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湖北堤防工程堤基土层结构和主要地质问题

陈汉宝 王继红
(湖北省水利水电勘测设计院，武汉,430070)

摘要 本文论述了湖北堤防工程现状和堤基土层结构，存在的主要地质问题是堤身隐患、渗透变形、堤基沉降变形与滑坡、崩岸等，并提出了相应防治措施。
关键词 堤防工程 堤基结构 地质问题 防治措施

0 引 言
湖北省地处长江中游，地势为三面高、中间低、向南敞开的不完整盆地，西北和西南为山地，东南为丘陵地区，中部是水网纵横的江汉平原，是全国著名粮、棉、油产地。
湖北省境内有大小河流1190多条，迂回曲折汇入长江，构成向心状水系。大小湖泊1000多个，星罗棋布，素称“千湖之省、鱼米之乡”。省会武汉是京广铁路和长江两大交通枢纽会合部，有“九省通衢”之誉。1998年长江发生了继1954年以来的又一次全流域性组合型大洪水，虽经艰苦努力保住了长江干堤，但也付出了很大的代价。那么湖北的堤防形势是怎样的呢?
1 湖北堤防概况
长江在湖北省横贯东西1060km，汉江由西北向东南与长江交汇，绵延858km，在此形成一条巨大的“洪水走廊”。由于长江上游巨大的洪水来量远远超过中游河道的泄洪能力，造成我省洪涝灾害频繁，全省50.2%的人口，51.5%的耕地，全省农业产值的88%，工业产值的78%及主要城市、交通枢纽都受到汛期洪水的威协，因此防汛成为湖北天大的事。历史上为抵御洪水危害，我省修建了长达1万多公里的各类堤防，是长江流域各省中最长的。然而堤防的防御能力偏低(指堤顶高程)，多年来虽经加固，仅达到抵御10～15年一遇的洪水标准，运用分蓄洪区也只能提高到20～40年一遇标准。而且堤防基础地质条件十分复杂，汛期常发生各种险情，形势十分严峻，每年不得不投入大量人力物力进行防汛抢险。

2 堤基地质条件
湖北堤防工程是建于江汉平原的长江、汉江两岸及河湖岸边的挡水建筑物，堤身以土体为主，堤基为第四系河流冲积、湖积物，堤基土层结构一般为二元结构，即上部为粘性土层，下部为粉细砂及砂卵石层，基岩埋深达40～120m。

2.1 堤基土层结构
堤基土层结构根据砂层埋藏分布条件划分下列几种类型：

(1)单透水层地基：表层为粘性土，下为砂层，又根据表土层厚度分为：表土层薄的(厚度＜5m，不稳定，易发生管涌，图1—1)；表土层较厚的(厚度＞5m，稳定或较稳定，图1—2)。

图1　堤基土层结构示意图

(2)双透水层地基：表土层下有一层埋藏较浅的薄砂层，其下为较稳定的粘性土层，再下面为深厚砂层或砂砾石层(图1—3)。
(3)浅砂层表露：堤身直接建在浅砂层之上(图1—4)，这类地基最易发生渗透变形，如汉江遥堤王家营。
(4)软基：堤防建在河湖淤泥或淤泥质土之上(图1—5)，承载力低，易发生沉降变形与滑坡，如黄梅八一大堤。
此外，还可根据堤外滩地宽窄(入渗条件)及堤后渊塘分布(排泄条件)组合成不同类型。
2.2 水文地质条件
地下水分孔隙潜水和孔隙承压水，与地表水体(江、河、湖、渠)水力联系密切，枯水期地下水流向江水，洪水期地表水补给地下水，在临江堤段地下水与江水涨落几乎同步。根据勘察和试验研究，砂卵石层渗透系数为i×10-2cm/s，砂层约为i×10-3cm/s，粉土类约为i×10-3～i×10-4cm/s，粉质粘土约为i×10-5cm/s。

3 主要地质问题及防治措施
我省堤防的修建历史悠久，系由历代零星堤垸和若干分散堤段逐步连接发展而成，而且战线长，在修筑时没有选择堤基，既不清基，又很少作工程处理，堤基地质条件复杂，存在的主要地质问题是：堤身隐患、渗透变形、沉降变形及滑坡、崩岸等。

3.1 堤身隐患
堤身隐患分二类，一类是生物洞穴如白蚁洞、鼠洞、獾洞、蛇洞等；二类是埋于堤身的碎石、砖渣、矿渣等杂填土。此外，历年来堤防多次加高培厚，接头较多，碾压不实，且填筑土料就地取材，土料含砂质，透水性强，构成了堤身隐患。这是造成汛期堤防出现散浸和漏洞的主要原因。
散浸是指汛期江水渗透穿过堤身，在堤内坡下部或坡脚渗出，堤坡湿润发软，形成浸润水流。这种险情十分普遍，许多重要干堤散浸长度占总长的75%以上。对严重的散浸必须妥善处理，否则会造成堤身内脱坡等更大险情。漏洞指堤内坡或坡脚出现冒水孔，有的有明显的进口和出口，分清水漏洞和浑水漏洞。
散浸和漏洞的防治措施：在汛期，抢险的原则是堤外坡阻水入渗、堤内坡排水导渗，降低浸润线，稳定堤身。方法是：对轻微散浸一般不处理，观察其变化；较严重的应开导渗明沟或导滤沟；对大面积严重散浸，堤身土饱和(软化)而影响稳定的，除开沟导滤外，还应做粘土外帮或堤内透水压浸台。漏洞抢险也是采用堤外粘土外帮堵漏，堤内围井导滤，井中采用三级配，即用粗砂、瓜米石、卵石分层填筑，保护出水口使之出清水。
汛后对堤身隐患治理措施主要是锥探灌粘土浆，填充空洞，这种措施对处理白蚁非常有效。重点堤段采用抽槽回填、或翻筑，清除杂填土。
3.2 渗透变形
渗透变形主要发生在砂基础堤段，汛期由于大堤两侧水位差大，使堤基的渗流坡降加大，当超过堤基土体的临界水力坡降时，则使堤基土体的组成和结构发生改变或破坏。常见的渗透变形形式有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等四类。我省堤防砂基础多为粉细砂，渗透变形最常见的是流土，俗称管涌、翻砂鼓水。它是因地下水顶穿表土层而带出大量砂土，使堤基结构破坏，继而堤身下沉出现裂缝。这种险情汛期也十分普遍，在堤防诸多险情中，以“管涌”险情对堤防安全威协最大。它险象平常、变化突然、范围较大、毁灭性强，严重时可造成堤防溃决。
1998年8月1号，我省簰洲湾堤防溃口就是因为堤基产生大面积渗透变形造成的。事故发生在位于武汉市上游约30km的嘉鱼县簰洲湾长江干堤外围民垸，8月1日晚7时许，合镇乡中堡村堤段(桩号36+500)，距离堤脚40m处发生大面积突发性“管涌”，虽经守堤人员奋力抢险，但终因险象环生，堵不胜堵，此处100多米堤段突然坍塌。约当晚8时30分，堤身开始下沉，瞬间出现溃口，江水汹涌而进，而且缺口不断撕大，就连沉船堵口也宣告失败。事后人们发现溃口处长达760m，在堤后冲成14.88×104m2的大坑，最深达30.3m，淹没土地158km2，受灾人口5.7万人，退水后大面积农田被砂土覆盖，损失惨重。
渗透变形险情多出现在堤内坡脚以外的低洼地带(如渊塘、沟渠、沼泽边)，距堤脚50～100m处密集，最远可达1500m。汛期不论远近都必须果断迅速的予以处理。抢险方法：一般险情可在孔口做导滤堆；严重的翻砂鼓水应做围井导滤；有的严重大面积发生的可采取围堰蓄水反压，出口做导滤；塘边的可用半透水材料填塘。最后使管涌处“出清水不带泥砂”说明险情得到了控制，并安排坐哨监视其变化。
汛后处理措施:
对发生渗透变形的砂基堤段，首先应查明堤基地质条件和土层结构，作渗流稳定分析，然后采取相应措施。一般处理措施是：
(1)对较宽外滩堤段，可采用堤外铺盖以延长渗径，降低堤后剩余水头。但对外滩很宽(如外有民垸)堤段或临江堤段此方法作用不大。
(2)对堤后剩余水头不大、地势低洼、上覆土层较薄的堤段，可采用堤后盖重压渗或挖泥船吹填，宽度以堤后100～150m为宜。
(3)堤后剩余水头较大的堤段，宜采用盖重压渗与减压井导渗相结合的方案，即导压兼施(图2—1)。
(4)对双透水层地基，或单透水层而砂层厚度小于30m，且下为不透水层(如基岩)的堤基(图2—2)，可采用堤外垂直截渗方案(地下防渗墙)，防渗墙深度以深入相对隔水层1.5～2m为宜。例如洪湖长江干堤燕窝堤段溃口性管涌险情，就是采用堤外截渗方法处理的(图2—3)。

图2 渗透变形处理示意图
防渗墙的施工技术方法有：
(1)垂直开槽铺塑：使用专门开槽机开槽(深可达15m)，铺土工膜或塑膜防渗。
(2)高压喷射灌浆：钻孔中高压水、气喷射流切割土层，输入水泥浆凝结形成防渗墙。施工方法有摆喷、旋喷、定喷等。
(3)射水法地下连续防渗墙：利用高压水射流切割地层造槽，水下浇混凝土形成防渗墙。
其它还有液压抓斗成槽法、冲击式钻机、回转式钻机造孔注浆法、连锁管柱法、超薄防渗墙(振动沉桩)等。
处理方案是以堤坝前截渗为主，还是以堤后排水为主，值得慎重考虑。
垂直截渗方案的最大优点是可以彻底根治险情，一劳永逸；但因造价较高，国家财力有限，只能用于个别重要堤段。而且有可能引起枯水期地下水向江水排泄不畅，造成冷浸田，影响农业经济。排水减压井方案造价最低，是经济而有效的措施，但减压井存在化学淤堵问题，使用寿命5年左右就慢慢失效了，必须加强管理(如定期洗井维护)。我们在实际中应用最多的是堤后盖重压渗，造价低、施工简单而有效，但土石方工程量大，还涉及居民搬迁和占用耕地等问题。
总之，处理措施应因地制宜，全面考虑、综合治理，才能取得满意效果。
3.3 堤基沉降变形与滑坡
堤基沉降变形主要发生在软基堤段，如黄梅县八一大堤、洪湖主隔堤。由于堤防建在河湖沉积物之上，堤基多为淤泥或淤泥质土，呈软塑～流塑状态，天然孔隙比大，具有高压缩性和低抗剪强度的特征，承载力低，在上部荷载作用下，容易产生较大压缩变形，如不均匀沉陷、裂缝及滑坡等。
汛期抢险方法是：对内脱坡采用开沟导渗，严重脱坡的做透水压浸台、透水土撑、外帮截渗，若堤内有渊塘或堤基深层滑动(软基)，应在坡脚用块石镇脚，或填塘固基。汛后应在查明险情原因和地质条件的基础上，采取相应措施。对渗漏造成的内脱坡，可采用外帮截渗、锥探灌泥浆堵漏，内脱坡处恢复稳定断面并分层碾压密实。对大面积软基问题应进行专门试验研究，查清土的物理力学性质，并做稳定验算。所谓“软基问题”是指由于堤基为淤泥质土，承载力低，当大堤加高培厚使荷载增加，超过其允许承载力，造成沉陷过大或堤基深层滑动。一般防治措施有：
(1)通过稳定验算，放缓堤坡，增加内（外）反压平台。
(2)提高地基承载力：如沙井法、插塑板排水法，加快淤泥土排水固结。其井距、插塑板距离由试验确定。
(3)堆载予压法，先平台后堤身，分期分层填筑，并严格控制施工速率。设置观察设备(如孔隙水压力、沉降、位移)监测其沉降变形。
3.4 崩岸
在临江堤段，堤外无滩或只有窄滩，大堤迎流顶冲，深泓逼岸，江水环流侧向侵蚀使堤脚遭受严重掏刷，形成冲刷坑，以致岸陡脚虚而崩塌，或退水期、枯水期地下水外渗，当水头差过大或渗流速度较大时，由于地下水的潜蚀或较大的动水压力作用，岸边土体随水流失、沉陷、滑挫形成崩岸，严重影响堤防安全。
崩岸主要是河水侧向侵蚀作用的结果，侵蚀强度与河流的水力学因素(水位、流量、流速、含砂量等)及岸坡组成物质(砂、土或基岩)有关，岸边的地形条件(凸岸、凹岸、天然及人工节点等)及河床心滩的存在使水力学条件更加复杂，风浪作用则助长了岸崩的发展。
长江干堤崩岸按其崩塌方式及规模又可分为条崩、窝崩和滑塌，这是平原区河流常见的地质灾害。湖北以长江的下荆江段崩岸最严重，年崩岸总量1.395亿m3，崩岸总长占岸线长的30%，平均每年崩宽约10～30m，最大达600m，堤线被迫数次退挽。治理崩岸应查明河岸地质结构，进行水下地形测量，研究河道历史演变及近期发展趋势，即河势分析。防治措施有：
(1)水下抛石护岸，增加河岸抗冲能力。
在崩岸处抛石或投抛各式石块笼子固脚。水下抛石必须具有足够的数量，否则效果不佳。其护底是关键，据观测研究，护岸范围在堤脚外20m，护底水下坡达1：2即可以满足岸坡稳定要求。此外还可采用铰接式混凝土沉排(如武汉市龙王庙险段)。
(2)水上部分堤坡采用块石或混凝土予制块护坡，或草皮护坡。
(3)改造矶头驳岸。
某些历史上形成的矶头驳岸使水流紊乱形成冲刷坑，造成新的崩岸，应有计划地改造，因势利导，平顺水流。
(4)在滩地和堤脚营造防浪护堤林，可有效地抑制风浪对堤身的冲刷。此外还应疏浚河道，利用挖泥船疏浚，清除河道内阻水物，利用吹填土加固堤防。

4 结语
长江中游的洪涝灾害是中国人民的心腹之患。我国确定的解决方针是“蓄泄兼筹，以泄为主”，“上蓄下疏，标本兼治”。在上游修建以三峡水库为骨干的防洪水库群，其中在建的三峡水库防洪库容221.5亿m3。但遇1954年型洪水，长江中下游需分蓄超额洪水500亿m3。因此，近期主要靠加固堤防，结合修建和完善分蓄洪工程及河道整治解决防洪问题。
由于历史原因，加之财力有限，目前我们许多堤防未达到防洪标准，且存在许多险情隐患。98洪水给人们敲了警钟，目前我省正在开展大规模堤防建设。总结以往的经验，我们必须全面规划，分步实施。在设计整治方案前，要查明地质条件，重视勘察和试验研究，整治方案应因地制宜，综合治理，既实用，又经济，不能照搬照套，顾此失彼，这些都有深刻的教训。例如加固大堤就地取材，取土坑太近造成新的管涌险情；堤后填塘固基，影响居民用水，农民大量挖水井若反滤处理不好也留下险情隐患等。因此要把整险加固作为一项系统工程，从更大范围全面地研究问题，改善和保护地质环境，加强堤防科学管理，建设现代化的防洪工程。