淺談堤防工程防滲加固方案

郭建國(guó)

（江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529030）

水利樞紐工程中的攔河壩、圍堰等建筑是由土質(zhì)、石質(zhì)等透水性物質(zhì)構(gòu)筑形成，水分能從這些物質(zhì)的孔隙中穿過(guò)。對(duì)水庫(kù)來(lái)說(shuō)，水利工程滲漏不僅會(huì)導(dǎo)致水量損失，而且滲流速度較快還會(huì)使土顆粒散失，從而導(dǎo)致大壩失穩(wěn)[1]。如果水工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)材料具有透水性，例如土質(zhì)基礎(chǔ)、砂礫石基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)等，那么土體經(jīng)基礎(chǔ)滲透后，底部會(huì)因滲透水的動(dòng)水壓而產(chǎn)生揚(yáng)力，從而對(duì)土體的穩(wěn)定性造成不利影響。因此必須要掌握滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采取有效的措施，對(duì)水利樞紐工程進(jìn)行防滲處理。為全面落實(shí)此項(xiàng)工作，發(fā)揮水利工程在市場(chǎng)內(nèi)更高的經(jīng)濟(jì)效益，本文針對(duì)此類工程項(xiàng)目的防滲施工方案比選方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目實(shí)例

1.1 工程概況

本次以汕頭市中港河某水利工程為例，中港河屬于工程中的主要支流，集雨面積為48.5km2，主河長(zhǎng)為17km，坡降為0.2‰。

中港河水利工程整治范圍為崎溝閘至中港河潮南潮陽(yáng)區(qū)界處，在防滲施工前須進(jìn)行勘測(cè)設(shè)計(jì)[2]。初步設(shè)計(jì)階段工程測(cè)量?jī)?nèi)容及成果為GPS控制點(diǎn)E級(jí)50個(gè)，水準(zhǔn)測(cè)量32km，1∶1000河道平面帶狀圖3.55km2，河道橫斷面圖60km，河道縱剖面圖20km，涵閘大樣圖0.40km2，在施工圖階段根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。

本次地質(zhì)勘察工作（包括現(xiàn)場(chǎng)工作及室內(nèi)工作）均按照市場(chǎng)發(fā)行文件的最新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，初步設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察的主要工作見(jiàn)表1。

表1 初步設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察的主要工作

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，對(duì)水利工程現(xiàn)場(chǎng)反饋的現(xiàn)狀照片進(jìn)行匯總。

1.2 水文條件與工程地質(zhì)

在對(duì)該地區(qū)水文條件進(jìn)行調(diào)研中，應(yīng)明確此地區(qū)屬于亞熱海海洋氣候，根據(jù)秋風(fēng)嶺水庫(kù)42年實(shí)測(cè)降雨統(tǒng)計(jì)，分析地區(qū)降雨情況[3]。見(jiàn)表2。

表2 地區(qū)降雨情況的分析

在深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，中港河水源為秋風(fēng)水庫(kù)發(fā)電尾水及區(qū)間匯水，兩岸印染化工污染企業(yè)較多，村莊密集，垃圾堆砌較多，水質(zhì)污染嚴(yán)重，水體發(fā)黑，水浮蓮和垃圾堵塞河道。

本工程場(chǎng)地建筑物主要置于第四系松散堆積層上，從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造來(lái)看，斷裂構(gòu)造通過(guò)工程場(chǎng)地時(shí)，表現(xiàn)為基底隱伏構(gòu)造，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的鉆探調(diào)研，分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造整體較為簡(jiǎn)單且在鉆探后未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在斷層，經(jīng)過(guò)專家與技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，現(xiàn)有的地質(zhì)條件對(duì)工程項(xiàng)目防滲施工的綜合影響較小。

1.3 工程建設(shè)內(nèi)容與堤防滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)工程項(xiàng)目的具體情況，明確此次工程整治的內(nèi)容為清障及兩岸堤防達(dá)標(biāo)加固，拆除重建1座節(jié)制閘（上東閘）。穿堤涵閘：拆除重建10座，加固8座，新建9座。工程范圍權(quán)屬兩英鎮(zhèn)、峽山街道和臚崗鎮(zhèn)，建議工程管理單位加強(qiáng)管理，經(jīng)常清除堤坡上的灌木、雜草，以免影響工程。根據(jù)相關(guān)文件，把中港河以南、秋風(fēng)水庫(kù)以北部分和中港河以北臚崗鎮(zhèn)區(qū)域劃分為成田澇區(qū)[4]。成田澇區(qū)位于練江流域下游，靠近海門灣，澇區(qū)外的練江水位主要受潮汐影響。成田澇區(qū)的澇水可以充分利用外江潮汐水位變化和澇區(qū)內(nèi)的調(diào)蓄面積，當(dāng)外江潮位高于中港河水位時(shí)關(guān)閉水閘，利用澇區(qū)內(nèi)的涌容進(jìn)行調(diào)蓄，當(dāng)外江潮位低于中港河水位時(shí)，打開(kāi)陳厝寮水閘和半港水閘自排。中港河水位高于各穿堤涵排水溝水位時(shí)，各穿堤涵閘關(guān)閉以防洪水倒灌，澇區(qū)內(nèi)利用涌容調(diào)蓄，有泵站的澇片可啟動(dòng)水泵進(jìn)行強(qiáng)排[5]。中港河水位低于各穿堤涵閘所在排水溝水位時(shí)，打開(kāi)閘門進(jìn)行自排。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為確保工程順利實(shí)施，滿足工程項(xiàng)目施工中的防滲需求，應(yīng)明確施工過(guò)程中，堤防內(nèi)部（包括堤基）的滲流作用。如圖1所示。

圖1 堤防內(nèi)部的滲流作用

明確堤防內(nèi)部的滲流作用的基礎(chǔ)上，對(duì)土粒在滲透條件下的分散作用力進(jìn)行分析，如圖2所示[6]。

圖2 壩基中土粒在滲透條件下的分散作用力

以此為依據(jù)，計(jì)算水利樞紐工程土壩滲透穩(wěn)定系數(shù)，過(guò)程如公式（1）所示。

式中：Q為水利樞紐工程土壩滲透穩(wěn)定系數(shù)；A為平均滲透流速；h為壩基中土粒在滲透條件下的分散作用力；L為水利坡度。

4.油區(qū)治安環(huán)境好壞，嚴(yán)重影響油地關(guān)系。近年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)“三小一點(diǎn)”（小煉油、小化工、小軋鋼、廢舊物資收購(gòu)點(diǎn)）的打擊和治理整頓，盜油現(xiàn)象雖得到了一定的控制，但是隨著原油價(jià)格的上漲，受經(jīng)濟(jì)利益地驅(qū)動(dòng)，不法分子盜竊原油的步伐并沒(méi)有停止，而且手段越來(lái)越高明。村民干擾施工、扣押車輛、挖溝斷路等違法行為時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)了破壞油井設(shè)施、盜挖輸油管線、大量盜竊原油等一批影響重大的案件，使油區(qū)治安環(huán)境進(jìn)一步惡化。

2 水利樞紐工程防滲方案比選與推薦方案

2.1 方案比選

結(jié)合上述滲透穩(wěn)定計(jì)算公式，計(jì)算本工程左堤2900m及右堤1450m，總長(zhǎng)4350m，計(jì)算最大比降大于相應(yīng)土層的允許比降，堤防滲透穩(wěn)定不達(dá)標(biāo)，有發(fā)生管涌或流土等滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)滲透比降過(guò)大的堤段，擬進(jìn)行防滲加固處理。防滲墻是在松散堤身及透水堤基中形成一道防滲墻，截?cái)嗤杆畬?，確保大堤滲透穩(wěn)定，保障堤圍安全。

本次進(jìn)行比選的防滲處理方案包括充填灌漿、振動(dòng)沉?；炷练罎B墻、劈裂灌漿、水泥土防滲墻等。

2.1.1 水泥土防滲墻

多頭攪拌水泥土攪拌樁連續(xù)墻是一項(xiàng)已經(jīng)較為成熟的施工技術(shù)，造墻深度可達(dá)15～20m，厚度30～70cm，有良好的防滲能力。特別是在砂層中，水泥土的強(qiáng)度、完整性更高。多頭攪拌水泥土連續(xù)墻工序簡(jiǎn)單、施工速度快、造價(jià)低廉、以及對(duì)周邊環(huán)境友好無(wú)污染。

本工程推薦采用水泥土攪拌樁防滲墻方案進(jìn)行堤防防滲處理，從現(xiàn)狀堤頂打入單排水泥土攪拌樁防滲墻[7]。計(jì)算水泥土攪拌樁防滲墻最小墻厚如公式（2）所示。

式中：δ為水泥土攪拌樁防滲墻最小墻體厚度；ΔH為防滲水頭差，根據(jù)本工程實(shí)際情況，堤圍兩側(cè)水位差均不超過(guò)10m；J為防滲體滲透允許比降。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，水泥土攪拌樁防滲墻的允許比降為50。經(jīng)計(jì)算，δ=0.2m，即水泥土攪拌樁防滲墻最小墻厚≥0.2m。

樁底高程須至少穿過(guò)強(qiáng)透水砂層底界線1m，樁頂高程須高于強(qiáng)透水砂層頂界線1m，上部相對(duì)不透水層可采用空樁連接，并夯實(shí)土體。

2.1.2 充填灌漿

充填注漿是通過(guò)注漿的壓力來(lái)填充大壩中存在的裂縫和空洞，從而達(dá)到加固大壩的目的。

在注漿壓力的影響下，泥漿會(huì)克服各種阻力，滲透到孔、裂縫中，隨著壓力的增加，泥漿的吸漿量和擴(kuò)散的距離也會(huì)增加，因此，填充注漿也被稱為滲透注漿。此類注漿是在不破壞土體結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行的，要求其粒度比土體的孔隙度小，即需要滿足土體的可灌性，因此材料選擇非常關(guān)鍵。充填灌漿漿液材料主要有水泥漿、黏土漿、水泥黏土漿、水泥砂漿、水玻璃類漿液、水泥-水玻璃漿液等。水泥漿充填灌漿施工簡(jiǎn)單，但是漿液凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，粉細(xì)砂地基的防滲加固可灌性差。黏土漿充填灌漿取材方便，成本低，但防滲效果較差。水泥黏土漿充填灌漿綜合了水泥漿和黏土漿，具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，使用最廣泛。水泥砂漿充填灌漿通常用于大的空洞或缺口，可灌性較差且施工質(zhì)量不容易控制。水玻璃充填灌漿漿液黏度與水接近，可灌性最好，但造價(jià)較高，不適合大范圍使用。水泥-水玻璃充填灌漿克服了水泥漿液凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，但成本相應(yīng)增加。

本次比選方案初擬“梅花”形布置兩排充填灌漿孔，單排孔距3m，終孔孔距1.5m，排距1.5m，采用純黏土漿，充填灌漿干料量為1.5t/m。充填灌漿底高程穿過(guò)強(qiáng)透水砂層底界線至少1m，灌漿頂高程須高于強(qiáng)透水砂層頂界線1m，上部相對(duì)不透水層封孔并用黏土回填、黏夯實(shí)。

2.1.3 振動(dòng)沉?；炷练罎B墻

在地基中，利用泥漿固壁，開(kāi)鑿一個(gè)槽型孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)回填防滲材料，構(gòu)建一個(gè)具有防滲能力的底線連續(xù)墻。與其他類型的防滲結(jié)構(gòu)相比，振動(dòng)沉?；炷练罎B墻的墻體結(jié)構(gòu)尺寸、材料的滲透性能能夠按照實(shí)際工程以及施工現(xiàn)場(chǎng)的地層條件進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。同時(shí)，該施工工藝適用于各種地質(zhì)條件，盡管施工的難易程度不同，但以目前的施工技術(shù)水平，可以建立防滲墻。通常，混凝土防滲墻的施工需要借助大型施工機(jī)械，采用泥漿法進(jìn)行加固，技術(shù)環(huán)節(jié)多，因此對(duì)工程技術(shù)、管理、施工等方面提出了更高的要求?；炷练罎B墻有良好的耐久性和防滲效果[8]。混凝土防滲墻的施工方法很多，最大的不同是溝槽（孔）的成縫方式，控制溝槽與孔板間的連接和溝槽（孔豎向）是施工關(guān)鍵。

本次比選方案擬采用厚度為0.3m的薄型混凝土防滲墻，具體施工工藝為采用液壓抓斗施工成槽，泥漿護(hù)壁，澆筑塑性混凝土防滲墻。墻底高程須穿過(guò)強(qiáng)透水砂層底界線1m，墻頂高程須至少高于強(qiáng)透水砂層頂界線1m，上部相對(duì)不透水層可采用回填素土并夯實(shí)。

2.1.4 劈裂灌漿

劈裂灌漿技術(shù)是利用堤壩體的灌漿體柱的側(cè)向壓力大于原堤壩體的側(cè)向壓力（小主應(yīng)力），填充密實(shí)所有與漿脈相連接的裂縫、洞穴等。根據(jù)《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》（SL 564—2014），劈裂灌漿具有機(jī)理明確、施工控制合理、工藝流程簡(jiǎn)單、工期短以及見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。本次比選方案初擬布置單排劈裂灌漿孔，孔距3m，沿堤軸線布置，采用純黏土漿，劈裂灌漿干料量為1.5t/m。劈裂灌漿底高程穿過(guò)強(qiáng)透水砂層底界線1m，灌漿頂高程須至少高于強(qiáng)透水砂層頂界線1m，上部相對(duì)不透水層封孔并用黏土回填、黏夯實(shí)。

針對(duì)上述防滲方案，對(duì)其投資進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3～表6。

表3 攪拌樁防滲墻防滲方案投資

表4 比選方案（一）混凝土防滲墻投資

表5 比選方案（二）充填灌漿投資

表6 比選方案（三）劈裂灌漿投資

2.2 推薦方案

混凝土防滲墻防滲效果好，但是施工工藝復(fù)雜，溝槽垂直精度和混凝土板墻連接處施工質(zhì)量不易控制，施工進(jìn)度難以得到保證且混凝土防滲墻造價(jià)較高，綜合考慮本工程的工程規(guī)模及投資控制，不建議采用此方案。

充填灌漿方案施工方便，但防滲效果較差，不同地質(zhì)情況須采用不同的灌漿材料，施工質(zhì)量不易控制且充填灌漿造價(jià)較高，不建議采用此方案。

劈裂灌漿方案施工方便，但對(duì)粗砂及卵礫石壩基，不易形成連續(xù)劈裂，可灌性較差。與推薦方案相比，劈裂灌漿造價(jià)偏高，綜合考慮本工程投資控制，不建議采用此方案。

綜合考慮施工方便、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)約等因素，水泥土攪拌樁防滲墻方案具有適用范圍廣，工程造價(jià)低，防滲效果及耐久性較好，工藝技術(shù)成熟有利于保證施工質(zhì)量，施工簡(jiǎn)單便捷可以保證施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)明顯缺點(diǎn)，推薦采用水泥土攪拌樁防滲墻方案。

3 結(jié)語(yǔ)

水通過(guò)土、巖等孔隙介質(zhì)時(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象被稱為“滲流”，又稱“地下水流滲透”。在水利樞紐工程的水、電、氣等基礎(chǔ)設(shè)施中，有滲漏問(wèn)題較為普遍。

為解決現(xiàn)有問(wèn)題，本文對(duì)汕頭市中港河某水利樞紐工程項(xiàng)目進(jìn)行了研究，希望能夠通過(guò)研究，為水利工程項(xiàng)目的規(guī)范化建設(shè)與科學(xué)施工提供技術(shù)支持與幫助，提高水利樞紐工程在市場(chǎng)內(nèi)的效益。