高安市高沙堤堤身、堤基防滲處理設(shè)計

付 亮

(江西省宜春市水利水電工程監(jiān)理有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概況

高沙堤位于高安市石腦鎮(zhèn)境內(nèi)的錦河中游左岸，距石腦鎮(zhèn)約5.0 km，距高安市區(qū)約15.0 km。圩堤起自石腦鎮(zhèn)高沙村官塘，終點至左家電排站，全長7.723 km。

圩堤工程保護(hù)面積5.1 km2，保護(hù)耕地680 hm2，保護(hù)石腦鎮(zhèn)高沙、左家村，人口0.82萬人。

高沙堤始建于1950年，經(jīng)逐年加高培厚而成，現(xiàn)狀堤頂高程34.89～37.60 m，堤高1.8～9.6 m，堤頂寬度一般為3.5～7.0 m，迎水坡坡率1∶2.00～1∶3.00，背水坡坡率1∶1.80～1∶3.35，堤內(nèi)、外坡均無護(hù)坡。受錦河洪水的影響，在錦河高水位時，內(nèi)澇很嚴(yán)重，圩堤保護(hù)區(qū)內(nèi)的大部分農(nóng)田都會受淹，部分堤段受錦河洪水的淘刷、崩岸、塌岸現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，堤迎水坡多處有應(yīng)急處理的混凝土和漿砌石擋墻固腳[1-3]。

2 堤身、堤基滲漏險情

高沙堤堤身填筑土以壤土及砂壤土為主，少量堤段夾細(xì)砂。碾壓不密實，填筑質(zhì)量差，汛期時常出現(xiàn)堤身滲水險情。據(jù)鉆探資料，高沙堤樁號高1+000～7+554堤基表層為具中等透水性的砂壤土，難以形成有效鋪蓋，下部為具中等～強(qiáng)透水性的細(xì)砂及砂礫石，在汛期河水明顯高于堤內(nèi)地面且持續(xù)一定時間的情況下易產(chǎn)生滲透破壞，堤內(nèi)坡腳滲漏、泡泉、現(xiàn)象常有發(fā)生。2017年高沙堤應(yīng)急除險工程對樁號0+563～1+391、1+651～2+038、2+055～2+967、3+565～4+768、4+914～5+700、6+108～7+710等堤段進(jìn)行堤后填塘壓浸處理，滲漏險情有所緩解。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地勘分析，樁號4+750～4+900、5+700～6+100堤身填土中混雜細(xì)砂，具中等透水性，且堤后防滲覆蓋層缺失或變薄，堤腳有滲水現(xiàn)象，需進(jìn)行堤身、堤基防滲處理。樁號2+967～3+565段堤防內(nèi)側(cè)局部分布長條狀取土洼地、淵塘，堤后防滲覆蓋層缺失，地下水易從無蓋重地段涌出，形成管涌(泡泉)，需進(jìn)行堤基防滲處理。

3 加固前滲流穩(wěn)定分析

3.1 現(xiàn)狀堤身滲流穩(wěn)定分析

3.1.1 計算斷面的確定

根據(jù)錦江高沙堤堤身、堤基的地質(zhì)情況，本次滲流計算選取樁號3+000、4+790、5+990作為典型斷面進(jìn)行分析。

3.1.2 滲透指標(biāo)的確定

典型斷面分區(qū)的滲透系數(shù)取值見表1。

表1 加固前各典型斷面滲透分區(qū)

3.1.3 允許坡降

(1)堤坡出逸點允許滲透坡降。經(jīng)計算可得，壤土為主的填筑土堤坡出逸點允許滲透坡降J允=0.40，砂壤土為主的填筑土堤坡出逸點允許滲透坡降J允=0.35。

(2)堤基覆蓋層水平允許滲透坡降。根據(jù)地勘資料，堤基壤土J允=0.35，砂壤土J允=0.15，細(xì)砂J允=0.12，砂礫石J允=0.20。

3.1.4 程序說明

本次滲流計算分析采用北京理正軟件設(shè)計研究所編制的土石壩二維滲流計算程序，程序的求解方法是基于三角形單元的有限元法，用改進(jìn)平方根法直接求解線性代數(shù)方程組。

3.1.5 穩(wěn)定滲流復(fù)核計算

根據(jù)規(guī)范《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)結(jié)合本工程實際情況，滲流分析計算考慮迎水側(cè)設(shè)計洪水與背水側(cè)相應(yīng)水位組合情況。按上述工況組合進(jìn)行計算，各典型斷面滲透坡降值及單寬流量值見表2。

表2 加固前各典型斷面穩(wěn)定滲流期滲流計算成果

3.1.6 滲流計算結(jié)果分析

(1)整體安全性分析。根據(jù)各典型斷面有限元法計算分析，穩(wěn)定滲流期滲流形態(tài)符合均質(zhì)堤防滲流場分布規(guī)律，但也可看出堤身浸潤線位置較高，滲流從背水側(cè)堤坡出逸，且無出口保護(hù)，對背水側(cè)堤坡穩(wěn)定不利。

(2)局部滲透分析。由表2可以看出，在設(shè)計洪水期的穩(wěn)定滲流期，樁號3+000、5+990堤基的滲透坡降均大于或接近允許滲透坡降(J允=0.15)，可能產(chǎn)生滲透破壞，并且在實際運行中樁號3+000、4+790、5+990段堤身、堤基已出現(xiàn)不同程度的滲漏。

3.2 加固前堤坡穩(wěn)定分析計算

本次設(shè)計堤坡穩(wěn)定計算選取3個典型斷面，與滲流計算相同，各斷面穩(wěn)定參數(shù)成果值具體詳見表3。

表3 加固前各典型斷面穩(wěn)定計算參數(shù)指標(biāo)

兩種工況計算方法采用北京理正軟件研究所開發(fā)的巖土工程系列軟件進(jìn)行計算。計算采用簡化畢肖普法。各典型斷面堤坡穩(wěn)定計算成果見表4。

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013規(guī)定，正常運用條件下5級堤防抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc≥1.20，由表4可知，迎水側(cè)、背水側(cè)堤坡安全系數(shù)均大于1.20，滿足規(guī)范抗滑穩(wěn)定要求。

表4 加固前各典型斷面堤坡穩(wěn)定計算成果

3.3 堤身設(shè)計斷面擬定

(1)堤身斷面設(shè)計。根據(jù)圩堤現(xiàn)狀、設(shè)計導(dǎo)則，本次設(shè)計堤線基本維持現(xiàn)狀，土堤標(biāo)準(zhǔn)斷面為堤頂寬5.0m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比1∶2.0。

對于現(xiàn)狀堤頂寬度小于上述設(shè)計值0.5 m的、高度小于設(shè)計值0.3 m的，基本維持原堤寬、堤高不變，對于坡度不陡于1∶2.0的，基本維持原坡度不變。僅挖除深根系灌喬木，局部凹凸部位整坡，植被缺失部位鋪設(shè)草皮(簡稱草皮修補)。

(2)堤身加固及土料要求。按照規(guī)范GB 50286—2013，根據(jù)圩堤現(xiàn)狀情況，在保持堤線順直情況下，由于現(xiàn)狀堤身填筑質(zhì)量較差，且迎水側(cè)河灘地較寬，本次堤身培厚主要在迎水坡采用黏土填筑。

對堤身土料的要求：從迎水側(cè)加高培厚的，要求選取防滲性能好的土，新老土結(jié)合面必須先疏松土層，并清除表面雜物和不合格土料；從背水側(cè)加高培厚的，選透水性能好或與原堤身相同的土，亦須逐層夯壓密實，新老土結(jié)合面處理方法與上述方法相同，以利于圩堤防滲及降低堤身浸潤線，增加堤身抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定。堤身填土填筑含水量按最優(yōu)含水量控制，壓實度不小于0.91。

4 防滲處理設(shè)計

4.1 堤身、堤基防滲加固設(shè)計

根據(jù)高沙堤地質(zhì)勘探資料分析，現(xiàn)狀樁號4+750～4+900、5+700～6+100段，總長550 m堤身、堤基存在滲漏、塌方等險情。對于堤基有滲漏等險情，又存在嚴(yán)重的堤身滲漏的堤段，同時需進(jìn)行堤身、堤基防滲處理，使兩者(堤身、堤基)形成一整體。

4.1.1 堤身、堤基防滲處理方案比選

針對現(xiàn)狀堤身、堤基存在的問題，考慮當(dāng)?shù)亟ú?，處理方案的適用條件(堤后房屋密集、水平壓蓋難以實施)、類似工程經(jīng)驗等諸因素，本次設(shè)計選取兩種方案進(jìn)行比選。如下說明：

(1) 方案布置。

方案Ⅰ：堤身黏土斜墻防滲結(jié)合堤基射水法造混凝土防滲墻防滲方案。

堤身防滲采用黏土斜墻，黏土斜墻頂高程為設(shè)計堤頂高程，斜墻頂水平頂寬2.0 m，斜墻厚度按大于等于最大水頭的1/4控制，底部深入堤基1.0 m以上，黏土斜墻迎水坡坡比為1∶2.5，在上游堤腳挖一截水槽，底寬大于3.0 m，上下游開挖邊坡1∶1，槽底伸入堤基覆蓋層1.0 m。

堤基采用射水法造混凝土防滲墻，墻厚0.22 m，防滲墻沿堤腳布置，與黏土斜墻搭接，墻頂高程為堤腳高程，墻底伸入粉砂巖0.5 m。

方案Ⅱ：深層攪拌樁防滲墻。防滲墻布置在堤頂，其孔軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，孔距0.20 m，墻頂高程為堤頂高程，墻底深入至基巖面，成墻厚度0.22 m。

(2)方案比較。本次設(shè)計以5+700～6+100為例，兩方案工程量及造價比較結(jié)果見表5。

從表5可以看出，樁號5+700～6+100堤段方案Ⅱ比方案Ⅰ可節(jié)省工程造價71.02萬元，而且方案Ⅱ施工技術(shù)比較簡單，施工工藝容易操作，故綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全可靠等各方面因素考慮，確定擇優(yōu)選取方案Ⅱ(深層攪拌樁防滲墻結(jié)合堤身達(dá)標(biāo)方案)。

表5 兩方案工程量及造價比較結(jié)果

4.1.2 深層攪拌樁防滲墻設(shè)計

(1)防滲墻鉆孔布置。深層攪拌樁防滲墻鉆孔布置在堤頂，布孔為單排，防滲墻軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，防滲墻墻頂高程為堤頂高程，墻底深入至基巖面。平面鉆孔分兩序布孔，同序孔距0.40 m，最終孔距0.20 m。

(2)機(jī)型選擇。深層攪拌樁主機(jī)自重16 T，主機(jī)外形尺寸為5.5 m×1.9 m×18.0 m(長×寬×高)，額定功率為55 kW，鉆頭直徑為30 cm。

(3)防滲墻設(shè)計指標(biāo)。滲透系數(shù)K≤1×10-5cm/s；墻體厚度T=0.22 m；墻體深度滿足堤身防滲要求，且經(jīng)濟(jì)合理，便于施工，設(shè)計墻底伸入堤基覆蓋層1.0 m。

(4)主要材料和水灰比。主要材料為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，每平方米防滲墻，水泥用量為 88.1 kg(即水泥滲入比15%);噴射水泥漿液水灰比為：1∶0.548。

4.2 一般性堤基防滲加固設(shè)計

對于存在一般性的單純堤基防滲加固堤段，堤基有一定厚度透水性較小的砂壤土覆蓋層，經(jīng)計算采用水平壓浸能夠滿足要求，宜優(yōu)先采用水平壓浸措施處理。本次設(shè)計對堤后存在低洼的堤段進(jìn)行填塘壓浸，以增加堤基滲透穩(wěn)定及堤內(nèi)坡的抗滑穩(wěn)定，處理范圍為樁號高2+967～3+265、3+300～3+565，長563 m。經(jīng)計算蓋重厚度為0.8～1.5 m，寬度為20 m。堤后壓浸優(yōu)先采用開挖料、砂壤土料、砂性土料，可采用壤土等黏性土料填筑，相對密度≥0.61或填筑壓實度δ≥0.91，滲透系數(shù)K≥4×10-4cm/s。滲透系數(shù)要求大于等于堤身填土滲透系數(shù)。

4.3 加固后滲流穩(wěn)定計算

堤身、堤基加固后滲流穩(wěn)定計算原理方法，計算工況、計算斷面同加固前，黏土斜墻滲透系數(shù)為1×10-5cm/s，混凝土防滲墻滲透系數(shù)為1×10-6cm/s。各土層的滲透計算參數(shù)同加固前，各典型斷面滲透坡降值及單寬流量值見表6。

表6 加固后各典型斷面計算滲透坡降及滲流量

由表6可以看出，在設(shè)計洪水期的穩(wěn)定滲流期，樁號3+000、4+790、5+990加固后浸潤線有所降低，砂壤土層最大水平滲透坡降均小于允許滲透坡降(J允=0.1)，滿足要求。

由于加固前各典型斷面堤坡穩(wěn)定均滿足要求，且加固后浸潤線有所降低，對堤坡穩(wěn)定更有利，故加固后的堤坡穩(wěn)定不再計算。

5 結(jié) 語

本文針對高安市高沙堤堤身、堤基實際存在的滲漏險情，并結(jié)合堤身、堤基滲流穩(wěn)定分析成果，通過方案比選，最終確定堤身、堤基防滲處理采用深層水泥攪拌樁防滲墻方案，一般性堤基防滲處理采用填塘壓浸方案，經(jīng)復(fù)核計算，設(shè)計方案合理。