北引渠首堤防雙層堤基處理措施的選擇

尹玉順，多 佳，王曉旭

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 黑龍江科技學院，哈爾濱150027)

1 工程概況

北引渠首工程是尼爾基水利樞紐配套項目——黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程中的首期工程，位于訥河市拉哈鎮西北約7.0 km處，尼爾基水庫下游28 km的嫩江干流上。工程任務是城市供水、農牧業灌溉及改善生態環境等綜合利用，為引嫩供水工程提供水源。［1］

北引渠首樞紐工程主要由土壩、泄洪閘、總干進水閘、船閘預留、溢流壩及固灘等組成，軸線全長5 592.5 m。本工程等別為Ⅰ等，泄洪閘的工程級別為1 級，土壩、溢流堰、總干進水閘的工程級別為2級，固灘的工程級別為3 級，堤防為2 級堤防。［2－3］其中土壩、泄洪閘、總干進水閘、溢流壩及固灘按50 a一遇洪水設計，200 a一遇洪水校核;堤防按50 a一遇洪水設計。

2 堤防斷面設計［4 －5］

樞紐建成后，回水影響范圍內的堤防需加高培厚，兩岸堤防按50 a 一遇洪水回水影響長度為7.65 km，樞紐處回水影響高度為17 cm，嫩江左岸太和堤防加高加固長度為9.2 km，太和回水堤加高加固長度1.21 km，嫩江右岸內蒙漢古爾堤防加高加固長度6.873 km。

太和堤及漢古爾堤堤頂超高按50 a一遇洪水水面線加2.0 m確定，堤頂寬度8.0，土堤段迎、背水邊坡均為1∶3，堤頂3 m以下設6 m寬馬道; 砂堤段迎水邊坡為1∶4，背水邊坡為1∶5，堤頂3 m以下設6 m寬馬道。

太和回水堤堤頂寬度6.0 m，土堤段迎、背水邊坡均為1∶3;砂堤段迎水邊坡為1∶4，背水邊坡為1∶5。

堤防上游坡設預制混凝土板護坡，混凝土板厚度12 cm，下設碎石墊層10 cm及400 g/m2無紡布一層，混凝土板規格50cm ×50cm ×12cm，護坡頂高程為堤頂高程，護坡與堤頂相交處封頂寬0.5 m。護坡混凝土強度等級C20，抗凍級別F200。混凝土板護坡下設梯形斷面的砌石固腳，固腳底寬1 m，頂寬2 m，高1 m。堤防下游坡設草皮護坡。

3 堤防的滲流分析計算［6］

由于堤防工程的破壞型式多種多樣，滲透破壞就是其中一種比較普遍的現象。發生這種破壞主要是由于堤身及堤基缺乏可靠的滲流控制措施。所以要避免這種破壞，首先要掌握堤身工況及堤基滲流情況，這樣才能有針對性的制定合理的堤基處理方案。

因此選取堤防典型剖面:樁號0 +400、1 +900、2+200、4 +700、7 +000 共5個斷面進行堤防滲流及滲透穩定計算。

滲流計算分析采用北京理正軟件設計研究院編制的理正滲流分析軟件進行計算，［7］該程序計算方法依據非飽和土理論、根據基本的滲流理論―達西定律等，采用有限元方法分析穩定流及非穩定流中多種邊界條件、多種材料的堤體的滲流分析，計算成果見表1。

表1 太和堤防滲流計算成果表

經計算，雙層堤基的堤基滲透比降不滿足要求，其他堤體堤基的滲透比降滿足設計要求，故應對雙層堤基段進行處理。

4 雙層地基的地基處理

雙層地基是堤防工程中普遍出現的地基情況，北引渠首堤防雙層地基段長4 789 m，占總長的53.3%。［8］雙層地基的堤基處理方式有很多: 如加蓋重、加鋪蓋、帷幕灌漿、排滲井、減壓溝、土工膜、垂直防滲墻等等，這些處理方式都在實際工程中都各有應用。而合理有效的滲流控制措施應從兩方面考慮:①提高堤身和堤基本身抵抗滲透破壞能力，②降低滲流的破壞能力，同時根據工程地質條件和工程的重要程度，從而選擇經濟合理的堤基處理措施。本工程考慮背水側壓滲蓋重和排水減壓溝兩種方式。

4.1 蓋重設計

在背水側加蓋重是提高堤基本身抵抗滲透破壞能力的一種措施

4.1.1 計算方法

采用本耐特公式計算堤后蓋重，即近似認為堤底L’不透水，并把上下游的弱透水覆蓋層轉換為等效不透水鋪蓋長度L1e及L2e，然后按照直線水頭損失計算強透水砂層頂板沿程承壓水頭。蓋重采用透水料。計算簡圖見圖1。

圖1 堤防內腳設蓋重計算簡圖

計算公式如下:

4.1.1.1 堤背腳處砂層承壓水頭堤背腳處砂層承壓水頭計算公式為:

4.1.1.2 判別蓋重

4.1.2 計算斷面選擇雙層堤基蓋重的計算，根據各堤段覆蓋層厚度的不同，選擇6個斷面進行計算。

4.1.3 計算成果表

蓋重計算成果見表2。

4.2 減壓溝設計

排水減壓溝是通過降低堤身浸潤線來降低滲流的破壞能力的一種措施。

表2 蓋重計算成果表

4.2.1 計算方法

減壓溝計算方法見圖2，以虛擬完整溝貫穿砂層厚度T 的計算公式為基礎，增加不完整溝深D 的附加阻力長度△L; 經過分析及實驗可得下面相對不透水覆蓋土層下強透水砂層中減壓溝計算公式。

回升或剩余水頭是設計中的一個重要問題，必須控制此水頭保證覆蓋土層的穩定。回升水頭開始出現的位置在溝后β△L 的距離附近。另外，溝前坡迎流出滲坡降J 也是影響邊坡局部穩定的只要因素，所以要對剩余水頭和溝前坡迎流出滲坡降，進行計算，判斷減壓溝是否滿足要求。

圖2 減壓溝計算簡圖

減壓溝計算公式如下:

4.2.1.1 單寬流量

計算公式為:

4.2.1.2 附加阻力長度計算公式為:

4.2.1.3 溝后回升或剩余水頭計算公式為:

4.2.1.4 不完整溝修正系數計算公式為:

4.2.1.5 溝前坡迎流出滲坡降計算公式為:

4.2.1.6 迎流集中系數

式中: b，b0為深入強透水砂層中梯形溝深為D 的頂寬和底寬之半，m; L 為溝前滲徑長度，m; T 為砂層厚度，m; D 為不完整溝深，m; k 為強透水層滲透系數，m/d。

4.2.1.7 溝后回升水頭的向上滲流坡降計算公式為:

雙層地基減壓溝的計算，選擇樁號1 +400、2 +200、8 +200 共3個斷面進行計算。堤后設置深入砂層0.5 m，此處的頂寬為2.0 m;底寬1.0 m的減壓溝。4.2.2 計算成果表

減壓溝計算成果見表3。

表3 減壓溝計算成果表

經計算，減壓溝溝后回升水頭的向上滲流坡降值在0.5 ～0.8，滿足設計要求。

4.3 結果分析

對于覆蓋層較厚且下臥強透水層較深的堤基，宜采用背水側增加蓋重措施進行處理。蓋重采用比覆蓋層滲透系數大的透水材料。在背水側增加蓋重的目的是防止堤基滲流對表層土產生滲透破壞，增加背水側土體的抗浮穩定性，此外還可減小出逸比降。背水側為城區或建筑密集區，這種方法的應用往往受到限制。另外，蓋重土體的沙性不宜太重，否則極易引起蓋重土體的沙漠化，從而對周圍的環境產生負面影響。

當覆蓋土層較薄時，可采用挖深到砂層中的明溝或暗溝來降低承壓水頭。為了保證減壓效果，減壓溝應填入透水性能較強的砂石料，顆粒分布應下粗上細。

減壓溝的布設形式最好為暗溝，因為明溝易受風沙和地表水的影響而發生堵塞，另外暗溝維護也比較方便。

若透水層為粉細砂的堤基，采用減壓溝進行堤基防滲時效果較差，因為粉細砂容易使排滲井和減壓溝發生淤堵。

通過蓋重和減壓溝的設計計算: 各段蓋重情況不同:寬度100 ～330 m，厚度0.2 ～1.0 m;減壓溝均采用伸入砂層0.5 m，底寬1.0 m。這兩種處理方式都能滿足滲透穩定的要求，達到控制滲透破壞的目的。但與蓋重相比，減壓溝避免了由于蓋重寬度較長，而出現工程量大、工程占地范圍大的問題。因此，本工程選擇在堤后設置排水減壓溝。

減壓溝伸入砂層0.5 m，底寬1.0 m，溝邊坡1∶0.5。由于砂層一般是上細下粗，應遵循“設濾層保護滲流出口的原則”，同時考慮堤防等級較高，為防止風沙、泥水的侵入，故在溝內鋪設一層無紡布，用砂礫石回填。

5 結 語

堤防工程中雙層地基普遍存在，防止發生滲透破壞的處理措施也多種多樣，并非是一種，也可采用幾種方式聯合使用的型式，在制定處理措施時應遵循防滲、排水減壓和反濾層保護滲流出口三結合的原則。

總之，要針對滲透破壞的類型、堤基的工程地質條件、運行工況及工程的重要程度，制定科學、有效、合理、經濟的堤基處理方案，已達到最大程度上減少或避免出現滲透破壞的可能，保證工程長期安全的運行，為國民經濟的發展提供保障。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 北引渠首初步設計報告［R］. 哈爾濱: 黑龍江省水利水電勘測設計研究院.2009.

［2］中華人民共和國水利部. GB50201—94 防洪標準［S］. 北京:中國計劃出版社，1994.

［3］長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.SL252—2000 水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］. 北京:中國水利電力出版社，2000.

［4］水利部水利水電規劃設計總院. GB50286—98堤防工程設計規范［S］. 北京: 中國計劃出版社，1998.

［5］毛昶熙，等. 堤防工程手冊［S］. 北京:中國水利電力出版社，2009.

［6］毛昶熙，段祥宗，毛佩郁，等. 堤防滲流與防沖［M］. 北京:中國水利電力出版社，2003.

［7］北京理正軟件設計研究院. 理正滲流分析軟件［S］. 北京:北京理正軟件設計研究院，2011.