长江无为大堤白玉池段安全隐患分析及建议

黄 翔

(安徽省长江河道管理局,安徽 芜湖 241000)

0 引 言

长江安徽段干堤沙基险工险段经过近二十多年建设加固,在防渗及隐患处置实践运用中积累了丰富的经验。近年堤防建设加固思路有所转变,强调融入城市发展规划,结合堤段险工险段隐患处置取得成果,如2021年,安庆市安广江堤城市防洪堤段结合沿江市政道路改造,建设“超级堤防”,打造出靓丽的滨江生态岸线景观带[1]。但是,对于离城区较远、未纳入发展规划且存在防洪安全隐患的险工险段,如何健全综合防渗体系,保障长江干堤安全运行,并合理控制工程规模和经费投入,将是今后实施类似隐患处理要考虑的问题。同时,险工险段隐患处置中,防渗技术的整体应用还存在一些问题,具体有:侧重于防渗墙、排水固结、高压喷射、减压井等单一技术,忽视其他技术辅助;未能有效结合堤防地质类型和地基特点建设完整防渗体系;施工管理不到位等[2-4]。因此,应基于长江险工险段隐患处置,特别是防渗处理存在的问题,针对典型堤段展开深入研究分析。

长江无为大堤白玉池段是历史险工险段,因地理位置和地质原因,1949年以来,经过多次维修加固,提高了堤段抗渗能力。但在近年汛期高水位运行期间,白玉池段堤防内坡戗台以下出现大面积散浸渗水险情,其中46+280处产生集中出水点。2016～2017年,安徽省水利厅安排水利工程运行维护及特大防汛经费共120万元,对白玉池段近850 m重点出险堤防实施防渗处理,提高了施工段堤防的抗渗能力。然而,由于采取的是解决特定险情的应急或局部性措施,处理范围有限,该段仍有近3.2 km堤防未进行除险加固,长时间运行后仍有发生绕渗、侧渗的可能。在长江汛期长时间高水位运行时,堤防仍然存在散浸渗水等安全隐患,2019年在46+580段(距灌浆段末端180 m)发现渗水险情,说明前述除险加固工程措施未能彻底消除险情,2020年汛期堤防出现了明显散浸渗水现象。为确保该段防洪安全,根据SL/Z 679-2015《堤防工程安全评价导则》要求,2019年安徽省长江河道管理局对白玉池段开展堤防安全评价,对该段堤防安全进行综合分析评价。

白玉池段作为长江干堤典型险工险段,地理位置、地质条件、堤基堤身情况具有代表性,在不靠近城区、无法通过城市提升改造规划进行大规模建设情况下,如何结合之前除险加固工程,采取综合防渗技术措施,有效且经济合理地打造全面防渗体系,对长江干堤建设管理具有现实意义。本文综合汛期险情数据、堤防安全评价试验和复核结果,分析认为渗透变形稳定问题是影响该段堤防防洪安全的主要原因,提出解决堤段防渗问题的具体措施,为沿江类似的险工险段隐患处理提供了技术参考。

1 研究背景

1.1 堤防概况

无为大堤位于长江左岸芜湖市境内,上起无为市果合兴,下至鸠江区方庄,全长124.475 km,保护面积4 520 km2,为Ⅰ级堤防,是巢湖流域的防洪屏障。堤防保护合肥、芜湖、马鞍山、六安四市下辖的11个县、市(区)内26.487万hm2(427.3万亩)耕地、600多万人口及华东电网、合福高铁、淮南铁路、合巢芜高速公路等重要设施的防洪安全,在国民经济社会发展中具有重要的战略地位。

白玉池段对应无为大堤44+000～48+000,全长4.0 km,位于长江黑沙洲河段(图1)。堤顶宽10 m,堤内坡戗台以上坡比1∶3,戗台以下坡比1∶5,堤外坡比1∶3。白玉池段江面宽阔,迎流顶冲,浪程较大,大堤外大部分区域无民堤,无民堤段滩宽100～200 m,局部小于100 m或宽500～600 m,滩面较堤内地面略高,汛期大堤直接挡水,常发生散浸渗水等险情,是长江安徽段历史险工险段。

图1 无为大堤白玉池段对应河段位置Fig.1 Location of corresponding river section of Baiyuchi section of Wuwei embankment

1.2 水文气象条件

无为大堤所在地区属亚热带季风区,气候温和湿润、雨量丰沛,湿度大,日照长,霜期短。径流年内分配不均匀,51%集中在5～8月。每年6～7月锋面型暴雨多,8～9月台风型暴雨多。区域洪水受上游来水和下游潮汐双重影响,洪峰来量大且持续时间长。

1.3 工程地质条件

无为大堤白玉池段属皖中平原区,局部为垅岗丘陵,大堤修筑在冲积平原区临长江台面上。该段堤防属含砂基段,堤基地质结构为双层结构类,上部主要为粉质黏土,层内多夹有或层面间附有粉细砂。下部主要为粉质黏土与粉细砂互层,堤基土质不均匀、夹层较多,渗径短,易产生渗透稳定性问题;堤身填土厚6.0～12.8 m,主要是粉质黏土和粉质壤土,夹粉细砂、砂壤土,堤身局部含不良夹层,疏松且密实度稍差,渗透性较大。

2 白玉池段堤防险情及原因分析

2.1 堤防出险情况

2.1.1 历史险情概况

1998年长江流域大洪水,白玉池段多处发生散浸险情,经后期多次除险加固,堤防防洪能力有所提高,但汛期高水位运行时仍出现不同程度的险情(表1)[5-7]。

表1 1998～2016年白玉池段险情统计

2.1.2 2020年汛期险情

2020年汛期长江流域发生仅次于1954年的大洪水,梅雨时长、降雨强度均超历史极值,堤防高水位状态运行持续时间长[8]。据现场巡查统计,白玉池堤段险情以堤脚渗水散浸为主。7月23日,无为大堤凤凰颈闸下水位15.06 m,接近保证水位15.84 m,白玉池段堤内坡普遍发生渗水、散浸险情,代表性日险情见表2。

表2 白玉池堤段代表性险情(2020年7月23日)

2.2 堤防加固情况

1958～2010年,白玉池段堤防实施了多次加固,主要措施包括填塘固基、堤身加培、块石护坡、锥探灌浆、截渗槽等工程,完成砌石2.5万m3,堤身加培土方48.2万m3,填塘固基61.5万m3,截渗槽2.4万m3。经加固,白玉池段堤防基本达到防御1954年洪水标准,防洪能力显著增强。

2016～2017年,为消除白玉池段桩号46+280附近的集中渗水险情,对45+550～46+400段长850 m堤身实施锥探灌浆,对出水点附近46+090～46+310段(长220 m)实施堤内平台盖重,盖重厚度1.0～2.0 m。受限于资金投入,仍有近3.2 km堤防未进行除险加固,2019年在46+580(距灌浆段末端180 m)发现渗水险情,说明未能彻底消除险情,仍存在防洪安全隐患[9]。

由例3至例6，四个题从基础到综合再到灵活应用，扣住了知识的核心，满足了不同层次学生的需求，锻炼了学生的转化意识，提升了学生的类比探求能力.

2.3 堤防安全评价

为加强堤防安全运行,摸清堤防安全状况,2019年采取堤身隐患探测、典型断面外观尺寸复核、现场钻孔、原位试验和相关室内试验等方法[10],开展了白玉池段堤防安全评价,经探测试验,该段未发现较大堤防隐患,但存在堤身材料不均匀、堤顶3 m以下土体含水率较高等潜在安全隐患。对白玉池段划分为6个单元堤段,根据SL/Z 679-2015《堤防工程安全评价导则》综合评价,第1单元堤段(对应桩号44+000～44+800,长度800 m)评价为一类,其余5个单元堤段(对应桩号44+800～48+000,长度3 200 m)评价为二类(表3)。建议对5个评价为二类的单元堤段进行加固处理并加强观测,消除工程隐患,保证运行安全[8]。

表3 白玉池段综合评价汇总

2.4 险情原因分析

2.4.1 堤防工程地质问题

无为大堤为历史上民圩连并,虽然堤身土体压密变形基本完成,但由于大堤填筑时堤基未清基或清基处理不彻底,存在不良土质和杂物零星分布,堤身与堤基结合不紧密。加上白玉池段外滩地狭窄,浪程较远,局部黏土覆盖层薄,汛期大部分直接挡水。近年来汛期长时间高水位时,堤内出现大面积散浸、渗漏险情,且出逸点较高,具体分析如下。

(1) 堤身填土主要为粉质黏土和粉质壤土,局部含有粉细砂、砂壤土、植物根茎或腐殖质和含有机质土、泥炭土等不良夹层,密实程度一般较好,以弱-微透水性为主,但堤身局部夹杂不良土质或杂物,密实程度稍差,堤身渗透性相应较大。汛期江水易沿薄弱部位向堤内渗透,造成堤坡散浸、渗漏。地基中有强渗透性的砂壤土、渗径较短,汛期在堤内外较大水头差作用下,易发生散浸,成为影响大堤安危的关键因素。2010年以来的险情分布见图2,分析表明:44+000～44+800、47+500～48+000堤外有民堤挡水,渗水情况较小,发生渗水桩号主要分布在44+900～47+500范围内。

图2 2010年以来险情分布Fig.2 Hazard area distribution since 2010

(2) 堤基多为二元结构,局部堤段为老黏土或粉细砂单一结构。二元结构堤段的盖层一般较厚,上部主要为粉质黏土,层内多夹有或层面间附有粉细砂,下部主要为粉质黏土与粉细砂互层,两者总体厚度较大。部分堤段(47+500～48+000)上部盖层较薄且小于5 m,其他堤段盖层厚5.2～10.8 m。局部堤段堤基中有渗透性较强的砂壤土砂层浅埋或裸露,渗径较短,汛期在堤内外较大水头差的作用下,极可能发生渗水,抗渗稳定条件较差。

(3) 经过多年加固处理,大堤的渗透破坏隐患仍然存在,渗透稳定问题依然是影响大堤安全的重要因素。

2.4.2 典型断面出逸情况分析

根据2020年汛期白玉池段堤内坡出险情况,对层间渗流异常45+690和47+050典型断面进行出逸情况计算,复核结果见表4。

表4 45+690断面、47+050断面2020年洪水险情复核结果

由典型断面复核结果(表4)可知,在对应凤凰颈闸水位15.06 m时,考虑堤身下部(高程15 m以下)、堤基内部存在层间弱面、质量缺陷导致堤身和堤基渗透性增大时,45+690断面堤内坡的渗流出逸范围在坡脚以上7.70 m,垂直高度约1.48 m,47+050断面堤内坡的渗流出逸范围在坡脚以上13.30 m,垂直高度约3.11 m。在不长的堤段内,在堤内坡上的渗水长度相差较大。分析表明:此种渗透异常现象是堤身下部(高程15 m以下)、堤基内部的层间弱面或隐患所致。

2.4.3 险情产生原因综合分析

综合白玉池段堤防地质条件、堤防加固情况及出险情况分析,该段堤防险情产生的原因主要有以下3个方面:① 堤防形成历史复杂,堤身填土质量差,该段堤防历经多年多次加高填筑而成,堤身存在渗透性较强的不良土质和杂物,堤身与堤基结合不紧密。② 堤基多为二元结构,抗渗稳定条件较差,堤基上部主要为粉质黏土,盖层厚度较薄,下部为粉质壤土与粉细砂,互层厚度较大,堤基土体性质变异性大,夹层及互层现象明显,堤防渗透破坏途径复杂。③ 堤防加固工程呈区段化,没有形成系统完整的防渗体系,虽然历年多次加固处理,采取的锥探灌浆、平台盖重等措施一定程度提高了堤防抗渗能力,减少了发生渗透稳定性破坏的可能性,有效抑制了沙基险段易发生管涌等重大险情的可能,但无法避免在长时间高水位运行工况下发生绕渗、侧渗的可能性。

综合分析认为,堤防渗透稳定问题是白玉池段堤防出现险情的主要原因,严重影响该段堤防安全运行。

3 白玉池段除险加固及管理建议

近年来,特别是2020年汛期,白玉池险段内坡渗水范围较大,无为大堤为国家Ⅰ级堤防。鉴于其防洪保安的重要性和白玉池段所处的地理位置、地质情况,结合堤防安全评价结果,提出以下除险加固及运行管理建议。

(1) 构建系统完整的防渗体系。白玉池段堤身成分复杂、土质差,堤基土质渗透性强,长时间高水位浸泡易发生散浸等渗透破坏险情。为保证堤防稳定,建议在已实施的堤身锥探灌浆、内坡盖重平台等工程性措施的基础上,综合运用水平压渗和垂直截渗的方式建设系统完整的防渗体系;在堤防外滩地加黏土防渗铺盖、堤后加压渗平台的水平防渗措施;在外堤肩处设一道截渗墙,墙底深入堤基下部粉质壤土与粉细砂夹层,尽量延长渗径,降低堤后出逸点高程[11]。

(2) 加强生态防护和水土保持。白玉池段江面宽阔,风浪淘刷易造成堤防外滩水土流失。为防止外滩表面防渗铺盖层流失,建议加强外护堤地防浪林建设,采取复合造林、林草灌高低搭配,强化外滩地水土流失防护,同时有效发挥高水位时防浪林消能减浪作用。

(3) 强化堤防监测等管理措施。堤防维修养护和安全监测是保证工程安全稳定运行的关键。采取人工巡查、无人机、遥感影像、远程监控等多种方式对险段日常检查,汛期加密巡视观测次数,发现滑坡、裂缝等隐患前兆时及时采取应急处置措施。同时结合出险情况选择重点断面进行堤防沉降、位移及渗流监测,定期分析监测成果,为堤身安全状况判定及抢险方案或预案制定提供依据。

4 结 语

经过多年加固,长江无为大堤基本达到防御1954年洪水标准。白玉池段作为历史险工险段,高水位期仍较易发生散浸等渗透破坏险情。险情原因分析表明:堤身成分复杂、土质差,堤基土质渗透性强,多次加固没有形成系统完整的防渗体系,堤防稳定存在渗透稳定问题。为保证堤防安全稳定运行,建议综合运用水平压渗和垂直截渗的方式建设系统完整的防渗体系,加强外护堤地防浪林建设,防止水土流失,同时加强日常巡查检查和安全监测,发现危险迹象及时采取应急处置措施。