鄱阳湖防洪圩堤坝潜在破坏风险及治理方案研究

何松HE Song；曹凯CAO Kai；朱小伟ZHU Xiao-wei；薛凯喜XUE Kai-xi

（①江西现代职业技术学院，南昌 330095；②江西省公路桥梁工程有限公司，南昌 330029；③江西省建材产品质量监督检验站有限公司，南昌 330001；④东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013）

0 引言

我国经济正处于“十四五”规划经济高质量快速发展的关键期，对水资源的需求量在急速增加，同时也对鄱阳湖经济区防洪圩堤安全保障建设需求急剧增加。防洪圩堤是在沿河低洼地区、沿海地区和沿海湖区为抵御外界水入侵、保护耕地而修建的堤防建筑；也是鄱阳湖经济区防洪体系的重要组成部分，更是历史各时期防洪抢险的主战场[1]。因此需要对水库进行除险加固，强化水库的土石坝，稳定土石坝，避免产生泄漏。

常见的圩堤安全隐患有：堤身渗漏问题、堤基渗漏及渗透稳定问题、堤基变形问题、堤坡稳定问题，依次对应有流土破坏、管涌破坏、脱坡破坏等，同时对应的加固方案也有许多种，例如：复合土工膜、透水戗台和心墙治理流土破坏、反滤围井及和滤铺盖治理管涌、固脚阻滑和滤水土撑治理脱坡等，因此亟需技术性评价并选出合适的方案，但是大多数停留在经济性评价方面[2]。

针对鄱阳湖重点圩堤工程存在诸多的安全隐患问题，需要对每个安全隐患问题所对应的出险形式进行判别，及时了解潜在破坏风险与演化机制，最终采取防洪圩堤出险加固措施，保护湖区百姓生民财产安全。

1 防洪圩堤坝潜在破坏风险

1.1 防洪圩堤险情形式分析

防洪圩堤防洪后，堤后坡或堤脚附近的表层土壤潮湿、柔软、漏水，称为渗水险情。出险情况较为轻微时应由圩堤工程管理人员进行观测，严重时应及时采取出险加固措施，以防危害圩区百姓生命财产安全[3]。渗水险情的严重程度可以从渗流量、逸出点高程和出水浑浊程度等三个方面加以判别：

①当防洪圩堤下游坡严重渗水或开始冲刷坝体时，渗水混浊含有泥沙石等附着物，说明危险正在恶化，必须及时处理，防止危险进一步扩大。

②渗水为清水，但逸出点高（粘土堤不得高于堤坡的1/3，沙土一般不允许在堤体上渗水）。回水边坡容易发生滑坡、漏洞、天坑，应及时处理。

③由于防洪圩堤的洪水浸泡时间较长，导致防洪圩堤下游边坡渗水。渗水逸出点位于防汛堤下游坡脚处，为少量清水，经观测无发展，可通过观测予以加强。

1.2 防洪圩堤险潜在破坏风险

1.2.1 流土破坏

流土破坏[4]通常主要发生在坝下游渗流出口无反滤保护或反滤措施失效的情况下。工程经验表明，流土的出险点常发生在防洪圩堤下游坡渗流逸出处加固保护情况下，防洪圩堤表现为堤身表层为渗透系数小（k1）的黏性土层，堤基为渗透性大（k2）的非黏性土层，且k1＜＜k2。在自上而下的渗流逸出处，任何土，包括黏性土或者黏性土，只要满足渗透坡降i 大于临界水力坡降icr这一水力条件，会出现流土破坏。

1.2.2 管涌破坏

具有一定逸出坡降的细颗粒在渗流作用下开始土壤的孔隙间运动并发现在土体外侧的现象，称为管涌[5]。对于两者都是黏性土，因存在粘结力的缘故，渗流不会将个别土体颗粒带走。因此，不会产生管涌。汛期水位较高时，土壤中的细粒渗出，落在孔口周围，形成砂环。当发现管涌险情后应及时采取出险加固措施。土是否士发生管涌，首先取决于土的性质。一般黏性土（分散土除外）只会发生流土破坏，不会发生管涌破坏，故属于非管涌土。

1.2.3 脱坡破坏

防洪圩堤滑坡又称脱坡，通常是由水冲刷、内部渗水或上部压载引起的。滑坡发生后，路堤段变窄，水的渗径变短，容易引发其他危险情况。在发现危险情况后，应查明原因，及时进行救援。根据《堤防工程设计规范》（（GB 50286-2013））及鄱阳湖区重点防洪圩堤为5 级堤防，可得防洪圩堤边坡抗滑稳定系数，其安全系数不应小于表1 的规定。

表1 防洪圩堤边坡抗滑稳定系数

其中：正常运行为设计洪水位下的稳定渗流期或不稳定渗流期的背水堤坡；非正常运行条件Ⅰ是施工期的临水、背水侧堤坡；非正常运行条件Ⅱ是多年平均水位时遭遇地震，其他稀遇的水、背水侧堤坡。

1.3 管涌预测理论模型

管涌破坏会将地层中粉细砂涌出地表，使得地层松散、强度降低、透水性增大，更严重时还会引起防洪圩堤或地面凹陷，严重影响防洪圩堤的防洪安全。因此，探明管涌在堤基地层中的影响范围及深度是汛期后提高防渗加固效果的必要条件。

以鄱阳湖某防洪圩堤为例，期断面如图1 所示，堤基上部砂壤土为弱透水层，其厚度为Tr，渗透系数为Kr，其下部为强透水层，厚度为Tq，渗透系数为Kq，上游河水渗入堤基并在防洪圩堤下游CE 段出逸。

图1 某防洪圩堤断面图

设防洪圩堤上下游堤基段覆盖层长度分别为L1和L2，为了方便分析，将其分别转化为等效不透水层L1e和L2e，即堤基弱透水层在B-B 及C-C 断面上的渗流量和水头损失相同，由本奈特公式计算得：

式中：△hx=hx-Hx

根据式（2）求得堤基覆盖层得渗流水头hx后即可计算各点渗流逸出坡降：

令i=ikp（覆盖层土的临界坡降）；△HCC=HCC-Hx，则有：

此管涌预测模型就建立成功，便可预测管涌发生范围，且适用于任意kq/kr的情况，求出xkp后，可作如下预测：

①xkp<0，整个CE 段均不会有发生管涌的可能性；

②0

两个研究团队现在都已经确定了该通道在分子通信中的作用。斯普金斯的团队在特定的癌细胞上发现了一种受体，它可以引导癌细胞到达中枢神经系统，并很有可能成为治疗目标。赫利森和她的同事们发现这些通道也有免疫功能。斯普金斯和赫利森的研究结果分别发表在7月的《自然》和8月的《自然-神经科学》上，它们为研究和治疗包括癌症、多发性硬化和阿尔茨海默氏症在内的脑部疾病开辟了道路。

③xkp>L2，整个CE 段均会发生管涌。

2 防洪圩堤坝除险加固治理措施

鄱阳湖防洪圩堤沿江河而筑，堤身土质主要由（粉质）粘土、壤土、砂壤土组成，部分堤段夹薄层粉细砂组成，堤基砂性土堤段，因受雨季汛期水流长期冲刷以及库水位变动作用易形成流土、管涌及脱坡破坏现象，经过库水位升降耦合降雨作用出险特征确定出四种典型工况出险形式，因渗流破坏对防洪圩堤危险很大，研究防洪圩堤渗流破坏除险加固措施对确保鄱阳湖防洪圩堤安全度汛具有重要意义。

2.1 流土除险加固方案

防洪圩堤坝体常见的流土破坏治理措施有心墙、斜墙等。坝基防渗措施通常按布置形式不同分为水平和垂直防渗两类[6]，实质上是扩大了土石坝的渗透直径，使其渗透坡降不超过允许的渗透坡降，维持防洪圩堤的渗流稳定性。水平渗流措施主要是上游水平渗流地段覆盖防渗物；竖向防渗措施包括混凝土、泥浆防渗墙等。然而，仅靠防渗措施往往不经济，也不可能完全切断坝基渗水。

因此，有必要采取适当的防渗措施和渗透措施相结合，以保持土石坝的渗透稳定性。本节主要从土工膜、斜墙、透水后戗及心墙来比选最优“上堵下排”措施组合，在满足工程安全性的要求下，尽可能使得采用的防渗措施经济合理可行。

2.1.1 土工膜设计

复合土工膜广泛应用于圩堤段上游坡面防渗，具有抗变形能力强，抗渗性能好的等优点[7]。根据《水运工程土工合成材料应用技术规范》[8]可知采用抗老化土工膜及复合土工膜，膜厚度不小于1.5mm，膜应固定于圩堤上游坡面。为了定量分析在防洪圩堤中应用复合土工膜可行性，在上游坡设复合土工膜，运用渗流计算的水力学法对防洪圩堤自由面和渗流量进行计算分析。如图2 所示，假设防洪圩堤上游坝面上加复合土工膜作为其防渗体，此时计算渗径长度时应考虑坝体上游对计算渗径的影响，渗径延长应按等效矩形的水平长度：

图2 上游坡面加复合土工膜的防洪圩堤渗流计算简图

式中，he为等效矩形的高度；m1为上游坡坡率。

按照渗流计算的水力学法，可通过以下公式进行复合土工膜土石坝的渗流计算，该复合土工膜的渗流量qt以及下游坝体渗流量qx分别为：

式中：H1为上游水位；a0为渗流逸出面高度；Ke为复合土工膜的渗流系数；Kd为层状坝体土料的等效渗透系数；m1为上游坡坡率；δe为复合土工膜厚度；L 为坝体底面宽度；△L 为等效虚拟矩形水平长度。

将公式（5）代入上式，得到：

按照水力学连续性原理，通过下游坝体的渗流量qx应等于复合土工膜的渗流量qt与降雨入渗渗流量qw之和，迭代计算可求出a0、qt及he，进而根据上游坡坡率关系求得上游坡应铺设土工膜的最佳长度。

2.1.2 透水后戗台设计

对于透水后戗台而言，由《防洪圩堤抢险规范》可得，圩堤坝坡渗水严重，但圩区旁砂土物料丰富，施工机具便于开展，可在下游坡抢筑，抢筑时应提前清除地表杂物，避免污染物料。防洪圩堤的逸出高程为12.7m，戗顶一般高出浸润线出逸点0.5～1m、顶宽2～4m，戗坡1∶3～1∶5，长度超过渗水堤段两端各5m，以便达到流土破坏抢险的目的[9]。

2.1.3 沥青混凝土心墙设计

碾压式直型心墙设计具有适宜机械化施工、防渗面积小、施工技术成熟等优点[10]，本工程亦采用这种结构形式。根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则》（SLJ01--2010）[11]规定：沥青混凝土心墙的最大厚度一般为坝高的1/60～1/100，墙顶最小厚度一般不小于30cm，高坝不小于50cm。

2.2 管涌除险加固方案

当圩堤发生管涌时，由于水深和入渗点的分散，导致难以检查和堵塞，一般而言堤体背水坡脚附近普遍存在危险，采用反过滤渗透，控制沙，留下出路渗漏，不仅可以使细砂、粘土颗粒不再渗漏地面，还可以降低渗水压力，使危险尽可能避免。一般的抢护措施有反滤铺盖、反滤围井、减压围井及水下管涌强护。

2.2.1 反滤铺盖设计

当有大面积喷涌时，若反滤料来源充足，可采用反滤铺盖进行保护。即在管涌范围内，采用具有良好渗透性的反滤料，可有效避免地基土体颗粒流失。因管涌涌出地表土层的性质，防洪圩堤将考虑细砂层（含细砂层）以下四层土以及其上部的砂壤土层，基于此，渗流计算简图包括堤身及堤基，详见图3 所示。

图3 反滤铺盖厚度计算

按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）附录A 中计算防洪圩堤下游坡各点的反滤铺盖厚度：

式中：ti——i 处铺盖厚度/（m）；hi——根据渗流计算得的i 处的表层弱透水层承压水头/（m）；Gs——表层弱透水层土粒比重；n——表层弱透水层土粒的孔隙率；Tr——表层弱透水层厚度/（m）；ρ——铺盖土石料的密度/（kg/m3）；ρw——水的密度/（kg/m3）；K——铺盖安全系数，当强透水层可能出现的破坏形式为管涌时，K 可取1.5，当强透水层可能出现的破坏形式为流土时，可取2.0。

结合鄱阳湖经济区防洪圩堤工程管理范围和渗流计算成果表明出现管涌险情堤段，填塘后再作压盖处理，压盖厚1.5m，压浸台末端外边坡为1∶2，所用土料采用砂质土料。

2.2.2 反滤围井设计

适用于单个管涌，设置前应先清除地表面杂物并将软泥挖出至10～20cm，用防汛土袋错缝围成井状，井内分层铺设反滤料，从上到下层依次设置为粗砂、小石子、大石子，每层厚20～40cm，并在反滤层顶面设置排水管。

3 结论

本研究针对鄱阳湖经济区防洪圩堤面临的安全挑战，深入分析了防洪圩堤的潜在破坏风险，并提出了相应的除险加固治理措施。研究结果表明，流土、管涌和脱坡是防洪圩堤的主要潜在破坏风险，需要通过技术评价选择合适的加固措施。在此基础上，本文深入探讨了流土除险加固理论，并比较了不同加固措施的经济性和可行性。此外，本文还提出了管涌预测理论模型，以指导汛期后的防渗加固工作，提高防洪圩堤的防洪安全。

总体而言，本研究为鄱阳湖经济区防洪圩堤的安全保障提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步关注加固措施的实际应用效果，以及如何在保证安全性的同时，提高加固措施的经济性和可持续性。