結(jié)構(gòu)破壞后堤防管涌防治處理方案分析

陳 焱

（澧縣澧陽大垸水利管理委員會 常德市 415500）

前 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的涉河建筑物正在興建。各涉河建筑物的建設(shè)不可避免地要破壞堤防層。而我國河堤管涌發(fā)生的概率及破壞性在堤防潰垸性險情中列第一位。在1998年，長江干流堤防出現(xiàn)重大險情698處，其中堤基管涌險情366處，占52.4%；洞庭湖區(qū)堤防出現(xiàn)較大險情626處，其中管涌343處，占54.8%。在長江干堤的77處潰口險情中，有53處是管涌險情，占69%[1-3]。涉河建筑物的建設(shè)破壞了堤防基礎(chǔ)及垸內(nèi)覆蓋層，使原本就易形成管涌發(fā)生破壞的可能性越來越大，需要采用正確的方法進(jìn)行補(bǔ)救。

1 堤基結(jié)構(gòu)特點及結(jié)構(gòu)破壞后土體滲透破壞機(jī)理分析

1.1 堤基結(jié)構(gòu)特點

我國現(xiàn)有堤防基礎(chǔ)一般為深厚覆蓋層基礎(chǔ)，大致可分為三層：底層為基巖，一般堤防基巖埋深較深，如洞庭湖區(qū)大部分堤防基巖埋深大致40 m。中間層為砂卵石基礎(chǔ)，該層滲透系數(shù)大，是主透水層。上層為粉土及粉質(zhì)粘土層，局部有部分粉質(zhì)砂土、淤泥、耕作層及河道內(nèi)的淤積層，是堤基主要的防滲層。

1.2 結(jié)構(gòu)破壞后土體滲透破壞機(jī)理分析

涉河建筑物的建設(shè)破壞了地表覆蓋層的結(jié)構(gòu)，是其對堤防基礎(chǔ)抗?jié)B能力的主要影響因素。其主要原因有：

（1）破壞表層覆蓋層的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，使土層在形成過程中天然的結(jié)構(gòu)體失去平衡，使土體顆粒與顆粒之間的原有約束不存在了，土體天然狀態(tài)下的原有約束是多年來形成的相對穩(wěn)定與牢靠的結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)破壞后，土顆粒的抗?jié)B透破壞（管涌）的能力被削弱，使土體更容易發(fā)生管涌。

（2）天然狀態(tài)下的土體為層狀結(jié)構(gòu)，其豎向抗?jié)B能力與抗?jié)B透破壞（管涌）的能力均比水平方向強(qiáng)，水力坡降的主方向是豎直向上的，土體破壞后，豎向抗?jié)B能力削弱了。

（3）將橋墩置于土體中，橋墩與土體的接觸面使原有滲流場在此不連續(xù)，滲流場在此會出現(xiàn)水力坡降集中的現(xiàn)象，增大管涌發(fā)生的可能性。

（4）由于墩體是剛形結(jié)構(gòu)，在土體與墩體接觸的部位，墩體對土顆粒的約束作用會因為土體的應(yīng)變而發(fā)生較大變化，因此在接觸面最易發(fā)生管涌破壞。

2 管涌防治處理方案

堤基防滲處理主要有錐探灌漿和劈裂灌漿防滲、深層攪拌法防滲、置換法防滲、高壓噴射灌漿防滲、擠壓法防滲、鋼板樁防滲等處理方法[4]。針對堤基及垸內(nèi)結(jié)構(gòu)被破壞后的堤基，處理的主要措施有以防滲墻為主要垂直防滲法、以填筑垸內(nèi)壓浸平臺為主的水平防滲法、以填充灌漿為主的破壞區(qū)局部保護(hù)法。

（1） 防滲墻。

防滲墻的形式較多[5]，以高噴防滲墻為例，高噴防滲墻由20世紀(jì)80年代初由日本傳入我國。目前在水利工程的防滲與地基加固處理中得到廣泛應(yīng)用。高噴防滲墻主要是采用高壓水沖刷堤基結(jié)構(gòu)，再用水泥漿液回填、灌注空氣攪拌均勻。通過多個鉆孔將回填的漿液連接成防滲墻。高噴防滲墻有單管、雙管與三重管三種，其形式有懸噴、擺噴與定噴三類。目前用于防滲比較多的是三重管擺噴法。

（2）垸內(nèi)壓浸平臺。

垸內(nèi)填筑壓浸平臺防滲是最原始的堤防防滲方法。通過在垸內(nèi)填筑壓浸來延長水流的滲徑。此方法不僅可以有效保護(hù)被破壞的土體，還可以減小滲透水流的溢出坡降，增加堤防安全的可靠性。

（3）堤基與結(jié)構(gòu)破壞區(qū)內(nèi)填充灌漿。

對被破壞的堤防及垸內(nèi)覆蓋層區(qū)域進(jìn)行填充灌漿，以補(bǔ)強(qiáng)局部薄弱環(huán)節(jié)。灌注材料以純水泥漿與水泥黃泥漿為主，一般填充灌漿的孔距在（1.5～2）m，終孔灌漿壓力控制在0.3MPa。

3 不同方案處理的效果分析

（1）高噴防滲墻處理方案分析。

高噴防滲墻形成后，一般墻體滲透系數(shù)約10-7cm/s，墻體隔水性好，可承擔(dān)大部分的水頭壓力。

高噴防滲墻的形成分兩步：首先通過高壓水切割土體，再由水泥漿填充。高壓水的壓力一般在（36～40）MPa，由于高壓水沖出噴嘴后壓力會迅速釋放，因此，對大粒徑砂卵石，高壓水無法完全切割該層卵石，導(dǎo)致水泥漿無法按墻體導(dǎo)向方向延伸。無法形成完整的防滲墻。

高噴防滲墻處理的深度以30 m以內(nèi)為宜，對于深厚覆蓋層來說，很難形成封閉的防治墻。而懸掛式防滲墻只能適當(dāng)延長滲流的滲徑。由于堤基砂卵石層粒徑較大，透水性強(qiáng)，其滲透系數(shù)較表層的覆蓋層高出約1 000倍，采用懸掛式防滲墻延長的滲徑的效果不明顯。

一旦形成防滲墻后，垸內(nèi)地下水下外河道的水體被隔斷，不利于正常時期地下水的排泄。

（2）垸內(nèi)壓浸平臺。

垸內(nèi)增加壓浸平臺，相當(dāng)于增加了堤基的寬度，可以保護(hù)堤腳，對堤防的防護(hù)有一定作用。壓浸平臺上還可以生長植物，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

（3）充填灌漿處理。

橋墩充填灌漿填充了破壞土體內(nèi)的空隙，彌補(bǔ)了橋墩施工產(chǎn)生的不利影響。雖然沒有恢復(fù)原有土體的結(jié)構(gòu)性，但填充了回填土體內(nèi)的空隙，使土體顆粒的約束得到了加強(qiáng)，增強(qiáng)了土體抗?jié)B透破壞的能力。由于形成管涌等滲透破壞一般發(fā)生在覆蓋層的薄弱環(huán)節(jié)，針對被破壞土體的補(bǔ)強(qiáng)灌漿，是一種行之有效的好方法。

三種處理方案特點比較見附表。

4 某大橋橋墩防治管涌處理方案比較

4.1 計算模型

某大橋位于長江一級支流主河道上，大橋左巖為某縣城城區(qū)，堤頂高程45.0 m，面寬8 m，外坡1∶2.5，內(nèi)坡1∶3.0。河床高程30.0 m左右，垸內(nèi)地面高程39.7 m。

附表 各處理方案特點比較表

地質(zhì)分層上層為人工填土、種植土與粉質(zhì)黏土，垸內(nèi)度（3～4）m，堤身為人工填土，河床內(nèi)該層基本尖滅，該層滲透系數(shù)為3.6×10-5cm/s，臨空時豎直向允許水力坡降0.38。中層為砂卵石層，含砂量約30%，卵石最大粒徑 150 mm，層厚（30～40）m，該層滲透系數(shù)為7.2×10-3cm/s，臨空時豎直向允許水力坡降0.65。底層基巖層，出露高程在海拔0 m左右。

初始條件與邊界條件：臨洪面洪水位44.97 m，垸內(nèi)水位39.75 m，堤身為自由浸潤面，上、下游豎直面與底部高程0.0 m處邊界均為0流量邊界。計算模型見圖1。

4.2 各處理方式滲流場比較

根據(jù)以上計算模型與邊界、初始條件，計算出各狀態(tài)下滲流場水頭等值線圖（圖2～圖5）。

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，針對該堤防地質(zhì)條件，采用高噴防滲墻的處理方式滲流場僅防滲墻周邊局部有調(diào)整，對堤防垸內(nèi)防治滲透破壞的效果不明顯。采用垸內(nèi)填筑壓浸平臺后，雖然滲流場總水頭等值線向下游偏移，但出滲點水力坡降值降低，有利于防止?jié)B透破壞。充填灌漿對被破壞區(qū)域得到很好的保護(hù)，有利于防止?jié)B透破壞。

圖1 滲流場計算模型

圖2 工程處理前滲流場水頭等值線圖

圖3 采用高噴防滲墻處理滲流場水頭等值線圖

圖4 采用壓浸平臺處理后滲流場水頭等值線圖

圖5 采用充填灌漿處理后滲流場水頭等值線圖

5 結(jié)論

堤基結(jié)構(gòu)被破壞后，應(yīng)采取有效措施防治滲透破壞的發(fā)生。高噴防滲墻適用于砂層或細(xì)礫層透水地基的處理，宜設(shè)置封閉式防滲墻。垸內(nèi)填筑壓浸平臺經(jīng)濟(jì)適用，生態(tài)環(huán)保，可有效覆蓋層，是一種經(jīng)濟(jì)適用的處理措施。破壞性區(qū)域的充填灌漿可有效保護(hù)破壞區(qū)域。

1中華人民共和國水利部.中國98大洪水中國水利年鑒1999[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

2丁留謙，孫東亞.堤防工程中幾個關(guān)鍵研究課題[J].水利發(fā)展研究，2002，（12）.

3王理芬,曹敦履.荊江大堤堤基管涌破壞[J].長江科學(xué)院院報，1991，8（2）.

4李思慎.堤防防滲工程技術(shù)[M].武漢：長江出版社，2006.

5魏長法.高噴防滲墻在長江堤防建設(shè)中的應(yīng)用[J].巖土工程界，2002，8.

6劉川順.沖積地基堤防垂直防滲方案研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2002,3.

7許季軍.某堤防工程中防滲墻對地下水運動規(guī)律影響的初步分析[J].巖土力學(xué)，2004，s2.