围井反滤在江西省圩堤堤基管涌抢险中的应用及若干认识

盛小涛，陆 齐，张 伟，江洎洧，饶锡保

（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

在汛期高水位驱动下，江河堤防堤基易发生“管涌”［1］（广义上的管涌定义）破坏。1998年长江中下游堤防出现较大险情共1 702处，其中管涌险情872处，占51.2%［2］。2016年长江干堤50处险情中，管涌险情30处，占60.0%［1］；管涌险情占比均超过一半［3］。2020年长江流域再次遭遇大范围强降雨，长江干流及主要支流多站水位超警戒、超保证甚至超历史水位，长江流域多地堤基发生管涌险情。笔者参与了2020年江西省鄱阳湖圩堤和湖北省长江干堤防汛工作。堤防管涌险情产生地点多面广，可能发生在堤脚、坑塘、建（构）筑物周边、基坑等覆盖层薄弱地带，甚至距离堤脚几百米至1 km。江西永安堤距离堤脚600 m以外某处基坑发生管涌险情，湖北黄石长江干堤某管涌群距堤脚1.17 km。这是由于长江大堤堤基70%以上为双层或多层地基，地基中强透水层水压力传递快、衰减慢，堤内大范围地表土体受到承压水顶托影响，在薄弱处地表土体被承压水顶穿，产生管涌险情。

管涌险情抢护原则是反滤导渗，控制涌水带砂，流出渗水出路，防止渗透破坏。目前，不少研究指出应当重视管涌等渗流出口保护［4-5］。管涌口保护可采取的措施有围井（堰）反滤、蓄水反压、导滤堆等多种方式，其中围井反滤措施是针对管涌险情的一种常用并被证明有效的抢护方法。1998年7月17日洪湖干堤王洲段出现管涌险情，起始孔径1 cm，30 min内发展到15 cm，当即采用围井反滤措施，滤层为三级配粗砂、瓜米石和碎石，管涌口渗水转清，险情得到控制［6］。汛后开挖发现管涌已向上游发展，夹层砂全部流失，由于控制及时，险情没有形成更大灾害。2016年7月4～9日，黄石干堤某段接连发生管涌、翻砂鼓水等险情，其中，管涌5处、翻沙鼓水点10处。在每处管涌点外围做一个直径约4 m、高约1 m的围井，围井用黏土灌编织袋双排垒砌，围井内形成三级反滤，每层厚30 cm。处置完成后管涌点出水为清水，险情得到了及时控制，后期保持密切监测，其涌水量大小与江水位呈正相关关系，最大管涌点涌水量近270 L/min。

虽然围井反滤在堤防险情抢护中得到广泛应用，但是由于对洪水变化过程、管涌危急程度、险情点环境条件等多方面因素考虑不周，围井反滤未能达到预期效果。2017年湖南省益阳市某民垸的管涌险情距堤内脚约60 m，起始管涌口直径约15 cm，实施的围井反滤被冲毁，险情迅速向上游发展，导致地面及堤身沉陷［1］。2020年江西省某圩堤堤脚出现管涌险情后，实施围井反滤，滤层表面持续管涌跳砂，如图1所示，也有的从土袋围井缝隙中涌水涌砂。

图1 滤层表面可见颗粒流失

目前，对于围井反滤应用目标、达成条件及特殊环境下的应用技巧还缺乏足够认识。本文对围井反滤作用机理及其研究现状进行分析，并结合2020年堤防管涌险情抢护实践经验总结了一些认识，对今后堤防防汛抢险提供一定的参考依据。

2 围井反滤作用机理

应用围井反滤技术是为了达到保土排水效果，解决堤基土体承受水力比降大于允许水力比降而造成地基管涌问题。管涌的发生是由于地基土体渗透压力超过了自身的允许值，导致渗流出口带走土颗粒，然后继续向上游发展，进而形成上下游联通的渗流通道，最后导致地基沉降。但若出口无渗流破坏条件，内部即使有薄弱层或裂缝也不会发生渗透破坏。围井反滤是保护渗流出口，阻止管涌发生、发展比较直接的方法。

围井反滤技术结构主要由围井和滤层两部分组成。围井的主要作用是控制滤层范围，支撑滤层稳定，约束渗透水流垂直向上进入滤层，并为排水提供有利条件。滤层的作用是降低管涌口的涌水流速，减小动水压力，使原流动的土颗粒恢复稳定，防止颗粒大量流失，抑制管涌险情进一步发展。围井反滤作用原理区别于蓄水反压［7］，蓄水反压的渗流控制思想是“压盖”，在管涌口蓄高下游水头，减小上下游水头差以降低土体承受的水力比降。而围井反滤是在出口产生反滤保护，形成新的地层系统，以提升系统的抗渗性能，增大允许水力比降，并通过及时疏排降低水压力。

目前，许多专家学者针对滤层的防治效果开展了大量的研究以揭示反滤作用机理。如周健等［8］通过细观层面试验研究管涌土在反滤保护下的颗粒移动规律。在室内建立基料-滤层垂直渗流模型，并通过高倍显微镜观察颗粒流失现象，分析颗粒位移场。研究发现，随着水力比降增加，基料移动颗粒中的粗颗粒运动后在滤层交界面形成稳定的“滤饼”，阻止更细的颗粒流失并保持良好的透水性。这与早年国内外学者［9-11］观点一致，他们认为基料的稳定性与其中粗颗粒密切相关，迁移中的粗颗粒在滤层表面形成滤饼。同时，周健等［12］通过离散元数值试验研究基料-滤料不同层间系数D15/d85值对滤层防治效果的影响，证明了层间系数D15/d85值是反滤是否形成的关键因素。周健等［8］的试验同时表明，即使未形成自滤层，还是会延缓系统破坏时间。姚志雄等［13］通过体视显微镜观察到土体内部系统发生的管涌现象，其临界的细颗粒可在复杂的水土相互作用下达到层间系数值而自行稳定，使管涌停止。

自滤层的形成在流土型土和管涌型土中有不同的表现。刘杰［14］通过试验研究两类土自滤反滤过程，发现流土型土不同于管涌型土，其在装样施工完成时即形成自滤层阻止颗粒流失。

是否形成自滤层与滤层厚度直接相关。白彦峰［15］通过试验研究了不同滤层厚度下得到的系统水力比降变化特征。当滤层厚度为5 cm时，细颗粒快速通过滤层，未能形成自滤层，不能阻止管涌发生；当滤层厚度为15 cm时，系统抗渗性能得到大幅提升，滤层厚度再增加至20 cm时，提升效果并不明显。

自滤层也容易受到外界环境影响而失效。李晓庆等［16-17］调查和分析地下集水廊道的滤层失效成因主要包括自滤层堵塞、自滤层击穿和旁流。毛昶熙［10］认为，根据特定水力条件，如能按照一定的水力坡降和流向设计滤层，则可采用粗颗粒强透水滤层，李晓庆也认为水力稳定性滤层是解决上述问题的方向。

滤层除须阻止颗粒流失之外，还应具备良好的排水条件。刘杰［2］将被保护土和滤层简化为双层土体，根据双层介质渗流计算理论，滤层与被保护土的渗透系数和水力比降满足下式：

式中：k1，J1为滤层的渗透系数和实际承受的水力比降；k2，J2为被保护土的渗透系数和实际承受的水力比降。滤层渗透性越强，其本身承受的水力比降越小，表明减压效果越好。

综上，滤层应用须满足层间系数要求，且有足够的厚度使流失颗粒中的粗颗粒在交界面形成自滤层，阻止细颗粒流失，保留渗水通道，减小系统承受的水力比降。而系统内部的管涌潜蚀随着颗粒移动可以形成自稳定。由于汛期江河水位及复杂的水土相互作用关系，导致水力条件多变，应持续观察反滤层是否失效。

3 当前围井反滤常用的材料和结构方案

3.1 围井反滤结构

围井反滤种类较多，根据滤材分类，有传统砂石、宽级配砂石、土工织物和梢料围井反滤等。根据围井结构分类，有土袋式、装配式、充水式围井等。目前，在堤防管涌险情抢护中常用的是土袋砂石围井，其在管涌口处用编织袋装土抢筑围井，井内逐级铺填反滤料并埋设排水管，深部埋设排水管则管壁应透水且包裹反滤纱网。

3.2 围井研究现状

传统土袋围井技术方法成熟，经验丰富，但是往往存在黏土填料缺失、装袋搬运耗时耗力等不足，围井的结构性能朝着简易、快速、易储备、可扩展的方向发展。目前，多种新型围井结构得到越来越广泛应用。

江西省某圩堤采用无底铁桶，在桶壁周边凿孔排水，形成简易围井。侯英杰、陶同康等［18-19］设计了装配式围井，通过组合拼接完成安装，其尺寸大小和高度可现场调节，扩展性较好。长江科学院堤防险情应急抢险修复技术与装备项目团队提出“以水治水”的思想，积极研发充水式围井，通过充水气囊作为滤层围护结构，代替传统的土袋，运输携带方便，安装简捷。

围井作为一种围护结构，给滤层提供稳定支撑，阻止边壁无防护渗水，虽然新型围井技术已经得到有效发展应用，然而管涌险情复杂且具有发展的特点，应根据现场条件和险情发展恰当使用。有些管涌险情发生在较深的坑塘中间，对其进行蓄水反压后仍然冒水涌砂，围井修筑条件复杂。有些管涌险情发生在渠道斜坡上，新型围井结构自身稳定存在问题。有些围井反滤失效，进一步添加滤料将导致围井加高，威胁结构安全。因此，有必要根据圩堤典型险情特点作有针对性地研发和物资储备。

3.3 宽级配滤料应用

传统的滤材多是均匀多层反滤料，级配范围窄，颗粒组成比较均匀，滤土排水能力强，反滤效果显著［20-21］。然而，均匀料抗冲刷性能差，往往需要多层反滤。此外，均匀料还存在施工劳动强度大、筛分量大、费工、费时等问题。因此，宽级配滤层得以研究和应用。

宽级配滤层往往具备当地取材、生产简单、料源广、可机械化操作等优点，其区别于传统均匀滤层最大的特点是颗粒级配不均匀系数Cu大。刘杰［22］以d20为特征粒径，建立了均匀和不均匀滤层的内在联系，认为只要d20相同，且满足反滤准则，均可起到反滤作用。郭庆国［21］认为太沙基保土准则（D15/d85＜4）无下限和排水准则（D15/d85＞4）无上限，而宽级配料级配宽、粒径范围大，不适用于太沙基准则，应针对被保护土料的性质设计宽级配滤层。吴昌瑜［4］在垂直渗透仪内进行了中细砂与砂砾石的接触变形试验，以某堤段天然砂砾石平均线和下包线级配料充当反滤料，试验表明组合样整体的抗渗性能超过了中细砂，平均线可以达到滤料的抗渗强度，但下包线滤料在增加渗透比降后率先发生管涌变形。宽级配滤层发展应用空间很大，但应根据被保护土性质，合理运用反滤准则进行试验并通过实践检验其适用性。2020年在长江鄱阳湖流域圩堤上，宽级配砂卵石料被广泛应用在防汛抢险工作中。

宽级配滤层作为粒状颗粒材料，在装卸、运输、铺装时粗细颗粒容易分离，而且级配越宽越容易分离。使用时应设法严格控制施工质量，主要措施有：限制最大颗粒尺寸；保持一定的含水量；适当加大滤层厚度和围井尺寸；保证滤料清洁无杂质。应用中加强抢险效果的动态监测。

4 对围井反滤技术应用的认识

本文总结了管涌险情围井反滤技术作用机理及其结构研究现状，并分别展开讨论。结合该技术在2020年鄱阳湖圩堤和湖北长江大堤的堤防防汛抢险应用情况，主要得到如下几点认识。

（1）围井反滤技术应用目的有两个：①保护管涌出口，阻止细颗粒土料持续流失，或者部分细颗粒流出但可为进一步险情抢护措施实施赢得时间。②在保护渗流出口的同时，疏导管涌口水流排出，以消杀水势，减小周边土体扬压力。

（2）围井反滤内管涌出口水流垂直向上进入反滤层，由涌出砂中较粗颗粒在反滤层的交界面形成自滤层阻止细颗粒土料流失。围井结构应起到约束水流垂直向上渗透的作用。2020年部分圩堤实施的土袋围井侧边空隙中涌水涌砂，土颗粒流失严重，险情抢护和值守时应密切注意围井结构完整性。

（3）宽级配土料应用的反滤准则区别于传统的均匀多层反滤料。料场选择应根据被保护土性质，优选优用，须通过试验和实践检验其适用性。用于管涌口反滤保护时，应确保级配连续，细料损失严重的土料不适宜直接用于抢险。宽级配反滤料较易产生分层现象，现场应备有余料以便及时补充填料。

（4）围井反滤技术应用要有针对性，对管涌位置、围井反滤应作针对性调整。2020年长江干堤某泵站引水渠岸坡上发现管涌险情，出水量达到25 L/min，实施围井反滤后起初可正常排水，但是由于未能清除底层淤泥，滤层发生严重堵塞，排水量逐渐减小甚至不出水。在渠道底部、岸边和沼泽区的管涌险情，其淤泥常常堵塞滤层，阻碍排水。实施围井反滤时，应清除井底淤泥及杂物或者先正级配铺填大块石、碎石、瓜米石，块石厚度超过淤泥层厚，再按反级配铺填滤料。

（5）围井反滤技术不一定能彻底根治管涌，实施反滤技术后，应根据出水量、含沙量、江河水位条件情况，持续观察值守。增加滤层厚度可提高系统的抗渗破坏能力，并可延迟系统破坏的时间。滤层太薄，不利于自滤层的形成，不能阻止管涌发生。然而，滤层也不宜过厚，只要满足要求便可，层间系数是控制管涌是否发展的关键因素。2020年部分圩堤上实施的反滤围井滤层表面继续涌砂，再次添加滤料增加其厚度后，阻止了颗粒流失。

（6）堤内基坑、渊塘等的表层弱透水土比较薄弱甚至粉细砂层直接出露，较易出现管涌险情，目前遇险抢护方法包括：①修筑围井反滤或者直接抛投反滤料阻止涌水带砂；②在岸边加高子堤进行蓄水反压。一些圩堤为实现围井填筑条件，首先降低坑塘内水位，在围井实施完成后再重新蓄水，操作复杂且过程中削弱防洪能力，有必要发展适用于坑塘管涌险情抢护的围井结构，优选反滤料防止骨料分离，实现水下险情抢护，提高抢险效率和可靠性。

（7）堤防上尚有一部分管涌险情是钻孔封堵不严导致，覆盖层厚度减薄，形成承压水出溢通道。这类险情管涌出口明确、流速快、涌水量大、水力比降大。围井反滤设计时应适当选择较大的围井尺寸，采用块石、卵石首先消杀水势，使过流面积增加、渗透流速降低，再逐级回填滤料，并在围井周边设置多层排水管，及早排泄水压力。地表弱透水层较厚时，可适当增加滤层厚度。