民主垸堤基滲控處理方案探討

李志斌 張愫 彭琦

（益陽市資陽區水利局益陽市413000）（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007）

1 概述

民主垸位于益陽市區東北部，為湖南省洞庭湖區24個蓄洪垸之一，該垸四面環水，東、南臨資水北支，西臨資水西支甘溪港河，北臨萬子湖。全垸一線防洪大堤總長81.23 km。

民主垸堤防構筑在水網地區，堤基地質條件復雜，根據地質勘探成果，該垸堤基淺表部分布有粉細砂層，或粉細砂層上部粘性土蓋層較薄、淤泥質土層夾較多粉細砂透鏡體，其連續性好，結構松散，透水性強，滲透系數達到5.9×10-3cm/s，汛期高洪水位時，垸內外水頭差增大，外河水沿堤基透水性較強的粉細砂層向垸內滲透，并擊穿上覆粘性土較薄蓋層，或通過粉細砂層直接形成滲漏通道，產生流土、管涌等滲透破壞，繼而導致堤基沉陷變形、上部堤身開裂塌陷，直至潰口垮堤。歷年防汛搶險的經驗也表明，堤基滲透破壞是導致該垸堤防出險的主要因素，也是防汛搶險的重點和難點。1999年大洪水，資水甘溪港河中洲堤段因堤基發生管涌，引起堤基淘空，堤身塌陷（1.5～2.0）m，致使大堤失穩破壞，造成248 m寬，（12～18）m深的潰口，因垸內有烏龍隔堤和馬王隔堤，故只造成沙頭鎮受災，直接經濟損失10.95億元。

2 堤基滲流穩定分析

2.1 堤基地層結構特征

民主垸四面環水，堤防多坐落于各水系岸邊或湖邊全新統（Q4al+l）堆積地層上，持力層以（Q4al+l）沖湖積堆積為主，其上部多為Q4al+l灰黃色粉質粘土，厚度（0～7.3）m，局部夾砂壤土；中部為Q4al+l灰黑色淤泥質粉質粘土，厚（0～12）m不等；下部為Q4al+l粉細砂層，厚（0～12.4）m不等。局部堤段堤基為Q3al黃褐色似網紋狀粉質粘土層，厚（0～14）m不等；其下部為中細砂、砂礫石，厚度一般大于12 m。

根據《堤防工程地質勘察規程》（SL 188-2005）附錄C的規定，并結合鉆探及地勘成果，按堤基地層分布及結構特征，可將堤基地質結構分為單一結構類（Ⅰ）、雙層結構類（Ⅱ）和多層結構類（Ⅲ）三大類，民主垸堤基滲漏主要發生在單一結構類粗粒土單一結構亞類（Ⅰ1）、部分雙層結構類（Ⅱ2）、（Ⅱ3）堤段、部分多層結構類（Ⅲ2）、（Ⅲ3）及（Ⅲ4）堤段。

根據民主垸堤基地質結構，按堤基強弱透水性土的組合型式，結合防滲工程的特點，民主垸堤基滲漏堤段的土層結構可歸納為4種類型，見表1。

表1 民主垸堤基滲漏堤段地層結構特征表

2.2 堤基滲流穩定分析

據以上四類地層結構的堤段，結合堤內外滲流邊界條件及險情分布情況，選取8個典型斷面進行計算分析。計算工況采用外河為設計洪水位，垸內為低水位或無水情況時對堤基滲流穩定最不利的工況。考慮到民主垸堤基地層結構復雜，滲流計算采用滲流有限元分析方法，該方法的基本方程如下：

式中［K］——透水系數矩陣；

｛H｝——總水頭向量；

［M］——單元儲水量矩陣；

｛Q｝——流量向量；

t——時間。

計算采用北京理正軟件設計研究院開發的理正滲流分析軟件進行計算，計算成果見表2。

從表2可以看出，所有斷面均不能滿足滲透穩定要求，存在滲透破壞的可能性。

表2 堤基滲流穩定計算成果

根據上述堤基滲流穩定分析成果，并結合歷年出現的險情，確定民主垸需要進行滲控處理的堤長為24.72 km。

3 堤基滲控處理方案比選

堤防工程擋水時間短，承受水頭差不大，為便于地下水交換，堤基滲控處理以排為主、防滲為輔的“上堵下排”原則進行。上堵即在迎水面作防滲鋪蓋或作垂直防滲墻以截斷透水通道；下排即在背水面采用透水材料作壓浸平臺或減壓井、導浸溝等。目前洞庭湖區常用的堤基防滲工程措施為垂直防滲（垂直防滲墻等）和水平防滲（堤后壓浸平臺）等。

根據民主垸堤基地層結構特點和分類，其堤基滲控處理方案分述如下：

（1）Ⅰ類堤基。該類堤基因強透水層以下無相對不透水層為依托，采用垂直防滲墻只能為懸掛式，不能滿足滲透穩定要求。從防滲效果來看，對深厚透水地基而言，在堤防背水側加壓浸平臺是比較合適的滲控措施，經計算，壓浸平臺寬度需（80～120）m，單一壓浸方案不僅占用大量的土地，還需拆遷房屋和移民，故選擇單一壓浸和壓浸結合垂直防滲的方案進行比較，結果見表3。

從表3成果可以看出：單一壓浸方案占地多、工程造價高，而壓浸結合垂直防滲方案比單一壓浸方案占地少、工程造價低，故對這類堤基選用壓浸結合垂直防滲的滲控方案。

（2）Ⅱ類堤基。該類堤基因強透水層以下有相對不透水層為依托，采用垂直防滲墻可以形成封閉，能徹底解決堤基滲漏問題，因此從技術上說，采用垂直防滲墻和堤后壓浸平臺兩種堤基滲控處理方案都是可行的，考慮到垸內居民大都沿堤筑房居住，采用堤后壓浸平臺的堤基滲控方案往往占地拆遷移民工作量大，故選擇采用垂直防滲墻方案防滲。

（3）Ⅲ類堤基。該類堤基與Ⅰ類堤基有相似之處，強透水層以下無相對不透水層為依托，采用垂直防滲墻只能為懸掛式，不能滿足滲透穩定要求。從防滲效果來看，對深厚透水地基而言，在堤防背水側加壓浸平臺是比較合適的滲控措施，經計算，壓浸平臺寬度需（80～120）m，單一壓浸方案不僅占用大量的土地，還需拆遷房屋和移民，故選擇單一壓浸和壓浸與垂直防滲相結合的方案進行比較，其比較見表3。

表3 單一壓浸與壓浸結合垂直防滲方案比較

從表3可以看出：單一壓浸方案占地多、工程造價高，而壓浸結合垂直防滲方案比單一壓浸方案占地少、工程造價低，故對這類堤基選用壓浸結合垂直防滲的滲控方案。

（4）Ⅳ類堤基。該類堤基的特點是強透水層以上有較厚的弱透水層，但弱透水層內局部夾有粉細砂或透鏡體等透水層，對這類堤基可采用垂直防滲墻方案將堤基上部弱透水層中的粉細砂或透鏡體等透水層封閉，截斷滲流在弱透水層中的通道，達到防滲的目的。

4 結語

民主垸堤防構筑在水網地區，堤基地質條件復雜，根據該垸堤防堤基的結構類型和滲流特點，通過滲流穩定計算與分析，并對滲控處理方案進行技術經濟比較和研究后確定該垸堤基滲控處理方案如下：

（1）對民主垸的Ⅰ類及Ⅲ類堤基，因強透水層以下無相對不透水層為防滲依托，堤基滲控方案采用壓浸結合垂直防滲的方案。

（2）對民主垸的Ⅱ類堤基，因強透水層以下有相對不透水層為依托，故采用封閉式垂直防滲墻方案。

（3）對民主垸的Ⅳ類堤基，因強透水層上部的弱透水層較厚，采用垂直防滲墻封閉弱透水層中的粉細砂或透鏡體等透水層的方案。