长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究

崔皓东，陆 齐，陈劲松，盛小涛，张 伟

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉 430010；2.安庆市长江河道管理处，安徽安庆 246003）

1 研究背景

洪水是有史以来人类面临的最大威胁之一，长江中下游又曾是洪灾频发地区。2020年长江遭遇了近几年最严重的洪水，其中城陵矶站水位超警戒持续时间长达60 d，居新中国成立以来第3位，仅次于1998年和1954年；最高水位达34.74 m，为21世纪第二高水位。2020年长江干堤险情相对较少，得益于1998年洪水后长江堤防达标建设及三峡水库的精细调度，但仍有部分管涌险情、井险及老旧涵闸险情等发生。

管涌是长江堤防最常见的险情，据1998年灾后统计，长江干堤及洞庭湖区较大险情中，管涌占比超过50%［1］。截至2020年7月20日，长江干堤湖北段管涌险情占比56%，出险点距堤脚60～490 m。湖南、江西及安徽等地险情也以管涌居多。

笔者在2020年防汛时发现，长江干堤管涌险情的明显特点是，出险点多为农田沟渠内或老旧减压井附近，如洪湖长江干堤复粮洲村距堤脚490 m的田边沟渠、洪湖新滩口镇上北洲稻田灌溉渠、九江济益公堤猪婆凼排水明渠内等均发现管涌。而岳阳君山垸瓦湾村管涌则发生在减压井附近，黄州长孙堤因减压井失效引发险情。

长江堤防多填筑在第四系松散堆积物上，部分堤基土具有二元结构特点，上部以冲积成因的黏性土为主，下部则为砂及砂卵（砾）石层，厚度大，分布稳定［2］。汛期外江高水位经渗流作用，在堤内地层内形成承压水，使表层较薄的无黏性土或少黏性土体中的细小颗粒发生移动或被渗流带出形成管涌，近堤脚管涌若不能及时发现处理，会危及堤防安全。实际上，管涌险情发生是渗透比降超土层允许比降所致［3-4］。本文以长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情为例，利用历史资料和现场调查，根据该段地质条件及渗控措施，建立了三维渗流有限元模型，重点模拟减压井失效及功能发挥工况下，该段地层内渗透比降分布特征，揭示该处管涌险情成因，并探讨相应处理对策，为类似堤段汛后除险加固提供参考。

2 管涌险情成因分析

2.1 长江干堤岳阳瓦湾段概况

岳阳长江干堤位于长江中游湖南省岳阳市境内，上起华容县五马口，下止黄盖湖农场铁山咀，总长137 km，全线干堤为多年加高培厚形成，堤基地质条件复杂。1998年洪水期间，该堤段出现数十处管涌、散浸及崩岸险情。1998年洪水后进行了加固处理，主要有垂直防渗、压浸平台及减压井等工程措施。

长江干堤瓦湾段（桩号63+288～63+788）属于岳阳长江干堤君山垸堤段，地层根据SL 188-2005《堤防工程地质勘察规程》［5］分类属于为C类，堤基为Ⅱ1，为典型的薄覆盖层+深厚粉细砂层二元结构，易发生管涌。2000年主要采取了堤内压浸平台+减压井的治理措施，以防止管涌发生。但是，在近几年汛期，当江水位达到34.5 m以上时，瓦湾段范围内堤防出现过散浸、管涌等险情。2020年7月6日起，该堤段水位超警期间出现管涌、管涌群等险情，出险点均在现压浸平台外的农田沟渠里（见图1和图2）。

图1 瓦湾段管涌险情分布位置示意

图2 出险点位于农田沟渠

图3 瓦湾段堤防典型横断面示意

2.2 瓦湾段堤防三维渗流模型及参数

根据现场查勘与历史资料，瓦湾段干堤在2001年加固后已达到二级堤防标准。根据当时设计，堤身锥探灌浆结合外堤坡土工膜防渗，堤脚设宽60 m的压浸平台+减压井（间距30 m）渗控体系。但减压井运行已20 a，根据当前堤防管理现状，随着时间的推移，减压井不可避免地会发生淤堵并失效［6-9］。鉴于此，选择典型堤段（桩号63+400，见图3）建立堤防及减压井三维渗流模型（见图4），模拟减压井失效或发挥功能条件下，堤内薄层弱透水层内渗透比降特征，以揭示管涌发生的原因。

图4 堤防三维渗流模型

模型范围堤外取200 m，堤内距堤脚350 m，堤基取至高程-40 m，顺堤140 m；减压井口高程28.8 m，井径45 cm，深30 m，井间距30 m，采用对称模型；格节点总数10 294个，单元总数9 705个。表层粉质壤土厚约3 m，渗透系数2.8×10-5cm/s，下部深厚粉细砂层为7.4×10-3cm/s。

本文采用长江科学院自主研发软件SFA中SSC-3D模块模拟。该方法通过有限元网格按实际尺寸刻画减压井，按溢流型排水孔算法进行模拟［10］，该方法可精细模拟减压井真实尺寸及三维效应，具体算法此处不再赘述。

在堤防工程中，减压井作为最有效的排水减压措施，应用较为广泛，根据以往研究可知［11-12］，有减压井堤段若减压井不发生淤堵失效，可显著改善堤内渗流场分布，基本不会发生管涌险情。另根据2020年汛期瓦湾段部分减压井基本不出水的状况，可初步认为，发生管涌极可能与减压井淤堵失效有关。

鉴于此，本文在管涌成因分析中，根据2020年城陵矶站最高水位34.74 m，建立该段渗流模型。通过渗流有限元精细模拟手段，量化分析考虑减压井失效和功能正常发挥两种工况，进行对比模拟分析，方案见表1。方案F1模拟减压井完全失效，方案F2则是其功能完全恢复，通过两口减压井之间剖面最大比降来对比分析渗透比降变化特征。

表1 岳阳长江干堤瓦湾段堤防渗流模拟工况

2.3 瓦湾段堤防三维流场特征分析

方案F1模拟在洪水位达33.74 m条件下减压井失效工况，堤基流场分布见图5，总体上，由于江内深弘切割砂层出露，外江水位较高时通过堤基下部砂层向堤内快速渗透，在堤内薄层覆盖的沙壤土内形成承压水，堤内薄层覆盖层内水头等值线密集分布，其比降达0.53～0.66（见表2），均超表层粉质壤土允许比降0.5，与除险加固前比降分布特征基本一致［13］。从该工况可以看出，距压浸平台坡脚300 m处仍可能发生管涌险情。

图5 方案F1减压井失效状态下堤防流场分布

方案F2减压井按30 m间距考虑，堤内流场分布与方案F1有显著不同，流场水头等值线在减压井附近分布密集，这也是减压井排水减压效果较好的体现（见图6）。相比方案F1，方案F2井间对称剖面比降显著降低，其中压浸平台脚位置减小约64%，其他部位也都有不同程度的降低，堤内比降最大仅为0.37，均小于允许比降，这种状态下，堤内基本不会发生管涌险情。该工况下减压井出水量约10 m3/h，接近黄海口堤新型减压井同期出水量。

图6 方案F2减压井功能恢复状态下堤防流场分布

表2 岳阳长江干堤瓦湾段典型工况比降分布特征

2.4 减压井影响范围分析

长江堤防堤基C、D类地层堤段，设置减压井是最为有效的渗控措施，但减压井间距设置多少合适，需要采用试验或者数值模拟进行事先分析，从安全和经济角度选择最合适的减压井间距，为堤防减压井设计提供科学依据。针对此类问题，长江科学院早在1960年就利用三维电模拟试验进行过量化研究［14］，本文采用精细有限元模拟，通过不同剖面可以清晰展示该类地层条件下，减压井排水减压效果及影响范围（见图7和图8）。

图7 两口降压井流场分布（顺堤向）（单位：m）

图8 27.5 m高程流场分布（平切图）

通过模型不同方向和高程平切图可知，随着远离井中心位置，表层弱透水覆盖层内比降明显增加，距井中心约20 m处，表层最大比降已达0.24。结合表2可知，距离堤脚较远处比降最大为0.37。由此可基本确定，该类地层在设计洪水位条件下，减压井有效影响半径约为20 m，从安全考虑，井间距按30 m布置是合理的。

2.5 瓦湾段管涌险情成因分析

管涌险情发生首先要考虑地层因素，综合以上模拟结果并结合水位和地层条件，长江干堤岳阳瓦湾段堤内薄层弱透水地层下伏深厚渗透强透水砂层，属于长江中下游典型的二元结构地层，该类地层堤段也是历史上的险工险段。

根据地层条件并结合以上模拟分析可知，2020年瓦湾段管涌险情产生的最直接原因是减压井失效，无法消减堤内薄层覆盖层内渗透压力；其次是人类活动致使堤内地层出现相对薄弱点（如无反滤措施的农田沟渠），进一步削弱了该处承担承压水能力，渗透比降增大，使得管涌直接在该处发生。

3 管涌典型险情处理对策探讨

长江干堤岳阳瓦湾段与荆南长江干堤、洪湖新滩口堤、黄冈长生堤、黄石海口堤、安庆江堤等部分堤段地层结构较为类似，属于典型的二元结构地层，历史上多次出现管涌险情，至今部分堤段仍有管涌险情出现（见图9和图10）。

图9 洪湖市新滩口镇上北洲稻田沟渠内管涌群（2020年7月）

图10 黄冈市孙镇村孙家咀管涌群（2020年7月）

长江堤防险工段一般历经多次除险加固处理，如吹填压浸、填塘固基、堤基防渗墙等措施，此类措施可有效控制堤身散浸及堤内一定范围的管涌，但如远处有相对薄弱缺陷或者沟渠，即使千米远也可能出现管涌险情。该类地层下部为强透水砂层，很难从根本上消除管涌隐患。另外，防渗墙不同程度截断含水层与江水的水力联系，可能对地下水环境产生影响。

根据前人治水经验，“前堵后排”是治理承压水危害的最有效方法，而减压井恰恰是排水减压的有效措施。我国早在20世纪50年代开始采用减压井治理堤防险情，取得较好的效果。但减压井淤堵是客观存在且难以避免的［11］。根据调查分析，长江科学院总结经验教训，从减压井淤堵机理出发［6-9］，提出了新型可拆换减压井［11-12］，可根据减压井运行状况更换滤芯，使其恢复排水减压功能。从荆南长江干堤李家花园段新型减压井（2001年建成已运行20 a，2020年汛期单井出水量仍约2～3 m3/h）、阳新长江干堤新型减压井运行情况（2017建成，2020年单井出水量约10 m3/h）可知，这种新型减压井只要适当维护，基本可以永久消除管涌隐患。

综上分析，典型管涌险情处理对策建议如下。

（1）堤内一定范围应避免开挖农田沟渠，保证二元结构地层上层覆盖层不被削弱；若出现管涌险情应及时做反滤导渗或蓄水反压，以防险情发展。

（2）经验表明，要加强对减压井的日常维护及监测。已建传统或新型减压井堤段，采取汛前检查应按比例抽检、结合井下电视或抽水试验检查淤堵情况、汛前洗井、失效井重建新型井、新型减压井更换滤芯等方式，可避免减压井功能减退而发生管涌险情。

（3）如堤基为典型二元结构地层，下伏砂层较厚，采用技术成熟的新型减压井技术除险加固，是较为合适的选择。

（4）减压井作为防洪工程，相比其他措施具有投资少、效果好特点，应参照水闸泵站等工程进行日常维护，这对其工程性能发挥具有决定意义。

（5）可采用智能化技术，重点监测汛期减压井出水情况，及时掌握减压井状态，为防汛抢险及汛后维护提供依据。

4 结论

（1）长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情属于减压井失效直接导致农田沟渠薄弱点出险。

（2）研究可知，瓦湾段减压井影响半径约20 m，此类堤段减压井间距不宜大于30 m。

（3）新型减压井可以更换滤芯，属长效减压井，如正常维护，基本可以消除二元结构地层管涌险情风险。

（4）减压井作为防洪工程，应参照水闸、泵站工程进行日常维护，特别是汛前检查应加强减压井淤堵情况摸底，及时洗井清淤或更换滤芯。