淮北大堤堤基四種典型滲透變形分析

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司勘測分院 蚌埠 233000）

1 前言

1.1 工程概況

淮北大堤是保護淮北平原的主要防洪屏障，堤防等級為Ⅰ級，自安徽省潁上饒臺子至懷遠縣段全長120.196km，稱淮北大堤饒荊段，另在本段加固工程中有兩個改線段即鳳臺縣城防堤（長3.19 km）和懷遠縣城防堤（長4.22 km）。渦河口以下至下草灣攔河壩稱渦下段，全長123.69km，包括蚌郊段（樁號9+217.8～19+300）和五河城防段（樁號85+530～89+200）。淮北大堤修筑始于明代，1956年開始對淮北大堤進行全面加高培厚，至1960年末已初具規模。1991—2002年，又對大堤的部分險工險段進行了分散式、小范圍的應急除險加固，部分堤段仍存在堤身斷面不達標、堤防內外溝塘多、堤防抗滲性差等隱患，對堤防安全構成威脅。

1.2 歷年險情簡述

淮北大堤歷年主要險情基本發生在有較大洪水的年份，如1982年、1983年、1984年、1991年、1996年、2003年等，1991年汛期，堤防沿線的縣區水利部門近80處險情（隱患），主要包括堤坡裂縫、堤坡散浸、堤腳滲水、堤內滲漏、岸坡崩塌等，其中以滲漏及滲透變形類為主，有60多項。2003年淮河發生了自1954年以來最大的洪水，9個行蓄洪區得到運用，經堤防管理部門統計，汛期又發生各類險情50多處，也是以堤身散浸或堤基滲透變形類占絕大多數。

2 堤基地質結構與滲漏險情的關系

2.1 堤基地質結構

淮北大堤一般修筑在淮河漫灘上，一部分修筑在一級階地前緣。淮北平原中第四紀土層一般為砂性土和粘性土相間而出，故地質結構為多層結構。部分堤段有些土層缺失，所以堤基地質結構較復雜。按照堤基的地層特征和空間組合，在對大堤安全的影響范圍以內的地質結構大致分為三種類型：單一結構類型、雙層結構和多層結構。

單一結構包括單一砂性土結構（即單層透水地基）和單一粘性土結構兩個亞類（其厚度超過10 m）。雙層結構可按上覆粘性土厚度分為三個亞類：上覆粘性土厚度1～3m和3～10m 以及上部砂性土層厚小于10m，下部為粘性土層，至于粘性土厚度大于10m時則劃入單一粘性土結構類型之中。多層結構包括由薄層粘性土、砂壤土或砂礫石呈互層狀或夾層、透鏡體狀組成的復雜結構。由于多層結構的復雜性，把透水土層比例大，貫通性好，歸并為Ⅲ1，把透水土層比例小，貫通性差歸并為Ⅲ2類型。

堤基地質結構一般應以堤段平均堤高2倍深度或河道深泓以上的地層土性來確定，淮河流域堤防堤基除局部為巖基外，大多為第四紀土層。根據淮河水系堤防的運行特點、河道主河槽及深泓下切深度、地層特征可將淮北大堤堤基地質結構分為三大類、六個亞類，見表1。

根據以上分類原則，淮北大堤可分為90 段，Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ類地質結構分別占總長的12.3%、30.9%、14.5%、24.0%、18.6%和9.5%。

根據歷年汛期淮北大堤險情記錄和地質勘察工作所獲得資料經綜合分析表明，其中的Ⅰ1單一粘性土和Ⅱ2上厚層粘性土下砂性土類地質結構，其抗滲性一般較好，此類堤段汛期險情較少。當堤基地質結構為Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ3和Ⅲ類是汛期堤基滲漏險情的易發段，約占總長的74%。

2.2 滲漏險情與地質結構的關系

淮北大堤汛期水位一般高出堤內地面4～6m，比堤內近堤腳處的坑塘、水溝底面高出6～8m左右，在上述六種堤基地質結構條件下，加上汛期高水頭壓力，在長約244km范圍內發生四種典型滲透變形破壞形式：

（1）堤基為Ⅰ2和Ⅱ3類，地表為砂性土或粉性土，汛期河水持續高水位條件下在堤內產生滲透（清水漏洞）和滲透變形破壞（管涌），此類險情最為普遍，且長度較大，比較有名的歷史險情如九里灣、老元塘和黑牛咀，都是此類地質結構。

（2）堤基為Ⅱ1類，表層為粘性土，但層厚小于3m，下為砂性土，砂層貫通堤基，在一定的水頭作用下滲透流沿砂層入滲，在堤內將抗滲破壞能力較低的土層擊穿，從而產生管涌破壞。此類險情較常見，代表性險情如懷遠城防堤以及渦下段的訾圩子。

（3）堤基為Ⅲ類，由粘性土、壤土、砂性土互層或相互間有較多透鏡體存在組成的復雜的地基結構，且各層厚度一般小于2～3m，抗滲性能取決于表層粘性土層的厚薄及砂性土層之間或與周圍水體間的水力聯系。此類險情較常見，比較有名的歷史險情有沫河口周臺子險情。

（4）堤基為Ⅱ2類，粘性土蓋層厚有3～10m，下為砂性土，在堤內分布穩定，汛期未出險，但在堤內存在溝塘，溝塘不同程度切割粘性土蓋層使有效防滲厚度變薄時，汛期外河持續高水位條件下，也可在相對薄弱處發生滲透破壞。此類險情較少見，代表性險情如平圩大橋東。

此外，大堤外灘的寬窄也將對堤基滲透變形產生重要影響，水流通過滲流層，流徑增長，水力坡度就會減小。

3 四種典型滲透變形成因分析

3.1 Ⅰ2和Ⅱ3類

單一砂性土結構及上砂下粘雙層結構兩種地質結構的堤基對險情的形成沒有本質的區別，汛期險情的類型、表現形式基本相同，險情出現的最多，堤基在汛期最易發生滲透穩定類險情。堤基上部為砂壤土、輕粉質壤土，滲透系數一般為i×10-4cm/s，屬中等偏弱透水性，下部為粉質壤土，屬弱透水性。汛期高水位時，水流在動水壓力作用下，通過砂壤土，滲入堤內側，堤腳處的水力坡降是較高的，離開堤腳至1/10 堤寬處，水力坡降就迅速減小至零。當堤腳附近的水力坡降大于該層的允許坡降時，就可能產生滲透變形，造成管涌、流土等險情，如不及時處理，必將危及堤防安全。故此類堤基結構最易產生險情的部位為堤腳處。

表1 淮北大堤堤基地質結構分類表

1991年和2003年汛期，這些堤段普遍堤基滲水嚴重，堤后分布的深塘內也發生滲水，堤基透水性較強、抗滲性差，是堤基發生滲水、翻砂鼓水等滲透變形類險情的根本原因。此類堤基險情的特點：一是在水位不太高的情況下就會發生；二是滲漏堤段長度大。

3.2 Ⅱ1類

對于Ⅱ1類結構，較Ⅱ3類更好，表層分布有1～3m 厚的粉質壤土，屬弱透水性，起到相對隔水層的作用，下部為砂壤土、輕粉質壤土。堤內側粉質壤土厚度薄，當被溝塘切割變得較薄或直接揭穿下部砂壤土時，就可能在高水位時，產生滲透破壞。故該類堤基結構較易產生險情的部位為堤內溝塘及粉質壤土厚度較薄處。由于上部存在隔水層，水頭消散較慢，在距離堤防較遠處，亦可能有險情產生。

3.3 Ⅲ類

淮北大堤沫河口周臺子險情位于渦下段樁號34+580～34+860，20世紀80年代因堤基多處滲水，在外堤腳做過3m 深截滲墻，但1991年汛期內灘地仍然滲水嚴重，堤腳20m 以外的手壓井自動向外冒水。2003年汛期，內堤腳20m范圍內的所有壓水井均成自流井，形成堤基滲漏險情。

堤基土層自上而下為：①層重粉質壤土～粉質粘土，夾少量輕粉質壤土薄層，微透水性，厚2～3m，層底高程15m左右；②層輕粉質壤土，夾砂壤土和重、中粉質壤土，弱～中等透水性，厚2～4m，層底高程13m左右；③層粉質粘土～重粉質壤土，夾輕粉質壤土層，微透水性，厚3～6m，層底高程7m左右；④層細砂～中砂，夾粘性土薄層，中等～強透水性，最大厚度超過10m，揭露層底高程-2m。

該險情位于淮河干流較為平直的河段，堤高約7m，外灘地寬度較大有100m左右；淮河深泓高程4.0m左右，距堤防約400m；堤內灘地高程16～17m左右，溝塘較多，塘底高程一般約15m。

堤基為表層薄層粘性土、下砂粘互層結構的多層結構，堤內溝塘揭穿上部①層薄粘性土，下部②層弱～中等透水性輕粉質壤土～砂壤土層直接出露于溝塘底部，20世紀80年代施工的3m 深截滲墻僅進入②層1m左右，沒有達到截斷②層透水層的效果，導致1991年汛期外河水位高時，外河水經②層滲透穿過堤防于溝塘低部出逸，灘地仍然滲水嚴重。滲水直接原因是溝塘揭穿了表層的粘性土層使下伏的②層砂性土貫穿堤基形成滲透通道。堤基深部的④層中細砂層厚度較大且分布廣泛，富水性較好，是沿淮堤內農民手壓井取用地下水的目標層，手壓井底部過濾器均位于中細砂層內。該砂層于淮河深泓直接出露，直接與淮河水連通，具承壓性，汛期承壓水頭隨淮河水位升高而抬升。1991年、2003年淮河大水年份，中細砂層承壓水頭抬高至堤內地表以上高程，導致手壓井自動向外冒水，對大堤穩定構成威脅。

3.4 Ⅱ2類

對于Ⅱ2類結構，表層分布有較厚的粘性土層，起到相對隔水層的作用，一般不易產生滲漏險情，只有當堤內堤外粘性土層被溝塘切割變得較薄或堤外灘寬度較窄時，才有可能在高水位時，產生滲透破壞。

平圩大橋東險情段位于淮北大堤饒荊段，樁號70+800～71+900 段，長度1100 m，堤頂高程一般在26.6～26.8m，堤身高度6.1～7.5m。內坡腳緊臨深塘，無護堤地。堤外灘寬度較窄，僅有60～30m，高程17～20m，該處淮河深泓高程-1.0m左右。堤內灘地高程18～20m，但堤腳處全為水塘，寬度50～100 m，深度1～2m，塘底高程17m左右。

本段堤身為以重粉質壤土～粉質粘土為主，呈微～弱透水性，填筑質量較好。堤基①層與③層粘性土蓋層共厚約4.5m，下為砂性土，在堤內分布穩定，但因溝塘不同程度切割粘性土蓋層使蓋層有效防滲厚度變薄時，汛期外河持續高水位條件下，在相對薄弱處發生滲透破壞。1991年汛期在河水位23.5 m時，22m 高程平臺出現散浸現象，深塘內翻砂嚴重，發現4個直徑3cm 冒水孔。

4 結語

淮北大堤堤基險情可分為滲漏及滲透穩定、抗滑穩定、沉陷變形三大類，其中滲漏及滲透穩定類險情占絕大多數，主要表現為堤后內側滲水、管涌。滲漏險情的發生與堤基的地質結構密切相關，建議針對具體堤段的險情特征和地質成因，采取有效的防治措施進行除險加固，確保工程安全運行。除Ⅰ2和Ⅱ3類外，其余三種滲漏險情都與堤防附近的坑塘溝渠有直接關系，堤防加固工程對一定范圍內的坑塘進行填塘固基是必要的■