遼河干流砂堤破壞類型與治理措施探討

蘇 暢

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 遼河干流砂堤砂基成因與類型

遼河干流現(xiàn)有堤防主要是1987—1991年整治加固后形成的，由于當年遼河堤防加高培厚的土料，主要取自沿河灘地沖淤土，施工方法主要為機械碾壓法和泥漿泵淤固法，所用土料區(qū)別較大，機械碾壓法段多為表層的黏性土，泥漿泵施工淤固段多為坑中取土，填土多為壤土和砂壤土，導致目前已成堤防中較大規(guī)模的砂基砂堤段[1]。根據(jù)最新的地勘資料分析，結(jié)合地方管理部門上報，遼河現(xiàn)有砂堤砂基近100處，總長約150km，占遼河干流堤防總長度約1/4。

遼河砂基砂堤由于滲流原因直接或間接造成的堤身、堤基以及背水管理地的土體變形、破壞，主要有以下兩種形式：

(1)由于堤身和堤基土料滲透系數(shù)較大，允許滲透比降相對較小，大洪水時堤防背水坡腳處因滲水出逸出現(xiàn)大面積沙沸流土現(xiàn)象，使坡腳泡軟出現(xiàn)局部范圍的內(nèi)脫坡。背水坡腳因滲水產(chǎn)生的流土，主要是由于堤防內(nèi)浸潤線水位較高、水力比降較大造成的，治理重點為降低堤身浸潤線。

(2)堤基為雙層堤基，即堤基表面有厚度較薄的弱透水土層，下層有連續(xù)且較深的強透水層，破壞的表現(xiàn)形式早期為背水管理地上浮且不均勻鼓包，中期為局部透水下層土體顆粒成股流出，形成集中滲流造成局部流土，向堤防內(nèi)部發(fā)展成為連通的通道，后期為大堤堤基前后形成滲漏通道、大堤塌陷。雙層堤基破壞，主要是由于堤基中的強透水層分擔水面比降較小，弱透水底部承壓水頭過高，層間水力比降過大，進而頂穿上部弱透水層，治理重點為降低表層堤基水頭壓力或增加蓋重等[2]。

2 堤防滲流破壞治理思路

堤防滲流破壞是堤防較為常見的問題，對于防滲治理，我國積累了大量的工程經(jīng)驗，總結(jié)歸納可分為“蓋、截、導、壓”四個方面。

“蓋”主要是指采用粘土在堤防臨水堤腳外灘地修筑連續(xù)的粘土鋪蓋，形成相對的不透水層防護。

“截”主要是指在堤身和堤基建造垂直的防滲體，防滲體截斷了原來的浸潤線通道，增加了有效滲徑，可以明顯降低堤身的滲流水頭。

“導”主要是指在背水側(cè)堤腳修建導滲結(jié)構(gòu)，使得背水側(cè)滲流通過反濾體及時排出堤防，從而降低堤身浸潤線，保證背水側(cè)堤腳安全。導滲措施，一般有排水棱體、減壓井、透水戧臺、導滲溝等。

“壓”主要是指在背水側(cè)堤腳修建壓滲蓋重，是在堤基透水層的揚壓力大于其上部弱透水層的有效壓重的情況下，采取加壓法增加覆蓋層厚度和重量，并通過延長滲徑降低滲透壓力，有效防止背水地表的滲透破壞。

3 砂基砂堤治理結(jié)構(gòu)型式

遼河干流已成堤防附近地質(zhì)條件以粉細砂、粉土為主，黏土取料較為困難，“蓋”的方法適用性較差；已成堤防增設(shè)排水棱體一方面破壞現(xiàn)有堤防，另一方面易造成排水塊石丟失，對現(xiàn)狀堤防結(jié)構(gòu)造成威脅，因此遼河干流采用“導”的治理型式較少。對于流土和堤身浸潤線過高的問題，較為適用遼河的方法為采用防滲材料垂直“截”斷原浸潤線，增加滲徑長度，降低滲透比降。

對于雙層堤基滲流穩(wěn)定問題，堤后減壓井需配套相應的排水系統(tǒng)，已成堤段堤后排水條件有限，“導”水較難。目前遼河干流較為適用的方法是在背水側(cè)堤腳一定范圍進行“壓”載，增加堤后表層堤基的穩(wěn)定性[3]。

3.1 截滲型式比選

(1)垂直鋪塑

垂直鋪塑，是采取挖槽鋪設(shè)不透水土工膜形成防滲幕墻。堤基處理一般采用高壓水沖，或鏈斗/液壓式鋸槽機開槽，以泥漿護槽壁，將整卷土工膜鋪入槽內(nèi)，倒卷軸展開土工膜，做好相鄰兩幅之間的搭接連接，然后填土壓實，最后封頂固端，如在堤腳位置需注意與堤坡的連接，一般采用1m厚粘土蓋封，防止幕墻后繞流[4]。堤身處理一般采用迎水側(cè)坡面鋪設(shè)土工膜形式，一般先清理坡面0.5m厚，然后鋪設(shè)土工膜，并在土工膜上覆土1m厚，進行壓實[5]。

根據(jù)遼河工程經(jīng)驗，垂直鋪塑開槽深度一般不大于10m，垂直鋪塑在遼河堤防上有較為廣泛的應用，施工技術(shù)較為成熟，開槽機造槽經(jīng)濟適用，施工速度快，工程造價相對較低。垂直鋪塑的缺點在于人為的在堤身中鋪入一層土工膜，破壞了堤防的整體性，由于土工膜與周圍土體的結(jié)合性不如原狀土之間的結(jié)合性，土工膜面上易發(fā)生失穩(wěn)滑動。垂直鋪塑的工程示意圖如圖1所示。

圖1 垂直鋪塑典型斷面圖

(2)高噴灌漿

高噴灌漿為“高壓噴射灌漿”的簡稱，先由鉆孔機沿堤肩按照一定間隔鉆孔，然后將特殊噴頭置入設(shè)計土層深度，利用高壓噴射固化漿液(如水泥漿液)，沖擊、破壞土體結(jié)構(gòu)，使?jié){液與土粒在所形成的穴槽內(nèi)攪拌混合，凝固成固結(jié)體。適用土體類型包括砂、砂礫石及粉細砂、軟黏土、雜填土及淤泥、裂隙和破碎巖石、巖石中的大型洞穴如巖溶洞穴等[6]。

遼河上采用高噴灌漿對砂基砂堤進行除險的工程也較多，一般采用二管法，即采用高壓泥漿泵裝置，將單一介質(zhì)的水泥漿外裹同軸壓縮氣從噴嘴噴射，形成有一定角度互相搭接的連續(xù)防滲墻[7]。

根據(jù)遼河流域施工經(jīng)驗，高噴灌漿的鉆孔深度最大可達到80m，由于采用鉆孔的方式，高噴灌漿法對地形適應性較強，固化漿液與周圍土體固結(jié)，堤防的整體性不會因此發(fā)生破壞，因此高噴灌漿在遼河堤防上也有較多應用，施工技術(shù)成熟，施工時間快。但由于鉆孔和成墻材料原因，高噴灌漿的工程造價較高。高噴灌漿的工程示意圖如圖2所示。

圖2 砂基砂堤高噴灌漿典型斷面圖

(3)深層水泥攪拌樁

深層水泥攪拌樁是利用水泥等材料作為固化劑，通過攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理和化學反應，使軟土硬結(jié)成具有一定強度的樁體，通過建設(shè)連續(xù)的樁體，可以形成具有一定防滲能力的墻體。其成墻后截滲效果受地下水徑流和承壓地下水影響較大，由于其水泥含量較低，凝結(jié)時間較長，很容易被流動水體沖走而影響防滲效果。該工藝適合土體類型為淤泥及淤泥質(zhì)土、粉土、素填土、黏性土、飽和黃土及無流動地下水的飽和松散沙土等[8]。

根據(jù)遼河流域施工經(jīng)驗，多采用多頭小直徑深層攪拌樁，其原理是用一定的動力帶動多頭小直徑深層攪拌樁機的鉆桿和鉆頭轉(zhuǎn)動，并向土層推進至設(shè)計深度，然后再進行有控制的提升。在鉆進和提升過程中，通過水泥漿泵將水泥漿由高壓輸漿管輸進鉆桿，并經(jīng)鉆頭噴入土體，致使水泥漿和原土充分混合，形成水泥土樁。如此多次重復，最終形成一道連續(xù)的防滲墻[9]。

深層水泥攪拌樁陸地施工的成墻深度可達近30m，較為經(jīng)濟的成墻深度不大于18m，由于施工過程中需要攪動堤防土體，對堤身有一定影響。深層水泥攪拌樁對施工設(shè)備有一定要求，且工程造價相對較高，在遼河流域的渾河、繞陽河上有一定應用，其中地下水以上成墻及防滲效果較好，地下水以下效果一般。深層水泥攪拌樁的工程示意圖如圖3所示。

(4)三種截滲型式工程特點

三種截滲型式工程特點總結(jié)見表1。

表1 三種截滲型式工程特點表

3.2 常見的蓋重工程型式

(1)填土蓋重

在堤后填土形成蓋重，一方面增加壓重，保護弱透水層不發(fā)生破壞；一方面延長了滲徑，降低水力比降，對堤身和堤基穩(wěn)定都有較好效果。蓋土壓重的范圍和厚度受蓋土的滲透系數(shù)影響較大，如果蓋土透水性較差，會對地基水揚壓力有較大影響，則壓重范圍和厚度都有相應增加。蓋土戧臺適用于有較充足的砂性土料來源，堤后有較大空間的堤段[10]。蓋土戧臺的工程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 填土蓋重工程典型斷面圖

(2)反濾砌石蓋重

在堤后地表鋪設(shè)反濾料，反濾料上以砌石壓載，保護弱透水層不發(fā)生破壞。砌石的透水性較強，地基水可以通過反濾料順利排出，對揚壓力影響較小，因此壓重范圍可以相對較小。反濾砌石蓋重工程造價相對較高，適用于沙性土料不充足，堤后空間較小的堤段。反濾砌石蓋重的工程結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反濾砌石蓋重工程典型橫斷面圖

(3)兩種蓋重型式工程特點對比

兩種蓋重型式工程特點總結(jié)見表2。

表2 兩種蓋重型式工程特點表

4 結(jié)論

遼河干流砂堤砂基治理主要推薦采用“截”和“壓”的方法，其中垂直鋪塑、高噴灌漿、深層水泥攪拌樁等型式，具有較好的工程效果和經(jīng)濟性，適用于堤身浸潤線較高，堤腳和背水坡流土破壞治理；填土蓋重、反濾砌石蓋重等型式，可在遼河背水側(cè)管理地采用，具有投資低、效果好的優(yōu)點，適用于雙層堤基滲流破壞治理。

本次論文中推薦的治理型式相對傳統(tǒng)，隨著治理技術(shù)的不斷發(fā)展，遼河砂堤砂基治理會有更多新的治理理念和工程型式，未來遼河砂堤砂基治理應將傳統(tǒng)與創(chuàng)新并舉，因地制宜，在科學合理分析的基礎(chǔ)上，選用最優(yōu)的工程結(jié)構(gòu)型式。