城市防洪堤防設(shè)計與加固技術(shù)研究

□李　昊（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院）

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城市防洪堤防設(shè)計與加固技術(shù)研究

□李昊（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院）

我國是全球洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多的國家，在七大江河水系中，幾乎每年都會發(fā)生洪災(zāi)，防洪減災(zāi)成為流域沿線上各大城市的重點工作之一。堤防工程是防御洪水最為有效的措施之一，如果堤防出現(xiàn)問題，其防洪效果就會大打折扣，一旦期間遭遇洪水，極有可能危及到城市安全。因此必須保證堤防的運(yùn)行安全、穩(wěn)定。基于此點，文章就城市防洪堤防設(shè)計與加固技術(shù)方案進(jìn)行研究。

堤防；防洪；加固設(shè)計

1　堤防工程失穩(wěn)破壞的具體原因分析

1.1滲流引起的失穩(wěn)

汛期河水上漲持續(xù)一段較長時間后，浸潤線以下的堤身土趨于飽和狀態(tài)，造成其自重增加、抗剪強(qiáng)度下降、下滑力增大。同時，河水上漲持續(xù)在一定高度會產(chǎn)生滲流力，增加堤身的滑動力，加大堤身滑動體重量，進(jìn)而導(dǎo)致堤防邊坡失穩(wěn)。此外，在快速退水的情況下，堤身內(nèi)的水無法在短時間內(nèi)排出，產(chǎn)生反向滲透力，加之受堤身強(qiáng)度降低、自重增加等因素的影響，極易產(chǎn)生退水滑坡。

1.2水流沖刷引起的失穩(wěn)

水流沖刷造成的堤防工程失穩(wěn)多發(fā)生于汛期漲水過程中的河勢復(fù)雜、河道彎曲的凹岸堤段。在水流長期沖刷侵襲的作用下，河流凹岸臨水岸坡上的防護(hù)措施抵抗力逐步下降，致使岸腳坡度受水流沖刷力的影響而變陡，最終造成破壞。

1.3堤防基礎(chǔ)問題引起的失穩(wěn)

堤防地基自身強(qiáng)度不足，尤其在軟粘土上建筑堤防工程，若沒有對地基進(jìn)行特殊處理，就會導(dǎo)致地基強(qiáng)度降低，這是我國堤防工程建設(shè)中的常見現(xiàn)象。此外，堤防工程中的截水設(shè)施失效，大量滲水匯集形成管涌也是引起堤防工程失穩(wěn)的重要因素之一，易造成堤防坍塌。

2　城市防洪堤防加固設(shè)計方案

為了便于研究，下面以某堤防工程為例，對加固技術(shù)方案的設(shè)計進(jìn)行論述。某大堤為二級堤防，位于某市境內(nèi)，全長173 km，工程保護(hù)的國土面積約為2300 k㎡，該堤防的某一段為軟基段，堤防基礎(chǔ)為軟弱河湖沉積層，由于堤防基礎(chǔ)較為軟弱，地勢也比較低洼，加之水面寬闊，從而對堤壩產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的沖刷。該工程建成投用后，先后進(jìn)行了數(shù)次應(yīng)急加固，由于堤身采用的是含腐質(zhì)的砂性土充填而成，局部粘土為人工培土，同時坡面受雨水沖刷，局部出現(xiàn)陡坡，導(dǎo)致堤防上出現(xiàn)了程度不一的開裂、沉陷、深沖溝等險情。經(jīng)過研究后決定對該堤防工程進(jìn)行加固處理，以此來確保堤防工程的防洪作用能夠得到充分發(fā)揮。

2.1工程地質(zhì)條件

該堤防工程的堤壩基礎(chǔ)為上粘土下砂土的雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，堤壩基礎(chǔ)上部的粘土厚度約為3～5 m，下部為砂性土層，由鉆孔勘測得知該地層的劃分情況，具體如表1所示。

按照室內(nèi)土工試驗，并結(jié)合現(xiàn)場原位測試及以往同類工程經(jīng)驗，推薦該堤防工程堤基土的物理力學(xué)性指標(biāo)如表2所示。

表2　堤防基礎(chǔ)土層物理力學(xué)性指標(biāo)建議值表

2.2堤防的現(xiàn)狀及問題

該堤防工程現(xiàn)存以下問題：

大堤143+006～143+050段的背水側(cè)堤肩位置處出現(xiàn)縱向裂縫，其長度約為44 m，寬度在1 m左右，同時143+006～143+023段背水側(cè)下堤道外坡出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

大堤141+310～141+332段和141+364～141+373段堤身背水側(cè)均出現(xiàn)不同程度的滑坡現(xiàn)象。

大堤142+142-144+700段背水側(cè)堤坡高程16.00～18.50 m位置處發(fā)生滲漏，堤身大量粉質(zhì)砂壤土流失。

鑒于堤基土質(zhì)的強(qiáng)度較低且軟弱土層較厚，加之含水量大、壓縮性高，在長時間沉降和固結(jié)作用下已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，若是需要進(jìn)行加高培厚需要對其抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行驗證，以此來確保大堤的安全性；背水坡吹填土表層下存在2～3 m厚的透水性較強(qiáng)的砂性土層，當(dāng)?shù)叵滤簧呒凹薪涤陼r，砂性土層的含水量會隨之增大，通過透水層，會在粘土與砂層結(jié)合面高程處滲出，由此會形成管涌，并引發(fā)滑塌；由于該堤防迎水面上的貼坡土成分較為復(fù)雜，其中含有大量的淤泥質(zhì)和細(xì)砂及植物根系，致使堤壩填土的碾壓密實度不足，填筑質(zhì)量較差。此外，大堤上部有厚度為2.50 m的透水層，因其孔隙率較大，加之無排水措施，一旦降雨，雨水會長時間貯存其中，只能通過滲流的方式緩慢向填筑質(zhì)量差的土體中運(yùn)移，這樣導(dǎo)致貼坡土長期處于飽和狀態(tài)，很容易引起堤坡滑塌。

2.3堤坡穩(wěn)定性復(fù)核

按照堤防以往出現(xiàn)的滑坡情況及計算斷面的位置，決定選取三個典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定受力分布，計算方法采用瑞典圓弧法，該方法的計算公式如下：

上式當(dāng)中，F(xiàn)s代表安全系數(shù)，Ms代表抗滑力矩；Mo代表土體的滑動力矩；ci和φi分別代表土條i中土的粘聚力及內(nèi)摩擦角；li和αi分別代表土條i底部滑面的長度及傾角。

由于該堤防工程已經(jīng)建成使用多年，故此其穩(wěn)定計算工況應(yīng)當(dāng)取完建期，即枯水期內(nèi)外坡和洪水期內(nèi)坡及水位驟降期。計算參數(shù)以表2中的數(shù)值為準(zhǔn)，采用AutoBank系統(tǒng)對滲流場進(jìn)行求解，進(jìn)而確定出堤防邊坡的穩(wěn)定性。由典型斷面的計算分析成果可知，部分堤段堤后的浸潤線較高，背水坡面土質(zhì)含水量大。對局部堤防穩(wěn)定性較為不利；在完建期和水位驟降期，143+050段的外坡安全系數(shù)與現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求相符，斷面144+500內(nèi)坡的安全系數(shù)滿足設(shè)計要求，其余工況下，均低于規(guī)范要求值，堤防的穩(wěn)定性不滿足要求。

2.4堤防加固方案設(shè)計

根據(jù)堤段歷次加固斷面的具體情況，將加固方案中的具體參數(shù)確定如下：堤頂寬8 m，內(nèi)外邊坡為1：3，在內(nèi)、外坡堤腳建寬5 m、外坡1：5、頂排水坡度1%的平臺。維持不處理堤段的現(xiàn)狀，以及堤防斷面超過設(shè)計邊坡的不納入加固方案。

2.4.1堤身加固設(shè)計

①因原加培的外坡斜墻碾壓不實，使得堤外141+350～142+800的堤段產(chǎn)生塌坡現(xiàn)象，并伴有嚴(yán)重裂縫。針對該堤段進(jìn)行如下加固設(shè)計：消除外坡厚約1m的原斜墻和面層干砌塊石護(hù)坡，按照標(biāo)準(zhǔn)斷面的要求，對外坡重新填筑，用混凝土預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡處理；②因原加培的外坡坍塌，造成堤線彎曲，堤坡呈起伏狀，但堤外中142+800～144+900的堤段未產(chǎn)生嚴(yán)重塌坡，也未出現(xiàn)裂縫。針對該堤段進(jìn)行如下加固設(shè)計：拆除原有塊石護(hù)坡，對外培斜墻上的松散部位進(jìn)行清除，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)重新填坡，恢復(fù)原有護(hù)坡的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；③對因局部沖刷嚴(yán)重導(dǎo)致堤防內(nèi)坡塌陷的堤段，將內(nèi)坡滑動體挖除，按照內(nèi)坡腳壓穩(wěn)平臺填筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新整坡，使其滿足設(shè)計要求；④工程中的堤防內(nèi)坡沿線一直存在嚴(yán)重的散浸滲水情況，為此，在加固方案中設(shè)計導(dǎo)滲排水溝，以解決這一問題；⑤由于145+100～145+200堤段外堤坡發(fā)生過塌坡問題，所以此次加固方案中決定對該段護(hù)坡進(jìn)行臨時性拆除處理，待整坡達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后再對護(hù)坡予以恢復(fù)。

2.4.2堤身加固措施

針對141+350～144+900段的塌陷問題，經(jīng)過研究后，決定采用外坡整修加培措施進(jìn)行處理。清除坡面上新老結(jié)合面的腐殖質(zhì)層，選用粘土為重新填土，采取分層碾壓的施工方法使坡面達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)外坡比為1：3。選用粘性土作為加培土料，將壓實度控制在92%以上；在內(nèi)外坡堤腳設(shè)置壓穩(wěn)平臺，以降低堤身高度，穩(wěn)定堤防邊坡。壓穩(wěn)平臺的參數(shù)具體如下：頂寬為5 m，頂面中心高程17 m，平臺外坡1：5，橫向排水坡1%，采用自然壓實方法；針對斷面達(dá)標(biāo)且堤身完好的堤段，在堤后開挖導(dǎo)滲排水溝，對坡面進(jìn)行局部整修，無需納入到加固方案中。

3　結(jié)論

綜上所述，文章以某堤防工程為實例，分析了其現(xiàn)存的問題，并在堤坡穩(wěn)定性復(fù)核的基礎(chǔ)上，提出合理可行的加固技術(shù)方案。通過對該堤防進(jìn)行加固設(shè)計后，其現(xiàn)存的問題得到了有效解決，從加固施工完畢至今，堤防未出現(xiàn)病險問題，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，其防洪作用得到了有效發(fā)揮。

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（責(zé)任編輯：左英勇）

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李昊（1982-），男，工程師，研究方向：水利水電工程。

2016-01-25