长江干堤广兴洲镇段管涌现状分析及防治方法研究

李常辉

(湖南省煤田地质局第六勘探队，湖南 湘潭 411100)

1 引言

2012年7月初至8月中旬，受长江中上游4次洪水过程影响，长江防洪干堤广兴洲段局部又出现管涌地质灾害，其中4处管涌地质灾害较为明显。当地政府紧急抢险，采取抢筑砂石围井和挡水土坝等措施进行处险，管涌得以被控制。

近年来，汛期长江大堤的防汛任务仍十分繁重，其中管涌地质灾害发生频率较高，防汛难度大，给当地人民生命财产等构成巨大隐患。本次我队承担了岳阳市君山区1∶5万地质灾害详细调查项目，其中长江大堤管涌地质灾害调查是重要的内容之一。本文作者作为此项目负责人，根据调查材料及研究成果，对管涌地质灾害形成机制及防治方法有些新的认识。

2 概况

2.1 区域概况

广兴洲镇位于君山区北部，北临长江，总面积88.4万平方公里，人口约4.38万，耕地面积6.8万亩，水域面积1万亩。以现代农业为主，是有名的鱼米之乡。长江防洪干堤广兴洲镇段起始桩号33+774至51+012，共长17.238 km。

2.2 广兴洲段防洪干堤概况

2.2.1 防洪堤概况

长江干堤广兴洲镇段外滩宽30～100 m，堤身为就近取土、多年不断加高培厚加固而成，内坡坡比1∶2.5～1∶2，外坡坡比1∶1.25～1∶1.5；地基基础较软弱，每逢汛期险情不断。特别在1998年连续8次洪峰，水位高，持续时间长，干堤全线险象环生，汛后进行堤防加固处理，处理后堤顶宽8 m；堤身高度大于6 m的内设宽6 m的压渗平台，外坡比1∶3，内坡比1∶ 3.5，堤后为宽10 m、高2 m的防汛巡查线路。

2.2.2 岩土体特征

广兴洲镇位于长江中下游河漫滩，大堤地基土层剖面属二元结构(图1)。干堤上部分由河漫滩黏性土组成，具水平层理、颗粒细小均匀、高含水量特征。因地下水水位高、形成晚，土质难以得到有效固结，具有软土特点。根据工程性质划分为：淤泥、淤泥质土、黏性土。黏性土表层呈现出周期性干湿循环，形成具有超固结形状的硬壳层。河漫滩与河床之间存在一些黏性土、粉砂层过渡相，土质非常不均匀。

图1 管涌示意图

干堤下部分则由河床相砂、卵石及砂砾石等粗碎屑类土组成，一般40～80 m，厚者可达220 m。经分析，成分多为石英质，卵石中含有燧石、石灰岩以及变质岩等。上述河床组成成分、级配、颗粒大小、形状及排列等主要受水流速度、物源以及运距等因素影响。区段上游至下游，其粒径逐渐变细。从地质剖面分析，由上而下粒径逐渐变粗，呈现出韵律层特点。这是因为砂层沉积过程中局部水力条件的变化，出现透镜体与黏性土薄层。对河床现场沉积的粉细砂进行样品分析，发现其细砂、粉粒以及粉细砂均存在抗渗能力低下、级配不良及抗液化水平不高的特点。

干堤大部分处于长江Ⅰ级阶地前缘，沉积环境受长江洪水影响，也受地形地貌及水文地质条件的制约，松散的地层变化复杂。局部有单一黏性土或砂性土的单层结构，大部分为漫滩河流阶段冲积而成的双层结构，上部为2～5 m的黏性土，下部为厚层砂、砾、卵石层。

3 管涌现状分析

3.1 管涌发育现状

经过现场调查及搜集资料，在1996年和1998年长江干堤广兴洲镇段多处发生管涌，后经过治理及对长江干堤加高、加固等工程，大部分管涌灾害得到了治理。经过近几年的巡查监测发现，局部仍有少量管涌灾害发生，其中2012年有多处管涌发生。通过本次调查，广兴洲镇长江干堤仍然存在4处管涌：(1)长江干堤桩号42+000处距大堤约200 m的农科六组韩某屋后鱼池有直径为10 cm的管涌点；(2)长江干堤桩号42+500处距大堤约350 m的四支渠内、块石护坡的坡边上，有3处管涌点，其中一处直径为8 cm，另两处直径均为15 cm；(3)长江干堤桩号41+900处距大堤约400 m的农科六组灌溉渠内有2处管涌点，一处直径约为60 cm，另一处直径为30 cm，两管涌点相距约80 cm；(4)长江干堤桩号41+800处距大堤约400 m的农科六组某鱼池有直径15 cm的管涌点。

3.2 水力联系及管涌的形成条件

本区所在位置属于长江中下游河漫滩，上部分黏性土中的上层滞水由降水与地表水补给，黏性土渗透系数小、含水量小。砂砾石层中潜水与长江水体水力联系密切，汛期由长江水体补给地下水，枯水期由河漫滩对河水进行补给。因此河漫滩地下水位会随长江水位的变化而变化，但变化动态在长江水位变化之后。

由于长江中下游河漫滩地下水变化动态在江水变化之后，使岸坡受到机械潜蚀作用。当土体不均匀系数大于10、水力坡度超出临界水力坡度，细颗粒将被冲走，土体结构将受损。汛期，地表黏性土覆盖下的砂砾石层中的地下水具有承压性，在多次渗透压力作用环境下，土体中的细颗粒被带出，经支管状通道，出现喷砂现象。骨架颗粒被冲走，使得土堤发生了破坏(如图1)。

广兴洲镇长江堤防工程多建于软土地基环境，堤身是土体结构，地质环境为第四系河流相沉积区。堤基土层结构为单透水层地基和双透水层地基两种类型。地下水有孔隙承压水和潜水，与地表水体(江、渠)水力联系密切。由于堤基强透水层(砂砾石层、砾卵石层)的作用，堤坝内近1 km的广阔区域均受到渗透压力的影响。随着洪水位不断上涨，渗透压力逐渐增大，地表土结构在渗透压力作用下遭受不同程度的破坏，从而在局部逐渐形成不同大小的管涌。

3.3 典型管涌发育特征

根据我队现场工程地质测绘、钻探工程揭露，广兴洲镇联合村管涌区堤基土为典型的二元结构，上层为透水性相对较弱的粉土，下部为透水性较强的细砂层，且与长江水体相通(图2)。堤外水位较高时，强透水层的渗透水体水头损失较小，堤内侧1 km区域表土层底部承受较大的水压力，一旦冲破粉土层，粉砂在没有反滤层保护下流出，造成管涌或流土现象。

图2 管涌勘查工程地质剖面示意图

管涌区域自上而下分布的地层为：人工填土(Q4ml，渗透系数约6.95×10-5cm/s，属弱透水层)、粉质黏土(Q4al，厚度2.1～4.0 m，渗透系数约2.59×10-6cm/s，属微透水层)、粉土(Q4al，厚度2.7～6.9 m，渗透系数约为8.12×10-4cm/s，属中等透水层)、细砂层(Q4al，厚度43.4～46.3 m，属中等透水层)、砾砂层(Q4al，厚度1.4～1.2 m，属强透水层)、二长花岗岩(ηγ53)。

3.4 管涌形成机制分析

3.4.1 宏观地质因素

根据钻孔(ZK1)揭露，堤内地表为粉土，属中等透水层，厚度6.9 m，向堤外延伸逐渐被冲刷变薄；其下为细砂和砾砂，属中-强透水层，厚度43.4 m，与河水连通，向堤内延伸，有利于管涌的形成；砾砂下部为微透水的花岗岩层，相对隔水。发生管涌的位置位于距离钻孔约500 m的水渠内，水渠约2 m，表层粉质黏土层及粉土层厚度和完整性遭到破坏，汛期高水位时，由于细砂层渗透水头损失很小，表层粉质黏土及粉土底部将承受较大水压力。该压力作用于粉土与粉质黏土层，且无反滤层，粉砂随着水流出，进而出现管涌。

3.4.2 透水层的结构特性

区内堤基土为多层结构，中-强透水层分别为细砂、砾砂层，粒径在0.5～0.075 mm的颗粒含量占50%以上，其与上部粉土层以及下部粉土层的渗透系数变化大，对渗透变形具有促进作用。

3.4.3 堤基水文地质结构特性

区内堤基水文地质结构特征为多层结构，堤内分布有沟渠，由于盖层被破坏，砂性土层裸露于地表，高水位时，堤内、外形成水头差，堤基渗流产生水力比降，将细颗粒携带出而发生管涌。

3.4.4 工程因素影响

在建房、修渠时破坏了天然黏性土覆盖层，加之堤垸内遍布民用摇泵井，这些都为管涌的发生提供了条件。

综上所述，区内堤基管涌是多种因素影响形成的。从理论上分析：只要堤防迎水侧和背水侧存在水头差，就会产生水头压力，进而产生渗流现象。当这种渗透水流形成的动水压力超过土体的抗渗强度，且土体具有不利于渗透变形的结构特性，加之适宜的地形地质条件和工程因素的影响，就有可能产生管涌。

3.5 管涌稳定性计算与分析评价

根据土层临界水力比降、允许水力比降、实际水力比降综合判定，并分析发展趋势和危害程度，对管涌的渗透稳定性进行综合评价。

区内地基土结构为表层粉质黏土及粉土，下部为细砂、砂砾和粉土，根据室内试验数据计算分析如下：

(1)堤基土临界水力比降采用太沙基公式计算：

Icr=(Gs-1)(1-n)

(1)

Gs为土粒比重，根据实验数据取平均值2.67；n为孔隙率，取经验值0.36；计算求得临界水力比降Icr为1.069。

(2)堤基土允许水力比降计算公式：

[I]=Icr/K

(2)

依据《堤防工程设计规范》，K为无黏性土的安全系数，宜取1.5～2.0，本次取2.0。

[I]=1.069/2.0=0.535

求得允许水力比降[I]为0.535。

(3)堤基土实际水力比降的确定。勘查区地基土为双层结构，土层厚度稳定，透水性均一，堤后上升渗流段的平均水力比降(即出逸比降)计算式为：

(3)

式中：H1、H2为堤外、内水位，m，分别取值为H1=37.09 m、H2=25 m；2b为堤底宽度，取值70 m；M1、M2为上、下土层厚度，m，分别取值为M1=6.9 m、M2=43.4 m；K1、K2为上、下土层渗透系数， m/d，根据实验数据以及经验值分别取值为K1=8.12×10-4cm/s、K2=5.38×10-3cm/s。

通过计算求得：

=0.49

堤基下水平渗流段的平均水力比降可按下式计算：

I水平=(H3-H4)/2b

(4)

式中：H3-H4为堤外、内堤脚处测压管水位差，m，根据现场钻孔水位推测，堤外、内堤脚处测压管水位差为0.5 m。

通过计算I水平=0.5/70=0.007。

允许最高洪水位：

(5)

式中I上平取允许水力比降[I]=0.535；Hmax=38.188 m；内、外水位差H=Hmax-H2，H=13.188 m。

(4)堤基稳定性分析评价。通过上述计算，采用历年(1998年广兴洲段)最高洪水位37.09 m，计算得出堤后上升渗流段的平均水力比降(即出逸比降)为0.49，而确定的堤基土允许水力比降为0.535，实际水力比降约小于允许水力比降。因此现状条件下，暂不会发生管涌，为渗透相对稳定状态；当河水位上升至一定高度(Hmax=38.188 m)，堤内外水位差足够大(H=13.188 m)且堤内上部盖层土厚度足够小、伴有扰动破坏、浸泡时间足够长时，较容易发生管涌或流土。

4 防治方法

本次调查结果分析得出：区内管涌集中发生于5～8月期间，为强降雨阶段时节，与降水、洪水位涨幅分布基本一致。管涌发生位置距离河堤有近有远，最远可达1 km；规模大小不一，冒水孔小的在1～2 cm，大的可在5 m 以上。

要对管涌采取有效的防治措施，需遵循既定规范标准施工与优化控制原则，采取截、压措施联合，以延长管涌渗流通道路径，进而改变堤防土层渗流状态与稳定性。结合巡防制度，确保管涌地质灾害发生初期能迅速得到控制。

4.1 管涌险情判别

对管涌险情大小与严重程度分析，需将管涌口与堤脚的距离、管涌口直径、涌水水头、涌水量以及洞口扩展等情况相结合来判断。

(1)如管涌出现在背水堤脚附近或距离较远的坑塘洼地，应根据与堤脚的距离远近来判断管涌的危害影响。经验证实，通常距堤脚水位差15倍距离范围内的管涌危害最大。(2)管涌发生点与堤脚距离较远，但处于不断发展状态；如果管涌口径、流量不断增大，管涌口带出的沙子越来越多且粒径越大，则应将其判断为重大险情，应及时抢护来达到预期。(3)管涌发生在农田或洼地的，多以管涌群状态发生。险情程度应看管涌口内是否存在沙粒跳动，如呈现出“煮稀饭”现象，且涌出的水多为清水，可以判断管涌险情较稳定，暂采取观测处理。(4)管涌发生于坑塘中，水体带沙、色浑，水面翻花鼓泡、水较深时看到冒泡(可潜水探摸，感知凉水涌出)，在洞口形成沙环，应重视并采取措施。(5)河堤内侧地面膨胀、隆起、浮动等现象是发生管涌的前兆，随着堤外长江水位的上涨，水头压力可能穿透上覆土层，对这种险情需高度重视并及时处理。

4.2 现场抢险方法

当发现区内(主要包括渊溏、河流、水井)翻砂鼓水、冒黑砂等现象，应马上报告相关部门，尽快抢险处理，并自行架设好照明设施，日夜守护观察其变化情况。现场抢险主要处理方法有：围井导滤、反滤层压盖。

4.2.1 围井导滤

对单个管涌或管涌数量较大，但集中发生在地面或潜水区，现场抢险可采用围井导滤办法进行处理。具体作用有两点∶(1)井内导滤材料可以防止土、沙随水流出，流出清水不带泥沙，并降低渗流压力；(2)限制和引导渗流集中向一个方面流出，增加渗流距离从而降低水力坡度，间接保护周边土层不受破坏。

围井内必须选用透水料铺填，切忌用不透水材料。具体操作如下：从外地运来土体、砂、卵石等装进麻袋或编织袋，并在管涌口周边进行围井抢筑。与此同时，还要在井底铺填反滤材料，并对涌水带沙现象进行控制，以避免险情造成更多的危害。对管涌口较小的情况，可采用无底水桶或汽油桶当作围井，以提高处理效率。

在设置围井的过程中，面积需按照抢险工作开展的实际场地情况、管涌险情大小及储备料物等因素来进行确定。在确定围井高度的过程中，应根据涌水带沙的实际情况，将其控制在1.5 m以内，这样围井周边的薄弱区域就不会受到影响而出现新的管涌。处理管涌群时，相关人员需按照管涌口的间距来确定抢护方式。目前，可供选择的抢护方式为设置一个或多个围井进行控制。值得注意的是，当围井与地面的接触较为紧密，相关人员应防止出现大量漏水，控制漏水量增加，使围井水位不能升高(如图3)。

图3 围井导滤示意图

4.2.2 反滤层压盖

在河堤内出现大面积管涌或管涌群时，如料源充足可采用反滤层压盖的方法，降低管涌涌水流速，阻止地基土石层中泥沙流失，稳定险情。

反滤层压盖必须选用透水性能较好的材料(切忌用不透水材料)。根据选用的反滤材料不同，反滤层压盖可分为：蓄水反压、沙石反滤压盖、梢料反滤压盖。

蓄水反压操作简单，应用普遍，通过抬高管涌区内的水位达到降低堤内外水头差的目的，进而降低渗透压力和出逸水力坡降，实现阻止管涌破坏、稳定管涌险情的目的(如图4)。

图4 无滤层围井蓄水反压示意图

由于蓄水反压会对内坡造成浸泡影响，进而造成脱坡等现象，因此，相关人员应按照管涌的危害程度来确定险情控制方案。当遇到以下情况之一，应果断采取蓄水反压：(1)出现大面积管涌群；(2)管涌距离堤脚近, 压渗平台土体中沙含量大, 控制住一处管涌又在旁边新发生管涌；(3)泵站或涵闸的内渠道出现管涌；(4)开始发生明显的面积较大的流土险情。

4.3 预防措施

4.3.1 堤内修筑压渗平台

对于管涌灾害多发的区域，河堤内侧堤脚应采取平台压渗处理，加重盖层，强化区域抗渗稳定效果。

4.3.2 堵截渗流

管涌是否进一步加剧发生，关键在于河水的渗流压力是否会大于地基基础的抗渗强度。堵截渗流工程措施可采取填筑河堤外平台、堤外坡抽槽翻筑，或实施帷幕注浆、做防渗墙(深度15～20 m)，或灌注泥浆等。堵截渗流或延长长江水体向堤基内渗透的路径长度，减小水力坡度。

4.3.3 做减压井

对于区内涵闸或渠道内管涌等险情控制措施，应按照预防原则，通过控制渗流、杜绝砂沸以及管涌险情等来达到预期效果。值得注意的是，如地基的砂层深厚且与长江江水相通，需采用减压井与排水减压处理。

4.3.4 巡防、联防制度

(1)非汛期时，结合当地百姓、水委会，摸排调查区内潜在管涌危害点；(2)汛期，洪水位较高时必须保证24 h值班巡查，认真做好交、接班记录；(3)汛期，关注区内冒水、冒泥沙点情况；流出浊水或大量翻沙，属险情异常，应马上电告相关部门，并及时动手在管涌处铺填一层山砂(约15～20 cm)后，再继续加填卵石一层(约30 cm)，按此要求分层填筑砂、卵石直到管涌处冒出清水为止；(4)汛期压水井是很容易发生管涌险情的人为隐患，在高洪水位时发动群众关注自家压水井，如果在无外力作用下民井自流出水、颜色混浊或见黑沙，应及时向相关部门汇报情况；(5)在管涌点附近，认真查看周围有无其他变化，若发现其他险情，应马上报各相关部门。

5 结语

长江干堤广兴洲镇段已有多处发生管涌，经过治理及对长江干堤加高、加固等工程，目前大部分管涌灾害已得到了治理，但局部仍有少量管涌灾害发生。管涌地质灾害防治与研究是广兴洲镇长江防洪干堤防洪工作的重点。本文从长江干堤广兴洲镇段防洪堤特征、区域岩土体特征、管涌发育现状、管涌形成条件、形成机制、稳定性分析、险情判别、防治措施等方面进行了详细阐述。

根据区内管涌、岩土体特征，相关部门应规范当地生产、建设等活动，避免诱发管涌。若发生管涌，应及时正确判别管涌险情，采取正确防治措施，最大程度减轻管涌造成的损失，达到保护区内人民生命及财产安全的目的。