同马大堤堤防渗流安全问题及今后防治对策
作者：李应明 更新时间：2006-7-29
一 概述
同马大堤宿松段上接黄广大堤末端，下至望江县周湾，全长62.822公里。初建于清道光14年（1834年），由同仁、马华等堤防及众多民垸逐步改建、合并、加高、加固而成。由于原建堤身断面不一，堤基未作处理，土质杂乱，堤身压实不足，渊塘众多，每到汛期，江堤多处出现险情，历史上频频发生渗流破坏而导致堤防溃决成灾。据宿松县水利志记载，从1919年至1938年间，江堤溃破就有8年，决口数十处，大多为堤身渗流管涌破坏及江水漫顶所致。
解放后，国家加大了大江大河整治，长江堤防建设取得了根本性的转变。1983年至今，同马大堤宿松段除险加固投资2.83亿元，完成土方2046万立米，混凝土97万立米，抛石168万立米，实施堤内填塘盖重62.822公里，抛石护岸长32公里。同马大堤险工险段已经基本治理。
二 堤身及堤基地质条件
1、堤身土体组成及工程地质特性
根据长江委综合勘察局1999～2000年勘测报告，同马大堤堤身为第四系人工堆积层。堤身填土主要由粉质粘土、粉质壤土，粘土组成，厚6～10m。表层或堤身内局部夹少量砂壤土、粉细沙。如20+500～25+700段历史溃口部位可能夹有块石或其他杂物；桩号8+500、12+000、43+500～44+5000、60+000～62+822。大堤部分段因修筑质量较差，具中等强透水性，堤身钻孔注水渗透系数为i×10-6～ i×10-5cm/s，局部i×10-2cm/s，干重度14KN～15KN/m3，孔隙比e=0.654～0.908。
历史主要渗流险情为散浸、压渗冒水、发软、沼泽化、堤身塌方等。 2、堤基地质结构及工程地质特性
根据长江委勘测报告，堤基为第四系全新统冲积层。从渗流角度看，地基地层可划分为单一结构、双层结构和多层结构。 （1）单一结构类地层
桩号23+400～27+400为单一砂性土类，厚度不等或上部粘性土厚度小于2m。 （2）双层结构类地层
a、上薄层粘性土，下砂性土类：桩号6+460～10+500、20+250～27+650、58+750～59+300其间为间断性分布。上部粘性土一般厚2～5m，下部砂层厚，最厚可达100m。
b、上层粘性土厚大于5m，下砂性土类结构，全堤成间断性分布，以20+250为界，上段少，下段多。
（3）多层结构类地层
桩号6+620～59+300成间断性分布，其中6+620～13+600，占3350m，27+600～59+300占14350m，地层由厚度不等的粘土，粉质粘土壤土砂性土或砂砾石呈层状或夹层透镜状组成的复杂结构地基。
堤基各土层，渗透系数为：粘土、粉质粘土、壤土为i×10-5～i×10-7 cm/s，粉砂、细沙为i×10-4～ i×10-3 cm/s，砂性土为i×10-5～i×10-4 cm/s。
对单一结构型地基为沙性土类或堤内外渊塘迫使覆盖层变薄，砂层尖露堤基，均是管涌险情多发地段。对双层地基，由于在堤外受水流冲刷作用，深泓下切，表层弱透水粘性土层被冲击，使江水直接进入下卧砂层或砂卵石层，致使汛期堤内弱透水层下形成很高承压水头，在弱透水层的薄弱处，土层被顶穿形成管涌。对多层地基，从渗流角度看，可归并为单层或双层地基，如当表层透水性较紧邻下层弱，则按双层地基考虑，若其透水性较紧邻下层强，则按单一砂层（分析表层的稳定性）和双层地基考虑（分析上部两层的稳定性）。 三 堤身堤基的渗流险情
根据多年防汛资料，江堤渗流险情特别是1983、1995、1998年险情记载（不考虑堤身闸站）可归纳为三大类：一是管涌，以堤后水塘为多见；二是尖漏，主要表理为散浸、沼泽化及集中渗；三是流土，多发于堤身及盖重末端底洼处，以沙性地层段为多见。 1、堤身渗流险情
由于堤身是逐步加高加大的，填土土质没有严格要求，碾压质量又没有严格控制，以致杂质及沙性土填入堤身，有的根本没有碾压，以致土质及堤身的密实度很不均匀，往往形成透水性较大的水平层，汛期渗流就会在堤内坡面逸出，使堤坡处于大面积湿软状态，这就是通常所谓的散浸。1998年汛期堤身发生险情35处，主要是堤身及堤内散浸。由于散浸使堤坡大面积湿软，甚至发生局部集中渗流冲刷现象，其结果将使堤身发生管涌破坏或堤内滑坡。如1998年在程营7+100左右堤内戗台上坡面发生集中渗流孔，从孔内涌出1立米左右黑砂，说明心墙内夹入部分砂土，在较高的承压水头作用下，黑砂从渗流孔中挤出，而导致管涌现象发生。
2、堤基渗流险情
我县江堤堤基为双层或多层地基，长江委勘测资料显示覆盖层为第四系全新统上冲积层，壤土层及砂土层夹杂成间断条状分布，厚薄不均，一般为10m左右，最薄处为4m，下卧沙层最厚在汇口镇段0+000～5+000内，为100m左右。原堤内渊塘部分砂层出露，当堤防受水后，弱透水表层下形成较高的承压水头。在江水位升到一定高度后，承压水头将在薄弱处将土层顶穿形成冒水孔。在一定条件下，下卧细砂层的沙粒被水带走，形成冒水翻砂或管涌。我县长江堤防如1983年发生在5+400处堤后水塘，1995年发生在7+600～8+600堤内减压井下游水塘，1998年发生在9+800处盖重末端水塘、11+500处减压井下游水田、8+550堤后300m处水塘，等等。均为冒水翻砂而导致管涌发生。
当覆盖层被破坏，砂层尖点剥出，盖重土料为砂土时，局部区域可能归为单一砂土地基，当堤防受水后堤内地面就有渗流逸出，承压水头高时，堤脚附近经常出现砂沸管涌现象，随着江水位的升高，砂沸现象加剧，面积扩大，达到一定程度，就会发生管涌破坏。
如甘家桥段7+600～8+000原堤后深水塘砂层出露，1996年填塘土质为砂土，该区域砂层连
通可视为单一地基。1998年汛期距堤脚60m～150m盖重区内砂沸现象极为严重，最高江水位为22.42m时冒水翻砂孔为70多个，最大孔径20cm左右，最大孔渗流量为1～２公升/秒，由于渗流冲刷，集中排水路径处地面冲成宽2m深1m的大水沟，并带走大量泥沙。 四 堤防渗流安全问题评析 1、加固后堤防现状
经过1983年以来，特别是1998年以后的除险加固，同马大堤宿松段现状堤身断面尺寸为：堤顶按湖口洪水位22.50m（吴淞，下同）超高2m全面达标，顶宽8m，边坡1∶3，堤外平台宽15m，高程比堤顶低5～5.5m，堤内戗台宽4m，高程比堤顶低3m；内平台宽30m，首端高程比堤顶低5.5m～6m，横坡比1∶50；填塘盖重宽100m，首端高程比堤顶低7m左右，横坡比1∶100；堤外滩高程16～17.50m不等，宽度平均100～400m，最宽1km最窄处18m（王家洲）。
2、堤身安全问题
汛期江水位高出堤内地面高程，堤身挡水。当堤身堤基的表层土质均匀而透水性很小，如同马大堤堤身及覆盖层渗透系数为i×10-5～i×10-7 cm/s，堤内散浸并不会随江水位上升而马上发生，因为江水位上升后，江水渗透非饱和堤身需一段时间。浸润前峰离堤外坡的距离可近似的用下式估算。 L=[2k/ne(he+h)t]1/2
长江委曹敦侣博士曾对粘性土质堤顶宽8m高10m边坡1∶2.5的大堤，取k=1×10-5 cm/s，ne≈0.05，hc≈1m进行估算，当江水位上升到10m，浸润前峰在30天内才延伸到10.68m，不到堤身的一半。今按此法对同马大堤试算，相差不大。说明加固后的大堤堤身运行状态已趋于安全。但实际上，由于局部段堤身的填筑质量问题，应谨防高水位时堤身集中渗流或管涌破坏。
3、堤基安全问题
对于表层为弱透水层的地基，由于江水冲刷作用，深泓下切，一般堤外弱透水层都被冲击，江水直入下卧沙层。在堤内沙层为广延的弱透水层覆盖。汛期江水位高出地面在砂层中形成承压水头，其值近似用下式估算： h=H[L2/（L1+B+L2）] hx=he-αx
α=[K1/（K2×T1×T2）]1/2 L1= [th(α×B1)] /a L2=1/α
式中h—堤内脚处承压水头，hx—距堤内脚x处承压水头，H—总水头，T1 、T2—依次为上层和下层厚度，K1、K2 —依次为上下层渗透系数，B—堤底宽度， B1 —堤外滩宽度，L1、 L2—上下游等效渗径长度。
对于某一堤段，如桩号5+789而言，B1=200m，B=42m，下卧沙层顶点高程15.00m，设计洪水位22.60m，则H=7.50m，K1≈2.4×10-6 cm/s，K2≈1.8×10-3 cm/s，覆盖层厚T1=4m为壤土，沙层厚T2=30m则α=0.00333，L1=13937m，L2=300m，h=0.16m，距堤脚34m处水头h34=
0.12m，距堤脚90m处水头h90=0.143m，临界坡降Jc=Hc/T=γ，/γ=[（Δ－1）（1－n）]/ γ或临界水头Hc =（γ，/γ）×T=[（Δ－1）（1－n）] ×T/ γ，T=4m，Δ=2.7，孔隙比e≈0.8，水容重γ=1，n=e/（1+e）=0.44，监界水头Hc=3.808m，临界坡降Jc=0.952m。 然而，工程实际中地基土层物理力学特性、土层厚度及渗流特性是随机变化的。必须根据安全储备要求进行反复计算。发生险情地点有远有近，填塘盖重工程实施后，今后在盖末远端覆盖层薄弱处发生管涌的机率可能存在。而发生管涌后，只要江水不太高，险情地点距堤身远就不致引起堤防崩溃，或不致马上崩溃。 核算堤防管涌破坏可用下式：H≤Lγtgψ
式中H为堤防承受的水头，L为发生险情上游水平渗径长度，γ为砂土浮容重，ψ为砂土内磨擦角。
上式必须通过勘探试验，求出堤身堤基物理力学特性的概率分布，按照抗管涌破坏的安全储备，管涌破坏概率的计算方式求解。 五 对策和建议
整治堤防堤基渗流的总原则是：“导压兼施，以导为主，因地制宜”。
1、导：在距堤内下游采用排渗设备将渗流有计划地导走，以降低承压水头，降低堤身的浸润线，甚至使渗流不在堤内坡面出逸，达到防治管涌破坏，提高堤防安全的目的。排渗设备可采用排渗井、排渗沟以及排渗垫层。
2、压：在堤内表层薄弱处铺筑“盖重”以增强原表层土的抗渗强度。目前堤防加固已经告一段落，但实施盖重过程中，将一些渊塘填死，致使浸润面抬高，承压水头增大，也容易引起堤坡不稳，今后应注意盖区以上部位散浸恶化现象。
3、工程实施中，由于取土料区紧张，个别取土区，取土过深，有可能破坏了覆盖层，汛期江水浸滩后，渗径缩短，堤身承压水头升高，有可能造成新的管涌和散浸。因此，有必要对外滩渊塘进行粘土回填以增加堤防安全感。
参考文献：[1]毛昶熙：《水工渗流问题》水利工程管理技术1987年第1期 [2]吴世余《堤防下游散浸区宽度的计算》安徽水利科技1991年第2期
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容