鄱陽湖防洪圩堤壩潛在破壞風險及治理方案研究

何松HE Song；曹凱CAO Kai；朱小偉ZHU Xiao-wei；薛凱喜XUE Kai-xi

（①江西現代職業技術學院，南昌 330095；②江西省公路橋梁工程有限公司，南昌 330029；③江西省建材產品質量監督檢驗站有限公司，南昌 330001；④東華理工大學土木與建筑工程學院，南昌 330013）

0 引言

我國經濟正處于“十四五”規劃經濟高質量快速發展的關鍵期，對水資源的需求量在急速增加，同時也對鄱陽湖經濟區防洪圩堤安全保障建設需求急劇增加。防洪圩堤是在沿河低洼地區、沿海地區和沿海湖區為抵御外界水入侵、保護耕地而修建的堤防建筑；也是鄱陽湖經濟區防洪體系的重要組成部分，更是歷史各時期防洪搶險的主戰場[1]。因此需要對水庫進行除險加固，強化水庫的土石壩，穩定土石壩，避免產生泄漏。

常見的圩堤安全隱患有：堤身滲漏問題、堤基滲漏及滲透穩定問題、堤基變形問題、堤坡穩定問題，依次對應有流土破壞、管涌破壞、脫坡破壞等，同時對應的加固方案也有許多種，例如：復合土工膜、透水戧臺和心墻治理流土破壞、反濾圍井及和濾鋪蓋治理管涌、固腳阻滑和濾水土撐治理脫坡等，因此亟需技術性評價并選出合適的方案，但是大多數停留在經濟性評價方面[2]。

針對鄱陽湖重點圩堤工程存在諸多的安全隱患問題，需要對每個安全隱患問題所對應的出險形式進行判別，及時了解潛在破壞風險與演化機制，最終采取防洪圩堤出險加固措施，保護湖區百姓生民財產安全。

1 防洪圩堤壩潛在破壞風險

1.1 防洪圩堤險情形式分析

防洪圩堤防洪后，堤后坡或堤腳附近的表層土壤潮濕、柔軟、漏水，稱為滲水險情。出險情況較為輕微時應由圩堤工程管理人員進行觀測，嚴重時應及時采取出險加固措施，以防危害圩區百姓生命財產安全[3]。滲水險情的嚴重程度可以從滲流量、逸出點高程和出水渾濁程度等三個方面加以判別：

①當防洪圩堤下游坡嚴重滲水或開始沖刷壩體時，滲水混濁含有泥沙石等附著物，說明危險正在惡化，必須及時處理，防止危險進一步擴大。

②滲水為清水，但逸出點高（粘土堤不得高于堤坡的1/3，沙土一般不允許在堤體上滲水）。回水邊坡容易發生滑坡、漏洞、天坑，應及時處理。

③由于防洪圩堤的洪水浸泡時間較長，導致防洪圩堤下游邊坡滲水。滲水逸出點位于防汛堤下游坡腳處，為少量清水，經觀測無發展，可通過觀測予以加強。

1.2 防洪圩堤險潛在破壞風險

1.2.1 流土破壞

流土破壞[4]通常主要發生在壩下游滲流出口無反濾保護或反濾措施失效的情況下。工程經驗表明，流土的出險點常發生在防洪圩堤下游坡滲流逸出處加固保護情況下，防洪圩堤表現為堤身表層為滲透系數小（k1）的黏性土層，堤基為滲透性大（k2）的非黏性土層，且k1＜＜k2。在自上而下的滲流逸出處，任何土，包括黏性土或者黏性土，只要滿足滲透坡降i 大于臨界水力坡降icr這一水力條件，會出現流土破壞。

1.2.2 管涌破壞

具有一定逸出坡降的細顆粒在滲流作用下開始土壤的孔隙間運動并發現在土體外側的現象，稱為管涌[5]。對于兩者都是黏性土，因存在粘結力的緣故，滲流不會將個別土體顆粒帶走。因此，不會產生管涌。汛期水位較高時，土壤中的細粒滲出，落在孔口周圍，形成砂環。當發現管涌險情后應及時采取出險加固措施。土是否士發生管涌，首先取決于土的性質。一般黏性土（分散土除外）只會發生流土破壞，不會發生管涌破壞，故屬于非管涌土。

1.2.3 脫坡破壞

防洪圩堤滑坡又稱脫坡，通常是由水沖刷、內部滲水或上部壓載引起的。滑坡發生后，路堤段變窄，水的滲徑變短，容易引發其他危險情況。在發現危險情況后，應查明原因，及時進行救援。根據《堤防工程設計規范》（（GB 50286-2013））及鄱陽湖區重點防洪圩堤為5 級堤防，可得防洪圩堤邊坡抗滑穩定系數，其安全系數不應小于表1 的規定。

表1 防洪圩堤邊坡抗滑穩定系數

其中：正常運行為設計洪水位下的穩定滲流期或不穩定滲流期的背水堤坡；非正常運行條件Ⅰ是施工期的臨水、背水側堤坡；非正常運行條件Ⅱ是多年平均水位時遭遇地震，其他稀遇的水、背水側堤坡。

1.3 管涌預測理論模型

管涌破壞會將地層中粉細砂涌出地表，使得地層松散、強度降低、透水性增大，更嚴重時還會引起防洪圩堤或地面凹陷，嚴重影響防洪圩堤的防洪安全。因此，探明管涌在堤基地層中的影響范圍及深度是汛期后提高防滲加固效果的必要條件。

以鄱陽湖某防洪圩堤為例，期斷面如圖1 所示，堤基上部砂壤土為弱透水層，其厚度為Tr，滲透系數為Kr，其下部為強透水層，厚度為Tq，滲透系數為Kq，上游河水滲入堤基并在防洪圩堤下游CE 段出逸。

圖1 某防洪圩堤斷面圖

設防洪圩堤上下游堤基段覆蓋層長度分別為L1和L2，為了方便分析，將其分別轉化為等效不透水層L1e和L2e，即堤基弱透水層在B-B 及C-C 斷面上的滲流量和水頭損失相同，由本奈特公式計算得：

式中：△hx=hx-Hx

根據式（2）求得堤基覆蓋層得滲流水頭hx后即可計算各點滲流逸出坡降：

令i=ikp（覆蓋層土的臨界坡降）；△HCC=HCC-Hx，則有：

此管涌預測模型就建立成功，便可預測管涌發生范圍，且適用于任意kq/kr的情況，求出xkp后，可作如下預測：

①xkp<0，整個CE 段均不會有發生管涌的可能性；

②0

兩個研究團隊現在都已經確定了該通道在分子通信中的作用。斯普金斯的團隊在特定的癌細胞上發現了一種受體，它可以引導癌細胞到達中樞神經系統，并很有可能成為治療目標。赫利森和她的同事們發現這些通道也有免疫功能。斯普金斯和赫利森的研究結果分別發表在7月的《自然》和8月的《自然-神經科學》上，它們為研究和治療包括癌癥、多發性硬化和阿爾茨海默氏癥在內的腦部疾病開辟了道路。

③xkp>L2，整個CE 段均會發生管涌。

2 防洪圩堤壩除險加固治理措施

鄱陽湖防洪圩堤沿江河而筑，堤身土質主要由（粉質）粘土、壤土、砂壤土組成，部分堤段夾薄層粉細砂組成，堤基砂性土堤段，因受雨季汛期水流長期沖刷以及庫水位變動作用易形成流土、管涌及脫坡破壞現象，經過庫水位升降耦合降雨作用出險特征確定出四種典型工況出險形式，因滲流破壞對防洪圩堤危險很大，研究防洪圩堤滲流破壞除險加固措施對確保鄱陽湖防洪圩堤安全度汛具有重要意義。

2.1 流土除險加固方案

防洪圩堤壩體常見的流土破壞治理措施有心墻、斜墻等。壩基防滲措施通常按布置形式不同分為水平和垂直防滲兩類[6]，實質上是擴大了土石壩的滲透直徑，使其滲透坡降不超過允許的滲透坡降，維持防洪圩堤的滲流穩定性。水平滲流措施主要是上游水平滲流地段覆蓋防滲物；豎向防滲措施包括混凝土、泥漿防滲墻等。然而，僅靠防滲措施往往不經濟，也不可能完全切斷壩基滲水。

因此，有必要采取適當的防滲措施和滲透措施相結合，以保持土石壩的滲透穩定性。本節主要從土工膜、斜墻、透水后戧及心墻來比選最優“上堵下排”措施組合，在滿足工程安全性的要求下，盡可能使得采用的防滲措施經濟合理可行。

2.1.1 土工膜設計

復合土工膜廣泛應用于圩堤段上游坡面防滲，具有抗變形能力強，抗滲性能好的等優點[7]。根據《水運工程土工合成材料應用技術規范》[8]可知采用抗老化土工膜及復合土工膜，膜厚度不小于1.5mm，膜應固定于圩堤上游坡面。為了定量分析在防洪圩堤中應用復合土工膜可行性，在上游坡設復合土工膜，運用滲流計算的水力學法對防洪圩堤自由面和滲流量進行計算分析。如圖2 所示，假設防洪圩堤上游壩面上加復合土工膜作為其防滲體，此時計算滲徑長度時應考慮壩體上游對計算滲徑的影響，滲徑延長應按等效矩形的水平長度：

圖2 上游坡面加復合土工膜的防洪圩堤滲流計算簡圖

式中，he為等效矩形的高度；m1為上游坡坡率。

按照滲流計算的水力學法，可通過以下公式進行復合土工膜土石壩的滲流計算，該復合土工膜的滲流量qt以及下游壩體滲流量qx分別為：

式中：H1為上游水位；a0為滲流逸出面高度；Ke為復合土工膜的滲流系數；Kd為層狀壩體土料的等效滲透系數；m1為上游坡坡率；δe為復合土工膜厚度；L 為壩體底面寬度；△L 為等效虛擬矩形水平長度。

將公式（5）代入上式，得到：

按照水力學連續性原理，通過下游壩體的滲流量qx應等于復合土工膜的滲流量qt與降雨入滲滲流量qw之和，迭代計算可求出a0、qt及he，進而根據上游坡坡率關系求得上游坡應鋪設土工膜的最佳長度。

2.1.2 透水后戧臺設計

對于透水后戧臺而言，由《防洪圩堤搶險規范》可得，圩堤壩坡滲水嚴重，但圩區旁砂土物料豐富，施工機具便于開展，可在下游坡搶筑，搶筑時應提前清除地表雜物，避免污染物料。防洪圩堤的逸出高程為12.7m，戧頂一般高出浸潤線出逸點0.5～1m、頂寬2～4m，戧坡1∶3～1∶5，長度超過滲水堤段兩端各5m，以便達到流土破壞搶險的目的[9]。

2.1.3 瀝青混凝土心墻設計

碾壓式直型心墻設計具有適宜機械化施工、防滲面積小、施工技術成熟等優點[10]，本工程亦采用這種結構形式。根據《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計準則》（SLJ01--2010）[11]規定：瀝青混凝土心墻的最大厚度一般為壩高的1/60～1/100，墻頂最小厚度一般不小于30cm，高壩不小于50cm。

2.2 管涌除險加固方案

當圩堤發生管涌時，由于水深和入滲點的分散，導致難以檢查和堵塞，一般而言堤體背水坡腳附近普遍存在危險，采用反過濾滲透，控制沙，留下出路滲漏，不僅可以使細砂、粘土顆粒不再滲漏地面，還可以降低滲水壓力，使危險盡可能避免。一般的搶護措施有反濾鋪蓋、反濾圍井、減壓圍井及水下管涌強護。

2.2.1 反濾鋪蓋設計

當有大面積噴涌時，若反濾料來源充足，可采用反濾鋪蓋進行保護。即在管涌范圍內，采用具有良好滲透性的反濾料，可有效避免地基土體顆粒流失。因管涌涌出地表土層的性質，防洪圩堤將考慮細砂層（含細砂層）以下四層土以及其上部的砂壤土層，基于此，滲流計算簡圖包括堤身及堤基，詳見圖3 所示。

圖3 反濾鋪蓋厚度計算

按《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）附錄A 中計算防洪圩堤下游坡各點的反濾鋪蓋厚度：

式中：ti——i 處鋪蓋厚度/（m）；hi——根據滲流計算得的i 處的表層弱透水層承壓水頭/（m）；Gs——表層弱透水層土粒比重；n——表層弱透水層土粒的孔隙率；Tr——表層弱透水層厚度/（m）；ρ——鋪蓋土石料的密度/（kg/m3）；ρw——水的密度/（kg/m3）；K——鋪蓋安全系數，當強透水層可能出現的破壞形式為管涌時，K 可取1.5，當強透水層可能出現的破壞形式為流土時，可取2.0。

結合鄱陽湖經濟區防洪圩堤工程管理范圍和滲流計算成果表明出現管涌險情堤段，填塘后再作壓蓋處理，壓蓋厚1.5m，壓浸臺末端外邊坡為1∶2，所用土料采用砂質土料。

2.2.2 反濾圍井設計

適用于單個管涌，設置前應先清除地表面雜物并將軟泥挖出至10～20cm，用防汛土袋錯縫圍成井狀，井內分層鋪設反濾料，從上到下層依次設置為粗砂、小石子、大石子，每層厚20～40cm，并在反濾層頂面設置排水管。

3 結論

本研究針對鄱陽湖經濟區防洪圩堤面臨的安全挑戰，深入分析了防洪圩堤的潛在破壞風險，并提出了相應的除險加固治理措施。研究結果表明，流土、管涌和脫坡是防洪圩堤的主要潛在破壞風險，需要通過技術評價選擇合適的加固措施。在此基礎上，本文深入探討了流土除險加固理論，并比較了不同加固措施的經濟性和可行性。此外，本文還提出了管涌預測理論模型，以指導汛期后的防滲加固工作，提高防洪圩堤的防洪安全。

總體而言，本研究為鄱陽湖經濟區防洪圩堤的安全保障提供了重要的理論支持和實踐指導。未來的研究可以進一步關注加固措施的實際應用效果，以及如何在保證安全性的同時，提高加固措施的經濟性和可持續性。