鄱陽湖區(qū)青山湖堤除險加固工程防滲加固技術的應用

曹永宏

（濂溪區(qū)水利局,江西 九江 332001）

0 引言

鄱陽湖處于江西省的北部,作為我國最大的淡水湖泊,涉及水系的全流域面積高達162225 km2,三面形成的沖積平原是長江中下游地區(qū)主要的商品糧生產基地。作為多條河流的匯集中心,在面臨贛江與信江兩大江,以及撫河、饒河和修河三大河的多重影響下,在洪水季節(jié)來臨之際會形成一望無際的寬廣水面,和枯水季形成強烈反差,存在高水湖泊低水河相的地理特征,在洪水和枯水相互交替的過程中沿湖堤岸的加固工程尤為重要。

青山湖位處九江東南部的濂溪區(qū)高垅鄉(xiāng),分布在廬山腳下東南面與鄱陽湖形成環(huán)抱,具有重要的地理意義[1]。

青山湖堤環(huán)青山湖西南而建,起于馬家畈南側通村道路,順東南而下經王家灣村、于前灣東折轉向東與青山連接,形成區(qū)內完整的防洪保護圈,現狀堤線總長4.025 km。青山湖堤屬鄱陽湖湖叉圩堤,該堤始建于1958 年,由當地群眾自行挑筑而成,經逐年加高后達到現有規(guī)模,主要分為臨河（白沙河）堤段長2.35 km（樁號0+000～2+350）,臨湖（鄱陽湖）堤段長1.675 km（樁號2+350～4+025）。九八洪水過后,地方政府聯(lián)合了黨中央及有關部門協(xié)同制定了“移民建鎮(zhèn)”等三十二字方針及統(tǒng)一部署。本次加固設計的青山湖堤線總長4.025 km,治理范圍內圩堤屬九江市濂溪區(qū)轄管,涉及高垅鄉(xiāng),圩區(qū)保護面積1.01 萬畝,受益人口1.7萬人,保護耕地0.82 萬畝,繞城高速,青山湖水產廠以及公路、電訊等基礎設施。主要建設內容有：加固整治圩堤總長4.025km。其中：臨湖堤段長1.675 km、臨河堤段長2.35 km。加固培厚堤防4.025 km,堤身防滲1.25 km,草皮護坡長4.025 km,砼預制塊護坡4.025 km,內坡填塘壓浸1.25 km,壓重固腳1.22 km,新建堤頂砼防汛公路4.025 km,加固處理穿堤建筑物2 座。

1 鄱陽湖區(qū)青山湖堤除險加固工程防滲加固技術應用方法

1.1 設置湖堤除險加固強度指標

一般堤壩的設置主要是為在大量雨水的侵蝕下能夠有較好的泄洪和抗洪能力,因此在設置指標前需要對施工的場地進行洪水范圍大小的預測[2]。按照正常防洪運用的原則在壩體儲存的洪水量以每20 年所遇的最大洪水量為標準,在數百年的降雨統(tǒng)計范圍內排列出出險的次數和除險的雨水量。根據國內統(tǒng)一的加固防滲規(guī)范要求,加強的指標規(guī)劃中最重要的環(huán)節(jié)就是在建筑壩體的頂高程的設定,在該指標中需要對安全運行要求和標準進行統(tǒng)一設定,防止在不同的壩體差內出現泄洪缺口。即在泄洪控住量小于500 m3/s時,壩體的洪水的儲存量可以按照40 年一遇的指標核定；在泄洪控住量小于1000 m3/s時,壩體的洪水的儲存量需按照100 年一遇的指標核定；在泄洪控住量超過1500 m3/s時,壩體的洪水的儲存量需按照永久儲存和擋水的指標進行核定,此時的壩體加固指標要設置在1000 年一遇的額定范圍[3]。在泄洪的歷史記錄中找出最大值作為壩體頂部高程的鎖定復核值,按照正常的蓄水和儲存水位在現有運行條件下設置頂點超高,在每一次的設置指標中根據泄洪量的大小把控進行反推翻,多次核定后可以對壩頂的高程指標加以確定。

1.2 確定豐水期與枯水期水位

對每一個堤岸沿線的樁位設置好獨立的加固防滲指標后,進行壩體沿岸等位線豐水期與枯水期的水位確定。根據鄱陽湖區(qū)域每年的防洪設計標準,在對保護耕作面積大于實際面積的前提下,對堤岸沿線的水位進行設計擬定,擬定類型分為洪水位和枯水位。豐水位是在泄洪標準下歷年的最高水位,其中包括施工階段的洪水位和抗洪階段的洪水位,枯水位表示為常年雨期下的平均水流量沿線的水量,其最低水位線可以作為泄洪的最低標準[4]。對之前安置好的堤岸監(jiān)測站口處統(tǒng)計出歷年的實測最高洪水位,根據P-Ⅲ型曲線適量法對變化頻率作出分析計算,以每個站口10 年一遇的洪水位進行排列,求得直線距離中最高的豐水期水位線。確定洪水位時要在正常的運用條件下對壩頂超高重新標定,以校正豐水期階段壩頂的高程在加固指標之上超高?？菟诘拇_定標準是歷年平均水位和平均流量的變化比值,在保證泄洪階段的水位線不超過原有枯水期水量變化最大值條件下,可以將其最低水位線作為泄洪的水位線。

1.3 設計湖堤鋪設高度

在歷年豐水期和枯水期的水位變化規(guī)則中,找出最高水位和最低水位的等平線,從而確定出從施工年份開始往后延長10 年甚至15 年的水位數據,以此作為湖堤鋪設高度的設定依據[5]。國內常用的壩體修筑方式以土石壩居多,在經過長時間的雨水沖刷后壩體表面會形成大小不一的斷面創(chuàng)口,根據創(chuàng)口形狀的不同可以得出該位置受雨水沖刷的受力面積和防滲等級。對不符合防滲等級的填土材料加以剔除,選擇和鋪蓋河床表面的材料相一致的填土用料,保證兩個材質之間不會產生縫隙,相互之間能夠形成反濾的壓實系數。在工程規(guī)定要求中對需要填筑鋪蓋的湖堤鋪設前需進行河床表面的清理工作,放置雜亂的植物影響高度準確程度的填土基質,在嚴格執(zhí)行反濾要求下對施工壩體的蓄水頂部高程中產生的裂縫塌坑加以覆蓋,避免填土過程中滲透系數和強透層的指標相互混合[6]。根據勘察后的湖堤情況對已經存在滲漏情況的堤身進行標高加固,在存在的壩體裂縫中對橫向和縱向的鋪設高度分別處理。通過在壩體周圍建立圍護監(jiān)測欄的滲透加壓中心,對能夠保持完整地基的鋪設高度按照標準水位線的1.5 倍進行參考設計,如果相對壩體所承受的水位線不對等情況中以最高線為設計標準,防止高點滲漏。

1.4 劃分防滲加固范圍布置堤線

常規(guī)堤壩加固前需要對壩體存在的現階段問題進行分析,找出每個沿岸壩體滲漏或者斷面存在的相對風險,在選擇加固技術前對能夠不拆除直接修繕的壩體位置進行重新劃分,減少施工過程的工作量。按照壩體延伸的水平方向對需要加固的范圍進行劃分標記,在壩體上游流經區(qū)域內將所需填筑的材料進行混合,直接和壩體的防滲連接點形成錯位線[7]。針對壩體加固的不同指標在布置堤線過程中需滿足兩點要求：一壩體的地基在高壓滲透條件下對下臥沖積層和穩(wěn)定系數不能超過其允許的滲透坡降指數,滲流量的損失程度要小于允許損失的水量。二堤線整體鋪設的填土滲透和穩(wěn)定要求,在通過蓋口的滲透坡指數下不能超過坡降頂點,在對滲出的流動水量在保持堤線不變形的基礎上,對出口的透水穩(wěn)定系數要求在下游流出的最低水流量大小指標下。根據上述布置要求在壩口處進行各個樁號的堤線布控,劃定順序從上游開始依次轉向下游,需要注意的是在河段加寬地區(qū),對填土滲漏水量的規(guī)定標準應是常規(guī)水量的二到三倍[8]。通過設置湖堤除險加固強度指標、確定豐水期與枯水期水位、設計湖堤鋪設高度、劃分防滲加固范圍布置堤線完成湖堤除險加固技術的應用方法設計。

2 實驗結果分析

2.1 實驗準備

為驗證本文方法能夠在湖堤除險加固工程中具有實際的應用效果,進行實際的劃分區(qū)域進行防滲加固技術的現場施工。本次實驗選擇的加固湖堤為鄱陽湖區(qū)青山湖堤,在長時間的運行中出現了堤身過薄和高程下降的問題,針對存在的主要問題進行局部的修復工作,防止汛期出現滲漏和滑坡的風險。在實驗開始前對整個需要修建的湖堤進行排查,檢測需要改造的整體堤線全長為4.025 km,兩側堤身中明顯存在斷面,原有加固的堤頂高程不滿足抗洪要求均由土堤構成。在保證實驗區(qū)內的標準施工要求下,選擇鄱陽湖區(qū)青山湖中現存的斷面湖堤作為實驗對象,對壩體存在的安全隱患加以去除,使之符合標準抗洪防旱標準,選取的堤段數據見表1。

表1 實驗選取堤段數據樣本

根據表1 中內容可知將選取的堤線,按照沿河和沿湖的不同走向分為兩個組成部分,每個部分中設置的樁號包含40 個定位測試點,在每組中按照等距離長度將每條堤線劃分成4 組,每組包括8 個相鄰樁號。應用防滲加固技術進行除險加固施工,整個施工過程預計在10 天之內完成,主要工程建設目標為：在維持原有工程布局中對各個堤口的具體問題進行排查,完成清除隱患和加固護堤的主要任務,采用因地制宜的方法對湖堤兩岸的壩身進行加固,起始日期為2021 年3 月1 日。

2.2 防滲加固技術應用過程

在對選取的樣本堤段進行排查后發(fā)現,在青山湖兩側堤線目前主要存在的問題有以下幾點：

（1）堤身兩側的主要加固方式為粉質壤土,以黃褐色的少量細沙粉混合黏土構造而成,整體填土狀態(tài)略松散,在河外水位超出標高時會發(fā)生滑坡危險。

（2）左側以臨河為主的堤段斷面呈現不規(guī)則變化,護坡的斷面寬度大于坡度最低比值,夾層中間的沙土在雨水沖刷下存在滲漏。

（3）湖面附近的堤面在外圍高度增加了鵝卵石鋪設造成斷面主體積水和存水現象,產生的雨淋溝較深常出現散浸現象。

針對發(fā)現的問題進行除險加固工程的整治,在堤岸兩側分別對堤高重新設定,根據近5 年鄱陽湖地區(qū)豐水位和枯水位的等高線變化趨勢,對整條路線的堤線進行加固防滲整治。主要內容包括：按照堤段的長度分配沿河段2.35 km,臨湖段1.675 km。整體防滲參數為1.35 km,設置堤壩坡高在4.305 km～4.213 km之間,內坡填壓侵入厚度為1.36 km,壓制固定腳長1.215 km,具體堤身斷面標準設定見圖1。

圖1 堤壩斷面標準參數設定圖

如圖1所示本次防滲加固技術的應用全程設計,依照國家二級防洪標準進行設定。在滿足高程設計范圍內加入洪水位爬高參數,增加過大雨期對堤岸的侵蝕作用。其中考慮的堤岸兩側水浪爬高在1.6 m之內,即堤頂高度需在25.2 m之上,按照現壩頂的高度進行平整,在不超出頂寬的條件下將防汛高度調整25.2 m。兩側在設置參數后,所有加固點的位置均以黏土進行復合鋪設,上層采用草皮安置護坡材料。工程全部完成于7 月8 號,整個工期在設定范圍內,將修繕后堤岸在露天環(huán)境中靜置等待雨天氣候,完成每個樁號點的防滲和抗壓性能檢測,預報顯示7 月28 號～7 月31 號有強降雨。

2.3 固定和防滲程度結果分析

為驗證本次采用的應用方法在工程設計中具有高強的防滲能力和加固效果,對每個樁號的位置進行檢測。降雨前在每個樁號位置放置防雨檢測儀器,加固效果可以通過壩體的承載力進行測定,在單位時間內通過不同重量的雨水沖擊形成的抗壓系數,大于95 kPa合格。防滲性能檢測方法為高強度降雨后的單位透水面積,按照國內滲透單位面積小于15 cm2為標準進行雨后檢測。分別統(tǒng)計檢測三天降雨后的檢測結果,首先是抗壓性能數據見表2。

表2 抗壓性能檢測結果（承載力） 單位：kPa

根據表2中內容可知每個樁號位置的承載能力均超過95 kPa,其中臨河堤段設置樁號位置的承載力要高于沿湖堤岸。在此后統(tǒng)計防滲具體數據,具體數據見表3。

表3 防滲性能檢測結果（滲透面積） 單位：cm2

表3 中數據均是在雨停后的2 小時內進行統(tǒng)計的結果,根據結果可知兩側的滲透面積測試結果也遠遠小于標準值（滲透單位面積小于15 cm2）,說明本次應用的方法具有實際應用效果,能夠開展大面積的應用。

3 結語

本文從鄱陽湖區(qū)青山湖堤現存的問題出發(fā),研究出一種新的防滲加固技術的應用方法,對出現的問題及時達到修復作用,穩(wěn)定觀測區(qū)域內水位變化引起的堤岸沿線崩潰情況。根據汛期和非汛期湖堤兩岸水位線的變化情況,在重新設置湖堤除險加固強度指標、定位湖堤鋪設高度、劃分防滲加固范圍布置堤線四個步驟下完成除險加固工程中的防滲加固技術應用方法設計。實驗數據表明：本文方法能夠保證在每個樁號的位置上的承載力和防滲透性能均高于國內施工標準,具有良好的應用效果。但由于本次時間受限在測試過程中等待雨季的時間過短,缺少間隔階段無法證明長時間雨水沖擊作用下湖堤兩側的性能等級,檢測結果具有一定局限性。在后續(xù)研究中會合理分配好時間,通過對其他崩潰堤段的沿岸施工監(jiān)測長時間的變化情況,可為鄱陽湖區(qū)各個湖堤周邊的沿岸防滲加固工程提供指導思路。