洞庭湖區雙層堤基管涌有限元分析

趙麗子，張恒愷，石林

（湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007）

1 引言

堤防工程是洪水防御和保障堤內人民生命財產安全的重要屏障，截止2020年底，湖南省已建堤防工程總長度約20 000 km，其中洞庭湖區堤防長約5 800 km，約占全省堤防總長度的四分之一，是湖南省防洪體系的重要組成部分，共形成堤垸226 個，其中重點垸11 個，國家級蓄滯洪區24 個，一般堤垸191 個。洞庭湖堤防工程分布范圍甚廣，涉及湖南、湖北7市42縣（區），受堤防保護面積達1.10萬km2。歷來堤防工程出險情況眾多，據統計，1998 年湖區堤防出現各類險情達3.37 萬處，其中管涌17 311 處，占比51%；重大險情1 540處，重大管涌險情占比47%，造成堤防潰決142 個。2016 年汛期，湖區堤防險情共計337 個，其中管涌153 個，占比45.40%。管涌險情是湖區堤防潰決的主要誘因之一，工程界一般將流土、管涌、接觸沖刷、接觸流失等滲透變形統稱為“管涌”，文章中的“管涌”指工程意義上的管涌。

為守護好防御洪水的最后一道屏障，新中國成立以來，先后對湖區實施了以下幾個階段的治理：①1986年實施了洞庭湖一期治理工程，首要針對重點垸堤防防洪達標處理；②1996年實施了洞庭湖治理二期工程，首要針對11 個重點垸和長江干堤湖南段的堤防除險加固處理；③2008－2015 年開始實施了洞庭湖三期治理工程，主要以蓄滯洪區建設為重心進行整治；④2016 年以后實施了11 個重點垸和58 個重要一般垸的重要堤防加固工程。

隨著堤防工程的整治加固，重要堤防工程防洪達標率逐年提升，堤防工程漫溢、崩岸、滑坡等險情大量減少，但管涌險情占堤防出險情況的比例卻未大幅下降，在湖區一般垸堤防工程中尤為突出。洞庭湖區環湖地帶和四水尾閭地區多分布一般堤垸，受資金限制等歷史原因，堤防達標率普遍偏低，堤防未進行全面系統的除險加固，堤基大都未進行有效處理。一般堤垸主要分布于四水尾閭地區，該地區地基一般呈雙層結構特性（亦稱二元地基），地基上部為透水性弱的粘性土覆蓋層，其下分布有透水性強的深厚砂性土層，是洞庭湖區堤基管涌險情常發地區。據統計1998 年汛期資水尾閭地區城關垸（益陽桃江），1999年汛期澧水尾閭陽由垸（常德津市），1996－2002年汛期資水尾閭北峰山垸（益陽市）等多次發生管涌險情。2014年汛期，常德、益陽兩市統計堤基管涌險情占堤防險情的85%以上。2017年益陽市赫山區資水干堤小河口段出現重大堤基管涌險情。2018年，岳陽屈原垸西堤防出現較大管涌群。

一直以來，管涌險情是水利工程界最為常見且難以根治的險情之一。根據近年來湖區堤防險情統計發現，湖區重點垸、蓄洪垸等達標堤防中堤身管涌出險頻率逐漸減少，易出險部位主要集中在堤基中，常見于堤后一定范圍內的滲透變形；在一般垸中未達標堤防工程或者低等級及無等級的堤防工程中，堤身管涌及堤基管涌均有出險，堤基管涌險情越來越引起大家的重視。

2 洞庭湖區堤基管涌易發成因淺析

堤基管涌險情主要發生在地層中，因此很難用肉眼及時發現，容易發展誘發重大險情，甚至導致大堤潰口，其機理研究是水利研究領域的熱點。姚秋玲等開展了單層和雙層堤基管涌試驗研究，提出管涌是在水平滲透力和水流作用下的水平向淺層破壞。劉昌軍等提出雙層堤基管涌潰堤主要是砂層頂面淺層破壞并最終與進水口連通造成的。劉杰等通過模型試驗提出控制雙層地基滲流穩定的是下層管涌型土層。陳建生等提出了堤基管涌破壞后對上覆黏土層的影響。梁越等將雙層堤基管涌破壞的發生及發展歸結為上覆層破壞前的穩定階段、上覆層破壞階段、上覆層破壞后的穩定階段、整體破壞階段4 個階段。賈愷等采用室內試驗并輔以有限元模擬研究了雙層堤基滲透破壞，集中滲流通道產生后通道是否上溯的原因。李廣誠、寧丹麥等提出管涌對堤內外水位差和弱透水覆蓋層厚度（厚度<2 m）等較為敏感。目前，學界在雙層堤基管涌機理的認識上已形成了較為一致的結論：堤基管涌的發生需要具備一定的水力條件、邊界條件及地質條件，堤基管涌主要發生在砂性土層中，是一個多因素影響的復雜過程，表觀上是在滲透水流作用下，細小顆粒發生移動并被水流帶出的過程。管涌根據其發展與否可分為“無害管涌”和“坍塌致潰管涌”。坍塌型管涌發展惡化速度快，短時間可能會擴展至臨水側形成貫穿性的水流通道，造成堤防背水坡面塌陷或形成跌窩等，文中將此類型的管涌稱為坍塌致潰涌。

洞庭湖區堤防管涌險情頻發是由于其獨特的水文情勢、地層結構特性等原因造成的，隨著湖區社會經濟的發展，湖區堤垸出現“淹不得”“潰不起”的現象，因此，開展湖區堤基管涌易發原因分析研究，為科學制定搶險措施，提升湖區堤防工程安全提供參考依據。

2.1 高洪水位

洞庭湖江湖關系十分復雜，多年來，湖區洪水呈現水位高、歷時長、流量大等特點，主要原因有兩點。

一是四水，長江三口水系以及環湖區洪水組合遭遇復雜多變。據1956—2008 年水文資料統計，湖區組合入湖15 a 洪量與四水同期的占73.20%，與三口同期的有41.50%，三者同時發生的概率為19.50%，三口、四水與30 天入湖洪量相遭遇（過程15 a重疊）的機會高達68.30%。四水和三口洪水相互遭遇引起洞庭湖區水位頻超歷史記錄，1954、1991、1995 、1996、1998、1999、2002、2016、2017年洞庭湖地區均發生特大或大洪水。

二是長期以來湖區泥沙淤積嚴重，1956－2010 年湖區年均淤積厚度約2.82 cm/a。三峽水庫運行后，洞庭湖泥沙淤積速度減小，但湖區總體上仍然處于淤積狀態。由于湖區湖床的抬高，“降水不多災害大，來水不多洪峰高”的危險局面常常出現。

高洪水位形成的堤內外高水頭差為管涌發生與發展提供了必要的水力條件，也給堤防自身安全帶來了巨大威脅。

2.2 砂性土層結構

洞庭湖區堤防工程多數坐落在第四系松散堆積地層之上，涉及的水文、地質單元多，堤防工程地質問題總體歸納為兩類：一是軟土地基的沉降變形穩定問題，常見于東、西、南洞庭湖周邊；二是滲透穩定問題，常見于長江南岸，四水尾閭及三口水系兩岸堤防中，該地區堤基多為單一的砂性土或表層為薄層粘性土下層為深厚砂卵石層的二元結構地層，劉長明將此類基礎歸為地質條件不穩定區，是湖區堤基管涌險情的常發地。根據洞庭湖近期治理地質勘探統計，湖區約48%的一線大堤堤基為砂性土，由于湖區砂性土為近代沉積，結構松散，透水性較強，在上下游水頭差作用下，土層中細小顆粒能在粗骨架顆粒之間發生運移流失，隨著土層中細顆粒流失量的不斷增加，粗細顆粒整體骨架結構則會遭到破壞，砂性土層結構失穩，從而發生管涌破壞。

2.3 堤后薄弱區域

堤后薄弱區域往往是汛期堤基管涌的出口，洞庭湖區堤垸內人為活動較多，溝塘、渠道開挖、鉆井取水、堤后取土筑堤等會造成堤后黏土覆蓋層的破壞。在二元地層結構中，由于上覆粘性土層臨界水力坡降大于其下砂性土臨界水力坡降，砂性土層滲透水頭損失小，堤防背水側粘性表土層底部承受了大部分的水頭壓力，當粘土層厚度不夠或存在堤后薄弱區時，容易形成滲流出口。

3 資江小河口羊角段堤基管涌模擬分析

以資江大堤羊角小河口段典型二元地基結構為研究對象，建立有限元數值模型。據統計2017 年汛期，赫山區資江沿線就出現了35處較大管涌險情，其中，小河口羊角堤段堤基管涌險情為重大管涌險情，若搶護失敗，將直接危及爛泥湖垸內赫山區、湘陰縣、望城區和寧鄉市共四個縣（市、區）幾十萬人的生命財產安全。羊角堤段堤基為典型二元結構地層，上部覆蓋透水系數較小的粘性土層，厚度6.70～14.10 m，由上往下分別為：粉質黏土層厚1.60～4.00 m，黏土層厚3.10～6.90 m，呈弱透水性。下部分布為深厚的砂性土，從上往下分別為：粉細砂層厚3.30～3.90 m，呈中等透水性；砂卵石層厚6.70～10.00 m，呈中等-強透水性，其下為含泥砂卵石層。通過取土室內實驗，各地層力學指標見表1。

表1 各地層滲透系數及允許滲透坡降表

模型尺寸為：堤高9.00 m，堤頂寬16 m，堤基由上往下分別為由粉質黏土層（厚3.00 m）與黏土層（厚5.00 m）組成的弱透水層，及由粉細砂層（厚3.50 m）與砂卵石層（厚40 m）組成的強透水層，堤后水平長度為300 m，具體結構斷面見圖1，按最高洪水位8.50 m工況計算。

圖1 資江大堤典型二元地基滲流有限元計算模型圖

3.1 堤后無薄弱區域

通過有限元分析可知，堤基粘土層內水力坡降較大，由于砂性土層滲透系數較大水頭損失小，堤后黏土層滲透系數小，造成承壓現象，近堤腳50 m 范圍內黏土層底部所受了約60%～70%壓力水頭，50～100 m范圍內承受了約40%～60%的壓力水頭，100～200 m 范圍內承受了約40%～10%的壓力水頭，見圖2，粉質黏土層內未承受水頭壓力。粘性土層內最大水力坡降為1.10，出現在近堤腳附近50 m范圍內，見圖3，其上覆粉質黏土層中水力坡降小，滲透水流擊穿該層產生管涌的可能性不大。

圖2 資江大堤典型二元地基滲流等勢線圖

圖3 資江大堤典型二元地基水力坡降（堤后無薄弱區域）圖

3.2 堤后存在薄弱區域

在實際工況中，爛泥湖垸內多處有壓水井，在小河口羊角段距離堤腳65 m 處有一處開鑿機井取水設施，為了更好地模擬現狀，在距離堤腳65 m處建立一處滲流通道口，寬度為1 m，深入砂性土層，見圖4，通道內滲流系數與砂卵石層滲透系數一致。通過計算，近堤腳65 m 范圍內黏土層底部所受了約60%～70%壓力水頭，在65～300 m范圍堤腳內，等勢線在管涌口處發生突變，見圖5。管涌通道內最大水力坡降為0.70，大于粘性土允許水力梯度0.52，見圖6，易發生流土破壞，而粉絲砂層與黏土層接觸部位最大，水力坡降為0.50，大于粉細砂層中允許水力梯度0.25，在滲透水流作用下，易造成顆粒流失。

圖4 資江大堤典型二元地基滲流有限元計算模型（堤后存在薄弱區域）圖

圖5 資江大堤典型二元地基滲流等勢線圖（堤后存在薄弱區域）圖

圖6 資江大堤典型二元地基水力坡降（堤后存在薄弱區域）圖

3.3 堤基管涌分析

2017 年7 月2 日，受上游柘溪水庫泄洪，洞庭湖及湘江洪水頂托的雙重壓力，資水大堤小河口羊角段管涌點上游資水小河口站于7 時進入最高水位35.90 m（85 國家高程基準），超警戒水位1.40 m。由于河道外采砂，在資水羊角河段管涌口附近河床中形成了兩個深超過10 m，面積達1.50 萬m2的巨大采砂坑，造成河床破壞，河水可直接向河床下的砂卵石層補給，由于堤內鉆井取水，造成弱透水覆蓋層破壞，人為造成滲流出口，在超高洪水位下壓水井泛水處險情不斷擴大惡化，到7月3日24時左右造成堤基從管涌口至堤防下游側壩肩處塌陷0.70～1.50 m，形成坍塌型管涌，歷時約41 h，滲透水流帶出泥沙約800 t。由計算分析可知：

①距離大堤堤腳150 m 范圍內黏土層內承受較大水頭壓力，并沿著堤腳的方向逐漸減小，水力坡降為0.60～1.10，大于黏土層允許水力坡0.52，存在滲透破壞的風險如圖7（a）所示。由于弱透水層中，黏土層滲透系數大于粉質黏土層，水頭壓力由黏土層承擔，當黏土覆蓋層遭到破壞時，管涌口與堤腳之間黏土層內的水力梯度變化不大，在管涌口后水力坡降出現陡降，見圖7（b）。

圖7 粘性土層最大水力梯度分布情況圖

②在堤后150 m范圍內，粘性土層與粉細沙層接觸部位水力梯度為0.30～0.50，大于粉細砂層的允許水力坡降0.25，見圖8（a），當管涌口形成后，管涌口與堤腳范圍內黏土層與砂性土層的接觸部位水力梯度有所增大，見圖8（b），粉細砂層中顆粒被帶出的可能性增大，因此，管涌口一旦形成，在高水頭作用下距管涌口至堤腳范圍內的粉細砂極容易發生。

圖8 粘性土層與粉細砂接觸帶水力梯度分布情況圖

③在有深厚覆蓋層的雙層堤基中，堤后發生管涌的可能性小，但若存在鉆井取水、坑塘開挖等造成黏土覆蓋層破壞，則會為堤基管涌的形成提供條件。在二元結構地層中，管涌口粘性土層發生流土破壞，但粘性土層底部砂性土層中由于顆粒間孔隙率大，細顆粒在水平水流作用下會發生運移流失，這對于管涌的發展惡化是致命性的。因此，在管涌口搶護過程中要加強反慮設置。

4 洞庭湖區堤基管涌險情處置思考

目前，針對湖區堤基管涌主要采用填塘固基、水平蓋重、各類防滲墻、減壓井等方式進行加固處理，但由于堤基管涌具有一定的隱蔽性和不可預測性，要從根本上解決湖區二元堤基管涌問題是十分困難的，為此，對洞庭湖區二元堤基管涌險情進行系統治理是十分必要的。通過湖區管涌易發原因分析并資江大堤基地管涌計算研究，并結合湖區堤基管涌出險分布，提出工程措施與非工程措施相結合，傳統管理與現代化管理手段相結合等堤基管涌處置的方式，為不斷提升堤基管涌險情風險控制能力提供借鑒。

①持續開展洞庭湖區四水尾閭地區一般堤垸的加固整治，以及未達標堤防與達標堤防的堤基處理，對上覆薄黏土層的二元結構地層及砂性土結構地層進行有效處置。②加強外河采砂管理，在開展河道清淤疏浚的過程中，應注意河床的保護，同時強化對堤防堤后200 m 范圍內居民生產、生活等活動的管理，防止堤后地面覆蓋層的破壞，為管涌形成出口。③加速開展“數字洞庭”建設，對湖區堤防進行數字化管理，加強四水控制性水庫與蓄滯洪區的聯合調度運用，有效降低河道外水位。此外，整合測繪、水文氣象、社會經濟、工程地質、工程分布以及歷年出險險情等數據，構建湖區堤防風險預測模型，不斷提高堤防工程的綜合管理效率和應對險情處置水平，為科學決策快速搶險提供支撐。