Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 11: 82 - 87

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240208

Application Effect of Relief Wells in the Treatment of Piping Emergency in Yaodi Levee of Hanjiang River

  • CUI Hao-dong ,
  • PEI Yi ,
  • LI Shao-long ,
  • FAN Yue
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  • Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-03-07

  Revised date: 2024-04-27

  Online published: 2024-11-26

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Abstract

Yaodi levee of Hanjiang River is a national first-class embankment, serving as an important flood control barrier safeguarding the Hanbei Plain and Wuhan City. The Lijiazhou levee of Tianmen City is a historical danger section, with a series of piping dangers occurred in this section of the Hanjiang River during the autumn flood season of 2021. A new design of relief well was applied to treat hidden danger of piping in 2022. A three-dimensional seepage model was established and the effect of relief well under different working conditions was analyzed for design. Simulation data shows that the relief well has a significant drainage and pressure reduction effect, and the permeability stability meets the requirements under flood conditions. No piping danger occurred during the 2023 flood period of the Hanjiang River when the flood level was 1.3 m higher than the flood level during 2021 in this embankment section. It indicates that the relief wells played a significant role in flood control and disaster reduction. Practical application shows that relief well is one of the most effective measures for typical pipe surge hazards of binary structure embankment foundation. This study provides references for dealing with similar levee pipe surge hazards.

Key words： pipe surge hazard; relief well; hazard remediation; seepage simulation; Yaodi levee of Hanjiang River

Cite this article

CUI Hao-dong , PEI Yi , LI Shao-long , FAN Yue . Application Effect of Relief Wells in the Treatment of Piping Emergency in Yaodi Levee of Hanjiang River[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(11) : 82 -87 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240208

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0 引言

我国洪涝灾害频发且危害巨大,堤防工程是抵御洪水侵袭、守护人民生命财产安全无可替代的安全屏障;堤防工程线路长且堤基条件及服役环境复杂,尽管近代堤防建设取得巨大成就,汛期堤防险情依然时有发生,严重威胁沿岸人民生命财产安全[1]。2020年长江流域大洪水致灾直接经济损失约1721亿,据险情统计,长江中下游堤防险情总数仅为1998年堤防险情总数的5.9%,但管涌和散浸依然是最主要的堤防险情类型,占险情总数的68.8%[2]。
长江流域堤防基础多具有典型二元结构特点[3],汛期高水位条件下易发生管涌险情,若不及时处理会危及堤防安全[4]。国内外专家在堤防管涌险情机理及处置方法方面成果丰富[5⇓⇓⇓-9],填塘固基、水平铺盖等措施可延长渗径、增加表层土抗渗能力,但有占地多且管涌险情易向盖重末端转移等缺点;防渗墙和减压井是主要的措施[10],防渗墙具有工艺成熟等优势[11],但造价高且底部和两端绕渗难避免,封闭效果有时难保证。事实上,针对汛期堤基二元结构地层中的承压水,从渗流理论上,排水则属于消减承压水头实现降低表层土渗透坡降最直接的方法[12],工程措施上可采用减压井或截渗沟等;针对减压井作用,据Mansur等[8]对美国密西西比河沿岸2480口减压井运行效果调查,其防洪减灾效果显著,这点与我国长江干堤减压井应用效果较为类似[12];传统减压井建成通常初期效果明显,服役几年后易淤堵失效[13-14];目前,减压井已发展至滤芯可拆换的新型防淤堵技术(以下简称新型减压井),该技术特点是滤芯可清洗或更换,井材为惰性材料耐老化,具有占地小、长效服役等优点;结合现代智慧化监测手段具有运行状态实时感知和预警功能[15]。
汉江遥堤李家洲段属于历史险段,历经多次治理[16-17],在2021年汉江洪水期间,该段发生管涌群险情(图1),笔者参与了现场防汛指导及汛后整治,除险加固于2022年完成,2023年10月汉江再次发生洪水,该段外江最高洪水位高于上次洪水位,但再无管涌险情发生。本文重点分析该段2021年管涌险情原因及新型减压井应用效果。
图1 汉江遥堤李家洲段管涌群(2021年9月7日)

Fig.1 Piping group in Lijiazhou section of Yaodi levee in Hanjiang River (September 7,2021)

1 汉江李家洲堤段管涌险情成因分析

1.1 汉江遥堤李家洲堤段概况

汉江遥堤位于湖北省中心腹地,为汉江干流上唯一的Ⅰ级堤防,是长江流域防洪体系的重要组成部分。据记载,该段在1636—1936年300 a间,曾发生溃口16处、43年次,给沿岸人民带来深重灾难[17]。
遥堤李家洲堤段位于天门市多宝镇境内,是遥堤著名的险段之一,历史上曾发生过溃口,该段堤内地势低洼,汛期高水位运行下极易发生散浸和管涌险情。建国以来,据不完全统计,该堤段桩号265+100—265+500范围内多次发生管涌险情(表1)。2000年李家洲段堤内盖重末端修建54口减压井;2013年兴隆水库蓄水后,在距堤脚一定范围内修建截渗沟导渗。该段在2014—2017年曾3次发生管涌险情。2021年9月,汉江中下游多个站点水位超设防或超警戒,李家洲堤段8月29日起(汉江水位38.86 m,黄海高程,下同)桩号265+100—265+200距堤脚126~140 m处陆续发生管涌群险情(见图2),9月7日外江水位达40.56 m,管涌发生在原减压井后方的稻田、沼泽地和渠道内,经过抢险处置,险情得到控制(图3)。
表1 汉江遥堤李家洲段历史险情统计

Table 1 Statistics of historical danger in Lijiazhou of Yaodi levee of Hanjiang River

出险年份 险情类型 出险位置 桩号范围
1951 管涌 堤脚 265+450
1964 管涌群 堤脚/距堤脚150 m 265+150/265+450
1983 管涌 近堤脚 265+150
1984 管涌 近堤脚 不详
2014 管涌 距堤脚150 m 265+200
2016 管涌 距堤脚140 m 265+100
2017 管涌群 距堤脚133~135 m 265+100/265+250
2021 管涌群 距堤脚126~140 m 265+100—265+200
图2 汉江遥堤李家洲险段平面图

Fig.2 Plan of Lijiazhou dangerous section of Yaodi levee of Hanjiang River

图3 李家洲典型管涌险情点(2021-09-07)

Fig.3 Typical piping hazard in the Lijiazhou section of Hanjiang River (September 7,2021)

1.2 李家洲堤段典型管涌险情分析

1.2.1 李家洲管涌险情段地质条件分析

李家洲堤段堤身以粉质壤土和砂壤土为主,粉质黏土、壤土和粉细砂次之。堤基上部是可塑的壤土、粉质壤土夹砂壤土、粉细砂、淤泥质壤土,存在互层且空间分布不均,厚2~8 m,透水性相对较弱;下部为粉细砂,厚度>10 m,属于强透水层。地质结构属于长江流域常见的二元结构地层(图4);在汛期高水位条件下,堤基强透水层内形成承压水,上部薄弱部位即易产生管涌险情。
图4 李家洲堤段典型横断面示意图(桩号265+150)

Fig.4 Typical section of Lijiazhou levee (section 265 + 150)

1.2.2 李家洲段原渗控方案及效果分析

遥堤李家洲段堤内盖重末端原54口减压井顺堤向间距20 m,井管直径20 cm,有效井径60 cm,2000年建成后在一段时间内发挥了良好的排水降压作用,2013年后该堤段频现管涌险情[16];2021年9月7日该段水位40.56 m(警戒39.38 m),超警戒水位1.18 m,调查发现14口减压井基本不出水,约占26%,其他井出水量很小,靠近管涌险情点的16#—22#,仅16#和22#出水,水量约3 m3/h,其他均不出水,16#井管水平管口可见明显淤积物;该堤段减压井运行超20 a,据洪水期间实际出水情况可知,减压井已经难以发挥排水减压效果。
垂堤向距原减压井后方约25 m有截渗沟,沟壁采用土工布作为反滤层,上铺设植生块。2021年9月2日23时桩号265+100截渗沟边坡上出现管涌群险情,据2022年4月险情整治过程中发现,沟壁局部土工布已结泥皮,表明该段截渗沟局部反滤措施已经发生淤堵,其导渗减压效果大幅降低。
综合可知,李家洲段原渗控方案中在盖重末端的减压井服役过程中功能失效,汛期外江高水位条件下出水少,甚至不出水,难以发挥排水减压效果(见图5);截渗沟本身反滤也存在淤堵失效问题。由此可见,李家洲段原渗控措施已基本失去原设计效果。
图5 原减压井现状(2021年9月)

Fig.5 Current situation of the relief well in Lijiazhou (September,2021)

1.2.3 李家洲典型堤段三维渗流场分析

本节根据现场勘查与设计资料,结合2021年洪水期间出险堤段情况,选择汉江李家洲265+150段为典型段,建立三维精细有限元渗流模型(图6),采用长江科学院自主渗流模拟软件SFA2.0进行分析,揭示2021年管涌险情原因并分析新建的新型减压井不同水位条件下的排水减压效果。同时结合2023年洪水位,分析新型减压井实际应用效果。
图6 三维渗流有限元模型

Fig.6 Three-dimensional finite element model of seepage

三维渗流模型以垂直堤轴线指向河床为x轴正向,顺河向为y轴正向,z轴为高程。参考桩号265+150堤身和堤基横剖面的地层分布(图4),假定顺堤向400 m范围内地层基本无变化,模型范围堤外取200 m至河床深泓,堤内距堤脚400 m,堤顶取至高程44.64 m;桩号265+050—265+250范围内新建8口新型减压井,井口高程32.7 m,间距20 m,深27 m。堤后截渗沟底高程31.7 m,水深0.8 m,即沟内水位32.5 m。新增厚度1 m砂壤土盖重,从原盖重末端延伸至截渗沟边;模型有限单元数为67 516个,节点60 269个。渗透系数建议值见表2。
表2 渗透系数建议值

Table 2 Recommended values of permeability coefficient

序号 地层名称 渗透系数计算取值/
(cm·s-1)		 允许比降
垂直 水平
K1 堤身填土 5.0×10-5
K2 盖重/压浸平台 1.0×10-4
K3 外平台 1.0×10-4
K4 堤基砂壤土 1.0×10-4 0.2 0.1
K5 淤泥质粉质壤土 5.2×10-5 0.3 0.2
K6 粉质壤土 1.2×10-5
K7 粉细砂 1.1×10-3
K8 卵砾石 2.5×10-2
K9 截渗沟反滤层(失效) 1.0×10-5
据洪水期间调查情况,模型中原减压井和截渗沟滤层按失效考虑,方案F1主要分析渗控措施失效条件下,2021年出险时洪水位条件下堤基渗流场特性,揭示出险原因;F2方案假设除险加固时仅考虑延伸盖重;基于F2的方案F3是2022年实际实施的措施,增建了新型减压井并翻修了局部截渗沟反滤;方案F4则分析2023年10月汉江1号洪水期间堤段渗流场特征,量化分析新型减压井实际排水减压效果,方案说明详见表3。
表3 渗流计算分析方案

Table 3 Seepage calculation and analysis schemes

方案 方案说明
F1 原渗控方案失效,2021年险情时水位
F2 盖重延伸至截渗沟,设计洪水位,其他同F1
F3 2022年新建8口新型减压井,其他同F2
F4 2023年洪水位,其他同F3
为揭示2021年险情原因,方案F1模拟结果表明,8月29日外江水位38.86 m险情初发生时,盖重末端,表层弱透水地层内水头等值线密集,表明该处表层弱透水层处于承压状态(图7(a)),该位置渗透坡降达0.38,超过该处砂壤土允许比降0.2,无法满足渗透稳定要求,这也是该处发生管涌险情的原因。截渗沟底部渗透坡降达到0.45,9月7日外江水位涨至40.56 m,该处渗透坡降肯定更高,这也解释了涨水过程中,截渗沟边缘及底部局部出现管涌群险情的原因。
图7 方案F1、F2和F3堤防剖面等势线

Fig.7 Contour lines of profile section along the embank-ment in schenes F1,F2 and F3

在2022年加固设计阶段,假设一种方案考虑仅延伸原盖重措施至截渗沟边缘,设计洪水位工况下,截渗沟底部水头等值线分布密集,该处渗透坡降达0.79,表明该方案无法解决在如2021年洪水位时,在截渗沟边缘甚至截渗沟底发生管涌险情问题。同时也表明随着盖重延伸,险情也必然会发生转移;另一方面,盖重作为加固措施占地多,有时甚至涉及基本农田等问题。
对比图7(b)和图7(c)可知,设计洪水位工况下,方案F3截渗沟附近及原上部弱透水层基本不再承压,新建减压井起到显著的减压效果,截渗沟底部渗透坡降仅0.08,单井流量为12.88 m3/d(见表4)。
表4 渗流模拟结果

Table 4 Seepage simulation result

方案 盖重末端比降 截渗沟底比降 单井流量/(m3·h-1)
F1 0.38 0.45 —
F2 0.60 0.79 —
F3 0.03 0.08 12.88
F4 0.00 0.06 10.4

2 险情整治及效果验证

2021年险情发生后,经论证分析,在管涌险情附近200 m范围内(桩号265+050—265+250),增设厚1 m盖重;参照了原减压井布置间距,距截渗沟缘5 m顺堤200 m范围内新建8口新型减压井(图8)。因该段地处兴隆库区,外江水位相对较高,加固工程在2022年汛前完成,7月中旬,外江水位约36.0 m,减压井单井出水量平均约4 m3/h。
图8 方案F4顺堤向过减压井剖面等势线

Fig.8 Contour of profile section in scheme F4

2023年10月汉江再次发生洪水, 10月4日洪水位达40.18 m,超警戒水位0.80 m,相比2021年出险时水位高出约1.32 m,该段并无管涌发生,该处减压井单井流量估测约10 m3/h。
经数值模拟(F4)也表明,该洪水位条件下,减压井及临近一定范围内,受减压井排水影响,形成较低压力区(图8、图9),井间最大渗透坡降为0,这也是本次洪水过程中该堤段安然无恙的原因。
图9 方案F4过减压井剖面等势线

Fig.9 Water head contours of F4

此类减压井首次在汉江堤防应用,经受住洪水考验,再次证明减压井防洪减灾效果显著。

3 结论与建议

堤防减压井属于防洪减灾体系中最关键措施之一,一般应用于二元结构堤段。汉江遥堤李家洲段地层符合减压井应用条件,2023年汉江洪水验证了这种措施的防洪减灾效果。针对汉江李家洲段险情调查、减压井实施及效果分析等,主要结论和建议如下:
(1)汉江李家洲段险情主要成因是原减压井长期服役中功能衰退,洪水期江水经堤基强透水砂层在堤内形成承压水,表层土体发生渗透破坏,即形成管涌险情。2023年洪水证明该堤段新建减压井效果显著。
(2)减压井效果受地层条件、井口高程、间距等因素影响敏感,因此在加固方案论证阶段,可以通过三维有限元精细模拟分析并提出最优布置方案。如实施过程中,不得已调整间距等参数,应重新分析论证,以保证减压井实施效果。
(3)本工程加固中井间距参照原减压井间距设计,对井口高程32.5、32.7、33 m和井深21、27、30 m等参数做了多方案比较,结合地质及现状条件,最优方案井口高程32.7 m和井深27 m。
(4)减压井效果除了与设计参数直接相关,施工过程质量至关重要,成井过程中不能使用泥浆护壁,在砂层大直径钻孔易塌孔,应特别重视施工工艺,并按要求成孔。
(5)针对堤基二元结构地层承压水带来的管涌险情风险,减压井是经济且有效的处理措施,作为防洪减灾工程,建议参照排涝泵站等,适当定期维护,避免长期服役中发生淤堵致功能降低。
(6)在我国长江干堤、北江大堤、鄱阳湖和洞庭湖地区部分堤段均有传统减压井,应用效果不佳,甚至部分减压井多年后连找到都很困难[18-19];建议采用新型防淤堵减压井结合智能监测预警手段,实现减压井运行状态实时感知并预警,大幅提高减压井服役寿命和管理便捷性。

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