江汉平原长江汉江堤防管涌防治及危险堤段的加固

江汉平原长江汉江堤防管涌防治

及危险堤段的加固

王海洋（天门市水利水电勘测设计院，湖北天门431700）

【摘要】笔者于1998年有幸参加了长江、汉江防汛抗灾，成功处理了长江、汉江干堤的多处管涌。根据掌握的有关资料及处理管涌的经验，撰写本文以供水利工作者、堤防管理人员参考。

【关键词】堤防管涌；防治；加固

【中图分类号】TV871.2【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2019）05-0072-02

引言

1998年入夏,长江流域降雨丰沛,进入7月后,全流域发

生洪水,长江、汉江大堤相继告急,百万军民奋战在防洪护堤

第一线。8月1日20时许,嘉鱼县簰洲湾合镇垸发生严重渍

口,8月7日子夜,公安县孟溪大垸堤防也发生溃口。事发原

因均是堤内禁脚地发生管涌,救治不及时而溃堤。从排除近5

千次险情统计,其险因多半源于管涌。

管涌是一个与地下水动力学特征相关的一种地下水不良

作用类型,其生成条件与土层的粒度组成、结构、透水性及地

下水动力作用强度相关。本文将在分析江汉平原长江、汉江二元结构堤基管涌生成的水动力学条件的基础上,针对地下水的渗流特征,提出整治和加固堤防的工程技术建议。

l两江堤基管涌成因分析

(1)江汉冲洪积平原浅层地基土的岩性及结构特征是汛期堤基产生管涌的基础条件。

江汉平原浅部广泛分布第四纪全新世冲洪积物,一般具二元结构。典型柱状剖面自上而下的粉质粘土、粉质粘土夹粉砂和粉土,粉砂,细砂,中粗砂、砾砂及砾(卵)石层。上部粘性土层含水透水性差,地下水研究中常视为弱透水层;而下部砂性土层中赋水透水性强,富含孔隙承压水。地下水与江水水力联系密切,部分地段与江水构成互补关系。由于河流改道,支流消亡,壅塞湖、牛轭湖形成和堆积、溃口冲刷和扇形堆积等原因,使得部分地段粘性土层变薄或缺失,或堆积淤泥质土、粉土、甚至粉砂、细砂层,形成千里江堤中的松软堤基。这类堤基自身存在较低的水利工程适宜性即为不良工程地质现象。

在上述二元结构松软堤基的地质条件下,由于地下水与江水相沟通,汛期高洪水位势必使地下水动水压力增加。高动水压力的地下水流在松软堤基中起两方面的作用,即一方面把砂性土中的细颗粒带走,不断扩大含水体中的空隙;另一方面,地下水高动水压力往往在粘性土中的裂隙端部或洞底集中,应力集中的结果是不断扩展隙端空间,使原本不相连的裂隙贯通;当粘性土的裂隙与砂性土层连通形成地下水排泄口时管涌就已发生。土体发生管涌的水动力学指标常以临界水力梯度表示,即实际水力梯度大于管涌发生的临界水力梯度时,松软堤基将会发生管涌。

实验证明,当堤(坝)基为二元结构,上层的厚度和透水性比下层小,且上层渗透系数小于下层的l/lO时,根据地下水渗流理论,地下水在上层中可视为垂直运动,在下层中可视为水平运动,其地下水水流线在上层近于垂直,在下层近于水平(图1)。在这种情况下,堤内堤脚附近上层中的平均水力梯度(J)符合下式:

J=H1-H2

M1+2L K1M1K

2M2

√(1)

当堤外缺失上层土时,其堤内脚部位的平均水力梯度的计算公式为:

J=H1-H2

2M1+2L K1M1K

2M2

√(2)式中:H1、H2——

—堤外,堤内地下水水头(m);

M1、M2———上含水层,下含水层厚度(m);

K1、K2———上含水层,下含水层渗透系数(m/d);

L———堤基宽度之半(m)。

公式(1)、(2)表明,随着上层厚度和透水层的减少,水力梯度将相应增大。当上层厚度和透水性小到一定程度时,水力梯度可能超过临界值而发生管涌。这就是江汉平原两江堤防中,松软堤基土段在汛期管涌频发的原因之一。

(2)汛期江水横向环流对迎水面(堤外)堤脚的侵蚀作用是加剧管涌发生的重要因素。

河水动力学特征之一是河水水流在前进方向上作规模较大且较稳定的螺旋式运动,使水流产生与其基本流向相垂直的横向运动,亦称为横向环流。造成横向环流的原因主要是:①弯曲河段处水流的离心力作用,使作用于水体的合力指向凹岸,导致水面形成倾向凸岸的横向坡降,同时产生指向凹岸的附压压力。离心力和附加压力的向量和在水流上部指向凹岸,而下部指向凸岸,从而形成螺旋状的横向环流。

②顺直河道在涨水时,中央主流水位上升速度高于两侧,表流由中央向两岸分流,抵岸后顺岸壁下沉转为向中央汇聚的底流,形成向江底汇流式的横向环流。退水时,横向环流方向相反。

③波浪随风向堤岸逐渐壅高,壅高的水体引起沿底面的股流状的离岸回流或沿岸水流,形成类似顺

直河道涨水时形成的横向环流。

图1双层构造岩层中的堤下渗透

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横向环流流速在同一横断面上具有一定的规律性,在表

流下沉转向底流时,由于垂力作用,使其流速增大,相反,当底

流上升转向底流时,流速渐减。据文献资料,水流的可携带的

土石颗粒直径与流速平方成正比,携带土石颗粒的重量与流

速的6次方成正比,故此,流速增大,水流的侵蚀搬运作用增

强。当汛期发生洪水时,由于横向环流表流转向底流过程中,

在重力作用下,使水流速度增加,加剧了水流对大堤,尤其是

堤脚附近的侵蚀作用,形成局部冲刷坑。当二元结构堤基上层

弱透水层被揭穿后,地下水的渗流途径将缩短,其水力梯度以(2)式表示,堤内堤脚处的平均水力梯度将明显增大,使发生管涌的可能性大大增加。当多种横向环流作用方向相同时,其

叠加流速对堤脚附近的侵蚀作用愈将强烈,加之沿堤水流在

垂力作用下于上游坑壁处下跌,对坑底进一步侵蚀,使冲刷坑

不断扩深扩宽,将进一步加速管涌的发生。

2防治管涌、加固大堤

从上述分析可知,只要具备管涌的生成条件,管涌就可能

发生,若将生成条件加以限制或削弱,就可能减少管涌发生的

可能。防治管涌,在抗洪死保大堤安全中已采取了不少行之有效的办法,但其方法都是针对已发生管涌险情时而施之为之。为减少汛期防洪压力,有必要在非汛期针对管涌的生成条件,采取相应的措施,对大堤进行加固处理。

2.1全面勘查，综合分析评价，为大堤加固提供全新的工程地质依据

由于两江大堤(含支流堤防)堤基物质来源各异,其工程

地质特征不同,故需进行堤基工程地质勘查,查明堤基岩性特

征,尤其是颗粒组成、岩性层厚度、结构组合特征、分布规律,各

土层的物理力学性质指标及透水性等。对历年防洪期间的危险堤段,应重点勘查。勘查范围应自江岸始至留用地控管范围。

勘查除收集获取沿堤一带工程地质资料外,尚应全面收

集河道及其变迁的资料,尤其是深泓抵岸地段、河流弯曲地

段、主河床频变地段的资料;收集防洪工程营建史料及其他工程建造资料等。

在获取上述资料的基础上,根据堤基土层性质、洪水位特

征等对堤基土进行渗透变形稳定性分析,划分渗透变形安全

段,次安全段和危险段,结合堤防走势,洪水期主流方向,堤防

所属防洪等级,并宜充分利用地理信息系统的空间功能,提出

加固和整治方案。

勘查手段应采用航片解释、物探、地面调查、钻探、静力触

探、标准贯入、抽水试验、室内土工试验、软件分析、模型试验

等综合方法。

2.2防治管涌、加固大堤的工程技术方法建议

如前所述,在特定的地基土条件下,当实际的水力梯度超

过管涌发生时的临界水力梯度时,管涌将会发生,因此,有效

降低实际水力梯度是防治管涌的主要途径。水力梯度为水头

差与渗透途径长度之比。汛期,洪水位的高低是地下水渗透压

差大小的决定因素。而洪水位高低受降雨特征、范围、植被、水

利设施调洪、湖泊蓄洪等要素控制,需在宏观上对全流域进行

规划和建设,本文对此不予论述,而侧重于对堤基渗流特征的

改造上提出防治和加固大堤的工程技术方法建议。

2.2.1填厚上部弱透水层和减弱下部透水层的渗透性

双层结构的堤基地段上层弱透水层厚度较薄时,汛期容

易发生管涌,故采用增加上部弱透水层厚度的措施,在大堤两

侧禁脚地铺设盖层已被广泛应用。但由于部分工程采用就近

取土,造成留用地带坑、堰、塘、渠众多,使上覆弱透水层此厚

彼薄。汛期往往在塘堰底部局部地下水水力梯度超过临界水

力梯度而发生管涌。故应严禁就地取土、临堤挖堰和建筑民房,对现有临堤塘堰应回填辗压,扩宽禁脚地的铺盖层和反压

层范围。

除采用增厚透水层的措施外,对下部透水砂层也可采用

注浆法,如注低成本的水泥粘土浆,以减弱其透水性能,增强

堤基的抗渗透稳定性。

2.2.2设置防渗帷幕,降低堤内坡脚的动水压力

设置防渗帷幕是水工构筑物防渗和减压的常用方法。据

有关资料,由于阻水帷幕延长了地下水的渗透距离,帷幕深度

大于上游水头高度时,水工构筑物地基地下水渗透压力将降

低30%~50%,这无疑将增强堤防的抗渗透稳定性,减少以至

消除堤脚附近管涌的发生。

设置防渗帷幕可采用地下连续墙、钻孔灌注桩、压力注

浆、高压旋喷和水泥系深层搅拌等单独或综合方法,各种方法

的选择取决于处堤段所属的防洪等级。

2.2.3衬砌堤面、加固堤脚、削弱横向环流和壅浪下沉水流的侵蚀作

用强度

如前述,汛期洪水横向环流和壅浪下沉水流对堤身和堤

脚产生侵蚀,使堤脚处形成冲刷坑。冲刷坑的存在,既加速管

涌的形成,又会直接导致堤身滑塌。其防治措施可采用在堤外

堤脚附近设置深埋护堤墙,对堤坡衬砌等。护堤墙宜与防渗帷

幕相连接。对于深泓抵岸直达大堤的地段,如汉口黄龙庙地

段,防渗帷幕应与堤墙加固相结合,其处理深度取决于泓壁的

岩土性质及稳定性,必要时应超过深泓底高,并应采取削弱横

向环流侧向侵蚀和垂向侵蚀的综合措施,如丁字坝等。

护坡衬砌坡面形态宜砌成阶梯状弧形,宽河段上部堤墙

宜设计成凹面墙;大堤结构可参照围海造陆的堤形及结构(图2),从水力学角度分析,这种堤形有利于削弱下沉底流对堤坡

和堤脚的侵蚀强度,其结构有利于堤身和堤基的整体稳定。

3结语

管涌是汛期堤基中多发的一种地下水不良作用类型,其

工程危害性十分严重。由于江汉平原浅层地基土具二元结构,

含丰富的孔隙承压水,部分地段含水层与江水直接接触,地下

水动力作用强度随洪水位高涨而增强,在上部弱透水层厚度

愈薄和横向环流对坡脚侵蚀作用最强烈的地段,最易发生管

涌。防治管涌应在全面勘查、综合分析评价的基础上,因地段

和防洪等级不同而采取不同的措施,有效的防治方法应是综

合性的,设施应具长久性。

收稿日期：2019-4-12

作者简介：王海洋(1964-),男,工程师,本科,主要从事

水利水

电工程设计工作。

图2护岸衬砌设施结构示意图

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