长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究

2021年1月水利水电快报EWRHI第42卷第1期引用格式：崔皓东，陆齐,陈劲松，等.长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究[_(].水利水电快报,2021,42(1) :54-58.
长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究
笮砝东'，陆冬\陈劲枳'，威山涛1，社锌1
(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010;
2.安庆市长江河道管理处，安徽安庆246003)
摘要：管涌是长江堤防最常见也是危害最大的险情之一，至今仍是长江堤防安全的重要威胁2020年汛期，长江干堤局部超警戒水位持续长达60(1,为近年最长时间，其中，城陵矶最高水位达到34.74 m,也为
近年最高水位以长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情为例，利用历史资料和现场调查，根据该段地质条件及渗
控措施，建立了三维渗流有限元模型，重点模拟减压井失效及功能发挥工况下，该段地层内渗透比降分布
特征，揭示该处管涌险情成因，并探讨相应处理对策论文研究成果可为类似堤段汛后除险加固提供参考,.，关键词：管涌险情；减压井；除险加固；长江干堤岳阳瓦湾段
中图法分类号:TV871.3 文献标志码：A DOI ： 10.15974/ki.slsdkb.2021.01.010
文章编号：丨〇〇6-〇〇81 (2021 )01 -0054-05
1研究背景
洪水是有史以来人类面临的最大威胁之一，长 江中下游又曾是洪灾频发地区。

2020年长江遭遇 了近几年最严重的洪水，其中城陵矶站水位超警戒 持续时间长达60 d，居新中国成立以来第3位，仅次 于1998年和1954年；最高水位达34.74 m，为21世 纪第二高水位。

2020年长江干堤险情相对较少，得 益于1998年洪水后长江堤防达标建设及三峡水库 的精细调度，但仍有部分管涌险情、井险及老旧涵 闸险情等发生。

管涌是长江堤防最常见的险情，据1998年灾后 统计，长江干堤及洞庭湖区较大险情中，管涌占比 超过50%111。

截至2020年7月20日，长江干堤湖北 段管涌险情占比56%，出险点距堤脚60~490 m。

湖 南、江西及安徽等地险情也以管涌居多。

笔者在2020年防汛时发现，长江干堤管涌险情 的明显特点是，出险点多为农田沟渠内或老旧减压 井附近，如洪湖长江干堤复粮洲村距堤脚490 m的田边沟渠、洪湖新滩口镇上北洲稻田灌溉渠、九江 济益公堤猪婆凼排水明渠内等均发现管涌。

而岳 阳君山垸瓦湾村管涌则发生在减压井附近，黄州长孙堤因减压井失效引发险情。

长江堤防多填筑在第四系松散堆积物上，部分 堤基土具有二元结构特点，上部以冲积成因的黏性 土为主，下部则为砂及砂卵（砾)石层,厚度大，分布 稳定[2]。

汛期外江高水位经渗流作用，在堤内地层 内形成承压水，使表层较薄的无黏性土或少黏性土 体中的细小颗粒发生移动或被渗流带出形成管涌，近堤脚管涌若不能及时发现处理，会危及堤防安 全。

实际上，管涌险情发生是渗透比降超土层允许 比降所致。

本文以长江干堤岳阳瓦湾段管涌险 情为例，利用历史资料和现场调查，根据该段地质 条件及渗控措施，建立了三维渗流有限元模型，重 点模拟减压井失效及功能发挥工况下，该段地层内 渗透比降分布特征，揭示该处管涌险情成因，并探 讨相应处理对策，为类似堤段汛后除险加同提供参考。

2管涌险情成因分析
2.1 长江干堤岳阳瓦湾段概况
岳阳长江干堤位于长江中游湖南省岳阳市境 内，上起华容县五马口，下止黄盖湖农场铁山咀，总
收稿日期= 2020-10-30
基金项目：国家重大研发计划项目（20I7YFC1502604,20I7YFC0405001)
作者简介：崔皓东，男，正高级工程师，博士，主要从事水工渗流及地下水环境研究工作E-mail:***************•54 .
崔皓东等长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究
长137 km ,全线干堤为多年加高培厚形成,堤基地 质条件复杂。

1998年洪水期间，该堤段出现数十处 管涌、散浸及崩岸险情。

1998年洪水后进行了加固 处理，主要有垂直防渗、压浸平台及减压井等工程 措施。

长江干堤瓦湾段（桩号63+288〜63+788)属于 岳阳长江干堤君山垸堤段，地层根据SL 188-2005 《堤防工程地质勘察规程》[5]分类属于为C 类，堤基 为II 1,为典型的薄覆盖层+深厚粉细砂层二元结构， 易发生管涌。

2000年主要采取了堤内压浸平台+减 压井的治理措施，以防止管涌发生。

但是，在近几 年汛期，当江水位达到34.5 m 以上时，瓦湾段范围 内堤防出现过散浸、管涌等险情。

2020年7月6日 起，该堤段水位超警期间出现管涌、管涌群等险情， 出险点均在现压浸平台外的农田沟渠里（见图1和 图2)6
图2
出险点位于农田沟渠
2.2瓦湾段堤防三维渗流模型及参数
根据现场查勘与历史资料，瓦湾段干堤在2001 年加固后已达到二级堤防标准。

根据当时设计，堤 身锥探灌浆结合外堤坡土T .膜防渗，堤脚设宽60 m 的压浸平台+减压井（间距30 m )渗控体系。

但减压 井运行已20 a ，根据当前堤防管理现状，随着时间的 推移，减压井不可避免地会发生淤堵并失效&9]。

鉴于此，选择典型堤段(桩号63+400，见图3)建立堤 防及减压井三维渗流模型（见图4)，模拟减压井失 效或发挥功能条件下，堤内薄层弱透水层内渗透比 降特征，以揭示管涌发生的原因。

减从并
图4堤防三维渗流模型
模型范围堤外取200 m ,
堤内距堤脚350 m ，
堤 基取至高程-40 m ,顺堤140 m ;减压井口高程 28.8 m ,井径45 cm ,深30 m ,井间距30 m ,米用对称 模型；格节点总数丨〇 294个，单元总数9 705个。

表 层粉质壤土厚约3 m ，渗透系数2.8x l 〇_5cm /s ,下部 深厚粉细砂层为7.4X 丨〇-3 cm /s 。

本文采用长江科学院自主研发软件S F A 中 SSC -3D 模块模拟。

该方法通过有限元网格按实际 尺寸刻画减压井，按溢流型排水孔算法进行模 拟[|〇]，该方法可精细模拟减压井真实尺寸及三维效 应，具体算法此处不再赘述。

在堤防工程中，减压井作为最有效的排水减压 措施，应用较为广泛，根据以往研究可知[|1—12]，有减 压井堤段若减压井不发生淤堵失效，可显著改善堤
内渗流场分布，基本不会发生管涌险情。

另根据
道路设计中线
图3瓦湾段堤防典型横断面示意
.55
•
2021年1月
水利水电快报 EWRHI 第42卷第1期
布与方案F 1有显著不同，流场水头等值线在减压井 附近分布密集，这也是减压井排水减压效果较好的 体现（见图6)。

相比方案F 1,方案F 2井间对称剖面 比降显著降低,其中压浸平台脚位置减小约64%,其 他部位也都有不同程度的降低，堤内比降最大仅为 0.37,均小于允许比降，这种状态下，堤内基本不会 发生管涌险情。

该工况下减压井出水量约10 m 3/h ， 接近黄海口堤新型减压井同期出水量。

水位/m
I I I I T ~~
26 27 27.5 28 28.5 29 29.5 29.7 30 30.3 30.5 31
32 33
2020年汛期瓦湾段部分减压井基本不出水的状 况，可初步认为，发生管涌极可能与减压井淤堵失 效有关。

鉴于此，本文在管涌成因分析中，根据2020年 城陵矶站最高水位34.74 m ，建立该段渗流模型3通 过渗流有限元精细模拟手段，量化分析考虑减压井 失效和功能正常发挥两种工况，进行对比模拟分 析，方案见表1。

方案F 1模拟减压井完全失效，方案 F 2则是其功能完全恢复，通过两口减压井之间剖面 最大比降来对比分析渗透比降变化特征。

表1岳阳长江干堤瓦湾段堤防渗流模拟工况
方案
水位/m T .况说明F 133.74减压井失效井失效F 2
33.74
减压井功能恢复
减压井间距30 m
2.3 瓦湾段堤防三维流场特征分析
方案F 1模拟在洪水位达33.74 m 条件下减压井 失效工况，堤基流场分布见图5，总体上，由于江内 深弘切割砂层出露，外江水位较高时通过堤基下部 砂层向堤内快速渗透,在堤内薄层覆盖的沙壤土内 形成承压水，堤内薄层覆盖层内水头等值线密集分 布，其比降达〇.53~0.66(见表2)，均超表层粉质壤土 允许比降0.5,与除险加固前比降分布特征基本一 致[|3]。

从该工况可以看出，距压浸平台坡脚300 m 处仍可能发生管涌险情。

方案F 2减压井按30 m 间距考虑，堤内流场分
水位/m
26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 30 30.5 31 31.5 32 32.5 33 33.5
-150 -100 -50 0 50 100
150 200 250 300 350
距离/m
图5方案F1减压井失效状态下堤防流场分布
减卜
图6 方案F2减压井功能恢复状态下堤防流场分布
表2岳阳长江干堤瓦湾段典型工况比降分布特征
方案
堤脚平台脚堤内120m 堤内170m 堤内3()0m F 1出逸0.660.570.550.53F 2
出逸
0.24
0.34
0.37
0.33
2.4减压井影响范围分析
长江堤防堤基C 、D 类地层堤段，设置减压井是 最为有效的渗控措施，但减压井间距设置多少合 适，需要采用试验或者数值模拟进行事先分析，从 安全和经济角度选择最合适的减压井间距，为堤防 减压井设计提供科学依据。

针对此类问题，长江科 学院早在1960年就利用三维电模拟试验进行过量 化研究[|4]，本文采用精细有限元模拟，通过不同剖 面可以清晰展示该类地层条件下，减压井排水减压 效果及影响范围（见图7和图8)。

通过模型不同方向和高程平切图可知，随着远 离井中心位置，表层弱透水覆盖层内比降明显增
加，距井中心约20 m 处，表层最大比降已达0.24。

-l -f E v w ^-l i
o o o o o o o o o 4
321 1234二二
• 56 •
图7两口降压井流场分布(顺堤向）（单位
:m)
崔皓东等长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究2727.52828.52929.229.53030.53131.53232.53333.5
距离/m
图8 27.5 m高程流场分布(平切图）
结合表2可知，距离堤脚较远处比降最大为0.37。

由此可基本确定，该类地层在设计洪水位条件下，减压井有效影响半径约为20 m，从安全考虑，井间 距按30 m布置是合理的。

2.5瓦湾段管涌险情成因分析
管涌险情发生首先要考虑地层因素，综合以上 模拟结果并结合水位和地层条件，长江干堤岳阳瓦 湾段堤内薄层弱透水地层下伏深厚渗透强透水砂 层，属于长江中下游典型的二元结构地层，该类地 层堤段也是历史上的险工险段。

根据地层条件并结合以上模拟分析可知，2020 年瓦湾段管涌险情产生的最直接原因是减压井失 效，无法消减堤内薄层覆盖层内渗透压力；其次是 人类活动致使堤内地层出现相对薄弱点（如无反滤 措施的农田沟渠），进一步削弱了该处承担承压水 能力，渗透比降增大,使得管涌直接在该处发生。

3管涌典型险情处理对策探讨
长江干堤岳阳瓦湾段与荆南长江干堤、洪湖新 滩口堤、黄冈长生堤、黄石海口堤、安庆江堤等部分 堤段地层结构较为类似，属于典型的二元结构地 层，历史上多次出现管涌险情，至今部分堤段仍有 管涌险情出现(见图9和图10)。

图9 洪湖市新滩口镇上北洲稻田沟渠内管涌群
(2020年7 月）
图10黄冈市孙镇村孙家咀管涌群(2020年7月）
长江堤防险工段一般历经多次除险加固处理，
如吹填压浸、填塘固基、堤基防渗墙等措施,此类措
施可有效控制堤身散浸及堤内一定范围的管涌，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。

该类地层下部为强透水砂层，很
难从根本上消除管涌隐患。

另外，防渗墙不同程度
截断含水层与江水的水力联系，可能对地下水环境
产生影响。

根据前人治水经验，“前堵后排”是治理承压水
危害的最有效方法，而减压井恰恰是排水减压的有
效措施。

我国早在20世纪50年代开始采用减压井
治理堤防险情，取得较好的效果。

但减压井淤堵是
客观存在且难以避免的〜L根据调查分析，长江科
学院总结经验教训，从减压井淤堵机理出发[6_9]，提
出了新型可拆换减压井[11_12]，可根据减压井运行状
况更换滤芯，使其恢复排水减压功能。

从荆南长江
干堤李家花园段新型减压井（2001年建成已运行
20 a,2020年汛期单井出水量仍约2〜3 m-V h)、阳新
长江干堤新型减压井运行情况(2017建成，2020年
单井出水量约10 nrVh)可知，这种新型减压井只要
适当维护，基本可以永久消除管涌隐患。

综上分析,典型管涌险情处理对策建议如下。

(1) 堤内一定范围应避免开挖农田沟渠，保证 二元结构地层上层覆盖层不被削弱；若出现管涌险
情应及时做反滤导渗或蓄水反压，以防险情发展。

(2) 经验表明，要加强对减压井的日常维护及 监测。

已建传统或新型减压井堤段，采取汛前检查
应按比例抽检、结合井下电视或抽水试验检查淤堵
情况、汛前洗井、失效井重建新型井、新型减压井更
换滤芯等方式，可避免减压井功能减退而发生管涌
险情。

(3) 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。

(4) 减压井作为防洪工程，相比其他措施具有
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57 •
2021年1月水利水电快报 EWRHI 第42卷第1期
投资少、效果好特点，应参照水闸泵站等丁.程进行 日常维护，这对其工程性能发挥具有决定意义。

(5 )可采用智能化技术，重点监测汛期减压井 出水情况，及时掌握减压井状态，为防汛抢险及汛 后维护提供依据。

4 结论
(1)
长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情属于减压井 失效直接导致农田沟渠薄弱点出险。

(2) 研究可知，瓦湾段减压井影响半径约20 m , 此类堤段减压井间距不宜大于30 m 。

(3) 新型减压井可以更换滤芯，属长效减压井， 如正常维护，基本可以消除二元结构地层管涌险情
风险。

(4)
减压井作为防洪工程，应参照水闸、栗站工
程进行日常维护，特别是汛前检查应加强减压井淤 堵情况摸底，及时洗井清淤或更换滤芯。

参考文献：
[1] 丁留谦，张启义，姚秋玲，等.丨998年长江流域管涌险
情特点分析[J ].水利水电技术，2007,38(2):44-46.[2] 黄定强，陈汉宝，王继红.湖北省长江干堤堤基地质结
构及险情初步分析[J ].湖北水力发电，2000, 36(1): 38-40.
[3] 张家发,王满星，丁金华.典型条件下堤身堤基渗流规 律分析[J ].长江科学院院报,2000,丨7(5):23-27.
[4] 张家发，吴志广，许继军，等.安庆江堤现有减压井运
行效果初步分析[J ].长江科学院院报，2000,17(4):
38-40.
[5] SL 188-2005堤防工程地质勘察规程[S ].北京：中国水
利水电出版社,2005.[6] 张家发，张伟，王金龙.防渗墙作用下堤防保护区地下
水动态数值模拟分析III :多元结构堤基条件下的数值
模拟[J].长江科学院院报,2007，24( 2): 34-38.
[7] 张家发，张伟,李思慎.堤防工程减压井淤堵及其应对 措施研究[•)].长江科学院院报,2006,23( 5 h 24-28.[8] 吴昌瑜，张伟，李思慎，等.减压井机械淤堵机制与防 治方法试验研究[J].岩土力学，2009,30( 10): 3181 -
3187.
[9] 张伟.张家发,孙厚才.减压井化学淤堵试验研究[J].
长江科学院院报,2009,26( 10): 13-16.[10] 崔皓东，朱岳明，吴世勇.有自由面渗流分析中密集
排水孔幕的数值模拟[J ].岩土工程学报，2008, 30 (3)：440-445.
[11] 张伟,朱国胜.过滤器可拆换式减压井实用手册[M].
武汉:长江出版社,2014.
[12] 张伟，许继军，吴昌瑜.可拆换过滤器减压井的应用
研究[J ].人民长江，2009,40(3):81-83.[13] 张伟，陈劲松.岳阳长江干堤渗流状态及渗控效果分
析[R ].武汉:长江科学院,2000.[14] 侯石珠.乌江渡水利枢纽坝基渗流电拟试验报告
[R ].武汉:长江水利水电科学研究院，1960.
(编辑:李慧）
Causes analysis of typical piping dangers of main levees of Yangtze River and
countermeasures
CUI Haodong1, LU Qi2,CHEN Jinsong1, SHENG Xiaotao', ZHANG W ei*
(1. Key Laboratory of (Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources , Yangtze River Scientific Research Institute ,
Wuhan 430010 .China ; 2. Yangtze River Management Office of A nqing City , Anqing 246003, China )
Abstract:Piping is one of the most common and harmful dangers of Yangtze River levees and so far it is still a major threat to its safety. In the flood season of 2020, the water level at local area of the main Yangtze River exceeded the warning water level for 60 clays, the longest in recent years and the highest water level of Chenglingji Station reached 34.74 meters, the highest in recent years. On the basis of historical data and field investigation, taking the piping danger at Wawan section of Yangtze River main levees in Yueyang as an example and considering the geological conditions and seepage controlling measures, 3D seepage FEM was established. The distribution features of the seepage gradients in the cases of function failing and function normal of the relief well were simulated to reveal the causes of piping dangers and the countermeasures were put fomard to provide reference for danger elimination and reinforcement of the similar situcitions along Yangtze River levees after flood season.
Key words ： piping clangers;relief well ;danger elimination and reinforcement ; Wawan section of Yangtze River main
levees
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