塞。減壓井管理單位2022年汛期觀測資料顯示，有10口減壓井不出水，其余井的出水量也難以達(dá)到設(shè)計要求。

2013年興隆庫岸綜合整治工程開始實(shí)施，在沿漢江干堤堤腳內(nèi)100～150 m范圍修建截滲溝，修建后截滲溝兩岸溝頂高程較原地面抬高0.5 m左右，致使堤后蓋重末端至溝頂形成一片低洼地，常年積水且無法排出，成為沼澤地，一方面大大影響土體抗?jié)B強(qiáng)度指標(biāo)；另一方面導(dǎo)致現(xiàn)有減壓井內(nèi)承壓水無法順暢排出，影響減壓井效果。

1.2.3 興隆截滲溝水流不暢、溝壁淤堵

李家洲險段堤后138 m處的興隆截滲溝減薄了地表弱滲透覆蓋層厚度，在高水位工況下易發(fā)生險情。且截滲溝建成至今，缺乏維護(hù)，溝內(nèi)雜草叢生，淤積嚴(yán)重，水流不暢。

截滲溝溝壁采用植生塊護(hù)砌，下設(shè)有土工布，多年運(yùn)行過程中，土工布后方土體內(nèi)部的細(xì)小顆粒隨著滲透水流運(yùn)動被帶到土工布內(nèi)部孔隙中，或被截留在土工布表面，經(jīng)過一段時間，顆料逐漸積累，造成織物滲透性能降低［10-11］，導(dǎo)致地下水無法順暢排出。

2 堤防三維滲流模型

堤內(nèi)減壓井列的滲流計算，是一個典型的三維滲流問題，為進(jìn)一步論證管涌成因，并為后續(xù)險情整治提供計算依據(jù)，建立了該段堤防三維滲流模型（見圖2），通過有限元網(wǎng)格精細(xì)模擬減壓井真實(shí)尺寸及其三維效應(yīng)，具體算法不再贅述。

李家洲險段于2000年進(jìn)行了除險加固，對堤身進(jìn)行了達(dá)標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)狀堤頂高程44.75 m，堤頂寬10 m，內(nèi)外坡比1∶3，堤內(nèi)設(shè)100 m蓋重及減壓井（間距30 m）滲控體系，但減壓井已運(yùn)行23 a，效能嚴(yán)重降低，鑒于此，選擇2022年管涌險情所在堤段建立堤防及減壓井三維滲流模型，模型范圍：堤外取至深泓，并考慮漢江下切至粉細(xì)砂層；堤內(nèi)取至截滲溝后500 m，鉆孔深度內(nèi)未揭露基巖，模型底邊界取至0 m高程，順河道方向模型寬度按減壓井間距取值。

為保證滲流計算采用的各土層滲透系數(shù)取值的合理性，根據(jù)出險時外江水位38.86 m反演出險工況，計算得到截滲溝處水平和垂直出逸比降分別為0.15和0.53，大于上部覆蓋層淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土允許比降值。出險工況下各土層滲透系數(shù)如下：表層砂壤土厚約4 m，滲透系數(shù)1.0×10-4 cm/s；淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土厚約6 m，滲透系數(shù)5.2×10-5 cm/s；下部粉細(xì)砂層厚18 m，滲透系數(shù)為1.1×10-3 cm/s；卵礫石層厚7 m，滲透系數(shù)為2.5×10-2 cm/s。

在此基礎(chǔ)上，在設(shè)計洪水位42.06 m條件下，量化分析滲控措施失效、新增蓋重、新增蓋重及新建減壓井3種方案（見表1），進(jìn)行對比模擬分析。新建減壓井為自流井，當(dāng)其所在位置的地下水位超過井口高程時，減壓井處于工作狀態(tài)將排水減壓，若地下水位低于井口高程，減壓井處于非工作狀態(tài)。計算時根據(jù)地下水位與井口高程的比較確定減壓井的工作狀態(tài)，滲流計算結(jié)果見表2。

圖3（a）表明：當(dāng)現(xiàn)有減壓井和截滲溝濾層淤堵失效時，現(xiàn)有減壓井附近地層不滿足滲透穩(wěn)定要求，有發(fā)生管涌風(fēng)險，需要采取工程措施進(jìn)行處置。方案F2僅考慮蓋重治理措施，圖3（b）表明：堤后平臺末端至截滲溝之間地形較低，在汛期會形成沼澤地，實(shí)施蓋重后地面出逸比降滿足滲透穩(wěn)定要求，說明在該范圍內(nèi)實(shí)施恰當(dāng)蓋重處理是有必要的，但截滲溝處仍然不滿足滲透穩(wěn)定要求。方案F3采取的是新增蓋重及新建減壓井的治理措施，圖3（c）表明：減壓井對于“二元結(jié)構(gòu)地層（上黏下砂）”的堤基結(jié)構(gòu)能夠取得較好的滲控效果，新建減壓井后堤防滿足滲透穩(wěn)定要求。堤后截滲溝減薄了覆蓋層厚度，在高水位工況下易發(fā)生險情，需做好截滲溝的反濾措施。

3 險情整治方案

從治理效果、經(jīng)濟(jì)適用及保護(hù)基本農(nóng)田等角度出發(fā)確定整治方案。李家洲險段砂層較厚，懸掛式防滲墻雖能控制管涌發(fā)展進(jìn)程，但對降低出口處水力坡降的效果不明顯，而現(xiàn)有蓋重末端至截滲溝溝頂為一片低洼地，常年有積水無法排出，導(dǎo)致現(xiàn)有減壓井排水不暢，農(nóng)田亦無法耕作。綜合前述險情原因分析及三維滲流計算成果，本次治理擬采取水平防滲及排水減壓相結(jié)合的措施，主要包括堤后蓋重處理、截滲溝清挖反濾、減壓井清洗及新建減壓井（見圖4）。

3.1 堤后蓋重處理

李家洲險段在2000年采取了蓋重處理后，蓋重范圍內(nèi)堤段至今未發(fā)生新的險情，說明采取蓋重的滲控措施對該堤段的滲透穩(wěn)定安全是有效的?，F(xiàn)狀截滲溝至原蓋重末端為一片沼澤地，蓋重填筑后可使該處基本農(nóng)田得到有效利用?；诖?，對李家洲管涌險情段

再次進(jìn)行蓋重處理，蓋重首端與原有蓋重相接，末端與截滲溝相接，蓋重寬約45 m，厚1 m。

3.2 截滲溝反濾及排水功能恢復(fù)

因截滲溝邊坡上出現(xiàn)小型管涌群，應(yīng)急搶險時在管涌險情點(diǎn)周邊搶筑了反濾圍井，為了恢復(fù)原截滲溝設(shè)計斷面，保證截滲溝過流能力及本次整治范圍內(nèi)蓋重末端滲流出口的排水通暢，對管涌處邊坡進(jìn)行清挖反濾處理。另外考慮現(xiàn)狀截滲溝溝底處覆蓋層較薄，為避免蓋重填筑后在溝底形成新的險情，對整治范圍內(nèi)截滲溝溝底一并進(jìn)行反濾處理。將原有混凝土植生塊護(hù)坡及已反濾失效的土工布拆除后，回填50 cm厚反濾料再重新鋪設(shè)混凝土植生塊。

3.3 新建新型可拆換式減壓井及現(xiàn)有減壓井清洗

堤防險工段經(jīng)多次除險加固處理后可有效控制堤內(nèi)一定范圍的管涌險情，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［12］。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。滲流計算方案F2結(jié)果顯示：僅考慮蓋重時，截滲溝處仍不滿足滲透穩(wěn)定要求，故本次險情整治時，在截滲溝管涌險情附近新建8口減壓井。傳統(tǒng)減壓井在長期運(yùn)行過程中易形成淤堵，導(dǎo)致減壓井排水效果逐漸降低，最終失效。本次采用新型可拆換式減壓井［13-14］，減壓井主體結(jié)構(gòu)包括外井管和可拆換過濾器，可拆換式過濾器主要由內(nèi)井管、多孔泡沫塑料濾體和過濾網(wǎng)組成，嵌在外井管內(nèi)，可根據(jù)減壓井運(yùn)行狀況拔出并進(jìn)行拆洗或更換，使減壓井恢復(fù)排水減壓功能，該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于長江流域堤防除險加固工程，并取得了較好的應(yīng)用效果［15］，系首次應(yīng)用于漢江堤防。另外，對淤堵較為嚴(yán)重的現(xiàn)有減壓井進(jìn)行清洗。

4 工程實(shí)踐及效果分析

由于工程堤段本身為險段，又處于興隆庫區(qū)，非汛期地下水位亦普遍較高，水量極為豐富，堤內(nèi)測壓管內(nèi)水頭較地面約高1.5 m，該地質(zhì)條件下鉆孔清水護(hù)壁成井難度較大，需要采取有效的施工措施確保成孔成井質(zhì)量。本次施工采取的主要措施為地面加高，鉆孔工程安排在蓋重工程實(shí)施完成之后，井口高程32.70 m，蓋重區(qū)填土后地面高程34.00 m，為降低相對水位，在井點(diǎn)位置填筑約2 m高平臺防止塌孔，采取該措施后，減壓井成孔效果較好。

為防止截滲溝內(nèi)水流倒灌至減壓井內(nèi)，并保證排水管上方農(nóng)田機(jī)耕路的正常使用，采用虹吸管連接減壓井出水口至興隆截滲溝溝內(nèi)。因減壓井內(nèi)承壓水頭長期較高，出水量較大，虹吸排水管得以滿管流狀態(tài)運(yùn)行，可持續(xù)將水排至截滲溝內(nèi)，經(jīng)抽水試驗(yàn)測定，各井出水量約為140 m3/h，均大于設(shè)計出水量。施工進(jìn)場前，截滲溝溝頂發(fā)現(xiàn)一處新的管涌險情，施工完成后，已無出水現(xiàn)象，亦能佐證此次整治效果較好。2022年汛期，該險段未出現(xiàn)新的險情。

但受制于整險資金限制，興隆截滲溝水流不暢的問題暫未解決，一定程度上降低了減壓井的排水效果。

5 結(jié) 論

堤防工程是防御洪水泛濫、保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全的重要屏障，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行管理與維護(hù)。當(dāng)前，為構(gòu)建適應(yīng)新階段高質(zhì)量發(fā)展的長江防洪體系，需對堤防進(jìn)行全面提質(zhì)增效，補(bǔ)齊防洪薄弱環(huán)節(jié)，對堤防進(jìn)行全面隱患排查并采取加固措施治理是其關(guān)鍵之一。

（1） 堤防管涌險工段歷經(jīng)多次除險加固處理，險情可得到有效控制，但隨著工程老化失修、功能萎縮及新的水利工程建設(shè)等原因，可能出現(xiàn)新的管涌險情，對堤防進(jìn)行除險加固并非一勞永逸。以漢江遙堤李家洲險段為例，興隆梯級建成后，堤防運(yùn)行工況的改變、現(xiàn)有減壓井效能降低及興隆截滲溝水流不暢、溝壁淤堵等因素導(dǎo)致該險段自2014年后頻繁出險。目前漢江中下游在建多個梯級，應(yīng)高度重視中高水位運(yùn)行給堤防造成的影響。

（2） 漢江堤防堤基大多為典型二元結(jié)構(gòu)，各管涌險段可根據(jù)堤防等級、險情發(fā)生位置、相對隔水層深度、移民征地、治理資金限制等因素選擇堤后蓋重、垂直防滲墻、減壓井等一種或多種滲控措施相結(jié)合的整治方案。考慮李家洲險段下伏砂層較厚，堤內(nèi)有相對薄弱缺陷或者溝渠，采用了堤后蓋重水平防滲及減壓井、截滲溝排水減壓相結(jié)合的綜合整治措施。

（3） 根據(jù)李家洲管涌險情的實(shí)際，整治方案一方面著重考慮了現(xiàn)有減壓井效能降低，采用了新型可拆換式減壓井，可根據(jù)運(yùn)行狀況拔出后進(jìn)行拆洗或更換，大大延長了減壓井的使用周期；另一方面，截滲溝溝壁處的土工布作為堤內(nèi)溝渠護(hù)坡的永久建筑物長期使用，織物滲透性能降低會導(dǎo)致地下水無法順暢排出，應(yīng)慎重選用，采用級配較好的砂石反濾料更為可靠。此外，還需充分考慮施工方案及移民征地等因素，使整治方案既保障堤防滲透安全，又有利于土地合理利用。

（4） 李家洲險段埋設(shè)有測壓管，通過觀測測壓管水頭可及時了解堤防運(yùn)行過程中滲透壓力的大小，一方面可反演滲流參數(shù)取值的合理性；另一方面為整治效果提供較為可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而進(jìn)一步論證該治理方案的可靠性。

（5） 管涌險情整治措施中，綜合考慮地質(zhì)條件、移民征地等因素，常采用垂直防滲的處理方案，大多能起到較好的防滲效果。但受制于滲流模型計算的可靠性、地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工工藝的差異性，局部堤段防滲效果不顯著，需通過實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證總結(jié)。

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（編輯：胡旭東）

Research and practice on piping treatment under change of embankment operation conditions：case of Lijiazhou section of Yaodi embankment along Hanjiang River

HUANG Yong1，WENG Chaohui1，QIN Lianchao1，ZHAO Sixin2，SHU Guoxin2

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China； 2.Hanjiang River Administration Bureau of Hubei Province，Qianjiang 433199，China）

Abstract： Piping is one of the most common and harmful dangerous situations in embankments.Its formation is complex and diverse，and the dangerous section of embankment piping can be effectively controlled after many times of danger removal and reinforcement.However，with the change of embankment operation conditions，new dangerous situations may still occur，which brings some difficulties to the treatment.In order to further study the treatment measures of piping danger，taking the first-class embankment in the Changjiang River Basin，Lijiazhou section of Yaodi embankment along Hanjiang River as an example，by collecting the historical dangers and geological data of the dangerous section，combining with the current situation of the built water conservancy projects，the causes of piping dangers in this section after danger removal and reinforcement were analyzed in detail.The distribution characteristics of the seepage field in the embankment section under various working conditions were revealed by the calculation of 3D seepage finite element model.Then the comprehensive treatment measures combining horizontal anti-seepage and drainage decompression were put forward，and a new type of removable relief well structure was selected and implemented under the hydrogeological conditions of the Xinlong Reservoir area.The treatment scheme had been implemented before the flood season in 2022，achieving the expected remediation effect.At present，Cuijiaying，Yakou，Nianpanshan，Xinglong and other cascade reservoirs have been built and under construction in the middle and lower reaches of the Hanjiang River，so the operation conditions of some embankments have changed from short-term water retaining in flood season to long-term medium and high head operation.The research results can provide references for the reinforcement and operation-maintenance of similar embankment projects under influences of reservoirs operation.

Key words： embankment project；piping；danger removal and reinforcement；relief well；Yaodi embankment along Hanjiang River

收稿日期：2022-12-20

作者簡介：黃 雍，女，高級工程師，碩士，主要從事防洪工程設(shè)計工作。E-mail：524752511@qq.com