盛小濤，陸 齊，張 偉，江洎洧，饒錫保

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430010；2.安慶市長江河道管理處，安徽安慶 246003）

1 研究背景

在汛期高水位驅(qū)動(dòng)下，江河堤防堤基易發(fā)生“管涌”［1］（廣義上的管涌定義）破壞。1998年長江中下游堤防出現(xiàn)較大險(xiǎn)情共1 702處，其中管涌險(xiǎn)情872處，占51.2%［2］。2016年長江干堤50處險(xiǎn)情中，管涌險(xiǎn)情30處，占60.0%［1］；管涌險(xiǎn)情占比均超過一半［3］。2020年長江流域再次遭遇大范圍強(qiáng)降雨，長江干流及主要支流多站水位超警戒、超保證甚至超歷史水位，長江流域多地堤基發(fā)生管涌險(xiǎn)情。筆者參與了2020年江西省鄱陽湖圩堤和湖北省長江干堤防汛工作。堤防管涌險(xiǎn)情產(chǎn)生地點(diǎn)多面廣，可能發(fā)生在堤腳、坑塘、建（構(gòu)）筑物周邊、基坑等覆蓋層薄弱地帶，甚至距離堤腳幾百米至1 km。江西永安堤距離堤腳600 m以外某處基坑發(fā)生管涌險(xiǎn)情，湖北黃石長江干堤某管涌群距堤腳1.17 km。這是由于長江大堤堤基70%以上為雙層或多層地基，地基中強(qiáng)透水層水壓力傳遞快、衰減慢，堤內(nèi)大范圍地表土體受到承壓水頂托影響，在薄弱處地表土體被承壓水頂穿，產(chǎn)生管涌險(xiǎn)情。

管涌險(xiǎn)情搶護(hù)原則是反濾導(dǎo)滲，控制涌水帶砂，流出滲水出路，防止?jié)B透破壞。目前，不少研究指出應(yīng)當(dāng)重視管涌等滲流出口保護(hù)［4-5］。管涌口保護(hù)可采取的措施有圍井（堰）反濾、蓄水反壓、導(dǎo)濾堆等多種方式，其中圍井反濾措施是針對管涌險(xiǎn)情的一種常用并被證明有效的搶護(hù)方法。1998年7月17日洪湖干堤王洲段出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情，起始孔徑1 cm，30 min內(nèi)發(fā)展到15 cm，當(dāng)即采用圍井反濾措施，濾層為三級配粗砂、瓜米石和碎石，管涌口滲水轉(zhuǎn)清，險(xiǎn)情得到控制［6］。汛后開挖發(fā)現(xiàn)管涌已向上游發(fā)展，夾層砂全部流失，由于控制及時(shí)，險(xiǎn)情沒有形成更大災(zāi)害。2016年7月4～9日，黃石干堤某段接連發(fā)生管涌、翻砂鼓水等險(xiǎn)情，其中，管涌5處、翻沙鼓水點(diǎn)10處。在每處管涌點(diǎn)外圍做一個(gè)直徑約4 m、高約1 m的圍井，圍井用黏土灌編織袋雙排壘砌，圍井內(nèi)形成三級反濾，每層厚30 cm。處置完成后管涌點(diǎn)出水為清水，險(xiǎn)情得到了及時(shí)控制，后期保持密切監(jiān)測，其涌水量大小與江水位呈正相關(guān)關(guān)系，最大管涌點(diǎn)涌水量近270 L/min。

雖然圍井反濾在堤防險(xiǎn)情搶護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，但是由于對洪水變化過程、管涌危急程度、險(xiǎn)情點(diǎn)環(huán)境條件等多方面因素考慮不周，圍井反濾未能達(dá)到預(yù)期效果。2017年湖南省益陽市某民垸的管涌險(xiǎn)情距堤內(nèi)腳約60 m，起始管涌口直徑約15 cm，實(shí)施的圍井反濾被沖毀，險(xiǎn)情迅速向上游發(fā)展，導(dǎo)致地面及堤身沉陷［1］。2020年江西省某圩堤堤腳出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情后，實(shí)施圍井反濾，濾層表面持續(xù)管涌跳砂，如圖1所示，也有的從土袋圍井縫隙中涌水涌砂。

圖1 濾層表面可見顆粒流失

目前，對于圍井反濾應(yīng)用目標(biāo)、達(dá)成條件及特殊環(huán)境下的應(yīng)用技巧還缺乏足夠認(rèn)識。本文對圍井反濾作用機(jī)理及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合2020年堤防管涌險(xiǎn)情搶護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一些認(rèn)識，對今后堤防防汛搶險(xiǎn)提供一定的參考依據(jù)。

2 圍井反濾作用機(jī)理

應(yīng)用圍井反濾技術(shù)是為了達(dá)到保土排水效果，解決堤基土體承受水力比降大于允許水力比降而造成地基管涌問題。管涌的發(fā)生是由于地基土體滲透壓力超過了自身的允許值，導(dǎo)致滲流出口帶走土顆粒，然后繼續(xù)向上游發(fā)展，進(jìn)而形成上下游聯(lián)通的滲流通道，最后導(dǎo)致地基沉降。但若出口無滲流破壞條件，內(nèi)部即使有薄弱層或裂縫也不會(huì)發(fā)生滲透破壞。圍井反濾是保護(hù)滲流出口，阻止管涌發(fā)生、發(fā)展比較直接的方法。

圍井反濾技術(shù)結(jié)構(gòu)主要由圍井和濾層兩部分組成。圍井的主要作用是控制濾層范圍，支撐濾層穩(wěn)定，約束滲透水流垂直向上進(jìn)入濾層，并為排水提供有利條件。濾層的作用是降低管涌口的涌水流速，減小動(dòng)水壓力，使原流動(dòng)的土顆?；謴?fù)穩(wěn)定，防止顆粒大量流失，抑制管涌險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展。圍井反濾作用原理區(qū)別于蓄水反壓［7］，蓄水反壓的滲流控制思想是“壓蓋”，在管涌口蓄高下游水頭，減小上下游水頭差以降低土體承受的水力比降。而圍井反濾是在出口產(chǎn)生反濾保護(hù)，形成新的地層系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的抗?jié)B性能，增大允許水力比降，并通過及時(shí)疏排降低水壓力。

目前，許多專家學(xué)者針對濾層的防治效果開展了大量的研究以揭示反濾作用機(jī)理。如周健等［8］通過細(xì)觀層面試驗(yàn)研究管涌土在反濾保護(hù)下的顆粒移動(dòng)規(guī)律。在室內(nèi)建立基料-濾層垂直滲流模型，并通過高倍顯微鏡觀察顆粒流失現(xiàn)象，分析顆粒位移場。研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力比降增加，基料移動(dòng)顆粒中的粗顆粒運(yùn)動(dòng)后在濾層交界面形成穩(wěn)定的“濾餅”，阻止更細(xì)的顆粒流失并保持良好的透水性。這與早年國內(nèi)外學(xué)者［9-11］觀點(diǎn)一致，他們認(rèn)為基料的穩(wěn)定性與其中粗顆粒密切相關(guān)，遷移中的粗顆粒在濾層表面形成濾餅。同時(shí)，周健等［12］通過離散元數(shù)值試驗(yàn)研究基料-濾料不同層間系數(shù)D15/d85值對濾層防治效果的影響，證明了層間系數(shù)D15/d85值是反濾是否形成的關(guān)鍵因素。周健等［8］的試驗(yàn)同時(shí)表明，即使未形成自濾層，還是會(huì)延緩系統(tǒng)破壞時(shí)間。姚志雄等［13］通過體視顯微鏡觀察到土體內(nèi)部系統(tǒng)發(fā)生的管涌現(xiàn)象，其臨界的細(xì)顆?？稍趶?fù)雜的水土相互作用下達(dá)到層間系數(shù)值而自行穩(wěn)定，使管涌停止。

自濾層的形成在流土型土和管涌型土中有不同的表現(xiàn)。劉杰［14］通過試驗(yàn)研究兩類土自濾反濾過程，發(fā)現(xiàn)流土型土不同于管涌型土，其在裝樣施工完成時(shí)即形成自濾層阻止顆粒流失。

是否形成自濾層與濾層厚度直接相關(guān)。白彥峰［15］通過試驗(yàn)研究了不同濾層厚度下得到的系統(tǒng)水力比降變化特征。當(dāng)濾層厚度為5 cm時(shí)，細(xì)顆粒快速通過濾層，未能形成自濾層，不能阻止管涌發(fā)生；當(dāng)濾層厚度為15 cm時(shí)，系統(tǒng)抗?jié)B性能得到大幅提升，濾層厚度再增加至20 cm時(shí)，提升效果并不明顯。

自濾層也容易受到外界環(huán)境影響而失效。李曉慶等［16-17］調(diào)查和分析地下集水廊道的濾層失效成因主要包括自濾層堵塞、自濾層擊穿和旁流。毛昶熙［10］認(rèn)為，根據(jù)特定水力條件，如能按照一定的水力坡降和流向設(shè)計(jì)濾層，則可采用粗顆粒強(qiáng)透水濾層，李曉慶也認(rèn)為水力穩(wěn)定性濾層是解決上述問題的方向。

濾層除須阻止顆粒流失之外，還應(yīng)具備良好的排水條件。劉杰［2］將被保護(hù)土和濾層簡化為雙層土體，根據(jù)雙層介質(zhì)滲流計(jì)算理論，濾層與被保護(hù)土的滲透系數(shù)和水力比降滿足下式：

式中：k1，J1為濾層的滲透系數(shù)和實(shí)際承受的水力比降；k2，J2為被保護(hù)土的滲透系數(shù)和實(shí)際承受的水力比降。濾層滲透性越強(qiáng)，其本身承受的水力比降越小，表明減壓效果越好。

綜上，濾層應(yīng)用須滿足層間系數(shù)要求，且有足夠的厚度使流失顆粒中的粗顆粒在交界面形成自濾層，阻止細(xì)顆粒流失，保留滲水通道，減小系統(tǒng)承受的水力比降。而系統(tǒng)內(nèi)部的管涌潛蝕隨著顆粒移動(dòng)可以形成自穩(wěn)定。由于汛期江河水位及復(fù)雜的水土相互作用關(guān)系，導(dǎo)致水力條件多變，應(yīng)持續(xù)觀察反濾層是否失效。

3 當(dāng)前圍井反濾常用的材料和結(jié)構(gòu)方案

3.1 圍井反濾結(jié)構(gòu)

圍井反濾種類較多，根據(jù)濾材分類，有傳統(tǒng)砂石、寬級配砂石、土工織物和梢料圍井反濾等。根據(jù)圍井結(jié)構(gòu)分類，有土袋式、裝配式、充水式圍井等。目前，在堤防管涌險(xiǎn)情搶護(hù)中常用的是土袋砂石圍井，其在管涌口處用編織袋裝土搶筑圍井，井內(nèi)逐級鋪填反濾料并埋設(shè)排水管，深部埋設(shè)排水管則管壁應(yīng)透水且包裹反濾紗網(wǎng)。

3.2 圍井研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)土袋圍井技術(shù)方法成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富，但是往往存在黏土填料缺失、裝袋搬運(yùn)耗時(shí)耗力等不足，圍井的結(jié)構(gòu)性能朝著簡易、快速、易儲(chǔ)備、可擴(kuò)展的方向發(fā)展。目前，多種新型圍井結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛應(yīng)用。

江西省某圩堤采用無底鐵桶，在桶壁周邊鑿孔排水，形成簡易圍井。侯英杰、陶同康等［18-19］設(shè)計(jì)了裝配式圍井，通過組合拼接完成安裝，其尺寸大小和高度可現(xiàn)場調(diào)節(jié)，擴(kuò)展性較好。長江科學(xué)院堤防險(xiǎn)情應(yīng)急搶險(xiǎn)修復(fù)技術(shù)與裝備項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出“以水治水”的思想，積極研發(fā)充水式圍井，通過充水氣囊作為濾層圍護(hù)結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土袋，運(yùn)輸攜帶方便，安裝簡捷。

圍井作為一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，給濾層提供穩(wěn)定支撐，阻止邊壁無防護(hù)滲水，雖然新型圍井技術(shù)已經(jīng)得到有效發(fā)展應(yīng)用，然而管涌險(xiǎn)情復(fù)雜且具有發(fā)展的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和險(xiǎn)情發(fā)展恰當(dāng)使用。有些管涌險(xiǎn)情發(fā)生在較深的坑塘中間，對其進(jìn)行蓄水反壓后仍然冒水涌砂，圍井修筑條件復(fù)雜。有些管涌險(xiǎn)情發(fā)生在渠道斜坡上，新型圍井結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定存在問題。有些圍井反濾失效，進(jìn)一步添加濾料將導(dǎo)致圍井加高，威脅結(jié)構(gòu)安全。因此，有必要根據(jù)圩堤典型險(xiǎn)情特點(diǎn)作有針對性地研發(fā)和物資儲(chǔ)備。

3.3 寬級配濾料應(yīng)用

傳統(tǒng)的濾材多是均勻多層反濾料，級配范圍窄，顆粒組成比較均勻，濾土排水能力強(qiáng)，反濾效果顯著［20-21］。然而，均勻料抗沖刷性能差，往往需要多層反濾。此外，均勻料還存在施工勞動(dòng)強(qiáng)度大、篩分量大、費(fèi)工、費(fèi)時(shí)等問題。因此，寬級配濾層得以研究和應(yīng)用。

寬級配濾層往往具備當(dāng)?shù)厝〔?、生產(chǎn)簡單、料源廣、可機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，其區(qū)別于傳統(tǒng)均勻?yàn)V層最大的特點(diǎn)是顆粒級配不均勻系數(shù)Cu大。劉杰［22］以d20為特征粒徑，建立了均勻和不均勻?yàn)V層的內(nèi)在聯(lián)系，認(rèn)為只要d20相同，且滿足反濾準(zhǔn)則，均可起到反濾作用。郭慶國［21］認(rèn)為太沙基保土準(zhǔn)則（D15/d85＜4）無下限和排水準(zhǔn)則（D15/d85＞4）無上限，而寬級配料級配寬、粒徑范圍大，不適用于太沙基準(zhǔn)則，應(yīng)針對被保護(hù)土料的性質(zhì)設(shè)計(jì)寬級配濾層。吳昌瑜［4］在垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行了中細(xì)砂與砂礫石的接觸變形試驗(yàn)，以某堤段天然砂礫石平均線和下包線級配料充當(dāng)反濾料，試驗(yàn)表明組合樣整體的抗?jié)B性能超過了中細(xì)砂，平均線可以達(dá)到濾料的抗?jié)B強(qiáng)度，但下包線濾料在增加滲透比降后率先發(fā)生管涌變形。寬級配濾層發(fā)展應(yīng)用空間很大，但應(yīng)根據(jù)被保護(hù)土性質(zhì)，合理運(yùn)用反濾準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)并通過實(shí)踐檢驗(yàn)其適用性。2020年在長江鄱陽湖流域圩堤上，寬級配砂卵石料被廣泛應(yīng)用在防汛搶險(xiǎn)工作中。

寬級配濾層作為粒狀顆粒材料，在裝卸、運(yùn)輸、鋪裝時(shí)粗細(xì)顆粒容易分離，而且級配越寬越容易分離。使用時(shí)應(yīng)設(shè)法嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，主要措施有：限制最大顆粒尺寸；保持一定的含水量；適當(dāng)加大濾層厚度和圍井尺寸；保證濾料清潔無雜質(zhì)。應(yīng)用中加強(qiáng)搶險(xiǎn)效果的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

4 對圍井反濾技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)識

本文總結(jié)了管涌險(xiǎn)情圍井反濾技術(shù)作用機(jī)理及其結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，并分別展開討論。結(jié)合該技術(shù)在2020年鄱陽湖圩堤和湖北長江大堤的堤防防汛搶險(xiǎn)應(yīng)用情況，主要得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識。

（1）圍井反濾技術(shù)應(yīng)用目的有兩個(gè)：①保護(hù)管涌出口，阻止細(xì)顆粒土料持續(xù)流失，或者部分細(xì)顆粒流出但可為進(jìn)一步險(xiǎn)情搶護(hù)措施實(shí)施贏得時(shí)間。②在保護(hù)滲流出口的同時(shí)，疏導(dǎo)管涌口水流排出，以消殺水勢，減小周邊土體揚(yáng)壓力。

（2）圍井反濾內(nèi)管涌出口水流垂直向上進(jìn)入反濾層，由涌出砂中較粗顆粒在反濾層的交界面形成自濾層阻止細(xì)顆粒土料流失。圍井結(jié)構(gòu)應(yīng)起到約束水流垂直向上滲透的作用。2020年部分圩堤實(shí)施的土袋圍井側(cè)邊空隙中涌水涌砂，土顆粒流失嚴(yán)重，險(xiǎn)情搶護(hù)和值守時(shí)應(yīng)密切注意圍井結(jié)構(gòu)完整性。

（3）寬級配土料應(yīng)用的反濾準(zhǔn)則區(qū)別于傳統(tǒng)的均勻多層反濾料。料場選擇應(yīng)根據(jù)被保護(hù)土性質(zhì)，優(yōu)選優(yōu)用，須通過試驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn)其適用性。用于管涌口反濾保護(hù)時(shí)，應(yīng)確保級配連續(xù)，細(xì)料損失嚴(yán)重的土料不適宜直接用于搶險(xiǎn)。寬級配反濾料較易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，現(xiàn)場應(yīng)備有余料以便及時(shí)補(bǔ)充填料。

（4）圍井反濾技術(shù)應(yīng)用要有針對性，對管涌位置、圍井反濾應(yīng)作針對性調(diào)整。2020年長江干堤某泵站引水渠岸坡上發(fā)現(xiàn)管涌險(xiǎn)情，出水量達(dá)到25 L/min，實(shí)施圍井反濾后起初可正常排水，但是由于未能清除底層淤泥，濾層發(fā)生嚴(yán)重堵塞，排水量逐漸減小甚至不出水。在渠道底部、岸邊和沼澤區(qū)的管涌險(xiǎn)情，其淤泥常常堵塞濾層，阻礙排水。實(shí)施圍井反濾時(shí)，應(yīng)清除井底淤泥及雜物或者先正級配鋪填大塊石、碎石、瓜米石，塊石厚度超過淤泥層厚，再按反級配鋪填濾料。

（5）圍井反濾技術(shù)不一定能徹底根治管涌，實(shí)施反濾技術(shù)后，應(yīng)根據(jù)出水量、含沙量、江河水位條件情況，持續(xù)觀察值守。增加濾層厚度可提高系統(tǒng)的抗?jié)B破壞能力，并可延遲系統(tǒng)破壞的時(shí)間。濾層太薄，不利于自濾層的形成，不能阻止管涌發(fā)生。然而，濾層也不宜過厚，只要滿足要求便可，層間系數(shù)是控制管涌是否發(fā)展的關(guān)鍵因素。2020年部分圩堤上實(shí)施的反濾圍井濾層表面繼續(xù)涌砂，再次添加濾料增加其厚度后，阻止了顆粒流失。

（6）堤內(nèi)基坑、淵塘等的表層弱透水土比較薄弱甚至粉細(xì)砂層直接出露，較易出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情，目前遇險(xiǎn)搶護(hù)方法包括：①修筑圍井反濾或者直接拋投反濾料阻止涌水帶砂；②在岸邊加高子堤進(jìn)行蓄水反壓。一些圩堤為實(shí)現(xiàn)圍井填筑條件，首先降低坑塘內(nèi)水位，在圍井實(shí)施完成后再重新蓄水，操作復(fù)雜且過程中削弱防洪能力，有必要發(fā)展適用于坑塘管涌險(xiǎn)情搶護(hù)的圍井結(jié)構(gòu)，優(yōu)選反濾料防止骨料分離，實(shí)現(xiàn)水下險(xiǎn)情搶護(hù)，提高搶險(xiǎn)效率和可靠性。

（7）堤防上尚有一部分管涌險(xiǎn)情是鉆孔封堵不嚴(yán)導(dǎo)致，覆蓋層厚度減薄，形成承壓水出溢通道。這類險(xiǎn)情管涌出口明確、流速快、涌水量大、水力比降大。圍井反濾設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇較大的圍井尺寸，采用塊石、卵石首先消殺水勢，使過流面積增加、滲透流速降低，再逐級回填濾料，并在圍井周邊設(shè)置多層排水管，及早排泄水壓力。地表弱透水層較厚時(shí)，可適當(dāng)增加濾層厚度。