荊江大堤堤基滲控的方案設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)荊江大堤堤基狀況進(jìn)行分析研究，確定合理的滲控方案。對(duì)大堤歷年險(xiǎn)情資料進(jìn)行收集、分類及歸納；采用有限元方法進(jìn)行現(xiàn)狀滲流計(jì)算分析，結(jié)合堤防運(yùn)行、地形地質(zhì)條件等提出防滲方案；進(jìn)行加固后滲流計(jì)算，評(píng)價(jià)防滲效果。本文重點(diǎn)闡述荊江大堤堤基防滲方案形成的思路及方法，研究成果對(duì)于同類工程具有參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：堤基防滲；有限元計(jì)算；混凝土防滲墻；深層攪拌樁水泥土防滲墻

一、引言

荊江大堤位于湖北省境內(nèi)，地處荊江北岸，西起荊州區(qū)棗林崗（樁號(hào)810+350），東迄監(jiān)利城南（樁號(hào)628+000）接監(jiān)利長(zhǎng)江干堤，全長(zhǎng)182.35km，為1級(jí)堤防，是江漢平原的重要防洪屏障。荊江大堤“肇于晉、拓于宋、成于明”，自1,600年前的東晉時(shí)代開(kāi)始筑堤防水，圍墾云夢(mèng)大澤，至明代形成北岸荊江大堤，由于泥沙不斷沉積，河床已高出兩岸平原。由于荊江大堤歷史悠久，系由歷代零星堤垸和若干分散堤段逐步連接加培而成，在漫長(zhǎng)歷史中，修而潰、潰而修，形成堤身斷面不一、填土復(fù)雜、堤內(nèi)淵塘眾多，加之堤基土層均具二元結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)松散，加大了堤防加固工程的難度和復(fù)雜程度。建國(guó)以來(lái)，黨和政府對(duì)荊江大堤的建設(shè)極為重視，實(shí)施了荊江大堤一、二期加固工程，但由于加固工程設(shè)計(jì)時(shí)間較早，受當(dāng)時(shí)建設(shè)條件和國(guó)家尚無(wú)堤防設(shè)計(jì)規(guī)范的限制，基本上圍繞依險(xiǎn)治險(xiǎn)的指導(dǎo)思想進(jìn)行，未對(duì)大堤進(jìn)行全面、系統(tǒng)、規(guī)范化的整治，雖經(jīng)過(guò)一、二期整險(xiǎn)加固，三大險(xiǎn)情有所減輕，但仍未根除，散浸、清水漏洞和管涌仍存在；此外二十世紀(jì)七十年代初期，荊江河段裁彎取直，荊南四口分流分沙逐年減少，長(zhǎng)江干流洪峰、洪量增加，加之下游受洞庭湖來(lái)水頂托影響，汛期高水位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，清水下泄，河道沖刷、河床下切、岸坡淘刷，危及堤防安全。為提高荊江大堤防洪能力，確保保護(hù)區(qū)安瀾，國(guó)家啟動(dòng)了荊江大堤綜合整治工程，對(duì)重點(diǎn)對(duì)堤身堤基進(jìn)行防滲處理。根據(jù)運(yùn)管部門提供的險(xiǎn)情資料，1998年出現(xiàn)重點(diǎn)險(xiǎn)情77處，1999~2012年，有8年出現(xiàn)72處堤身堤基重點(diǎn)險(xiǎn)情，對(duì)荊江大堤進(jìn)行整治加固是十分必要和迫切的。如何因地制宜、科學(xué)合理地選用堤身堤基防滲方案，需要進(jìn)行縝密的分析和計(jì)算，本文重點(diǎn)闡述堤基防滲處理，堤身處理另獨(dú)立行文。

二、基本情況

1．歷史上堤基重點(diǎn)險(xiǎn)情發(fā)生情況險(xiǎn)情資料反映堤防工程運(yùn)行情況，是堤基防滲處理范圍確定的重要依據(jù)，本次對(duì)荊江大堤出現(xiàn)的堤基險(xiǎn)情進(jìn)行了全面梳理，并按時(shí)間順序進(jìn)行了歸納。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，荊江大堤自上世紀(jì)九十年代，有記錄的堤基重點(diǎn)險(xiǎn)情共計(jì)47處，按出險(xiǎn)時(shí)間/所屬縣市區(qū)/村組/對(duì)應(yīng)大堤樁號(hào)/險(xiǎn)情類別/出險(xiǎn)水位（外江水位）/險(xiǎn)情概述進(jìn)行列表整理，使荊江大堤堤基險(xiǎn)情一目了然，有利于確定堤基防滲處理范圍。2．堤基滲控處理現(xiàn)狀荊江大堤修建在江漢沖積平原上，堤基地層總體上呈二元結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是上部覆蓋層（相對(duì)不透水層）較薄，下部強(qiáng)透水層厚達(dá)數(shù)十米，具有較好的承壓條件。歷史上，荊江大堤曾多次潰口，至使沿堤分布有許多大淵塘（潰口沖刷坑），又因人類活動(dòng)的影響，沿堤分布有取土坑及溝渠。這些淵塘、坑渠破壞了原有的覆蓋層，是堤基抗?jié)B穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)對(duì)荊江大堤堤基工程地質(zhì)條件分類成果，屬較差（外灘寬度較窄，堤內(nèi)淵塘發(fā)育且深度較大，險(xiǎn)情較多，深泓貼岸，崩岸現(xiàn)象較嚴(yán)重）、差的（砂性土直接出露地表，窄外灘或無(wú)外灘，堤內(nèi)淵塘發(fā)育，有較嚴(yán)重的散浸、管涌險(xiǎn)情發(fā)生，多屬歷史險(xiǎn)工險(xiǎn)段。岸坡迎流頂沖，崩岸現(xiàn)象較嚴(yán)重，危及堤身安全）堤段共長(zhǎng)114.19km，占荊江大堤總長(zhǎng)的62.62%。在汛期，由于上覆土層厚度較小，在承壓水上舉力的作用下，易產(chǎn)生滲透變形與滲透破壞，特別是當(dāng)?shù)毯蟮乇碓獾较魅鹾?，?wèn)題則更加嚴(yán)重。3．堤基工程地質(zhì)條件（1）堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)荊江大堤地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，堤基土巖性巖相變化大。其中棗林崗至萬(wàn)城閘（樁號(hào)810+400~795+000）相當(dāng)于長(zhǎng)江二、三級(jí)階地，巖性主要為粘土、粉細(xì)砂和砂礫石等；萬(wàn)城閘以下屬于江漢沖積平原，萬(wàn)城閘至高小淵（樁號(hào)795+000~653+000）堤基上部為第四系全新統(tǒng)（Q4）壤土、粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土，局部夾有粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)土，高小淵至嚴(yán)家門（樁號(hào)653+000~628+000）堤基土基本為全新統(tǒng)沖積、沖湖積地層。根據(jù)堤基粘性土和砂性土的分布情況，將荊江大堤堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分為雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)兩大類，其中Ⅱ（1）類的堤段長(zhǎng)16.14km，占總長(zhǎng)的8.8%；雙層結(jié)構(gòu)Ⅱ（2）類堤段長(zhǎng)69.46km，占總長(zhǎng)的占38.1%；多層結(jié)構(gòu)Ⅲ類堤段長(zhǎng)96.75km，占總長(zhǎng)的占53.1%。（2）堤基土體物理力學(xué)性質(zhì)荊江大堤堤基土體進(jìn)行了大量的物理力學(xué)試驗(yàn)，其中粘性土比重約為2.71~2.78，砂性土為2.68~2.72。土的天然密度一般相差不大，粘性土一般為1.80~2.20g/cm3，砂性土約為1.83~2.12g/cm3。粘性土的天然含水量差異較大，天然含水量一般約為30%~38%；高小淵（653+000）以下的Q4粘土、壤土及砂壤土，其液性指數(shù)多在1.0左右；粉細(xì)砂的曲率系數(shù)多大于3，均勻系數(shù)約為3~3.85，均為不良級(jí)配的均質(zhì)砂。粘性土的壓縮系數(shù)一般都小于0.5MPa-1，而大于0.1MPa-1，屬中等壓縮性土類，其壓縮模量多在5~10MPa之間。局部段粘性土具中~高壓縮性，部分堤段下伏的淤泥或淤泥質(zhì)土，壓縮系數(shù)為0.5~1.51MPa-1，具高壓縮性。

三、堤基滲控方案設(shè)計(jì)

1．堤基防滲設(shè)計(jì)原則及滲控措施堤基防滲設(shè)計(jì)原則：根據(jù)滲流計(jì)算成果，堤防運(yùn)行情況及地質(zhì)縱橫剖面，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，因地制宜、合理地選用防滲方案。其原則為：①工程措施有較高的安全度且有利于施工和維護(hù)；②盡可能采用少占地的方案；③因地制宜地選擇工程措施，截、導(dǎo)、壓相結(jié)合；④盡量減少對(duì)水環(huán)境的影響；⑤采用新技術(shù)、新材料、新工藝。滲控措施：根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于需加固的堤防“堤基滲透穩(wěn)定不能滿足要求時(shí)，宜采用臨水側(cè)防滲鋪蓋、垂直防滲、背水側(cè)壓滲蓋重、排水減壓溝（井）等加固處理。”2．堤基抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)破壞型式和地層結(jié)構(gòu)的不同，堤基抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核采用下述二類控制標(biāo)準(zhǔn)：按允許比降：對(duì)于單一土層中的管涌或流土破壞，以及兩種不同介質(zhì)接觸面上的接觸沖刷，應(yīng)滿足實(shí)際滲透比降小于允許比降，即J≤J允式中：J—覆蓋層中實(shí)際滲透比降，由滲流分析求得。J允—J臨界/KJ，即土層的允許比降等于該土層的臨界坡降除以安全系數(shù)KJ=2.0。按抗浮穩(wěn)定：當(dāng)?shù)毯蟾采w層為多層土體時(shí)，要求覆蓋層各土層的浮重與其底部所承受的滲透壓力之比應(yīng)大于或等于所規(guī)定的安全系數(shù)，即Htrii'≥KC式中：ri′〃ti—分別為各土層的浮容重及厚度；H—覆蓋層所受滲透壓力；KC—安全系數(shù)。取KC=1.5。常年擋水段堤基滲控范圍為堤后200m抗?jié)B穩(wěn)定安全系數(shù)k≥1.5，200~300m之間抗?jié)B穩(wěn)定安全系數(shù)k≥1.0。3．堤基滲流計(jì)算方法及參數(shù)選用為了解荊江大堤的堤基滲流狀態(tài)，根據(jù)地質(zhì)勘探成果揭示的堤基土層分布狀況，共選擇了55個(gè)有代表性的斷面進(jìn)行滲流分析，這些斷面基本上能夠反映荊江大堤的堤基滲流狀態(tài)。滲透系數(shù)的確定，是以各斷面鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)值、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定值以及地質(zhì)推薦值為依據(jù)，結(jié)合各斷面具體情況（包括地質(zhì)、歷史險(xiǎn)情、工程現(xiàn)狀等），并經(jīng)反演險(xiǎn)情驗(yàn)證，綜合確定選用。各土層的允許比降，根據(jù)地質(zhì)勘察試驗(yàn)的建議值，結(jié)合我省其他堤防的經(jīng)驗(yàn)確定.4．典型斷面的滲流分析及堤基滲控措施的選擇根據(jù)地勘分段成果，將荊江大堤分為55段，逐段選擇地質(zhì)橫斷面進(jìn)行有限元計(jì)算分析，本文選取鹽卡至周家臺(tái)（748+200~736+500）作為典型堤段進(jìn)行詳述。鹽卡至周家臺(tái)堤段處于沙市河彎的下段，觀音寺（741+000）以上堤段除748+200~747+300和746+000~745+000堤外有窄灘或較寬外灘以外，其它堤段基本無(wú)灘，河泓逼近堤腳；觀音寺以下堤外灘寬100~300m，地面高程38~41m，地勢(shì)總體向大堤傾斜，靠近堤外腳分布有深淺不一的取土坑，一般有積水。本段歷史上發(fā)生6處潰口、8處管涌、4處塌陷及740+000~748+000崩岸等險(xiǎn)情。1998年長(zhǎng)江發(fā)生特大洪水時(shí)，在737+750堤內(nèi)80m的水溝內(nèi)出現(xiàn)1孔管涌，在737+300堤內(nèi)530m一機(jī)井水塔旁有4處翻砂鼓水，分別在樁號(hào)746+950、746+000和740+900距堤600~860m的壓把井出現(xiàn)管涌或冒水帶砂現(xiàn)象。2009年8月12日，在樁號(hào)745+500距堤腳1200m處，壓把井冒水帶砂；11年6月29日，在樁號(hào)747+000距堤腳700m處翻砂鼓水；2012年7月22日，在樁號(hào)746+100距堤腳300m處出現(xiàn)管涌；12年7月24日，在樁號(hào)745+100距堤腳600m處出現(xiàn)管涌。該段堤基地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，堤基抗?jié)B條件一般或較差，尤其是觀音寺一帶堤內(nèi)渠道縱橫，且切割較深，破壞了堤內(nèi)上覆粘性土層，雖經(jīng)過(guò)是淵塘吹填、堤內(nèi)蓋重壓滲等處理，但隱患并未徹底根治。本堤段選取典型斷面742+900、739+300和737+750進(jìn)行滲流分析。5．有限元計(jì)算及結(jié)果分析處理措施如下：（1）在樁號(hào)746+200~744+900段從堤頂打塑性混凝土防滲墻處理，墻深17.51m~23.32m。（2）在樁號(hào)744+900~742+700段從堤頂打深層攪拌樁防滲墻處理，墻深8.1~14.63m。（3）對(duì)樁號(hào)740+000~738+650堤段從堤頂打塑性混凝土防滲墻處理，深度20.62~22.72m。（4）對(duì)樁號(hào)738+650~736+800堤段從外堤腳打塑性混凝土防滲墻處理，深度14.8~18.5m。此外在200m滲控范圍內(nèi)進(jìn)行填塘處理。從計(jì)算結(jié)果分析，經(jīng)以上措施處理后，計(jì)算結(jié)果有較大改善，距堤腳300m內(nèi)抗浮安全系數(shù)大于1.5，滿足滲流穩(wěn)定要求。墻型選擇及技術(shù)參數(shù)：（1）成墻深度小于15m的鄉(xiāng)村堤段采用30cm厚深層攪拌樁水泥土防滲墻，水泥摻量12%~20%，滲透系數(shù)：i≤1×10－5cm/s，允許比降>50。單軸抗壓強(qiáng)度：90d齡期的抗壓強(qiáng)度≥0.5MPa。（2）城區(qū)堤段及成墻大于15m的堤段采用30cm厚塑性混凝土防滲墻。滲透系數(shù)k≤1×10-6cm/s，單軸抗壓強(qiáng)度R28≥2MPa，允許坡降J允>60。

四、堤基滲控措施匯總及結(jié)語(yǔ)

通過(guò)55個(gè)堤段典型斷面的逐一計(jì)算，并結(jié)合險(xiǎn)情及各堤段的地質(zhì)剖面、地形條件等進(jìn)行分析，最終分段確定采用防滲墻/填塘/堤后蓋重/排水減壓溝（井）等滲控措施。目前，荊江大堤綜合整治工程堤基處理施工已經(jīng)施工完成，效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]毛昶熙等.堤防工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.

[2]毛昶熙，段祥寶，毛佩郁.堤防滲流與防沖[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.

作者:楊冬軍 董忠萍 何承香 胡冬湘 單位:湖北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院