黄雍 翁朝晖 覃莲超 赵四新 舒国新
摘要：管涌是堤防最常见也是危害最大的险情之一，成因复杂多样，堤防管涌险工段经多次除险加固处理后险情可得到有效控制，但随着堤防运行工况的变化，仍有可能出现新的险情，给治理带来一定难度。为深入研究管涌险情治理措施，以长江流域1级堤防汉江遥堤李家洲险段为例，通过收集该险段历史险情及地质资料，结合已建水利工程现状，详细分析了该险段经除险加固后再次出现管涌险情的原因，并通过三维渗流有限元模型计算揭示了多种工况下该堤段地层渗流场分布特征，提出了水平防渗及排水减压相结合的综合整治措施，选用了新型可拆换式减压井结构，并在库区特殊水文地质条件下付诸实施。该方案已于2022年汛前实施完成，达到预期整治效果。目前汉江中下游已建、在建崔家营、雅口、碾盘山、兴隆等多个梯级，部分堤防的运行工况由汛期短历时挡水转变为长期中高水头运行，研究成果对类似堤防的除险加固及运行维护具有重要的借鉴作用和参考价值。
关 键 词：堤防工程；
管涌；
除险加固；
减压井；
汉江遥堤
中图法分类号：
TV87 文献标志码：
ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.033
0 引 言
堤基管涌险情严重威胁堤防安全，除漫顶溃堤外，历史上绝大多数溃堤都是由管涌造成［1］。1998年洪水期间长江中下游堤防工程较大险情统计资料显示，堤基管涌占险情总数的52.4%，居各种险情之首［2］。1998年大洪水后，长江中下游进行了大规模堤防除险加固，险情大为减少。2020年大洪水期间，管涌和散浸险情数量仍然占到当年险情总数的80.1%［3］。
国内外科技工作者在深入研究管涌形成机理及其发展过程的基础上，探索了管涌险情的治理措施，并取得了丰富的成果。毛昶熙［4］、张家发等［5］通过试验发现悬挂式防渗墙虽对管涌发生的临界条件影响很小，但可以有效阻止管涌的继续发展；
介玉新等［6］采用渗流管流耦合的方法进行管涌模拟，结果表明悬挂式防渗墙虽对降低出口处水力坡降效果不明显，但能控制管涌发展进程；
秦云香等［7］使用三维有限元法比较了不同水平铺盖长度对渗流场特征的影响，发现增加水平铺盖长度可以明显降低下游坝脚处和铺盖末端的水力坡降；
曼舍等［8］提出通过有效的减压井系统，提高堤基的抗渗能力，避免重大管涌险情的发生。
本文以长江流域1级堤防——汉江遥堤李家洲险段为例，通过收集该险段历史险情及地质资料，根据已建水利工程现状详细分析该险段经除险加固后再次出现管涌险情的成因，并通过建立三维渗流有限元模型揭示多种工况下该堤段地层渗流场分布特征。
1 管涌险情变化及成因分析
1.1 近期险情变化特点
汉江遥堤是汉江左岸1级堤防，位于湖北省中心腹地，汉北平原最上端的汉江左岸，上起钟祥市罗汉寺，下至天门市多宝湾，是汉北平原及武汉市的防洪屏障，全长55.265 km。遥堤于2000年进行了除险加固，主要加固措施为堤身加培、填塘固基等，并对堤内11处管涌险情频发的重点险段进行了堤基渗控处理，根据各险段地质条件的不同，采用了盖重压渗，堤身、堤基垂直防渗墙及减压井等渗控措施，经2005，2010，2011年洪水检验，整治效果良好。
李家洲险段位于天门市多宝镇境内，下距兴隆水利枢纽（以下简称“兴隆”）坝址约14 km，对应汉左遥堤桩号263＋600～265＋900，全长2 300 m，属一类险段。该段堤防为滩地填筑，堤基土层为二元结构，上部覆盖层为砂壤土及淤泥质粉质壤土，层厚约10 m；
下部为粉细砂层，层厚18～22 m左右，粉细砂层以下為砂卵石层。该险段为历史老险段，堤内地势低洼，汛期高水位运行下极易发生散浸和管涌险情，历年散浸、管涌险情在堤内100～200 m范围内广泛分布。2000年遥堤除险加固时，对李家洲险段堤内100 m范围进行了盖重，并在盖重末端修建54口减压井，此后至2013年该堤段无险情发生。
2013年兴隆水库下闸蓄水，当汉江洪水来量在1 156～7 080 m3/s区间时，均维持水库正常蓄水位36.20 m（1956年黄海高程，下同）运行。因堤内排水系统不完善，地下水位的抬高导致堤内土壤受到浸没影响，造成农作物减产减收，兴隆配套库岸综合整治工程在距堤脚100～150 m范围内修建了截渗沟。此后，李家洲险段于2014，2016，2017年在距离堤脚133～150 m处均发生过管涌险情。2021年8月29日，在遥堤桩号265+200距堤脚132 m堤内水田内出现小型管涌群（见图1），出险时汉江水位38.86 m，单孔孔径5～8 mm，共7孔，出水带青砂，水冰凉，无水头。9月2日，桩号265+100距堤脚136 m截渗沟边坡上出现小型管涌群，共6孔，主孔孔径约5 cm，其余5孔孔径1～2 cm，出水带青砂，水冰凉，无水头。发现上述险情后，堤防主管部门立即启动应急抢险预案，在管涌险情点周边抢筑反滤围井，井内由下至上按黄砂、瓜米、碎石分层铺设反滤层，及时控制险情，保证清水出逸，并派出专人24 h值守。
1.2 管涌险情成因分析
1.2.1 堤防运行工况改变
李家洲险段位于兴隆库区，2013年下闸蓄水后库区部分河段内水位比水库蓄水前正常年份的中枯水位抬高4～6 m，汉江7 080 m3/s流量下李家洲险段回水水位较坝址处正常蓄水位36.20 m高0.04 m，基本持平。该险段堤外滩地高程约36.00 m，堤防运行工况由兴隆蓄水前的汛期短历时挡水转变为长期高水头运行，堤内地下水位的抬高及充分补给导致堤基土体均为饱和土体，易形成稳定渗流，并在这种不利工况下长期工作。水情对管涌的发生与发展具有重要影响，但影响最大的是高水位的持续时间，而不是高水位［9］。遥堤李家洲险段于2000年加固后至2013年未出现险情，但自兴隆蓄水之后，该险段多次在原盖重范围外出现新的管涌险情，充分说明兴隆蓄水后堤防运行工况的改变是导致该堤段频繁出现新险情的主要原因。
1.2.2 现有减压井效能降低、排水不畅
李家洲险段原设计有54口减压井，建于2000年，至今已运行23 a。受制于堤防管理及维护资金短缺等原因，减压井效能严重降低，其主要原因是物质在渗透介质孔隙中的沉淀聚集导致孔隙堵塞。减压井管理单位2022年汛期观测资料显示，有10口减压井不出水，其余井的出水量也难以达到设计要求。
2013年兴隆库岸综合整治工程开始实施，在沿汉江干堤堤脚内100～150 m范围修建截渗沟，修建后截渗沟两岸沟顶高程较原地面抬高0.5 m左右，致使堤后盖重末端至沟顶形成一片低洼地，常年积水且无法排出，成为沼泽地，一方面大大影响土体抗渗强度指标；
另一方面导致现有减压井内承压水无法顺畅排出，影响减压井效果。
1.2.3 兴隆截渗沟水流不畅、沟壁淤堵
李家洲险段堤后138 m处的兴隆截渗沟减薄了地表弱渗透覆盖层厚度，在高水位工况下易发生险情。且截渗沟建成至今，缺乏维护，沟内杂草丛生，淤积严重，水流不畅。
截渗沟沟壁采用植生块护砌，下设有土工布，多年运行过程中，土工布后方土体内部的细小颗粒随着渗透水流运动被带到土工布内部孔隙中，或被截留在土工布表面，经过一段时间，颗料逐渐积累，造成织物渗透性能降低［10-11］，导致地下水无法顺畅排出。
2 堤防三维渗流模型
堤内减压井列的渗流计算，是一个典型的三维渗流问题，为进一步论证管涌成因，并为后续险情整治提供计算依据，建立了该段堤防三维渗流模型（见图2），通过有限元网格精细模拟减压井真实尺寸及其三维效应，具体算法不再赘述。
李家洲险段于2000年进行了除险加固，对堤身进行了达标设计，现状堤顶高程44.75 m，堤顶宽10 m，内外坡比1∶3，堤内设100 m盖重及减压井（间距30 m）渗控体系，但减压井已运行23 a，效能严重降低，鉴于此，选择2022年管涌险情所在堤段建立堤防及减压井三维渗流模型，模型范围：堤外取至深泓，并考虑汉江下切至粉细砂层；
堤内取至截渗沟后500 m，钻孔深度内未揭露基岩，模型底边界取至0 m高程，顺河道方向模型宽度按减压井间距取值。
为保证渗流计算采用的各土层渗透系数取值的合理性，根据出险时外江水位38.86 m反演出险工况，计算得到截渗沟处水平和垂直出逸比降分别为0.15和0.53，大于上部覆盖层淤泥质粉质壤土允许比降值。出险工况下各土层渗透系数如下：表层砂壤土厚约4 m，渗透系数1.0×10-4 cm/s；
淤泥质粉质壤土厚约6 m，渗透系数5.2×10-5 cm/s；
下部粉细砂层厚18 m，渗透系数为1.1×10-3 cm/s；
卵砾石层厚7 m，渗透系数为2.5×10-2 cm/s。
在此基础上，在设计洪水位42.06 m条件下，量化分析渗控措施失效、新增蓋重、新增盖重及新建减压井3种方案（见表1），进行对比模拟分析。新建减压井为自流井，当其所在位置的地下水位超过井口高程时，减压井处于工作状态将排水减压，若地下水位低于井口高程，减压井处于非工作状态。计算时根据地下水位与井口高程的比较确定减压井的工作状态，渗流计算结果见表2。
图3（a）表明：当现有减压井和截渗沟滤层淤堵失效时，现有减压井附近地层不满足渗透稳定要求，有发生管涌风险，需要采取工程措施进行处置。方案F2仅考虑盖重治理措施，图3（b）表明：堤后平台末端至截渗沟之间地形较低，在汛期会形成沼泽地，实施盖重后地面出逸比降满足渗透稳定要求，说明在该范围内实施恰当盖重处理是有必要的，但截渗沟处仍然不满足渗透稳定要求。方案F3采取的是新增盖重及新建减压井的治理措施，图3（c）表明：减压井对于“二元结构地层（上黏下砂）”的堤基结构能够取得较好的渗控效果，新建减压井后堤防满足渗透稳定要求。堤后截渗沟减薄了覆盖层厚度，在高水位工况下易发生险情，需做好截渗沟的反滤措施。
3 险情整治方案
从治理效果、经济适用及保护基本农田等角度出发确定整治方案。李家洲险段砂层较厚，悬挂式防渗墙虽能控制管涌发展进程，但对降低出口处水力坡降的效果不明显，而现有盖重末端至截渗沟沟顶为一片低洼地，常年有积水无法排出，导致现有减压井排水不畅，农田亦无法耕作。综合前述险情原因分析及三维渗流计算成果，本次治理拟采取水平防渗及排水减压相结合的措施，主要包括堤后盖重处理、截渗沟清挖反滤、减压井清洗及新建减压井（见图4）。
3.1 堤后盖重处理
李家洲险段在2000年采取了盖重处理后，盖重范围内堤段至今未发生新的险情，说明采取盖重的渗控措施对该堤段的渗透稳定安全是有效的。现状截渗沟至原盖重末端为一片沼泽地，盖重填筑后可使该处基本农田得到有效利用。基于此，对李家洲管涌险情段
再次进行盖重处理，盖重首端与原有盖重相接，末端与截渗沟相接，盖重宽约45 m，厚1 m。
3.2 截渗沟反滤及排水功能恢复
因截渗沟边坡上出现小型管涌群，应急抢险时在管涌险情点周边抢筑了反滤围井，为了恢复原截渗沟设计断面，保证截渗沟过流能力及本次整治范围内盖重末端渗流出口的排水通畅，对管涌处边坡进行清挖反滤处理。另外考虑现状截渗沟沟底处覆盖层较薄，为避免盖重填筑后在沟底形成新的险情，对整治范围内截渗沟沟底一并进行反滤处理。将原有混凝土植生块护坡及已反滤失效的土工布拆除后，回填50 cm厚反滤料再重新铺设混凝土植生块。
3.3 新建新型可拆换式减压井及现有减压井清洗
堤防险工段经多次除险加固处理后可有效控制堤内一定范围的管涌险情，但如远处有相对薄弱缺陷或者沟渠，即使千米远也可能出现管涌险情［12］。如堤基为典型二元结构地层，下伏砂层较厚，采用技术成熟的新型减压井技术除险加固，是较为合适的选择。渗流计算方案F2结果显示：仅考虑盖重时，截渗沟处仍不满足渗透稳定要求，故本次险情整治时，在截渗沟管涌险情附近新建8口减压井。传统减压井在长期运行过程中易形成淤堵，导致减压井排水效果逐渐降低，最终失效。本次采用新型可拆换式减压井［13-14］，减压井主体结构包括外井管和可拆换过滤器，可拆换式过滤器主要由内井管、多孔泡沫塑料滤体和过滤网组成，嵌在外井管内，可根据减压井运行状况拔出并进行拆洗或更换，使减压井恢复排水减压功能，该结构被广泛应用于长江流域堤防除险加固工程，并取得了较好的应用效果［15］，系首次应用于汉江堤防。另外，对淤堵较为严重的现有减压井进行清洗。
4 工程实践及效果分析
由于工程堤段本身为险段，又处于兴隆库区，非汛期地下水位亦普遍较高，水量极为丰富，堤内测压管内水头较地面约高1.5 m，该地质条件下钻孔清水护壁成井难度较大，需要采取有效的施工措施确保成孔成井质量。本次施工采取的主要措施为地面加高，钻孔工程安排在盖重工程实施完成之后，井口高程32.70 m，盖重区填土后地面高程34.00 m，为降低相对水位，在井点位置填筑约2 m高平台防止塌孔，采取该措施后，减压井成孔效果较好。
为防止截渗沟内水流倒灌至减压井内，并保证排水管上方农田机耕路的正常使用，采用虹吸管连接减压井出水口至兴隆截渗沟沟内。因减压井内承压水头长期较高，出水量较大，虹吸排水管得以满管流状态运行，可持续将水排至截渗沟内，经抽水试验测定，各井出水量约为140 m3/h，均大于设计出水量。施工进场前，截渗沟沟顶发现一处新的管涌险情，施工完成后，已无出水现象，亦能佐证此次整治效果较好。2022年汛期，该险段未出现新的险情。
但受制于整险资金限制，兴隆截渗沟水流不畅的问题暂未解决，一定程度上降低了减压井的排水效果。
5 结 论
堤防工程是防御洪水泛滥、保护人民生命财产安全的重要屏障，应加强运行管理与维护。当前，为构建适应新阶段高质量发展的长江防洪体系，需对堤防进行全面提质增效，补齐防洪薄弱环节，对堤防进行全面隐患排查并采取加固措施治理是其关键之一。
（1） 堤防管涌险工段历经多次除险加固处理，险情可得到有效控制，但随着工程老化失修、功能萎缩及新的水利工程建设等原因，可能出现新的管涌险情，对堤防进行除险加固并非一劳永逸。以汉江遥堤李家洲险段为例，兴隆梯级建成后，堤防运行工况的改变、现有减压井效能降低及兴隆截渗沟水流不畅、沟壁淤堵等因素导致该险段自2014年后频繁出险。目前汉江中下游在建多个梯级，应高度重视中高水位运行给堤防造成的影响。
（2） 汉江堤防堤基大多为典型二元结构，各管涌险段可根据堤防等级、险情发生位置、相对隔水层深度、移民征地、治理资金限制等因素选择堤后盖重、垂直防渗墙、减压井等一种或多种渗控措施相结合的整治方案。考虑李家洲险段下伏砂层较厚，堤内有相对薄弱缺陷或者沟渠，采用了堤后盖重水平防渗及减压井、截渗沟排水减压相结合的综合整治措施。
（3） 根据李家洲管涌险情的实际，整治方案一方面着重考虑了现有减压井效能降低，采用了新型可拆换式减压井，可根据运行状况拔出后进行拆洗或更换，大大延长了减压井的使用周期；
另一方面，截渗沟沟壁处的土工布作为堤内沟渠护坡的永久建筑物长期使用，织物渗透性能降低会导致地下水无法顺畅排出，应慎重选用，采用级配较好的砂石反滤料更为可靠。此外，还需充分考虑施工方案及移民征地等因素，使整治方案既保障堤防渗透安全，又有利于土地合理利用。
（4） 李家洲险段埋设有测压管，通过观测测压管水头可及时了解堤防运行过程中渗透压力的大小，一方面可反演渗流参数取值的合理性；
另一方面为整治效果提供较为可靠的数据支撑，从而进一步论证该治理方案的可靠性。
（5） 管涌险情整治措施中，综合考虑地质条件、移民征地等因素，常采用垂直防渗的处理方案，大多能起到较好的防渗效果。但受制于渗流模型计算的可靠性、地质条件的复杂性、施工工艺的差异性，局部堤段防渗效果不显著，需通过实践进一步验证总结。
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（编辑：胡旭东）
Research and practice on piping treatment under change of embankment operation conditions：case of Lijiazhou section of Yaodi embankment along Hanjiang River
HUANG Yong1，WENG Chaohui1，QIN Lianchao1，ZHAO Sixin2，SHU Guoxin2
（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China；
2.Hanjiang River Administration Bureau of Hubei Province，Qianjiang 433199，China）
Abstract：
Piping is one of the most common and harmful dangerous situations in embankments.Its formation is complex and diverse，and the dangerous section of embankment piping can be effectively controlled after many times of danger removal and reinforcement.However，with the change of embankment operation conditions，new dangerous situations may still occur，which brings some difficulties to the treatment.In order to further study the treatment measures of piping danger，taking the first-class embankment in the Changjiang River Basin，Lijiazhou section of Yaodi embankment along Hanjiang River as an example，by collecting the historical dangers and geological data of the dangerous section，combining with the current situation of the built water conservancy projects，the causes of piping dangers in this section after danger removal and reinforcement were analyzed in detail.The distribution characteristics of the seepage field in the embankment section under various working conditions were revealed by the calculation of 3D seepage finite element model.Then the comprehensive treatment measures combining horizontal anti-seepage and drainage decompression were put forward，and a new type of removable relief well structure was selected and implemented under the hydrogeological conditions of the Xinlong Reservoir area.The treatment scheme had been implemented before the flood season in 2022，achieving the expected remediation effect.At present，Cuijiaying，Yakou，Nianpanshan，Xinglong and other cascade reservoirs have been built and under construction in the middle and lower reaches of the Hanjiang River，so the operation conditions of some embankments have changed from short-term water retaining in flood season to long-term medium and high head operation.The research results can provide references for the reinforcement and operation-maintenance of similar embankment projects under influences of reservoirs operation.
Key words：
embankment project；
piping；
danger removal and reinforcement；
relief well；
Yaodi embankment along Hanjiang River
收稿日期：2022-12-20
作者簡介：黄 雍，女，高级工程师，硕士，主要从事防洪工程设计工作。E-mail：524752511@qq.com
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