淮北大堤饶荆段险情类型及成因分析

任增平，潘光宜

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.安徽省水利水电勘测设计院，安徽 蚌埠 233000)

淮北大堤是保护淮北平原的主要防洪屏障，堤防级别为1级，由淮河左堤、颖河左堤、西淝河左堤、涡河左堤、涡河右堤组成，其中淮河左堤在涡河口以上简称饶荆段，长120.2km。

饶荆段土堤修筑始于明代，至解放前堤身矮小单薄，1954年淮河发生全流域的大洪水后开始进行全面加高培厚，后期又断续对存在的问题进行了多次(处)小范围应急除险或续建加固。2004年最后一次加固工程实施前淮河大水年份行洪期仍出现许多险情(隐患)，对堤防安全构成威胁。2007年堤防加固完成后至今，淮河汛期始终低水位运行，无堤防险情发生。

本文根据有关资料，对1991—2003年饶荆段土堤讯期险情进行系统分类和地质成因研究，为今后堤防工程地质勘察、设计、运行管理、防讯抢险提供依据。

1 堤身的险情类型及成因

1.1 险情类型

1991—2003年堤身险情总计23处，除2003年桩号99+560堤身出现纵向裂缝外，其它均属渗漏及渗透稳定类险情，主要表现为汛期堤防背水坡渗水、散浸、内堤(坡)脚渗水。

1.2 渗漏及渗透稳定类险情成因

1.2.1部分堤段堤身砂壤土含量较高，渗透性较强

1991年淮河水位23m时，桩号59+900～60+240堤内坡脚高程20.5m以下、原始地面以上渗水，局部清水明流，长80m人行陷脚，2003年汛期该段堤脚仍然严重渗水。桩号60+700～61+540堤身险情类型与之相同。

勘察表明桩号17+400～24+800段堤身轻粉质壤土含量36.4%、砂壤土含量13.6%；桩号44+870～62+000段堤身轻粉质壤土含量25.5%、砂壤土含量28.6%，其中桩号45+700～47+700为“金包银”堤身。两大段的渗透系数10-4cm/s量级，为中等透水性，抗渗性较差。

堤基表层为砂壤土的堤段往往堤身中砂壤土含量也高，有时砂壤土在堤身下部成层分布。桩号60+130处堤身底高程19.94m，堤基表层主要为砂壤土，夹少量粉质壤土，松散～稍密，厚度7.2m；堤身以砂壤土为主，夹粉质壤土、粘土，松散。桩号59+800在高程22.5m以下堤身存在三处砂壤土薄层，桩号61+110在高程22.0m以下堤身存在两处砂壤土薄层，其中一处薄层位于堤身的最下部。

堤身土质较差、填筑不均及渗透性较强是堤内坡、堤脚渗漏及渗透稳定类险情的主要成因。

1.2.2筑堤前未清基或清基不彻底

2003年桩号74+000附近长66m堤脚渗水，险情记录原因是堤身与堤基结合不紧密。依据桩号74+030勘探剖面，堤基表层为粉质粘土、粘土，厚度3.6～5.3m，渗透系数3×10-6cm/s，下伏1.7～2.9m的粉质壤土夹薄层的砂壤土、极细砂，堤高4.5m，填土以粉质粘土为主，夹粉质壤土，渗透系数10-6cm/s量级，呈微透水性。同年桩号68+000～69+800堤段中长105m堤脚渗水，堤防管理部门分析险情成因是堤基表面未清基，形成渗漏通道。

饶荆段土堤历史悠久，系沿河人民就近取土填筑而成，囿于认知水平和条件限制，多数堤防填筑前没清基或清基不彻底，堤基表面往往存有树根、草甸土等有机物质，后期经腐烂造成堤基、堤身结合不紧密，汛期河水沿结合部渗漏。

1.2.3决口后应急复堤料杂乱

禹山坝(桩号33+124～36+624)堤内地势低洼，堤高8.0～9.2m，1991年和1996年淮河水位23.5m时，堤内坡 20.0m高程渗水严重，陷足，并发生管涌，汛期临时采取砂石料压渗处理。

研究认为，堤基在宋代为西淝河老河道，由峡山口入淮。1954年发生淮河溃口，溃口处冲坑深度3～4 m，抢险时采用石块与草包等杂物，在复堤时没有清除。复堤土质杂乱，堤身、堤基均夹有轻粉质壤土和极薄层细砂，导致汛期发生渗漏和渗透破坏。

1.3 裂缝成因

2003年桩号99+560附近堤身产生长6m、宽2～3cm的纵向裂缝，同期此类裂缝险情在淮河支流涡河左右堤上多处出现。研究认为，该段堤身土质为粘性土，堤坡较陡，外河水位仍然较高时，闸站排涝使内水水位迅速下降，堤身局部发生滑移下错产生纵向裂缝。

2 堤基险情(隐患)类型及成因

2.1 险情(隐患)类型

1991—2003年汛期出现15处堤基险情，可分为渗漏及渗透稳定、抗滑稳定、沉陷变形三大类，其中渗漏及渗透稳定类险情12处，占绝大多数，主要表现为堤后内侧堤基渗水、管涌。

2.2 渗漏及渗透稳定类险情成因

2.2.1堤基表层的砂壤土层渗透性较强、抗渗性较差

通常，砂性土单一结构、上砂下粘双层结构及表层为砂性土的多层结构堤基，最易发生渗漏及渗透稳定类险情。按SL 188—2005《堤防工程地质勘察规范》划分，本段堤防不存在砂性土单一结构堤基，险情主要发生在上砂下粘双层结构及表层为砂性土的多层结构堤基中。

1991年汛期，淮河水位23.0～24.5m时，桩号17+860～18+885、19+484～20+500、21+700～23+200段堤内坡堤脚附近渗水严重，堤身出逸点位于堤脚以上0.5～1.0m范围内，堤脚以下堤基散浸、渗水，或冒浑水，对3处险情汛期均采取了砂砾石压浸的临时处理措施。2003年7月10日，桩号18+694内堤脚发生管涌；同年汛期桩号21+114～21+833段堤脚出现6处管涌，直径1～3cm。

桩号17+358～23+200段堤基是表层为砂性土的多层结构如图1所示。表层砂壤土夹少量的粉质粘土，松散～稍密，渗透系数2.5×10-4cm/s，呈中等渗透性，厚度1.1～7.6m，平均厚度3.28m；下伏4.2～13.5m厚的粉质壤土层，夹粉质粘土和薄层极细砂或砂壤土透镜体，平均厚度7.7m，软塑～可塑，渗透系数5.8×10-5cm/s，渗透性弱。

研究认为，对发生在上砂下粘双层结构和表层为砂性土的多层结构堤基中的渗漏及渗透稳定类险情而言，成因基本相同。一是堤基表层存在抗渗性较差的砂壤土、轻粉质壤土，土体本身粘粒含量低、渗透性较好，渗透系数可达10-4cm/s量级及以上；二是砂壤土、轻粉质壤土成层展布于堤身以下，构成了沟通堤内外的渗流通道，汛期在河水浸泡饱水后，受堤内外水头差的作用发生渗流，在堤后一定的范围内渗出，出逸比降超过土体的破坏比降时便可发生渗透破坏。堤防附近的坑塘降低了堤基的临空高程，增大了渗透比降，不同程度地加剧了渗漏及渗透稳定险情的发生。

饶荆段土堤多是历年就近取土填筑而成，在堤基表层分布有砂壤土、轻粉质壤土的堤段，往往堤身填土也是此类土，尤其是堤身的下部填土，因此，这些堤段堤基发生渗漏及渗透稳定类险情时，多数在堤脚以上的堤身下部也同时发生渗水险情，堤基险情、堤身险情相伴而生。

堤基表层分布砂壤土是饶荆段堤防堤基发生渗漏及渗透稳定类险情的主要原因。

2.2.2堤内微地形复杂，破坏了表层粘性土的完整性

1991年淮河水位23.5m时，桩号70+800～71+900段堤防背水侧22m高程平台散浸，19.0m高程翻砂，发现4个直径3cm的冒水孔，当时堤脚紧邻深塘，推测细砂层上土层厚度仅0.5～1.0m，汛期采取了堤坡加戗和填塘的临时处理措施。勘察揭示，该段堤防底高程20.16～20.68m，堤防高度6.1～6.6m，桩号70+800～71+400段堤基表层为4.1～4.2m的粉质壤土层，夹极薄层粉细砂或砂壤土，桩号71+400～71+900段堤基表层为3.4～5.1m的粉质粘土、粘土层，偶夹极薄层砂壤土，粘性土层在桩号71+540附近最薄。表部两层粘性土渗透系数2×10-6～3×10-5cm/s，可视为相对隔水层，厚度超过堤高的1/2。下伏土层为细砂～砂壤土层，厚6.8～7.4m。再下是厚度大于7.2m的粉质粘土～重粉质粘土层。该段堤防堤基属表层为上厚粘性土，下砂性土、粘性土互层的多层结构。

图1 表层为砂性土的堤基地质剖面图

研究认为，堤基表层粉质壤土、粉质粘土等粘性土渗透性弱～微，无论厚度大小对堤基的防渗均有利，但防渗效果除厚度越大越明显外，还受粘性土的土质、结构、渗透性及抗渗性，以及下伏地层的渗透性、堤防挡水水头高度、挡水历时、渗径长短、坑塘沟渠微地貌等多因素的影响。本段堤防堤基表层厚度大于3m的粘性土层出现险情，主要原因是堤内地形低洼，或有坑塘分布，表层的粘性土厚度和完整性遭受破坏。

2.2.3堤基表层的粘性土中夹细砂、砂壤土薄层，渗透水流通过夹层发生险情

1991年8月淮河水位23.5m时，桩号67+375～68+200局部堤段渗水，当时沿堤长280m为深塘，塘深2m，汛期临时采取了填塘的处理措施。险情记录该段堤身土质以粉质粘土～重粉质壤土为主，堤基中粉质粘土夹极薄层砂壤土。

经勘察，该段堤防底高程20.42～21.04m，堤高5.5～6.7m，桩号67+375～67+830分布2.7～5.7m的粉质粘土、粘土层，偶夹极薄层砂壤土，其下为1.3～2.4m的粉质壤土夹砂壤土和极薄层细砂，再下为3.0～3.9m的细砂和砂壤土；桩号67+830～68+200段堤基表层为1.4～2.6m的粉质壤土层，夹粉质粘土和薄层极细砂或砂壤土透镜体如图2所示。砂层以上土层在垂向上渗透系数2×10-6～3×10-5cm/s，可视为相对隔水层，厚度6.6～8.7m，超堤高。尽管堤基表层粘性土厚度较大，但其所夹薄层极细砂或砂壤土被堤脚附近的坑塘沟渠揭露，汛期发生了渗漏及渗透稳定类险情。

饶荆段堤防很多堤基浅部由第②层粉质壤土夹粉质粘土和薄层极细砂或砂壤土透镜体、第③层粉质粘土～粘土偶夹极薄层砂壤土和第④层粉质壤土夹砂壤土和极薄层细砂组成，均系河流冲、洪积沉积形成，物质组成不均一，在不同深度、平面位置分布有砂壤土、极细砂，在垂向上以夹薄层或透镜体呈现。尽管土体的总体渗透性不大，但砂壤土、极细砂的存在使得土体的渗透性呈各项异性，水平渗透系数比垂向渗透系数大的多。外滩狭窄，堤内坑塘沟渠揭露砂壤土或极细砂夹(薄)层，导致堤基在坑塘沟渠发生渗水等险情。

图2 表部粘性土中夹薄层砂性土堤基地质剖面图

2.2.4微地貌为堤基险情的产生提供了条件

堤防两侧的微地貌主要是坑塘沟渠、外滩等，饶荆段内、外沟塘多，大多为堤身加培近堤取土形成的坑。据2004年调查，内、外沟塘分布长度分别为51.5km和35.97km，占堤防总长度的42.5%和30%。两侧沟塘有的连片，大多沿堤向分布长0.1～1.85km，少数连片塘长达2.84～3.1km。塘深一般为2.0～4.5m左右，最深达6.8～7.0m，除部分堤内塘离堤脚50～70m外，大多数堤内、外塘距堤脚30～50m以内，有的靠近堤脚。

淮河主泓底在4.0m高程左右，覆盖层中的砂性土层多在滩头及主河槽出露，汛期淮河水直接补给砂性土层。堤防外滩宽窄差别大，最窄处仅13m，宽度小于50m的堤段长3331m，宽度50～200m的堤段长36820m。

外滩狭窄除洪水对堤身产生较大的冲刷破坏外，也使得堤基的渗径变短，增大堤后地下水的渗透比降。堤外的坑塘降低甚至破坏了迎水侧表层粘性土的隔水性能，导致堤基渗透水流的渗径缩短。靠近大堤的堤后坑塘削弱了覆盖层的盖重作用，使汛期堤内散浸、渗漏较为普遍，甚至塘内翻砂鼓水。总之，除地质条件外，堤基的渗漏及渗透稳定类险情的成因与外滩宽度，深泓的位置、深度，坑塘沟渠的分布、深度等微地貌关系密切，因此，进行堤内外填塘固基是处理险情的常见工程措施。

2.3 抗滑稳定类险情(隐患)成因

1991～1996年的主要险情记录中，桩号25+150～25+403及桩号41+000～41+520均被视为主要险情堤段，前段堤高7.3～8.2m，堤外无护堤地和防浪林，外堤脚紧邻深塘，2004年调查桩号25+258～25+390堤外侧水塘距堤脚7m，塘宽13～24m，长130m，深3m；后段内堤脚分布深塘，部分堤段无外坡，垮塌至堤身。同年调查桩号41+120～41+640堤内侧水塘距堤脚0m，塘宽19～84m，长350m，深1m。两段的险情(隐患)类型均为堤基的抗滑稳定。

桩号108+470～110+040为老茨河河口封闭堤，外滩较窄，内侧邻塘，堤身最高处达9.31m，堤基土质自上而下分别为砂壤土～轻粉质壤土、中～重粉质壤土含淤泥质，软塑～流塑状，局部厚达11.8m。当外河持续高水位时，堤身浸润线升高，堤身以及堤基含水量达到饱和状态，抗剪强度降低，堤基、堤坡的稳定性变差。外堤坡抗滑稳定安全系数为1.234，内堤坡为1.195，均不能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》中规定的1级堤防正常运用条件和非常运用条件下的稳定计算要求。

研究认为，饶荆段堤防由于历次抢险和培修加固就近取土等原因，使堤内外沟塘连片，堤身相对高度增加1.0～3.0m。由粉质粘土、粘土组成的堤基在坑塘水长期浸泡作用下，土体的天然含水量高而抗剪强度较低。近堤脚的坑塘使坑塘底部以上的堤基、堤身等临空高度增加，汛期加之水的作用，降低了堤防的抗滑稳定性，形成了抗滑稳定类险情(隐患)。

2.4 沉陷变形类险情(隐患)成因

饶荆段堤防堤基总体说来淤泥、淤泥质软土分布不多，因此堤基的沉陷变形问题不突出，沉陷变形类险情(隐患)不多，比较而言，淮河决口复堤段、支流河口封闭段或老河道段堤基的沉陷变形量大，如1954年淮河决口处复堤的禹山坝、老茨河河口封闭堤，原因有二：一是这些堤段往往堤身高度大，对堤基的附加荷载大；二是这些堤段堤基尤其是浅表部土体沉积时间短，土体软弱压缩性较高，从而产生较大的沉陷变形。

3 结语

1991—2003年淮北大堤饶荆段堤身、堤基存在的险情均以渗水、散浸、管涌等渗漏及渗透稳定类险情为主，堤身险情成因与堤身存在砂壤土、清基、复堤填筑料杂乱等有关，堤基险情主要是表层存在砂壤土或堤后坑塘破坏了粘性土盖层的完整性。堤基表层为砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高，导致这些堤段堤基、堤身经常同时发生险情。

本文可为堤防工程地质勘察和险情分类、地质成因研究提供借鉴，但每条河流地形地质、水情均有自身特点，现行地质勘察规程不可能制定一概而全符合任何河流的规定，比如建议表层粘性土厚度的厚薄分界按堤防高度的一半考虑，尚没提出表层粘性土的最小有效厚度，没有堤身质量分类标准，等等，均需在今后的堤防勘察中总结和研究。