任增平，潘光宜

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，安徽 蚌埠 233000)

淮北大堤是保護(hù)淮北平原的主要防洪屏障，堤防級別為1級，由淮河左堤、穎河左堤、西淝河左堤、渦河左堤、渦河右堤組成，其中淮河左堤在渦河口以上簡稱饒荊段，長120.2km。

饒荊段土堤修筑始于明代，至解放前堤身矮小單薄，1954年淮河發(fā)生全流域的大洪水后開始進(jìn)行全面加高培厚，后期又?jǐn)嗬m(xù)對存在的問題進(jìn)行了多次(處)小范圍應(yīng)急除險(xiǎn)或續(xù)建加固。2004年最后一次加固工程實(shí)施前淮河大水年份行洪期仍出現(xiàn)許多險(xiǎn)情(隱患)，對堤防安全構(gòu)成威脅。2007年堤防加固完成后至今，淮河汛期始終低水位運(yùn)行，無堤防險(xiǎn)情發(fā)生。

本文根據(jù)有關(guān)資料，對1991—2003年饒荊段土堤訊期險(xiǎn)情進(jìn)行系統(tǒng)分類和地質(zhì)成因研究，為今后堤防工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、防訊搶險(xiǎn)提供依據(jù)。

1 堤身的險(xiǎn)情類型及成因

1.1 險(xiǎn)情類型

1991—2003年堤身險(xiǎn)情總計(jì)23處，除2003年樁號99+560堤身出現(xiàn)縱向裂縫外，其它均屬滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情，主要表現(xiàn)為汛期堤防背水坡滲水、散浸、內(nèi)堤(坡)腳滲水。

1.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因

1.2.1部分堤段堤身砂壤土含量較高，滲透性較強(qiáng)

1991年淮河水位23m時(shí)，樁號59+900～60+240堤內(nèi)坡腳高程20.5m以下、原始地面以上滲水，局部清水明流，長80m人行陷腳，2003年汛期該段堤腳仍然嚴(yán)重滲水。樁號60+700～61+540堤身險(xiǎn)情類型與之相同。

勘察表明樁號17+400～24+800段堤身輕粉質(zhì)壤土含量36.4%、砂壤土含量13.6%；樁號44+870～62+000段堤身輕粉質(zhì)壤土含量25.5%、砂壤土含量28.6%，其中樁號45+700～47+700為“金包銀”堤身。兩大段的滲透系數(shù)10-4cm/s量級，為中等透水性，抗?jié)B性較差。

堤基表層為砂壤土的堤段往往堤身中砂壤土含量也高，有時(shí)砂壤土在堤身下部成層分布。樁號60+130處堤身底高程19.94m，堤基表層主要為砂壤土，夾少量粉質(zhì)壤土，松散～稍密，厚度7.2m；堤身以砂壤土為主，夾粉質(zhì)壤土、粘土，松散。樁號59+800在高程22.5m以下堤身存在三處砂壤土薄層，樁號61+110在高程22.0m以下堤身存在兩處砂壤土薄層，其中一處薄層位于堤身的最下部。

堤身土質(zhì)較差、填筑不均及滲透性較強(qiáng)是堤內(nèi)坡、堤腳滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情的主要成因。

1.2.2筑堤前未清基或清基不徹底

2003年樁號74+000附近長66m堤腳滲水，險(xiǎn)情記錄原因是堤身與堤基結(jié)合不緊密。依據(jù)樁號74+030勘探剖面，堤基表層為粉質(zhì)粘土、粘土，厚度3.6～5.3m，滲透系數(shù)3×10-6cm/s，下伏1.7～2.9m的粉質(zhì)壤土夾薄層的砂壤土、極細(xì)砂，堤高4.5m，填土以粉質(zhì)粘土為主，夾粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)10-6cm/s量級，呈微透水性。同年樁號68+000～69+800堤段中長105m堤腳滲水，堤防管理部門分析險(xiǎn)情成因是堤基表面未清基，形成滲漏通道。

饒荊段土堤歷史悠久，系沿河人民就近取土填筑而成，囿于認(rèn)知水平和條件限制，多數(shù)堤防填筑前沒清基或清基不徹底，堤基表面往往存有樹根、草甸土等有機(jī)物質(zhì)，后期經(jīng)腐爛造成堤基、堤身結(jié)合不緊密，汛期河水沿結(jié)合部滲漏。

1.2.3決口后應(yīng)急復(fù)堤料雜亂

禹山壩(樁號33+124～36+624)堤內(nèi)地勢低洼，堤高8.0～9.2m，1991年和1996年淮河水位23.5m時(shí)，堤內(nèi)坡 20.0m高程滲水嚴(yán)重，陷足，并發(fā)生管涌，汛期臨時(shí)采取砂石料壓滲處理。

研究認(rèn)為，堤基在宋代為西淝河老河道，由峽山口入淮。1954年發(fā)生淮河潰口，潰口處沖坑深度3～4 m，搶險(xiǎn)時(shí)采用石塊與草包等雜物，在復(fù)堤時(shí)沒有清除。復(fù)堤土質(zhì)雜亂，堤身、堤基均夾有輕粉質(zhì)壤土和極薄層細(xì)砂，導(dǎo)致汛期發(fā)生滲漏和滲透破壞。

1.3 裂縫成因

2003年樁號99+560附近堤身產(chǎn)生長6m、寬2～3cm的縱向裂縫，同期此類裂縫險(xiǎn)情在淮河支流渦河左右堤上多處出現(xiàn)。研究認(rèn)為，該段堤身土質(zhì)為粘性土，堤坡較陡，外河水位仍然較高時(shí)，閘站排澇使內(nèi)水水位迅速下降，堤身局部發(fā)生滑移下錯(cuò)產(chǎn)生縱向裂縫。

2 堤基險(xiǎn)情(隱患)類型及成因

2.1 險(xiǎn)情(隱患)類型

1991—2003年汛期出現(xiàn)15處堤基險(xiǎn)情，可分為滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、沉陷變形三大類，其中滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情12處，占絕大多數(shù)，主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)堤基滲水、管涌。

2.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情成因

2.2.1堤基表層的砂壤土層滲透性較強(qiáng)、抗?jié)B性較差

通常，砂性土單一結(jié)構(gòu)、上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)及表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基，最易發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情。按SL 188—2005《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)范》劃分，本段堤防不存在砂性土單一結(jié)構(gòu)堤基，險(xiǎn)情主要發(fā)生在上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)及表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基中。

1991年汛期，淮河水位23.0～24.5m時(shí)，樁號17+860～18+885、19+484～20+500、21+700～23+200段堤內(nèi)坡堤腳附近滲水嚴(yán)重，堤身出逸點(diǎn)位于堤腳以上0.5～1.0m范圍內(nèi)，堤腳以下堤基散浸、滲水，或冒渾水，對3處險(xiǎn)情汛期均采取了砂礫石壓浸的臨時(shí)處理措施。2003年7月10日，樁號18+694內(nèi)堤腳發(fā)生管涌；同年汛期樁號21+114～21+833段堤腳出現(xiàn)6處管涌，直徑1～3cm。

樁號17+358～23+200段堤基是表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)如圖1所示。表層砂壤土夾少量的粉質(zhì)粘土，松散～稍密，滲透系數(shù)2.5×10-4cm/s，呈中等滲透性，厚度1.1～7.6m，平均厚度3.28m；下伏4.2～13.5m厚的粉質(zhì)壤土層，夾粉質(zhì)粘土和薄層極細(xì)砂或砂壤土透鏡體，平均厚度7.7m，軟塑～可塑，滲透系數(shù)5.8×10-5cm/s，滲透性弱。

研究認(rèn)為，對發(fā)生在上砂下粘雙層結(jié)構(gòu)和表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基中的滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情而言，成因基本相同。一是堤基表層存在抗?jié)B性較差的砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，土體本身粘粒含量低、滲透性較好，滲透系數(shù)可達(dá)10-4cm/s量級及以上；二是砂壤土、輕粉質(zhì)壤土成層展布于堤身以下，構(gòu)成了溝通堤內(nèi)外的滲流通道，汛期在河水浸泡飽水后，受堤內(nèi)外水頭差的作用發(fā)生滲流，在堤后一定的范圍內(nèi)滲出，出逸比降超過土體的破壞比降時(shí)便可發(fā)生滲透破壞。堤防附近的坑塘降低了堤基的臨空高程，增大了滲透比降，不同程度地加劇了滲漏及滲透穩(wěn)定險(xiǎn)情的發(fā)生。

饒荊段土堤多是歷年就近取土填筑而成，在堤基表層分布有砂壤土、輕粉質(zhì)壤土的堤段，往往堤身填土也是此類土，尤其是堤身的下部填土，因此，這些堤段堤基發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情時(shí)，多數(shù)在堤腳以上的堤身下部也同時(shí)發(fā)生滲水險(xiǎn)情，堤基險(xiǎn)情、堤身險(xiǎn)情相伴而生。

堤基表層分布砂壤土是饒荊段堤防堤基發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情的主要原因。

2.2.2堤內(nèi)微地形復(fù)雜，破壞了表層粘性土的完整性

1991年淮河水位23.5m時(shí)，樁號70+800～71+900段堤防背水側(cè)22m高程平臺(tái)散浸，19.0m高程翻砂，發(fā)現(xiàn)4個(gè)直徑3cm的冒水孔，當(dāng)時(shí)堤腳緊鄰深塘，推測細(xì)砂層上土層厚度僅0.5～1.0m，汛期采取了堤坡加戧和填塘的臨時(shí)處理措施?？辈旖沂?，該段堤防底高程20.16～20.68m，堤防高度6.1～6.6m，樁號70+800～71+400段堤基表層為4.1～4.2m的粉質(zhì)壤土層，夾極薄層粉細(xì)砂或砂壤土，樁號71+400～71+900段堤基表層為3.4～5.1m的粉質(zhì)粘土、粘土層，偶夾極薄層砂壤土，粘性土層在樁號71+540附近最薄。表部兩層粘性土滲透系數(shù)2×10-6～3×10-5cm/s，可視為相對隔水層，厚度超過堤高的1/2。下伏土層為細(xì)砂～砂壤土層，厚6.8～7.4m。再下是厚度大于7.2m的粉質(zhì)粘土～重粉質(zhì)粘土層。該段堤防堤基屬表層為上厚粘性土，下砂性土、粘性土互層的多層結(jié)構(gòu)。

圖1 表層為砂性土的堤基地質(zhì)剖面圖

研究認(rèn)為，堤基表層粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等粘性土滲透性弱～微，無論厚度大小對堤基的防滲均有利，但防滲效果除厚度越大越明顯外，還受粘性土的土質(zhì)、結(jié)構(gòu)、滲透性及抗?jié)B性，以及下伏地層的滲透性、堤防擋水水頭高度、擋水歷時(shí)、滲徑長短、坑塘溝渠微地貌等多因素的影響。本段堤防堤基表層厚度大于3m的粘性土層出現(xiàn)險(xiǎn)情，主要原因是堤內(nèi)地形低洼，或有坑塘分布，表層的粘性土厚度和完整性遭受破壞。

2.2.3堤基表層的粘性土中夾細(xì)砂、砂壤土薄層，滲透水流通過夾層發(fā)生險(xiǎn)情

1991年8月淮河水位23.5m時(shí)，樁號67+375～68+200局部堤段滲水，當(dāng)時(shí)沿堤長280m為深塘，塘深2m，汛期臨時(shí)采取了填塘的處理措施。險(xiǎn)情記錄該段堤身土質(zhì)以粉質(zhì)粘土～重粉質(zhì)壤土為主，堤基中粉質(zhì)粘土夾極薄層砂壤土。

經(jīng)勘察，該段堤防底高程20.42～21.04m，堤高5.5～6.7m，樁號67+375～67+830分布2.7～5.7m的粉質(zhì)粘土、粘土層，偶夾極薄層砂壤土，其下為1.3～2.4m的粉質(zhì)壤土夾砂壤土和極薄層細(xì)砂，再下為3.0～3.9m的細(xì)砂和砂壤土；樁號67+830～68+200段堤基表層為1.4～2.6m的粉質(zhì)壤土層，夾粉質(zhì)粘土和薄層極細(xì)砂或砂壤土透鏡體如圖2所示。砂層以上土層在垂向上滲透系數(shù)2×10-6～3×10-5cm/s，可視為相對隔水層，厚度6.6～8.7m，超堤高。盡管堤基表層粘性土厚度較大，但其所夾薄層極細(xì)砂或砂壤土被堤腳附近的坑塘溝渠揭露，汛期發(fā)生了滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情。

饒荊段堤防很多堤基淺部由第②層粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)粘土和薄層極細(xì)砂或砂壤土透鏡體、第③層粉質(zhì)粘土～粘土偶夾極薄層砂壤土和第④層粉質(zhì)壤土夾砂壤土和極薄層細(xì)砂組成，均系河流沖、洪積沉積形成，物質(zhì)組成不均一，在不同深度、平面位置分布有砂壤土、極細(xì)砂，在垂向上以夾薄層或透鏡體呈現(xiàn)。盡管土體的總體滲透性不大，但砂壤土、極細(xì)砂的存在使得土體的滲透性呈各項(xiàng)異性，水平滲透系數(shù)比垂向滲透系數(shù)大的多。外灘狹窄，堤內(nèi)坑塘溝渠揭露砂壤土或極細(xì)砂夾(薄)層，導(dǎo)致堤基在坑塘溝渠發(fā)生滲水等險(xiǎn)情。

圖2 表部粘性土中夾薄層砂性土堤基地質(zhì)剖面圖

2.2.4微地貌為堤基險(xiǎn)情的產(chǎn)生提供了條件

堤防兩側(cè)的微地貌主要是坑塘溝渠、外灘等，饒荊段內(nèi)、外溝塘多，大多為堤身加培近堤取土形成的坑。據(jù)2004年調(diào)查，內(nèi)、外溝塘分布長度分別為51.5km和35.97km，占堤防總長度的42.5%和30%。兩側(cè)溝塘有的連片，大多沿堤向分布長0.1～1.85km，少數(shù)連片塘長達(dá)2.84～3.1km。塘深一般為2.0～4.5m左右，最深達(dá)6.8～7.0m，除部分堤內(nèi)塘離堤腳50～70m外，大多數(shù)堤內(nèi)、外塘距堤腳30～50m以內(nèi)，有的靠近堤腳。

淮河主泓底在4.0m高程左右，覆蓋層中的砂性土層多在灘頭及主河槽出露，汛期淮河水直接補(bǔ)給砂性土層。堤防外灘寬窄差別大，最窄處僅13m，寬度小于50m的堤段長3331m，寬度50～200m的堤段長36820m。

外灘狹窄除洪水對堤身產(chǎn)生較大的沖刷破壞外，也使得堤基的滲徑變短，增大堤后地下水的滲透比降。堤外的坑塘降低甚至破壞了迎水側(cè)表層粘性土的隔水性能，導(dǎo)致堤基滲透水流的滲徑縮短?？拷蟮痰牡毯罂犹料魅趿烁采w層的蓋重作用，使汛期堤內(nèi)散浸、滲漏較為普遍，甚至塘內(nèi)翻砂鼓水。總之，除地質(zhì)條件外，堤基的滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情的成因與外灘寬度，深泓的位置、深度，坑塘溝渠的分布、深度等微地貌關(guān)系密切，因此，進(jìn)行堤內(nèi)外填塘固基是處理險(xiǎn)情的常見工程措施。

2.3 抗滑穩(wěn)定類險(xiǎn)情(隱患)成因

1991～1996年的主要險(xiǎn)情記錄中，樁號25+150～25+403及樁號41+000～41+520均被視為主要險(xiǎn)情堤段，前段堤高7.3～8.2m，堤外無護(hù)堤地和防浪林，外堤腳緊鄰深塘，2004年調(diào)查樁號25+258～25+390堤外側(cè)水塘距堤腳7m，塘寬13～24m，長130m，深3m；后段內(nèi)堤腳分布深塘，部分堤段無外坡，垮塌至堤身。同年調(diào)查樁號41+120～41+640堤內(nèi)側(cè)水塘距堤腳0m，塘寬19～84m，長350m，深1m。兩段的險(xiǎn)情(隱患)類型均為堤基的抗滑穩(wěn)定。

樁號108+470～110+040為老茨河河口封閉堤，外灘較窄，內(nèi)側(cè)鄰塘，堤身最高處達(dá)9.31m，堤基土質(zhì)自上而下分別為砂壤土～輕粉質(zhì)壤土、中～重粉質(zhì)壤土含淤泥質(zhì)，軟塑～流塑狀，局部厚達(dá)11.8m。當(dāng)外河持續(xù)高水位時(shí)，堤身浸潤線升高，堤身以及堤基含水量達(dá)到飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度降低，堤基、堤坡的穩(wěn)定性變差。外堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.234，內(nèi)堤坡為1.195，均不能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的1級堤防正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件下的穩(wěn)定計(jì)算要求。

研究認(rèn)為，饒荊段堤防由于歷次搶險(xiǎn)和培修加固就近取土等原因，使堤內(nèi)外溝塘連片，堤身相對高度增加1.0～3.0m。由粉質(zhì)粘土、粘土組成的堤基在坑塘水長期浸泡作用下，土體的天然含水量高而抗剪強(qiáng)度較低。近堤腳的坑塘使坑塘底部以上的堤基、堤身等臨空高度增加，汛期加之水的作用，降低了堤防的抗滑穩(wěn)定性，形成了抗滑穩(wěn)定類險(xiǎn)情(隱患)。

2.4 沉陷變形類險(xiǎn)情(隱患)成因

饒荊段堤防堤基總體說來淤泥、淤泥質(zhì)軟土分布不多，因此堤基的沉陷變形問題不突出，沉陷變形類險(xiǎn)情(隱患)不多，比較而言，淮河決口復(fù)堤段、支流河口封閉段或老河道段堤基的沉陷變形量大，如1954年淮河決口處復(fù)堤的禹山壩、老茨河河口封閉堤，原因有二：一是這些堤段往往堤身高度大，對堤基的附加荷載大；二是這些堤段堤基尤其是淺表部土體沉積時(shí)間短，土體軟弱壓縮性較高，從而產(chǎn)生較大的沉陷變形。

3 結(jié)語

1991—2003年淮北大堤饒荊段堤身、堤基存在的險(xiǎn)情均以滲水、散浸、管涌等滲漏及滲透穩(wěn)定類險(xiǎn)情為主，堤身險(xiǎn)情成因與堤身存在砂壤土、清基、復(fù)堤填筑料雜亂等有關(guān)，堤基險(xiǎn)情主要是表層存在砂壤土或堤后坑塘破壞了粘性土蓋層的完整性。堤基表層為砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高，導(dǎo)致這些堤段堤基、堤身經(jīng)常同時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情。

本文可為堤防工程地質(zhì)勘察和險(xiǎn)情分類、地質(zhì)成因研究提供借鑒，但每條河流地形地質(zhì)、水情均有自身特點(diǎn)，現(xiàn)行地質(zhì)勘察規(guī)程不可能制定一概而全符合任何河流的規(guī)定，比如建議表層粘性土厚度的厚薄分界按堤防高度的一半考慮，尚沒提出表層粘性土的最小有效厚度，沒有堤身質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)，等等，均需在今后的堤防勘察中總結(jié)和研究。