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1、1广 东 地 质2006 年 12 月 GUANGDONG GEOLOGY 第 21 卷第 4期珠江三角洲重点堤防若干工程地质问题李宁新 朱云江（中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510611）摘 要 珠江三角洲防洪长期依靠单一的堤防措施。由于历史原因，工程建设之初缺乏地质勘察资料，设计标准亦较低，遗留大量因堤基、堤身和穿堤建筑物工程地质问题，如强透水层地基管涌、软土地基沉陷、堤岸冲刷塌岸、堤身漏水等，影响堤防的防洪安全。本文根据珠江流域（片）重点堤防工程普（复）查成果，对珠江三角洲重点堤防若干工程地质问题进行了总结分析，提出一些可供进一步探讨的问题。关键词 重点堤防 填土质量 堤基结构 无
2、害“管涌” 堤基抗冲稳定 珠江三角洲 珠江流域规划中的流域性的防洪体系尚未形成，珠江三角洲防洪长期依靠单一的堤防措施，而这些堤防工程中的大部分，都是在解放前后或大跃进年代开始兴建，防洪堤的规模多是从地方性的小堤围扩展到区域性的大联围，从低窄断面逐渐增厚加高而成。由于历史原因，工程建设之初缺乏地质勘察资料，设计标准亦较低，遗留大量因堤基、堤身和穿堤建筑物工程地质问题，如强透水层地基管涌、软土地基沉陷、堤岸冲刷塌岸、堤身漏水等，影响堤防的防洪安全。为了全面掌握珠江流域（片）重点堤防现状及主要工程和地质问题，据此建立珠江流域（片）堤防工程信息管理系统，为珠江流域管理和防洪抢险服务。根据水利部的要求，
3、20012004 年，对珠江流域（片）重点堤防（18 项）工程的工程地质条件及建筑物运行现状进行了一次全面普（复）查，其中包括珠江三角洲北江大堤、东莞大堤、樵桑联围、中顺大围、景丰联围、江新联围和佛山大堤。本文根据该次普（复）查成果，对珠江三角洲重点堤防若干工程地质问题进行了总结分析，提出一些可供进一步探讨的问题。1 土堤堤身填土质量评价一般土堤的质量评价主要针对堤身填土质量。新建堤防堤身填土质量需要严格按规范规定的干密度控制指标（d 0.92d max，下同） ，机械化施工也容易满足规范要求。大部分2本文 2006 年 10 月收到。已建堤防堤身土多为长年累月修培加固形成，并且多为靠人工就近
4、取土填筑，夯实不充分，因此，堤身主体填土密实度普遍较差。按规范规定的干密度控制指标，几乎所有已建堤防都不合格，包括经后期加固（堤前或是堤后的培厚）的堤防。但实际上大部分已建堤防，尤其是经后期加固的堤防，即使堤身主体填土密实度远未达到规范规定的干密度控制指标，堤身并无明显裂缝等缺陷，渗漏问题也不严重。因此，将干密度作为已建堤防土堤堤身填土质量主要控制性指标做出的评价结论常与工程实际不符。考虑到堤防作为挡洪建筑物，堤身渗漏及其引起的堤身渗透稳定和堤后坡抗滑稳定才是主要问题，建议以堤身填土渗透系数作为已建堤防土堤堤身填土质量评价的控制性指标。由于土堤堤身填土均一性差，室内试验指标难于代表堤身实际透水
5、性。大量已建堤防采用了注水试验，主要是钻孔注水试验。经验表明1，钻孔注水试验对砂土所得K值比抽水试验所得 K 值小 15%20%，但对粘性土K值比室内试验所得K值大 10 倍以上。若仍按设计规范用K110-5 cm/s 作为评价已建堤防是否满足防渗要求，绝大部分已建堤防都不合格，包括已经后期加固（培厚或加高）的堤防。因此，建议钻孔注水试验采用K110-4cm/s、室内试验采用K110-5cm/s 作为已建堤防不满足防渗要求的标准。值得注意的是，注水试验没有规程对其适用性及计算方法进行统一规定，需要重视如何选用。如钻孔注水试验，在地下水位以上或以下的计算方法及限制条件不同，建议采用文献1总结提出
6、的相应公式计算。至于注水试验数据不满足防渗要求的堤段洪水期未见大量堤身渗漏现象，初步分析认为：堤身渗流受堤身土体结构控制，后期无论在堤前还是堤后的培厚，都可以消除大量堤身渗漏现象。如在堤前培厚，相当于在堤前坡设置了防渗体前有弱（微）透水的防渗体，后为中等透水的主体填土，对堤身渗流稳定有利；对堤后培厚堤段，相当于在堤后坡设置了堵渗体，虽然短时洪水作用下未见渗漏，但是，因培厚土层渗透性远弱于堤身主体填土，可能造成堤身浸润线雍高，对挡洪时间较长的堤后坡稳定不利。2 双层堤基若干问题2.1 双层堤基渗流特征堤防工程设计中，将表层为较弱透水层，下部为较强透水层，两层渗透系数之比大于100 的堤防地基称为
7、双层地基。考虑到粘性土的特殊性，本文把表层（较弱透水层）为粘性土的堤防双层地基称为双层堤基。大部分具河流冲积二元结构的堤基可视为双层堤基，这种堤基在大江大河防洪干堤中非常普遍，如珠江流域（片）18 座重点堤防中，除广西藤3县浔江河西堤及海南省南渡江河口堤外，其余 16 座堤防均存在双层堤基。洪水期堤后承压水对堤基稳定构成威胁，由此产生的堤后泉涌（通称“管涌” ，下同）是堤基渗透破坏的主要形式。大部分堤防修建于沿江一级阶地前缘，分析一级阶地冲积层的分布规律可知，其下部强透水层（砂层及砂卵砾层，下同）一般在阶地后缘尖灭或消失，周边不是受基岩风化残丘所限，就是受阻于高阶地粘性土层，即所谓强透水层在堤
8、后（平面上）呈（内）封闭产出；部分堤防修建于河间地块一级阶地前缘，横贯河间地块的阶地冲积层下部强透水层，外受近乎相等高度洪水包围，向内受阻于高阶地粘性土层或基岩风化残丘，同样形成强透水层在堤后（平面上）呈（外）封闭状态。这一特征是双层堤基与双层（拦河）坝基最根本的区别。这种特殊的水文地质结构，构成堤后承压水封闭系统，洪水期将形成一种“渗而不流”渗流场。堤基渗流具“渗而不流”特征2：（1）承压水渗透速度缓慢；（2）堤内承压水头损失很小，水力坡降小，i0.01；（3）堤内外水力联系密切，涨落同步，近乎静水压力传递；（4）堤后承压水分布范围广，且在强透水层范围内水头呈线性分布，强透水层在堤后尖灭处的
9、承压水头仍明显高出地面。2.2 双层堤基二个疑难问题解释根据双层堤基渗流的“渗而不流”特征，可以对二个疑难问题做出较合理的解释。(1)超远距离 “管涌”的成因 广东北江大堤堤后 100200 m 出现过不少“管涌” 。“98”洪水期，长江干堤更是发现不少超远距离“管涌” （堤后 8001 000 m） ，被认为难于用常规渗流分析其成因：对于挡水高度不足 10 m 的堤防，平均水力梯度已小至 0.1，本不具备顶穿上覆粘性土而产生“管涌”的水动力条件。对此，认为是复杂地质条件形成集中渗漏的连通管者有之，怀疑是堤后外围低山或丘陵（高）地下水强补给引起者亦有之。对北江大堤堤后 100 m 以远出现的“
10、管涌” ，有的学者就认为是基岩（岩溶）管道所致3。实际上，长江干堤多建于一级阶地前缘，而长江一级阶地非常宽阔，其二元结构之下部砂砾层向堤后延伸可达 1 000 m 以外尖灭，构成堤后超大范围的封闭水文地质（空间）结构，由此形成堤后超大范围的“渗而不流”承压渗流场( 图 1)。 “渗而不流”条件下，承压渗流水力梯度非常4图 1 超远距离 “管涌”水动力条件平缓（千分之几） ，对应于净水头 10 m，堤后 1 000 m 处仍有 78 m 的承压水头，遇盖层厚度不足 3 m 的沟渠底部，完全可以击穿此薄弱环节而产生“管涌” 。广东北江大堤堤后100 m 以远出现的“管涌” ，多集中在盖层厚度不足
11、3 m 的沟渠或水塘底部等薄弱环节，实测承压水头可达 67 m。(2)基岩渗漏的影响 对于双层堤基，一般把基岩视为相对不透水层。事实上，基岩顶部常见中等甚至是强透水层，全截式防渗墙一般未能截断基岩渗漏，同样可能导致形成事实上的悬挂式防渗，以至以减压为目的的垂直防渗措施失效。但是， “渗而不流”条件下，基岩渗漏带的存在，只是起增加透水层厚度的作用，由其渗漏进来的水仍将汇入上覆砂砾层，最终以承压水头均匀作用于粘性土盖层底板。由此构成的“管涌”威胁，不宜认为是基岩渗漏直接集中作用于粘性土盖层某一处而产生“管涌” 。北江大堤石角段基岩存在强透水带，强透水带附近的岩性较弱，是否会在外江水位变动产生一定量
12、级的渗透流速，发生水力冲蚀使透水构造继续发育，进而将基础的渗透通道打通，部分颗粒被带走，对北江大堤的安全构成威胁？北江大堤石角段双层堤基具典型的的“渗而不流”特征，其最根本的特征是“不流” ，即堤内承压水头损失很小，水力坡降小，i0.01；且堤内外水力联系密切，涨落同步，近乎静水压力传递，因此，外江水位的变动不会产生足以冲蚀透水构造的渗透流速，即使基岩存在强透水构造亦难于对北江大堤的安全构成威胁。2.3 无害“管涌”及其探测双层堤基渗流的根本特征是“不流” ，由此造成堤后大面积承压水头超高，远距离发生“管涌”常难于避免。但是， “渗而不流”条件下，粘性土盖层未出现顶裂破坏前，承压水头测压面梯度
13、非常平缓（n） ，堤后承压水呈近乎静水状态。在研究区域不大的范围内，水头测压面可视为水平面，即视盖层底板承受相等的静水压力。一旦盖层的局部薄弱点受顶裂破坏，随即形成孔底进水的承压冒水孔：承压水向冒水孔的流动是以孔底为中心的径向汇流，实质为底部进水的承压井。因此，可以把离堤较远的“管涌”视为无害“管涌”4，没有必要为“消除”它而预先防治，更不必为追求根治而全线截渗。有害“管涌”局限于堤后小范围，首选防治方案为有针对性的压渗。在管涌渗漏探测方面，一般是在堤坝上或堤垸外的水面上进行的，除了上述方法外，常用通过测定堤垸外的水面上的自然电位分布来确定渗漏部位5。1999 年，何继善院士等5对堤防工程隐患
14、探测方法理论及仪器设备系统进行了大量的研究，提出了流场法并研制出能在汛期“从上游探测到渗漏入口”的“堤坝管涌渗漏探测系统” 。流场法有一个极为重要的假设前提：即由于渗漏的出现，必然存在从迎水面向背水面渗、漏通道。在出现管涌的情况下，此通道更为明显。此通道既是客观存在的，也是探测管涌入口可以利用的物理实体5。可以看出，上述方法探测目标集中于渗漏入口和渗漏通道。显然，对于双层堤基，这种认识仍停留在传统“管涌”模式。研究表明3,6, 双层堤基具特殊的水文地质结构，双层堤基渗流呈静水承压状态；“管涌”冒水孔具承压井流特征，双层堤基“管涌”的实质是井涌，传统“管涌”模式值得怀疑。因此， “探测管涌入口可
15、以利用的物理实体（渗漏通道） ”可能并不是“客观存在” ， “从上游探测渗漏入口”的适用性值得商榷。根据“管涌”冒水孔具有的承压井流特征，应该考虑以堤后“管涌”点为中心，再向外追索 “管涌”影响范围 的探测新思路。3 堤基结构分类与工程地质评价珠江三角洲堤防地质条件有其特殊性，死搬硬套规程可能出现结论性错误，主要问题出现在软土堤基的堤基结构分类和与此相关的工程地质评价。从抗渗稳定角度考虑，堤基具单一粘性土层亚类（1）结构和双层结构类之上厚层粘性土、下砂性土双层结构亚类2 时，堤防应属工程地质条件好的 A 类。但对珠江三角洲堤防来说，软土堤基的抗冲稳定及其抗滑稳定问题才是堤防最突出的工程地质问题
16、。此类堤防即使堤基具单一粘性土层亚类（1）结构和双层结构类之上厚层粘性土（软土） 、下砂性土双层结构亚类2，抗渗稳定性好，但抗冲稳定及其抗滑稳定性差，堤防仍应划分为工程地质条件较差或差的 C 类或 D 类。4 堤基抗冲稳定问题珠江三角洲重点堤防地基浅层普遍存在较厚层软土（淤泥或淤泥质粘土） ，堤前岸坡主体由软土构成，抗冲稳定性差，遭遇不利水流时，凹岸冲刷、深槽迫岸现象较严重。堤基存在的浅埋厚层软土抗剪强度低，一旦堤前岸坡坡脚冲深失稳，将直接危及整个堤基的抗滑稳定。调查表明，珠江三角洲重点堤防多数重大历史险段都与此有关，抗冲稳定问题及其引发的堤基的抗滑稳定是珠江三角洲重点堤防最普遍的工程地质问题。如江新联围著名的六十丈险段 1995 年滑坡及景丰联围著名的赤顶险段滑坡，长达 100 m 的堤身随地基滑入西江。此外，由软土构成的堤前岸坡对河道冲淤变化非常敏感，这是珠江三角洲堤防的
