长江中下游堤防工程险情特点及成因研究

李 坤，司富安，张小宝，赵 鑫，罗 飞

（1.水利部水利水电规划设计总院，100120，北京；2.长江设计集团有限公司，430010，武汉）

长江中下游干流河道上起宜昌，下迄长江河口，全长1880 km，承泄上游干流及中下游支流的巨大洪水。1998年汛后，长江中下游重要堤防进行了全面系统的除险加固建设，堤防防洪能力得到很大提升，在1999年防汛抗洪中发挥了巨大作用，取得显著效益。但由于河道安全泄洪能力仍远小于上游来水量，且长江中下游平原地面高程普遍低于当地洪水水位，因而是长江流域水灾害最集中、最严重、最频繁的地区。堤防工程是防洪减灾体系的重要组成部分，我国5级及以上江河堤防总长328 181km，其中长江中下游5级以上堤防长81 108 km，涉及8个省（直辖市），保护853.3万hm2耕地和16 179万人口，是长江最有效的基本防洪设施之一。

一、工程概况

长江中下游干流干堤长3904 km，支民堤约3万km，共有堤防27段。1级堤防包括荆江大堤、南线大堤、汉江遥堤、无为大堤以及沿江重点防洪城市堤防，长638 km；2级堤防包括松滋江堤、荆南长江干堤、洪湖监利江堤、岳阳长江干堤、四邑公堤、粑铺大堤、黄广大堤、九江长江干堤、同马大堤、广济圩江堤、枞阳江堤、和县江堤、江苏长江干堤等，长1360.5 km，其余为3～4级堤防。另外，洞庭湖、鄱阳湖区重点垸堤防拟定为2级，蓄洪垸堤防为3级。

长江干流堤防均修建在第四纪冲积平原上，1954年大洪水后，长江中下游以1954 年实测最高洪水位29.73 m为设计防御标准全面加培堤防；1972年、1980年后，除武汉段仍按1954 年最高水位不变外，其他河段分别比1954年实际水位提高0.33～0.82 m作为设计水位进行堤防加高加固；1998 年以来，陆续开展长江中下游干流河道治理工程，通过采取护岸、裁弯、堵汊、疏挖、岸线调整等一系列综合治理措施，对长江中下游重要堤防进行了全面、系统的除险加固，使长江中下游河道行洪和堤防防洪能力明显提高。

根据2009—2021年《中国水利统计年鉴》长江中下游堤防历年数据可以看出（图1），长江中下游堤防总长度呈缓慢增加趋势；而累计达标长度和达标率在2008年汶川地震之后骤降，经过除险加固后，在2012年恢复到震前水平，且近年逐年升高。目前，长江中下游堤防达标率约63.63%，其中3904 km干堤已全部达标。长江中下游建立了较为完整的堤防工程体系，极大提高了长江堤防防御洪水的安全可靠度。中下游干流荆江河段防洪标准达到100 年一遇，配合荆江地区蓄滞洪区的运用，可防御历史上发生的1860年、1870年特大洪水；城陵矶及以下干流河段堤防通过干支流水库调蓄可防御1954年大洪水；汉江中下游堤防依靠综合措施可防御1935年大洪水，其他支流堤防一般可防御10年一遇～20年一遇洪水，相较于新中国成立前防御3年一遇～5年一遇洪水，均得到大幅度提升。依靠现有防洪工程体系，长江流域成功抵御了2016年、2017年、2021年区域性大洪水以及2020年流域性大洪水。

二、历史洪水和灾情

长江洪水主要由暴雨形成，以5—10 月最为集中，占全年降雨量70%～90%以上。长江流域面积广，暴雨频繁、历时长，导致中下游干流洪水峰高量大，持续时间长，洪灾频繁且严重。根据《长江年鉴》记载，截至1993 年的近500 年内，长江流域发生灾害性洪水346次，平均不到2 年一次。

中华人民共和国成立以来，长江发生多次大或特大洪水，造成严重灾害。1954年，长江中下游遭遇百年罕见的流域性特大洪水，共淹农田4755万亩（1亩=1/15 hm2，下同），受灾人口1888万，被淹房屋428万间，受灾县市123个。1998年，长江再次发生流域性洪水，中下游溃决堤垸1975座，淹没耕地358.6万亩，倒塌房屋212.85万间，受灾人口231.6万，此后，除险加固工程显著提升了长江中下游堤防防洪能力。1999年汛期，在水位仅次于1998年最高洪水位时，长江中下游沿江堤防出险点数与1998年相比明显减少，险情明显减轻，抗洪抢险的艰苦程度和灾害损失也大大低于1998年，所消耗的人力、物力、财力等与1998年相比大大减少。2016年长江再次发生流域性大洪水，导致5608万人受灾。2020年，长江发生了新中国成立以来仅次于1954年、1998年的流域性大洪水，导致3417.3万人受灾。2021年长江流域共有715个县（市、区）8446个乡镇约1804万人受灾，农作物受灾面积达123.7万hm2。

三、险情类型及成因

根据1995 年、1998 年和2020 年长江中下游干堤险情数据结果来看（表1），堤防险情类型中以管涌、散浸、裂缝、脱坡最为频发。3110组险情数据中，堤基出险1892组，占61%，堤身出险970组，占31%。堤防险情表现形式中，管涌和散浸数量最多（图2），与1995—2020年险情数据特征大体一致。

表1 长江中下游干堤险情数据表

图2 长江流域堤防险情类型分布直方图

1.堤身险情类型及成因

堤身险情主要包括渗透破坏与变形失稳两种破坏类型。渗透破坏的表现形式主要包括堤身散浸和管涌、漏洞等；变形失稳险情的表现形式主要包括堤身裂缝、脱坡等。此外，漫顶、溃决破坏形式也偶有发生。

在统计到的970 组堤身险情数据中（表2），包括了漫顶、渗透破坏和变形失稳三种类型，其中渗透破坏类型主要表现形式为管涌险情，变形失稳以裂缝、脱坡表现形式为主。

表2 堤身险情类型

（1）漫顶溃决

20 世纪以来，随着人口增长和经济建设发展，人为围湖造地、侵占河道情况日益严重，导致洪水量大与河道泄洪能力不足的矛盾特别突出。汛期洪峰过高、河道泄洪能力不足时常导致洪水漫出堤顶，堤身长期浸水、水流冲刷作用强、堤身填土质量差且抗冲刷能力弱、堤身断面不达标等是堤防漫顶溃决的主要原因。另外，汛期分洪也是堤防溃口的原因之一，尤其在1954年洪水期间较为突出。

（2）渗透破坏

渗透破坏是堤身的主要破坏类型，占比67.55%。散浸险情呈现出堤身背水坡渗水、流量随水位升高的特点。堤身管涌和漏洞险情以堤身背水坡出现直径数厘米的“清水漏洞”或“浑水漏洞”为主。

根据地质勘察和调查综合分析认为：由于长江堤防多是逐次分阶段加培或抢险临时加高培厚而成，堤身单薄、断面不达标等易导致堤身发生渗透破坏；抢险过程中临时就近取土，堤身含有渗透系数大的砂性土，土质复杂容易导致接合不良部位土的颗粒和渗透特性不同，堤身长时间高水头运行，容易导致堤身背水坡渗水；堤身存在大量蚁穴、鼠洞等生物洞穴，以及腐烂植物根系等也是堤身易产生渗透破坏的重要原因；邮轮等船只对堤身的撞击，导致堤身土体松散甚至变薄，是堤身产生渗透破坏的原因之一。

（3）变形失稳

在堤身险情类型中，裂缝、脱坡变形导致的失稳破坏占比最大，浪坎其次，滑坡则相对较少。裂缝、脱坡险情主要表现为：迎水坡堤顶或堤身出现1 mm至2 m宽、几米到数百米长的裂缝，没有护坡堤段迎水坡凹岸堤身发生滑坡、堤身内外坡出现脱坡。浪坎险情特征主要为：临水侧堤身出现长数米至数百米、高0.3～2.5 m的梯形坎。

通过险情调查和地质勘察，分析认为：①堤身土质接合不良、土质复杂，砂堤段背水坡渗水，没有及时处理，堤身长时间浸水土体结构发生破坏，堤身背水侧易产生变形和脱坡；②长江中下游江水流速较快，迎流顶冲对凹岸侧蚀冲刷能力较强，尤其三峡大坝运行以后清水下泄导致洪水期清水对岸坡侧蚀能力增强，水土流失严重，堤身容易下挫产生裂缝、发生滑坡；③汛期临水侧风浪较大，堤身夯实不严，抗冲刷能力差，容易形成浪坎。

2.堤基险情类型及成因

长江中下游堤防多建在一级阶地和高漫滩前缘，长江两岸分布大量黏土和壤土等，堤基地质结构以上厚层黏性土的双层结构为主，占比41.3%；其次为多层结构堤基，占比26.87%，其他结构占比较少，百分之几至十几不等。

无黏性土或少黏性土的空间分布状态决定了堤基渗透破坏的表现形式，长江中下游地区渗透破坏主要发生在无黏性土或少黏性土地层中。如湖北省鄂州市昌大堤四房湾堤段堤基砂性土厚度达40 m左右，1998年汛期发生了严重的渗漏险情；南线大堤堤基上部为全新统冲积物，以砂性土为主夹黏性土，或砂性土与黏性土互层，1998年汛期挡水堤段发生管涌等渗漏险情。

统计的1892组堤基险情全部为渗透破坏类型，表现形式为管涌、漏洞、散浸和流土。其中，管涌和散浸险情共1848组，占比98%。917组管涌险情多表现为堤内坑塘出现翻砂鼓水现象，如：1998年8月7日上午10点，安庆江堤桩号14+737处，距内堤脚约200 m处水塘相继发生7处管涌，管涌群面积约1000 m2，管涌口直径10～35 cm，水头上冲约20 cm。931组散浸险情多表现为堤脚或距离堤脚数米到数十米之外发现地面潮湿或渗水。40组漏洞险情为现场发现有清水流出的小孔洞，如1998年荆南长江干堤桩号618+400处，距堤脚5 m处见直径2.5 cm的6个清水洞，范围在5 m2内，流量2 L/min。

根据堤防工程地质勘察和险情统计数据，长江中下游堤基险情数量分布与堤基地层结构占比差距较大（图3），占比最大的上厚层黏性土二元堤基结构堤段内出险占比仅24.89%。

图3 不同堤基地层结构类型总长、险情占比柱状图

根据调研和地质勘察分析认为：堤基存在渗透性较好的砂性土是导致渗透破坏的重要原因；汛期堤防抢险临时就近取土，堤内存在大量地势低凹的坑塘、沟，导致盖层有效厚度减小、渗径变短、无法承受高水头而发生管涌或散浸（图4），这也是数据统计结果中，上厚层黏性土堤基的堤段出现险情数量较多的重要原因；汛期堤基长时间承受高水头；堤内分布有生物洞穴、腐朽植物根系、钻孔、取水井等，导致堤基质量下降。

图4 堤基管涌典型地质剖面示意图

3.岸坡险情及成因

长江中下游干流河道长1893 km，崩岸是长江中下游河岸普遍存在的一种自然现象，据不完全统计，2003—2020 年以来中下游干流河道共发生崩岸险情1010处，崩岸总长度729.5 km。其中，以下荆江河段、池州河段、安庆河段和芜湖河段最为频发。崩岸险情为变形失稳类型，主要表现为条崩（119 组）、窝崩（19组）和滑坡（10组）。

条崩一般沿岸线呈长条形，长度十米到几千米不等，宽度一般3～5 m，宽者可达7～8 m，多出现在顺直型河道主流贴岸的一侧，在弯曲型河道的凹岸也有发生。条崩多出现在顺直型河道主流贴岸的一侧，在弯曲型河道的凹岸也有发生，一般先产生纵向裂缝，然后在平面上形成条带状崩塌。条崩的发生主要与岸坡土质抗冲刷能力差、深泓逼岸、迎流顶冲、河床冲淤变化频繁以及长江中下游清水下泄等有关。

窝崩的崩滑面呈圆弧形或锯齿形，一般沿岸线的长度数十米至百余米，崩进江岸的宽度大约为其长度的1/2。窝崩的发生主要受河势条件控制，一般出现在水流动力作用较强的岸段，如：弯曲型河道的凹岸，分汊型河道的弯曲主、支汊凹岸及其汇流段。在近岸遭受强烈冲刷的情况下，顺直型河道也会发生连续窝崩，导致岸线在平面上呈锯齿形。窝崩发生的主要原因包括岸坡地层层次变化大、抗冲刷能力差、深泓逼岸、迎流顶冲、河床冲淤变化等。在江水强烈冲刷和地下水渗流共同作用下，下部土体被冲刷带走导致岸坡变陡、岸坡坍塌、岸线后退速度较大，则会形成窝崩。如1984年7月，发生在扬中河段嘶马弯道的口袋型窝崩塌口宽330 m，崩窝坍进500 m。

滑坡一般发生在河岸分布有淤泥质土，或者河岸存在倾向江河的软弱结构面的岸段，主要与迎流顶冲、岸坡土体松软或抗冲刷能力差、河水淘刷河岸坡脚、顺向坡或存在软弱结构面等有关。如1998 年耙铺大堤桩号K98+313至98+653段发生的卫家矶滑坡，厚度4～6.6 m，体积约1.5×104m3，滑带倾角10°～13°；1999年对滑坡进行了简易处理；2000年9月，近堤脚处再次出现两条长20～30 m的裂缝。

4.穿堤建筑物险情及成因

统计数据中包括穿堤建筑物险情100组，主要为接触冲刷（57组）、建筑物损毁（35组）和沉降变形（8组）。

接触冲刷主要表现为建筑物、闸基或涵管与土体接触部位发生散浸、管涌或流土，如：1998年8月1日，在荆南长江干堤幸福闸出口30 m、高程39 m的蓄水池顶出现四处管涌，直径1～4 cm；8月11日，在洞身出口20 m处泄水槽(高程36.5 m)上，高程39 m处又有3处直径2～3 cm的砂眼，形成砂盘0.4 m2，另在高程39.5 m处出现直径3 cm的浑水砂孔，出险时外江水位45 m；闸上游侧内堤脚处见散浸，同时防於闸两侧堤防背水坡散浸严重。

建筑物损毁表现为涵管断裂、漏水，机电设备损坏、闸门变形无法启动等。沉降变形则主要为闸室下沉、闸身出现裂缝等。破罡湖闸站基础为淤泥质黏土，1998年汛期破罡湖闸室两侧引桥刺墙分缝止水损坏，空箱内漏水，迎湖侧1#至5#闸孔胸墙与闸墩接合部渗水；泵站汇水箱与穿堤涵箱第一道沉陷缝冒清水，泵室汇水箱下12 根立柱上端出现最大15 mm 的水平或斜向裂缝，水泵层框架梁两端在电机层浇筑加载后出现0.2～0.5 mm 的螺旋形裂缝，整个泵房朝出水侧倾斜，底板两端高差约5 cm。

根据工程地质勘察，分析认为穿堤建筑物出险的主要原因为：建筑物直接与抗渗性差的砂性土接触，易发生渗透破坏；机电设备运行产生振动导致建筑物与周围土体接触部位出现缝隙，高水位运行期间，产生渗透破坏；软土地基承载力差，易发生沉陷、抗滑失稳，导致建筑物变形或损坏；建筑物修建时间较早，多年运行后机器老化。

四、结论

长江中下游堤防险情频发，险情类型多样，堤身、堤基、岸坡和穿堤建筑物等部位均有险情发生。堤身险情破坏主要有漫顶溃决、渗透破坏和变形失稳三种类型，渗透破坏最为频发，管涌和散浸最为突出。堤基险情主要为渗透破坏类型，以管涌和散浸最多，在堤基险情中占比98%。崩岸是长江中下游河岸常见的险情，其中，条崩和窝崩是最为常见的表现形式。100组穿堤建筑物险情中，接触冲刷57组，说明渗透破坏类型在穿堤建筑物险情中仍为主要类型。总体来看，长江中下游堤防险情以渗透破坏最为突出，变形失稳次之。

长江中下游堤防堤身出险主要由洪水期堤防高水位运行、水流的强冲刷作用、堤身质量差、堤身断面不达标等原因造成。堤基出险主要与长江中下游两岸特殊的二元堤基结构有关，而堤内不远处存在坑塘、生物洞穴和植物根系等也是造成堤基渗透破坏的原因；长江中下游两岸土体抗冲刷能力差、河道弯道多、深泓逼岸、河势变化大、河床冲淤变化频繁以及洪水下落造成的潜蚀等均为造成崩岸险情发生的重要原因。穿堤建筑物多在河岸线不远处修建，堤基、堤身含有砂性土，建筑物修建时间较早，机械设备常年运转振动导致接触部位存在缝隙，长时间高水位运行等是穿堤建筑物出险的主要原因。

目前，长江中下游建立了较为完整的堤防工程体系，但部分险工弱段仍然需要治理。进一步加强长江中下游干流堤防新出险部位除险加固及隐蔽工程防渗护岸工作，提升堤防工程品质，是护佑长江安澜、助力经济高质量发展的重要基础。