洞庭湖区双层堤基管涌有限元分析

赵丽子，张恒恺，石林

（湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）

1 引言

堤防工程是洪水防御和保障堤内人民生命财产安全的重要屏障，截止2020年底，湖南省已建堤防工程总长度约20 000 km，其中洞庭湖区堤防长约5 800 km，约占全省堤防总长度的四分之一，是湖南省防洪体系的重要组成部分，共形成堤垸226 个，其中重点垸11 个，国家级蓄滞洪区24 个，一般堤垸191 个。洞庭湖堤防工程分布范围甚广，涉及湖南、湖北7市42县（区），受堤防保护面积达1.10万km2。历来堤防工程出险情况众多，据统计，1998 年湖区堤防出现各类险情达3.37 万处，其中管涌17 311 处，占比51%；重大险情1 540处，重大管涌险情占比47%，造成堤防溃决142 个。2016 年汛期，湖区堤防险情共计337 个，其中管涌153 个，占比45.40%。管涌险情是湖区堤防溃决的主要诱因之一，工程界一般将流土、管涌、接触冲刷、接触流失等渗透变形统称为“管涌”，文章中的“管涌”指工程意义上的管涌。

为守护好防御洪水的最后一道屏障，新中国成立以来，先后对湖区实施了以下几个阶段的治理：①1986年实施了洞庭湖一期治理工程，首要针对重点垸堤防防洪达标处理；②1996年实施了洞庭湖治理二期工程，首要针对11 个重点垸和长江干堤湖南段的堤防除险加固处理；③2008－2015 年开始实施了洞庭湖三期治理工程，主要以蓄滞洪区建设为重心进行整治；④2016 年以后实施了11 个重点垸和58 个重要一般垸的重要堤防加固工程。

随着堤防工程的整治加固，重要堤防工程防洪达标率逐年提升，堤防工程漫溢、崩岸、滑坡等险情大量减少，但管涌险情占堤防出险情况的比例却未大幅下降，在湖区一般垸堤防工程中尤为突出。洞庭湖区环湖地带和四水尾闾地区多分布一般堤垸，受资金限制等历史原因，堤防达标率普遍偏低，堤防未进行全面系统的除险加固，堤基大都未进行有效处理。一般堤垸主要分布于四水尾闾地区，该地区地基一般呈双层结构特性（亦称二元地基），地基上部为透水性弱的粘性土覆盖层，其下分布有透水性强的深厚砂性土层，是洞庭湖区堤基管涌险情常发地区。据统计1998 年汛期资水尾闾地区城关垸（益阳桃江），1999年汛期澧水尾闾阳由垸（常德津市），1996－2002年汛期资水尾闾北峰山垸（益阳市）等多次发生管涌险情。2014年汛期，常德、益阳两市统计堤基管涌险情占堤防险情的85%以上。2017年益阳市赫山区资水干堤小河口段出现重大堤基管涌险情。2018年，岳阳屈原垸西堤防出现较大管涌群。

一直以来，管涌险情是水利工程界最为常见且难以根治的险情之一。根据近年来湖区堤防险情统计发现，湖区重点垸、蓄洪垸等达标堤防中堤身管涌出险频率逐渐减少，易出险部位主要集中在堤基中，常见于堤后一定范围内的渗透变形；在一般垸中未达标堤防工程或者低等级及无等级的堤防工程中，堤身管涌及堤基管涌均有出险，堤基管涌险情越来越引起大家的重视。

2 洞庭湖区堤基管涌易发成因浅析

堤基管涌险情主要发生在地层中，因此很难用肉眼及时发现，容易发展诱发重大险情，甚至导致大堤溃口，其机理研究是水利研究领域的热点。姚秋玲等开展了单层和双层堤基管涌试验研究，提出管涌是在水平渗透力和水流作用下的水平向浅层破坏。刘昌军等提出双层堤基管涌溃堤主要是砂层顶面浅层破坏并最终与进水口连通造成的。刘杰等通过模型试验提出控制双层地基渗流稳定的是下层管涌型土层。陈建生等提出了堤基管涌破坏后对上覆黏土层的影响。梁越等将双层堤基管涌破坏的发生及发展归结为上覆层破坏前的稳定阶段、上覆层破坏阶段、上覆层破坏后的稳定阶段、整体破坏阶段4 个阶段。贾恺等采用室内试验并辅以有限元模拟研究了双层堤基渗透破坏，集中渗流通道产生后通道是否上溯的原因。李广诚、宁丹麦等提出管涌对堤内外水位差和弱透水覆盖层厚度（厚度<2 m）等较为敏感。目前，学界在双层堤基管涌机理的认识上已形成了较为一致的结论：堤基管涌的发生需要具备一定的水力条件、边界条件及地质条件，堤基管涌主要发生在砂性土层中，是一个多因素影响的复杂过程，表观上是在渗透水流作用下，细小颗粒发生移动并被水流带出的过程。管涌根据其发展与否可分为“无害管涌”和“坍塌致溃管涌”。坍塌型管涌发展恶化速度快，短时间可能会扩展至临水侧形成贯穿性的水流通道，造成堤防背水坡面塌陷或形成跌窝等，文中将此类型的管涌称为坍塌致溃涌。

洞庭湖区堤防管涌险情频发是由于其独特的水文情势、地层结构特性等原因造成的，随着湖区社会经济的发展，湖区堤垸出现“淹不得”“溃不起”的现象，因此，开展湖区堤基管涌易发原因分析研究，为科学制定抢险措施，提升湖区堤防工程安全提供参考依据。

2.1 高洪水位

洞庭湖江湖关系十分复杂，多年来，湖区洪水呈现水位高、历时长、流量大等特点，主要原因有两点。

一是四水，长江三口水系以及环湖区洪水组合遭遇复杂多变。据1956—2008 年水文资料统计，湖区组合入湖15 a 洪量与四水同期的占73.20%，与三口同期的有41.50%，三者同时发生的概率为19.50%，三口、四水与30 天入湖洪量相遭遇（过程15 a重叠）的机会高达68.30%。四水和三口洪水相互遭遇引起洞庭湖区水位频超历史记录，1954、1991、1995 、1996、1998、1999、2002、2016、2017年洞庭湖地区均发生特大或大洪水。

二是长期以来湖区泥沙淤积严重，1956－2010 年湖区年均淤积厚度约2.82 cm/a。三峡水库运行后，洞庭湖泥沙淤积速度减小，但湖区总体上仍然处于淤积状态。由于湖区湖床的抬高，“降水不多灾害大，来水不多洪峰高”的危险局面常常出现。

高洪水位形成的堤内外高水头差为管涌发生与发展提供了必要的水力条件，也给堤防自身安全带来了巨大威胁。

2.2 砂性土层结构

洞庭湖区堤防工程多数坐落在第四系松散堆积地层之上，涉及的水文、地质单元多，堤防工程地质问题总体归纳为两类：一是软土地基的沉降变形稳定问题，常见于东、西、南洞庭湖周边；二是渗透稳定问题，常见于长江南岸，四水尾闾及三口水系两岸堤防中，该地区堤基多为单一的砂性土或表层为薄层粘性土下层为深厚砂卵石层的二元结构地层，刘长明将此类基础归为地质条件不稳定区，是湖区堤基管涌险情的常发地。根据洞庭湖近期治理地质勘探统计，湖区约48%的一线大堤堤基为砂性土，由于湖区砂性土为近代沉积，结构松散，透水性较强，在上下游水头差作用下，土层中细小颗粒能在粗骨架颗粒之间发生运移流失，随着土层中细颗粒流失量的不断增加，粗细颗粒整体骨架结构则会遭到破坏，砂性土层结构失稳，从而发生管涌破坏。

2.3 堤后薄弱区域

堤后薄弱区域往往是汛期堤基管涌的出口，洞庭湖区堤垸内人为活动较多，沟塘、渠道开挖、钻井取水、堤后取土筑堤等会造成堤后黏土覆盖层的破坏。在二元地层结构中，由于上覆粘性土层临界水力坡降大于其下砂性土临界水力坡降，砂性土层渗透水头损失小，堤防背水侧粘性表土层底部承受了大部分的水头压力，当粘土层厚度不够或存在堤后薄弱区时，容易形成渗流出口。

3 资江小河口羊角段堤基管涌模拟分析

以资江大堤羊角小河口段典型二元地基结构为研究对象，建立有限元数值模型。据统计2017 年汛期，赫山区资江沿线就出现了35处较大管涌险情，其中，小河口羊角堤段堤基管涌险情为重大管涌险情，若抢护失败，将直接危及烂泥湖垸内赫山区、湘阴县、望城区和宁乡市共四个县（市、区）几十万人的生命财产安全。羊角堤段堤基为典型二元结构地层，上部覆盖透水系数较小的粘性土层，厚度6.70～14.10 m，由上往下分别为：粉质黏土层厚1.60～4.00 m，黏土层厚3.10～6.90 m，呈弱透水性。下部分布为深厚的砂性土，从上往下分别为：粉细砂层厚3.30～3.90 m，呈中等透水性；砂卵石层厚6.70～10.00 m，呈中等-强透水性，其下为含泥砂卵石层。通过取土室内实验，各地层力学指标见表1。

表1 各地层渗透系数及允许渗透坡降表

模型尺寸为：堤高9.00 m，堤顶宽16 m，堤基由上往下分别为由粉质黏土层（厚3.00 m）与黏土层（厚5.00 m）组成的弱透水层，及由粉细砂层（厚3.50 m）与砂卵石层（厚40 m）组成的强透水层，堤后水平长度为300 m，具体结构断面见图1，按最高洪水位8.50 m工况计算。

图1 资江大堤典型二元地基渗流有限元计算模型图

3.1 堤后无薄弱区域

通过有限元分析可知，堤基粘土层内水力坡降较大，由于砂性土层渗透系数较大水头损失小，堤后黏土层渗透系数小，造成承压现象，近堤脚50 m 范围内黏土层底部所受了约60%～70%压力水头，50～100 m范围内承受了约40%～60%的压力水头，100～200 m 范围内承受了约40%～10%的压力水头，见图2，粉质黏土层内未承受水头压力。粘性土层内最大水力坡降为1.10，出现在近堤脚附近50 m范围内，见图3，其上覆粉质黏土层中水力坡降小，渗透水流击穿该层产生管涌的可能性不大。

图2 资江大堤典型二元地基渗流等势线图

图3 资江大堤典型二元地基水力坡降（堤后无薄弱区域）图

3.2 堤后存在薄弱区域

在实际工况中，烂泥湖垸内多处有压水井，在小河口羊角段距离堤脚65 m 处有一处开凿机井取水设施，为了更好地模拟现状，在距离堤脚65 m处建立一处渗流通道口，宽度为1 m，深入砂性土层，见图4，通道内渗流系数与砂卵石层渗透系数一致。通过计算，近堤脚65 m 范围内黏土层底部所受了约60%～70%压力水头，在65～300 m范围堤脚内，等势线在管涌口处发生突变，见图5。管涌通道内最大水力坡降为0.70，大于粘性土允许水力梯度0.52，见图6，易发生流土破坏，而粉丝砂层与黏土层接触部位最大，水力坡降为0.50，大于粉细砂层中允许水力梯度0.25，在渗透水流作用下，易造成颗粒流失。

图4 资江大堤典型二元地基渗流有限元计算模型（堤后存在薄弱区域）图

图5 资江大堤典型二元地基渗流等势线图（堤后存在薄弱区域）图

图6 资江大堤典型二元地基水力坡降（堤后存在薄弱区域）图

3.3 堤基管涌分析

2017 年7 月2 日，受上游柘溪水库泄洪，洞庭湖及湘江洪水顶托的双重压力，资水大堤小河口羊角段管涌点上游资水小河口站于7 时进入最高水位35.90 m（85 国家高程基准），超警戒水位1.40 m。由于河道外采砂，在资水羊角河段管涌口附近河床中形成了两个深超过10 m，面积达1.50 万m2的巨大采砂坑，造成河床破坏，河水可直接向河床下的砂卵石层补给，由于堤内钻井取水，造成弱透水覆盖层破坏，人为造成渗流出口，在超高洪水位下压水井泛水处险情不断扩大恶化，到7月3日24时左右造成堤基从管涌口至堤防下游侧坝肩处塌陷0.70～1.50 m，形成坍塌型管涌，历时约41 h，渗透水流带出泥沙约800 t。由计算分析可知：

①距离大堤堤脚150 m 范围内黏土层内承受较大水头压力，并沿着堤脚的方向逐渐减小，水力坡降为0.60～1.10，大于黏土层允许水力坡0.52，存在渗透破坏的风险如图7（a）所示。由于弱透水层中，黏土层渗透系数大于粉质黏土层，水头压力由黏土层承担，当黏土覆盖层遭到破坏时，管涌口与堤脚之间黏土层内的水力梯度变化不大，在管涌口后水力坡降出现陡降，见图7（b）。

图7 粘性土层最大水力梯度分布情况图

②在堤后150 m范围内，粘性土层与粉细沙层接触部位水力梯度为0.30～0.50，大于粉细砂层的允许水力坡降0.25，见图8（a），当管涌口形成后，管涌口与堤脚范围内黏土层与砂性土层的接触部位水力梯度有所增大，见图8（b），粉细砂层中颗粒被带出的可能性增大，因此，管涌口一旦形成，在高水头作用下距管涌口至堤脚范围内的粉细砂极容易发生。

图8 粘性土层与粉细砂接触带水力梯度分布情况图

③在有深厚覆盖层的双层堤基中，堤后发生管涌的可能性小，但若存在钻井取水、坑塘开挖等造成黏土覆盖层破坏，则会为堤基管涌的形成提供条件。在二元结构地层中，管涌口粘性土层发生流土破坏，但粘性土层底部砂性土层中由于颗粒间孔隙率大，细颗粒在水平水流作用下会发生运移流失，这对于管涌的发展恶化是致命性的。因此，在管涌口抢护过程中要加强反虑设置。

4 洞庭湖区堤基管涌险情处置思考

目前，针对湖区堤基管涌主要采用填塘固基、水平盖重、各类防渗墙、减压井等方式进行加固处理，但由于堤基管涌具有一定的隐蔽性和不可预测性，要从根本上解决湖区二元堤基管涌问题是十分困难的，为此，对洞庭湖区二元堤基管涌险情进行系统治理是十分必要的。通过湖区管涌易发原因分析并资江大堤基地管涌计算研究，并结合湖区堤基管涌出险分布，提出工程措施与非工程措施相结合，传统管理与现代化管理手段相结合等堤基管涌处置的方式，为不断提升堤基管涌险情风险控制能力提供借鉴。

①持续开展洞庭湖区四水尾闾地区一般堤垸的加固整治，以及未达标堤防与达标堤防的堤基处理，对上覆薄黏土层的二元结构地层及砂性土结构地层进行有效处置。②加强外河采砂管理，在开展河道清淤疏浚的过程中，应注意河床的保护，同时强化对堤防堤后200 m 范围内居民生产、生活等活动的管理，防止堤后地面覆盖层的破坏，为管涌形成出口。③加速开展“数字洞庭”建设，对湖区堤防进行数字化管理，加强四水控制性水库与蓄滞洪区的联合调度运用，有效降低河道外水位。此外，整合测绘、水文气象、社会经济、工程地质、工程分布以及历年出险险情等数据，构建湖区堤防风险预测模型，不断提高堤防工程的综合管理效率和应对险情处置水平，为科学决策快速抢险提供支撑。