堤基砂類土滲透變形及設(shè)計研究

鐘春標

(撫州市水電勘測設(shè)計院有限公司， 江西 撫州 344000)

臨水上頓渡段位于臨川區(qū)臨水左岸，沿線分布有多個行政村落，保護人口達到0.49萬人，耕地達到233.33 hm2，治理河道長度達8.0 km。對現(xiàn)場施工條件進行勘查后發(fā)現(xiàn)，已有堤段防洪能力較弱，堤身低矮且不連續(xù)，部分村落所處地勢較低，汛期來臨之際很容易面臨受淹、受澇風險，很多迎流頂沖的河段中，還出現(xiàn)了嚴重的崩岸、割岸問題，給流域內(nèi)居民的生活生產(chǎn)安全造成了較大威脅，亟須進行針對性的分析和處理。

1 工程地質(zhì)及水文概況

工程現(xiàn)場留存有2條圩堤，分別為園石堤、呂坊堤，樁號為LF0+030～LF1+330、LF3+070～LF4+680，圩區(qū)河曲發(fā)育，地勢較為平坦開闊，沖積平原地貌特征較為明顯，河岸、河床之間高差較小，堤身填土為壤土、中砂，局部還摻入了砂卵石、沙壤土等。從地質(zhì)報告上看，堤基結(jié)構(gòu)大致可以分為單一結(jié)構(gòu)(Ⅰ類)及雙層結(jié)構(gòu)(Ⅱ類)，前者主要為粗粒土成分，后者主要為上厚層和下厚層?，F(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，雙層結(jié)構(gòu)中僅有Ⅱ2亞類具有較強的抗沖刷能力，其他結(jié)構(gòu)層抗沖刷能力均不容樂觀，很容易在水流長期沖蝕作用下出現(xiàn)崩塌問題，影響堤防穩(wěn)固性。

從水文條件上看，流域處于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，雨量充沛且無霜期長，多年平均降水量可以達到1651 mm，每年4—6月降水最為集中。20世紀50年代初期在該河流中、下游分別成立了桃陂水文站、婁家村水文站，控制流域可以達到16 119 km2以及4969 km2，能夠提供較為完善的水位、流量、含沙量信息等。設(shè)計實踐中以支流匯合口位置為依據(jù)，對目標河段進行劃分，選擇水文比擬法推求設(shè)計洪水。

2 堤基砂類土滲透變形問題解析

從前述的地質(zhì)分析結(jié)果可以看出，工程現(xiàn)場堤基大致可以分為三種類型，即單層結(jié)構(gòu)Ⅰ3亞類、雙層結(jié)構(gòu)Ⅱ2亞類以及Ⅱ3亞類，其中僅有Ⅱ2亞類抵抗性能較強，Ⅰ3亞類主要為粗粒層，可以為水體的滲漏提供良好通道，再加上局部堤段沒有配套的外灘緩沖區(qū)，很容易產(chǎn)生破壞問題。Ⅱ3亞類下部同樣為厚層粗粒土，透水性相對較強，盡管在表層加覆了黏性土，但結(jié)構(gòu)層厚度較小，同樣無法起到較好的抗?jié)B作用。當流域內(nèi)汛期來臨，降水量及水位明顯提升，江水勢必會對薄弱區(qū)域產(chǎn)生壓力、沖擊力，進而造成明顯的滲透變形問題。此外還對工程堤基沉降問題做了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)揭露地層先天條件較好，上部為壤土層，下部為中砂、砂卵石等組成的粗粒層，級配良好且力學性能較為優(yōu)良，通常不會出現(xiàn)沉降穩(wěn)定問題。

3 堤基砂類土滲透變形應(yīng)對策略及設(shè)計

3.1 設(shè)計洪水位

工程流域地處江西省東部，春夏之交最易出現(xiàn)降水量集中問題，其中4—6月鋒面雨、氣旋雨占據(jù)絕大比重，降水呈現(xiàn)出峰高量大的典型特征，7—9月洪水過程漸趨平緩，臺風雨比重較大，至10月—次年3月流域內(nèi)進入枯水期。從婁家村站獲取的數(shù)據(jù)中顯示，2010年6月河流曾經(jīng)達到過歷史洪峰流量最高點，約為4620 m3/s。因此設(shè)計洪水位時，選擇了婁家村水文站作為參證站，采用水文比擬法計算設(shè)計洪水，如式(1)。

(1)

式中：Q河段、Q參證站為河段參證站的實際洪峰流量，m3/s；F河段、F參證站為河段、參證站的集雨面積，km2。據(jù)此得出河段設(shè)計洪水成果表，具體見表1。

表1 河段設(shè)計洪水成果表

為確保設(shè)計洪水結(jié)果可靠、合理，此次還引進了洪峰流量與流域面積的關(guān)系指數(shù)n進行驗證分析，據(jù)式(1)得出的面積比指數(shù)如式(2)。

(2)

式中：Qx、Qa為設(shè)計斷面及參證站的設(shè)計洪峰流量，m3/s；Fx、Fa為設(shè)計斷面及參證站的集雨面積，km2；n為面積比指數(shù)，可以用雙對數(shù)值上洪峰流量與集雨面積關(guān)系的斜率來表示。選擇撫河流域內(nèi)9個水文測站進行輔助分析，提取年最大洪流量均值、流域面積值計算對數(shù)值點，并繪制在坐標系上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者之間呈現(xiàn)帶狀分布，直線相關(guān)關(guān)系較為明確，相關(guān)系數(shù)約為0.998，面積指數(shù)比約為0.776。比較后發(fā)現(xiàn)實測比值比試驗中選取的2/3略大，考慮可能是受到了槽蓄、區(qū)間入流等因素影響，但整體上出入不大，因此選用2/3基本可以保證工程安全性。設(shè)計洪水位時，主要采用《水力學手冊》中相關(guān)方法計算[1]，崇臨匯合口斷面LS-006最終確定設(shè)計水位為40.13 m，工程河段下斷面LS-012最終的設(shè)計水位為42.77 m。

3.2 防洪堤設(shè)計

工程現(xiàn)場圩堤質(zhì)量較差，堤身低矮且出現(xiàn)缺口問題，部分堤段雖然完整但無法滿足通車需求，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展造成了極大影響，因此對現(xiàn)有堤防體系進行加固、延長、封閉是非常必要的。工程設(shè)計時綜合鄉(xiāng)村整體規(guī)劃、堤防現(xiàn)狀等編制工程任務(wù)清單，其中呂坊堤樁號LF0+000～LF0+630、LF0+850～LF1+160、LF3+070～LF4+680 段為土堤加固(長 2550 m)、樁號 LF0+630～LF0+850、LF1+160～LF3+070 段為新建土堤(長 2130 m)，總長 4680 m。在確定堤長的基礎(chǔ)上，還需要對堤頂高程進行縝密計算，工程主要構(gòu)筑物為5級，選擇10年一遇洪水為防洪標準，超高計算如式(3)。

Y=R+e+A

(3)

式中：Y為墻頂超高，m；R為設(shè)計波浪爬高，取0.585 m；e為設(shè)計風壅增水高度，取0.004 m；A為安全加高，取0.5 m。經(jīng)計算墻頂超高為1.089 m，為保證適用性最終將超高值設(shè)置為1.200 m。土堤新建段堤身采用黏性土填筑，土堤加固段堤身臨水坡采用黏性土填筑、背水坡采用非黏性土填筑，分層壓實，填土壓實度應(yīng)不小于0.91，非黏性土填筑的相對密度≥0.60。 為客觀衡量新建堤基防滲漏性能，設(shè)計中引進“理正滲流分析軟件[2]”，對各種工況下的堤坡出逸坡降、堤基滲透坡降進行計算，結(jié)果可見表2，分析后發(fā)現(xiàn)典型斷面堤基可以較好地滿足抗?jié)B透需求，無須進行額外的堤基處理。

此外還應(yīng)用同公司開發(fā)出品的“理正邊坡穩(wěn)定分析軟件”對堤身抗滑穩(wěn)定性進行計算，結(jié)果可見表3，分析后發(fā)現(xiàn)同樣能夠滿足基本規(guī)范要求。

表2 典型斷面堤坡、堤基滲透坡降計算成果

表3 土堤坡穩(wěn)定計算成果

3.3 護坡設(shè)計

實地考察后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場風浪淘刷及水流沖蝕也是造成圩堤穩(wěn)定性下降的重要因素，水流反復(fù)漲退還會進一步侵蝕岸線，對工程防洪性能造成損傷，綜合實際情況分析后，設(shè)計了針對性的護坡建 設(shè)方案，其中棠溪段、呂坊堤的臨水坡采用生態(tài)護坡型式，坡度為1∶2.5。臨水護坡設(shè)計時，主要考慮了2種不同的方案類型，其一是塊石護坡方案，實踐時需要引入新鮮完整、無風化塊石作為原材料，厚度務(wù)必要經(jīng)過細致計算，其二是混凝土預(yù)制框格草皮護坡，采用C20混凝土空心預(yù)制塊，規(guī)格為40 cm×40 cm，空心部位種植草皮，二者的造價比較可見表4。

表4 單位面積護坡方案工程量及造價比較

從表中可以看出，混凝土預(yù)制框格草皮護坡整體的造價水平較低，支持提前預(yù)制和統(tǒng)一運送，空心部分搭配草皮美觀性、生態(tài)性更有保障，對地基形變問題也有較好的適應(yīng)能力，相比之下干砌石護坡美觀性、整體性更差，反濾墊層還可能面臨流失風險，因此綜合分析后選擇了混凝土預(yù)制框格草皮護坡型式[3]，原材料選擇 C20 混凝土結(jié)構(gòu)，護坡頂部至設(shè)計水位以上 0.5 m?；炷令A(yù)制框格為正方形空心結(jié)構(gòu)，框格邊長為 40 cm，外框?qū)?5 cm，厚 10 cm。 空心部位種植草皮，單個預(yù)制框架中設(shè)φ8 鋼筋的長度為 156 mm。背水坡為草皮護坡，坡度1∶2.0，采用非黏性土填筑，分層壓實。

3.4 護岸設(shè)計

本次防洪工程多數(shù)河岸為迎流頂沖段及陡岸，岸坡受水流淘刷嚴重，大部分岸坡坡度比較陡，甚至倒懸，若不采取處理措施，水流會淘空岸腳產(chǎn)生崩岸塌坡現(xiàn)象。針對河岸險情，需對長 4.735 km 的岸坡需進行護岸處理，具體護岸樁號為：TX0+565～TX1+675、LF0+050～LF0+820、LF1+380～LF3+700、LF4+470～LF5+005。護岸型式選擇時，通常推薦平順護岸方案，但本工程涉及要素較為煩瑣復(fù)雜，岸線走勢、地質(zhì)土層狀況、農(nóng)田分布情況等均會影響護岸有效性，因此設(shè)計環(huán)節(jié)采用針對化分析思路，對現(xiàn)場狀況進行梳理匯總，并選擇貼合性更高的建設(shè)方案?？蛇x種類主要有以下3種，結(jié)構(gòu)對比圖見圖1。

(1)干砌塊石方案。該種方式的工序步驟較為簡捷，塊石適應(yīng)性較強，面對水流沖蝕時具有較好的自我調(diào)節(jié)能力，后期加固維護也比較方便，前期投入較少，初步估價在280元/m3，現(xiàn)階段施工技術(shù)基本成熟，能夠達到較好的護岸效果。缺點在于工程整體性較差，后期水流持續(xù)沖擊侵蝕，可能會造成石塊損失，本次工程綜合水流量情況、造價預(yù)算編制后，最終采用該種方案，深潭部位則采用拋石固腳[4]，頂部用C20混凝土壓頂整平，方便車輛往來通行。

(2)生態(tài)框護岸。生態(tài)框護岸型式較為多樣，階梯式、平鋪式、植草式均是常見種類，其中包含多個子結(jié)構(gòu)分部，基礎(chǔ)多采用混凝土結(jié)構(gòu)，框內(nèi)充填塊石或碎石，框表層種植植物。這種形式的耐沖刷能力較強、整體穩(wěn)定性好，可以在保障施工效果的同時創(chuàng)造更多生態(tài)效益，施工步驟也極為便捷。缺點在于該種型式的整體造價較高，可以達到550 元/個。

圖1 護岸型式對比情況(單位：cm)

(3)格賓石籠結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)中單采用網(wǎng)箱網(wǎng)片組合、交疊而成，結(jié)構(gòu)整體的抗沖刷能力較強，施工效率較高，且具有一定的柔韌性，面對河床基礎(chǔ)不均勻沉降、變形問題時，也能夠表現(xiàn)出較好的適用性，再加上結(jié)構(gòu)本身的透水性能較好，水體自然循環(huán)也更有保障，前期造價較為適中，大約在380元/m3。

3.5 穿堤構(gòu)筑物設(shè)計

本次工程設(shè)計中，為達到新建堤防、加固原有堤防的目的，對原有排水系統(tǒng)進行了暫時性的截斷處理，后續(xù)設(shè)計中還需要配套完善排水排澇構(gòu)筑物，設(shè)計標準遵循《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)、《灌溉與排水工程設(shè)計標準》(GB 50288—2018)中的相關(guān)規(guī)定，其中涵閘規(guī)定級別應(yīng)當高于防洪堤級別，設(shè)計洪水位提高0.5 m左右?，F(xiàn)場新建、改建穿堤構(gòu)筑物共計13座，其中自排閘6座、自排涵2座，另設(shè)置5座提灌站灌溉涵。排水閘設(shè)計時需要重點考慮過流能力問題，以河水位比內(nèi)河水位低0.2 m為標志計算自排閘運作起點，假設(shè)a代表洞高、H代表洞前水深，那么H<1.2a時，涵管為無壓流，當H值持續(xù)上升至1.2a～1.5a時，涵管內(nèi)部為半有壓半無壓狀態(tài)，當H值超過1.5a時為有壓流，據(jù)此得出涵閘過流能力計算公式(4)：

(4)

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；g為重力加速度,m/s2；σ為淹沒系數(shù)；m為流量系數(shù)；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m。閘室穩(wěn)定計算環(huán)節(jié)重點考慮無水、高水位兩種情況，擋墻設(shè)計時則要重點關(guān)注應(yīng)力分析結(jié)果，綜合水位漲落的影響優(yōu)化墻體自重，分析墻體抗傾穩(wěn)定性等。

4 結(jié) 論

本文臨川區(qū)臨水上頓渡段防洪施工案例，對其堤防設(shè)計、護岸設(shè)計、穿堤構(gòu)筑物設(shè)計思路、方法進行論述，檢測驗證顯示設(shè)計成果能夠較好地滿足堤防防變形、抗?jié)B漏需求，實踐中可以適當借鑒施工設(shè)計做法，綜合歷史數(shù)據(jù)科學設(shè)計洪水及洪水位，從經(jīng)濟性、生態(tài)性等多個角度選擇最為適宜的護坡、護岸設(shè)計方案，最大限度提升堤防適用性，保障工程建設(shè)質(zhì)量。