淮北大堤涡下段险情类型分析及成因研究

任增平 金习武 李坤

淮北大堤是保护淮北平原的主要防洪屏障，堤防级别为1级，由淮河左堤、颖河左堤、西淝河左堤、涡河左堤、涡河右堤组成，其中淮河左堤在涡河口以下简称涡下段，长123.69 km。涡下段土堤修筑始于明代，至解放前堤身矮小单薄，1954年淮河发生全流域的大洪水后开始进行全面的加高培厚，后期又断续对存在的问题进行了多次（处）进行了小范围的应急除险或续建加固。2004年最后一次加固工程实施前淮河大水年份行洪期仍出现许多险情（隐患），对堤防安全构成威胁。

迄今未见科技文献对涡下段土堤的汛期险情进行过系统分类和地质成因研究。本文根据1991—2003年堤防管理部门记录的险情，以及2004年加固工程设计完成的大量勘探试验成果，较为系统地分析、总结了涡下段土堤各种险情（隐患）的类型，研究了险情的形成原因，以期为今后的堤防工程地质勘察、设计和堤防运行管理、防汛抢险提供参考。

1 堤身的险情类型及成因

1.1 险情类型

1991—2003年堤身险情共31处，除桩号120+900—122+200堤身发现狗獾洞、鼠洞外，其他均属渗漏及渗透稳定类险情，主要表现为汛期堤防背水坡渗水、散浸、内堤（坡）脚渗水。

1.2 渗漏及渗透稳定类险情成因

1.2.1 大部分堤身砂性土含量高，抗渗性较差

桩号0+000—33+600堤段1991年汛期出现12处堤身严重渗水的险情，总长11 880 m，其中桩号19+300—22+000段1991年渗水堤长2 427 m，2003年长2 400 m。1991年汛期淮河水位18.5 m时，桩号27+730—28+230、28+830—29+530、31+330—31+980等堤段内坡脚1 m以上开始严重渗水，堤坡面有稀泥，内滩地低洼积水深可达0.5～0.8 m。

桩号0+000—34+920和48+800—56+700堤身土主要为轻粉质壤土和砂壤土，夹中-重粉质壤土和粉质黏土，轻粉质壤土占39.8%～48.6%，砂壤土占25.9%～30.6%，渗透系数（5～7）×10-4cm/s。桩号60+100—123+690段堤身土大部分以砂壤土和轻粉质壤土为主，渗透系数（4～8）×10-4cm/s，少数堤段以中-重粉质壤土、粉质黏土为主，渗透系数（3～4）×10-5cm/s。堤身以砂壤土、轻粉质壤土为主的堤段长约106 km，占总长度的86%，堤身土质不良，抗渗性较差。

涡下段堤身险情的重要特征，一是堤身渗水严重、渗水堤段长，二是堤身和堤基同时发生险情。1991年和2003年有18处堤身、堤基险情相伴而生，原因就是堤身下部和堤基浅部都是由砂壤土、轻粉质壤土等透水性较强、抗渗性较差的土体组成。

堤身砂壤土含量高，渗透性较强，汛期堤身浸润线过高，渗透比降过大，是堤内坡和堤脚渗水、散浸的主要成因。

1.2.2 筑堤前没清基或清基不彻底

桩号104+239—105+504为老潼河河道封堵段，1991年和2003年汛期河水从堤身、堤基接触面和不密实的堤身渗入堤内，形成险情。据堤防管理部门分析，险情的形成与堤身填筑不均及清基不彻底有关。后经勘探验证，堤身、堤基结合部存在树根等有机物。

涡下段土堤历史悠久，系沿河人民就近取土填筑而成，囿于认知水平和条件限制，多数堤防填筑前没清基或清基不彻底，堤基表面往往存有树根、草甸土等有机物质，后经腐烂造成堤基、堤身结合不紧密，汛期沿结合部渗水、漏水，形成险情（隐患）。

1.2.3 存在生物洞穴

1991年汛期险情记录桩号120+900和121+400分布狗獾洞、鼠洞，洞穴较密集。2003年汛期在桩号121+200—122+200堤段的外坡、内坡均发现多处狗獾洞，堤内坡散浸、渗水。这些生物洞穴构成隐患，危及大堤的安全。

2 堤基险情（隐患）类型及成因

2.1 险情（隐患）类型

1991—2003年汛期堤基险情42段（处），可分为渗漏及渗透稳定、抗滑稳定、沉陷变形三大类，其中渗漏及渗透稳定类险情38段（处），占绝大多数，主要表现为堤后内侧渗水、管涌。

2.2 渗漏及渗透稳定类险情成因

2.2.1 堤基表层的砂壤土层渗透性较强、抗渗性较差

堤基为砂性土单一结构、上砂下黏双层结构或表层为砂性土的多层结构最易发生渗透稳定类险情[1]，本段堤防这三类堤基中分别发生险情10、14、10段（处）。

砂性土单一结构堤基发生险情主要在桩号20+000—22+000、70+170—72+044、91+418—101+000

三段堤防。1991年和1998年淮河发大水时，这些堤段堤后普遍渗水严重，2003年汛期又有总长3 200 m堤后发生渗水，其中在桩号92+200等发生翻砂鼓水、管涌等严重险情。堤基多由砂壤土—轻粉质壤土构成，厚度大于8 m，渗透系数4.2×10-4cm/s，部分砂壤土层下部分布细砂层，渗透系数7.26×10-4cm/s。

上砂下黏双层结构堤基或表层为砂性土的多层结构堤基发生险情主要在桩号1+200—20+000、23+000—52+450、76+000—78+200、99+350—103+215等堤段，两种结构主要差别在于表层砂性土和下伏黏性土的厚度、埋深。涡下段这两种地质结构的堤基长度最大、险情最多，有老元塘和黑牛咀两处历史险情。

老元塘险情位于涡河与淮河干流交汇处的淮河干流凹岸，堤防桩号1+200—2+550，为历史决口段，决口后滩地上形成面积逾12万m2的冲坑，最大冲深至9.0 m高程，低于两侧地面约10 m，堵口复堤时堤防后退绕避冲坑，使冲坑位于堤外紧邻堤脚。堤防高度5～6 m，堤内、外滩地高程18.0～20.0 m，淮河深泓高程7.9 m，距堤防约350 m。2004年前淮河高水位时均出现堤身、堤脚严重渗水险情，1991年和1998年堤内沟塘还出现了管涌险情，危及堤防安全。

堤身系就近取土填筑而成，以轻粉质壤土为主，夹中-重粉质壤土和砂壤土。堤基自上而下为第1层砂壤土、轻粉质壤土，夹薄层中粉质壤土，中等-弱透水性，厚1～3 m；第2层砂壤土夹极细砂、黏性土薄层，中等透水性，厚4～7 m；第3层中、重粉质壤土夹轻粉质壤土、砂壤土薄层，弱透水性，厚1～3 m，局部缺失；第4层细砂、极细砂，中等-强透水性，呈透镜体分布，局部缺失；第5层重粉质壤土、粉质黏土，微透水性，勘探未揭穿。如图1所示。

图1 老元塘险情出险原因分析示意图

在淮河中高水位时，河水经1层渗流仅在内堤脚附近表现出散浸、渗水现象。当发生类似1991年、1998年大洪水河水位较高时，1层则在堤内外巨大水头差作用下于堤内沟塘产生管涌险情。堤外残存的冲坑缩短了堤基渗径，下部的4层细砂层产生中、深层的渗透，导致距堤防较远的地势低洼处产生渗漏及渗透稳定问题，给堤防安全带来隐患。

上述3种堤基中的险情类型、表现形式基本相同。其成因一是堤基表层存在抗渗性较差的砂壤土、轻粉质壤土，土体本身黏粒含量低，渗透系数可达10-4cm/s量级及以上；二是砂壤土、轻粉质壤土成层展布于堤身以下，构成了沟通堤内外的渗流通道，汛期在河水的浸泡饱水后，受堤内外水头差的作用发生渗流，在堤后一定的范围内渗出，出逸比降超过土体的破坏比降时便可发生渗透破坏。堤防附近的坑塘使堤基渗径缩短，降低了堤基的临空高程，增大了渗透比降，不同程度地加剧了险情的发生。

涡下段土堤多是历年就近取土填筑而成，在堤基表层分布有砂壤土、轻粉质壤土的堤段，往往堤身填土也是此类土，尤其是堤身的下部填土，因此，这些堤段堤基发生渗漏及渗透稳定类险情时，多数在堤脚以上的堤身下部也同时发生渗水险情，堤基险情、堤身险情相伴而生。

2.2.2 堤基表层黏性土层厚度较小或厚度、连续性遭到了坑塘沟渠的破坏[2]

1991年汛期，桩号76+000—78+000段堤内侧渗水，其中76+200—77+200段严重渗水；2003年汛期，桩号78+200处距内堤脚20 m处渗水，类似险情也出现在桩号119+000—119+200、121+600—121+700等堤段。

经勘察，桩号77+000—78+000段堤基表层的粉质壤土厚度0～2.5 m，黏性土厚度小或局部缺失；堤内地形低洼，或有坑塘分布，表层的黏性土厚度和连续性遭受破坏。堤基表层黏性土厚度小甚至缺失是渗水险情发生的主要原因。

2.2.3 汛期手压井冒水形成堤基险情（隐患）

沫河口周台子险情位于桩号34+580—34+860，20世纪80年代堤基做过深3 m截渗墙，1991年汛期内滩地仍然渗水严重，20 m以外的手压井自动向外冒水。2003年汛期，桩号34+475—35+000段堤基多处渗水，内堤脚20 m内所有压水井成自流井，危及堤防安全。

险情段淮河干流较为平直，堤高约7 m，外滩地宽100 m左右，高程16～18 m；淮河深泓高程4.0 m左右，距堤防约400 m；内滩地高程16～17 m，沟塘较多，塘底高程约15 m。

本段堤身为就近取土填筑而成，以重粉质壤土-粉质黏土为主，呈微-弱透水性，填筑质量较好。堤基自上而下土层为：第1层重粉质壤土-粉质黏土，夹少量轻粉质壤土薄层，微透水性，厚2～3 m，层底高程15 m左右；第2层轻粉质壤土，夹砂壤土和重、中粉质壤土，弱-中等透水性，厚2～4 m，层底高程13 m左右；第3层粉质黏土-重粉质壤土，夹轻粉质壤土层，微透水性，厚3～6 m，层底高程7 m左右；第4层细砂-中砂，夹黏性土薄层，中等-强透水性，最大厚度超过10 m，揭露层底高程-2 m。如图2所示。

图2 沫河口周台子险情地质横剖面示意图

堤基为表层薄层黏性土、下砂黏互层结构的多层结构，堤内沟塘揭穿上部1层，下部2层轻粉质壤土-砂壤土层直接出露于沟塘底部，20世纪80年代施工的3 m深截渗墙仅穿过第1层进入第2层1 m左右，没有截断2层，导致1991年汛期河水经第2层渗透穿过堤防于沟塘低部出逸，滩地渗水严重。

堤基深部的第4层中细砂层厚度较大且分布广泛，富水性较好，是沿淮堤内农民手压井取用地下水的目的层，手压井底部过滤器均位于中细砂层内。该砂层于淮河深泓出露，直接接受淮河水的补给，具承压性，汛期承压水头随淮河水位升高而抬升。1991年和2003年淮河大水年份，中细砂层承压水头抬高至堤内地表以上，导致手压井自动向外冒水，形成险情（隐患）。

2.2.4 微地貌为堤基险情的产生提供了条件

堤防两侧的微地貌主要是坑塘沟渠、外滩等。涡下段内外沟塘多，大多为堤身加培近堤取土坑。2004年以前内、外沟塘分布长度分别为37.431 km和10.859 km。两侧沟塘有的连片，大多沿堤向分布，塘深一般为2.0 m左右，最深达4.5 m。

桩号6+400—6+500堤后为洼地，深塘紧邻堤脚，1991年汛期深塘里翻浑水；桩号99+350—99+550和101+915—103+215堤段，距内堤脚20 m分布深塘，2003年汛期堤基多处渗水。

涡下段淮河外滩宽窄不一，局部堤段外滩宽度仅20 m，部分宽度50～100 m，外滩狭窄除洪水对堤身产生较大的冲刷破坏外，也使得堤基的渗径减短，增大堤后地下水的渗透比降。堤外的坑塘降低甚至破坏了迎水侧表层黏性土的隔水性能，导致堤基渗透水流的渗径缩短。靠近大堤的堤后坑塘削弱了覆盖层的盖重作用，使汛期堤内散浸、渗漏较为普遍，甚至塘内翻砂鼓水。总之，除地质条件外，堤基的渗漏及渗透稳定类险情的成因与外滩宽度，深泓的位置、深度，坑塘沟渠的分布、深度等微地貌关系密切，因此，进行堤内外填塘固基是处理险情的常见工程措施。

2.3 抗滑稳定类险情（隐患）成因

涡下段堤防位于淮河中游左岸，堤内外沟塘连片，靠近大堤的坑塘使堤身相对高度增加1.0～3.0 m。老元塘险段外滩残留深约10 m的大冲坑，给堤防的抗滑稳定带来隐患。桩号35+330—35+630堤后存在灌溉渠，堤与渠间是深塘，堤基表层厚3 m的重粉质壤土、粉质黏土常年浸泡于水中，土体的抗剪强度等力学性质指标降低。经验算，大堤历年汛期绝大多数基本处于稳定状态，但部分堤段的抗滑稳定性不满足1级堤防的安全要求，成为堤防隐患[3]。

2.4 沉陷变形类险情（隐患）成因

涡下段堤基中总体说来淤泥、淤泥质软土分布不多，沉降变形问题不突出，此类险情（隐患）不多，淮河决口复堤段、支流河口封闭段或老河道段堤基的沉陷变形量大些，如1954年淮河决口处复堤的毛滩险情、老潼河河道封堵段。原因有二，一是这些堤段往往堤身高度大，对堤基的附加荷载大；二是这些堤基尤其是浅表部土体沉积时间短，土体软弱压缩性较高，从而产生较大的沉降变形。

3 结语

（1）涡下段堤身险情以背水坡（内坡脚）渗水、散浸等渗漏及渗透稳定类险情为主，局部存在狗獾洞、鼠洞；渗漏及渗透稳定类险情成因：一是堤身中的砂壤土含量高；二是筑堤前没清基或清基不彻底，或决口复堤填筑料杂乱；三是存在生物洞穴。

（2）堤基险情可分为渗漏及渗透稳定、抗滑稳定、沉陷变形三类，其中前类险情占绝大多数，主要表现为堤后内侧渗水、管涌。渗漏及渗透稳定类险情成因：一是堤基表层存在渗透性较好、抗渗性较差的砂壤土；二是表层黏性土厚度较小或厚度、连续性遭到了坑塘沟渠的破坏；三堤防附近的手压井揭穿了与淮河地表水连通的砂层；四是微地貌为堤基险情的产生提供了条件。

（3）堤身多是就近取土填筑而成，下部填土与堤基表层土质基本相同，堤基表层为砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高，造成这些堤段堤基、堤身汛期同时发生渗漏和渗透稳定类险情，此类险情最为常见。

（4）堤防附近的坑塘沟渠是发生渗漏及渗透稳定、抗滑稳定险情（隐患）的重要原因，堤防加固工程对一定范围内的坑塘进行填塘固基处理是必要的。