淮北大堤渦下段險情類型分析及成因研究

任增平 金習(xí)武 李坤

淮北大堤是保護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下簡稱渦下段，長123.69 km。渦下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行全面的加高培厚，后期又斷續(xù)對存在的問題進行了多次（處）進行了小范圍的應(yīng)急除險或續(xù)建加固。2004年最后一次加固工程實施前淮河大水年份行洪期仍出現(xiàn)許多險情（隱患），對堤防安全構(gòu)成威脅。

迄今未見科技文獻對渦下段土堤的汛期險情進行過系統(tǒng)分類和地質(zhì)成因研究。本文根據(jù)1991—2003年堤防管理部門記錄的險情，以及2004年加固工程設(shè)計完成的大量勘探試驗成果，較為系統(tǒng)地分析、總結(jié)了渦下段土堤各種險情（隱患）的類型，研究了險情的形成原因，以期為今后的堤防工程地質(zhì)勘察、設(shè)計和堤防運行管理、防汛搶險提供參考。

1 堤身的險情類型及成因

1.1 險情類型

1991—2003年堤身險情共31處，除樁號120+900—122+200堤身發(fā)現(xiàn)狗獾洞、鼠洞外，其他均屬滲漏及滲透穩(wěn)定類險情，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)定類險情成因

1.2.1 大部分堤身砂性土含量高，抗?jié)B性較差

樁號0+000—33+600堤段1991年汛期出現(xiàn)12處堤身嚴重滲水的險情，總長11 880 m，其中樁號19+300—22+000段1991年滲水堤長2 427 m，2003年長2 400 m。1991年汛期淮河水位18.5 m時，樁號27+730—28+230、28+830—29+530、31+330—31+980等堤段內(nèi)坡腳1 m以上開始嚴重滲水，堤坡面有稀泥，內(nèi)灘地低洼積水深可達0.5～0.8 m。

樁號0+000—34+920和48+800—56+700堤身土主要為輕粉質(zhì)壤土和砂壤土，夾中-重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土，輕粉質(zhì)壤土占39.8%～48.6%，砂壤土占25.9%～30.6%，滲透系數(shù)（5～7）×10-4cm/s。樁號60+100—123+690段堤身土大部分以砂壤土和輕粉質(zhì)壤土為主，滲透系數(shù)（4～8）×10-4cm/s，少數(shù)堤段以中-重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土為主，滲透系數(shù)（3～4）×10-5cm/s。堤身以砂壤土、輕粉質(zhì)壤土為主的堤段長約106 km，占總長度的86%，堤身土質(zhì)不良，抗?jié)B性較差。

渦下段堤身險情的重要特征，一是堤身滲水嚴重、滲水堤段長，二是堤身和堤基同時發(fā)生險情。1991年和2003年有18處堤身、堤基險情相伴而生，原因就是堤身下部和堤基淺部都是由砂壤土、輕粉質(zhì)壤土等透水性較強、抗?jié)B性較差的土體組成。

堤身砂壤土含量高，滲透性較強，汛期堤身浸潤線過高，滲透比降過大，是堤內(nèi)坡和堤腳滲水、散浸的主要成因。

1.2.2 筑堤前沒清基或清基不徹底

樁號104+239—105+504為老潼河河道封堵段，1991年和2003年汛期河水從堤身、堤基接觸面和不密實的堤身滲入堤內(nèi)，形成險情。據(jù)堤防管理部門分析，險情的形成與堤身填筑不均及清基不徹底有關(guān)。后經(jīng)勘探驗證，堤身、堤基結(jié)合部存在樹根等有機物。

渦下段土堤歷史悠久，系沿河人民就近取土填筑而成，囿于認知水平和條件限制，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、草甸土等有機物質(zhì)，后經(jīng)腐爛造成堤基、堤身結(jié)合不緊密，汛期沿結(jié)合部滲水、漏水，形成險情（隱患）。

1.2.3 存在生物洞穴

1991年汛期險情記錄樁號120+900和121+400分布狗獾洞、鼠洞，洞穴較密集。2003年汛期在樁號121+200—122+200堤段的外坡、內(nèi)坡均發(fā)現(xiàn)多處狗獾洞，堤內(nèi)坡散浸、滲水。這些生物洞穴構(gòu)成隱患，危及大堤的安全。

2 堤基險情（隱患）類型及成因

2.1 險情（隱患）類型

1991—2003年汛期堤基險情42段（處），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)定類險情38段（處），占絕大多數(shù)，主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)滲水、管涌。

2.2 滲漏及滲透穩(wěn)定類險情成因

2.2.1 堤基表層的砂壤土層滲透性較強、抗?jié)B性較差

堤基為砂性土單一結(jié)構(gòu)、上砂下黏雙層結(jié)構(gòu)或表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)最易發(fā)生滲透穩(wěn)定類險情[1]，本段堤防這三類堤基中分別發(fā)生險情10、14、10段（處）。

砂性土單一結(jié)構(gòu)堤基發(fā)生險情主要在樁號20+000—22+000、70+170—72+044、91+418—101+000

三段堤防。1991年和1998年淮河發(fā)大水時，這些堤段堤后普遍滲水嚴重，2003年汛期又有總長3 200 m堤后發(fā)生滲水，其中在樁號92+200等發(fā)生翻砂鼓水、管涌等嚴重險情。堤基多由砂壤土—輕粉質(zhì)壤土構(gòu)成，厚度大于8 m，滲透系數(shù)4.2×10-4cm/s，部分砂壤土層下部分布細砂層，滲透系數(shù)7.26×10-4cm/s。

上砂下黏雙層結(jié)構(gòu)堤基或表層為砂性土的多層結(jié)構(gòu)堤基發(fā)生險情主要在樁號1+200—20+000、23+000—52+450、76+000—78+200、99+350—103+215等堤段，兩種結(jié)構(gòu)主要差別在于表層砂性土和下伏黏性土的厚度、埋深。渦下段這兩種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的堤基長度最大、險情最多，有老元塘和黑牛咀兩處歷史險情。

老元塘險情位于渦河與淮河干流交匯處的淮河干流凹岸，堤防樁號1+200—2+550，為歷史決口段，決口后灘地上形成面積逾12萬m2的沖坑，最大沖深至9.0 m高程，低于兩側(cè)地面約10 m，堵口復(fù)堤時堤防后退繞避沖坑，使沖坑位于堤外緊鄰堤腳。堤防高度5～6 m，堤內(nèi)、外灘地高程18.0～20.0 m，淮河深泓高程7.9 m，距堤防約350 m。2004年前淮河高水位時均出現(xiàn)堤身、堤腳嚴重滲水險情，1991年和1998年堤內(nèi)溝塘還出現(xiàn)了管涌險情，危及堤防安全。

堤身系就近取土填筑而成，以輕粉質(zhì)壤土為主，夾中-重粉質(zhì)壤土和砂壤土。堤基自上而下為第1層砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，夾薄層中粉質(zhì)壤土，中等-弱透水性，厚1～3 m；第2層砂壤土夾極細砂、黏性土薄層，中等透水性，厚4～7 m；第3層中、重粉質(zhì)壤土夾輕粉質(zhì)壤土、砂壤土薄層，弱透水性，厚1～3 m，局部缺失；第4層細砂、極細砂，中等-強透水性，呈透鏡體分布，局部缺失；第5層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土，微透水性，勘探未揭穿。如圖1所示。

圖1 老元塘險情出險原因分析示意圖

在淮河中高水位時，河水經(jīng)1層滲流僅在內(nèi)堤腳附近表現(xiàn)出散浸、滲水現(xiàn)象。當發(fā)生類似1991年、1998年大洪水河水位較高時，1層則在堤內(nèi)外巨大水頭差作用下于堤內(nèi)溝塘產(chǎn)生管涌險情。堤外殘存的沖坑縮短了堤基滲徑，下部的4層細砂層產(chǎn)生中、深層的滲透，導(dǎo)致距堤防較遠的地勢低洼處產(chǎn)生滲漏及滲透穩(wěn)定問題，給堤防安全帶來隱患。

上述3種堤基中的險情類型、表現(xiàn)形式基本相同。其成因一是堤基表層存在抗?jié)B性較差的砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，土體本身黏粒含量低，滲透系數(shù)可達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，汛期在河水的浸泡飽水后，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便可發(fā)生滲透破壞。堤防附近的坑塘使堤基滲徑縮短，降低了堤基的臨空高程，增大了滲透比降，不同程度地加劇了險情的發(fā)生。

渦下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)定類險情時，多數(shù)在堤腳以上的堤身下部也同時發(fā)生滲水險情，堤基險情、堤身險情相伴而生。

2.2.2 堤基表層黏性土層厚度較小或厚度、連續(xù)性遭到了坑塘溝渠的破壞[2]

1991年汛期，樁號76+000—78+000段堤內(nèi)側(cè)滲水，其中76+200—77+200段嚴重滲水；2003年汛期，樁號78+200處距內(nèi)堤腳20 m處滲水，類似險情也出現(xiàn)在樁號119+000—119+200、121+600—121+700等堤段。

經(jīng)勘察，樁號77+000—78+000段堤基表層的粉質(zhì)壤土厚度0～2.5 m，黏性土厚度小或局部缺失；堤內(nèi)地形低洼，或有坑塘分布，表層的黏性土厚度和連續(xù)性遭受破壞。堤基表層黏性土厚度小甚至缺失是滲水險情發(fā)生的主要原因。

2.2.3 汛期手壓井冒水形成堤基險情（隱患）

沫河口周臺子險情位于樁號34+580—34+860，20世紀80年代堤基做過深3 m截滲墻，1991年汛期內(nèi)灘地仍然滲水嚴重，20 m以外的手壓井自動向外冒水。2003年汛期，樁號34+475—35+000段堤基多處滲水，內(nèi)堤腳20 m內(nèi)所有壓水井成自流井，危及堤防安全。

險情段淮河干流較為平直，堤高約7 m，外灘地寬100 m左右，高程16～18 m；淮河深泓高程4.0 m左右，距堤防約400 m；內(nèi)灘地高程16～17 m，溝塘較多，塘底高程約15 m。

本段堤身為就近取土填筑而成，以重粉質(zhì)壤土-粉質(zhì)黏土為主，呈微-弱透水性，填筑質(zhì)量較好。堤基自上而下土層為：第1層重粉質(zhì)壤土-粉質(zhì)黏土，夾少量輕粉質(zhì)壤土薄層，微透水性，厚2～3 m，層底高程15 m左右；第2層輕粉質(zhì)壤土，夾砂壤土和重、中粉質(zhì)壤土，弱-中等透水性，厚2～4 m，層底高程13 m左右；第3層粉質(zhì)黏土-重粉質(zhì)壤土，夾輕粉質(zhì)壤土層，微透水性，厚3～6 m，層底高程7 m左右；第4層細砂-中砂，夾黏性土薄層，中等-強透水性，最大厚度超過10 m，揭露層底高程-2 m。如圖2所示。

圖2 沫河口周臺子險情地質(zhì)橫剖面示意圖

堤基為表層薄層黏性土、下砂黏互層結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)，堤內(nèi)溝塘揭穿上部1層，下部2層輕粉質(zhì)壤土-砂壤土層直接出露于溝塘底部，20世紀80年代施工的3 m深截滲墻僅穿過第1層進入第2層1 m左右，沒有截斷2層，導(dǎo)致1991年汛期河水經(jīng)第2層滲透穿過堤防于溝塘低部出逸，灘地滲水嚴重。

堤基深部的第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(nèi)農(nóng)民手壓井取用地下水的目的層，手壓井底部過濾器均位于中細砂層內(nèi)。該砂層于淮河深泓出露，直接接受淮河水的補給，具承壓性，汛期承壓水頭隨淮河水位升高而抬升。1991年和2003年淮河大水年份，中細砂層承壓水頭抬高至堤內(nèi)地表以上，導(dǎo)致手壓井自動向外冒水，形成險情（隱患）。

2.2.4 微地貌為堤基險情的產(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。渦下段內(nèi)外溝塘多，大多為堤身加培近堤取土坑。2004年以前內(nèi)、外溝塘分布長度分別為37.431 km和10.859 km。兩側(cè)溝塘有的連片，大多沿堤向分布，塘深一般為2.0 m左右，最深達4.5 m。

樁號6+400—6+500堤后為洼地，深塘緊鄰堤腳，1991年汛期深塘里翻渾水；樁號99+350—99+550和101+915—103+215堤段，距內(nèi)堤腳20 m分布深塘，2003年汛期堤基多處滲水。

渦下段淮河外灘寬窄不一，局部堤段外灘寬度僅20 m，部分寬度50～100 m，外灘狹窄除洪水對堤身產(chǎn)生較大的沖刷破壞外，也使得堤基的滲徑減短，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)表層黏性土的隔水性能，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?？傊刭|(zhì)條件外，堤基的滲漏及滲透穩(wěn)定類險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，進行堤內(nèi)外填塘固基是處理險情的常見工程措施。

2.3 抗滑穩(wěn)定類險情（隱患）成因

渦下段堤防位于淮河中游左岸，堤內(nèi)外溝塘連片，靠近大堤的坑塘使堤身相對高度增加1.0～3.0 m。老元塘險段外灘殘留深約10 m的大沖坑，給堤防的抗滑穩(wěn)定帶來隱患。樁號35+330—35+630堤后存在灌溉渠，堤與渠間是深塘，堤基表層厚3 m的重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土常年浸泡于水中，土體的抗剪強度等力學(xué)性質(zhì)指標降低。經(jīng)驗算，大堤歷年汛期絕大多數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但部分堤段的抗滑穩(wěn)定性不滿足1級堤防的安全要求，成為堤防隱患[3]。

2.4 沉陷變形類險情（隱患）成因

渦下段堤基中總體說來淤泥、淤泥質(zhì)軟土分布不多，沉降變形問題不突出，此類險情（隱患）不多，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些，如1954年淮河決口處復(fù)堤的毛灘險情、老潼河河道封堵段。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；二是這些堤基尤其是淺表部土體沉積時間短，土體軟弱壓縮性較高，從而產(chǎn)生較大的沉降變形。

3 結(jié)語

（1）渦下段堤身險情以背水坡（內(nèi)坡腳）滲水、散浸等滲漏及滲透穩(wěn)定類險情為主，局部存在狗獾洞、鼠洞；滲漏及滲透穩(wěn)定類險情成因：一是堤身中的砂壤土含量高；二是筑堤前沒清基或清基不徹底，或決口復(fù)堤填筑料雜亂；三是存在生物洞穴。

（2）堤基險情可分為滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、沉陷變形三類，其中前類險情占絕大多數(shù)，主要表現(xiàn)為堤后內(nèi)側(cè)滲水、管涌。滲漏及滲透穩(wěn)定類險情成因：一是堤基表層存在滲透性較好、抗?jié)B性較差的砂壤土；二是表層黏性土厚度較小或厚度、連續(xù)性遭到了坑塘溝渠的破壞；三堤防附近的手壓井揭穿了與淮河地表水連通的砂層；四是微地貌為堤基險情的產(chǎn)生提供了條件。

（3）堤身多是就近取土填筑而成，下部填土與堤基表層土質(zhì)基本相同，堤基表層為砂壤土的堤段堤身中砂壤土含量也高，造成這些堤段堤基、堤身汛期同時發(fā)生滲漏和滲透穩(wěn)定類險情，此類險情最為常見。

（4）堤防附近的坑塘溝渠是發(fā)生滲漏及滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定險情（隱患）的重要原因，堤防加固工程對一定范圍內(nèi)的坑塘進行填塘固基處理是必要的。