解讀長江重要堤防安全監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

石 楊 夏 炎 過 俊

太倉市堤閘管理處

1 引言

在長江重要堤防的建設(shè)中，為了更好地了解堤防的安全狀況，及時地了解并且準確地掌握長江重要堤防中穿堤建筑物的運行狀況和防滲漏效果，并且合理的檢驗堤防設(shè)計方案以及施工效果，相關(guān)部門應(yīng)該結(jié)合長江重要堤防開展良好的安全監(jiān)測技術(shù)，采用先進的安全監(jiān)測設(shè)施，科學(xué)的分布在穿堤建筑物、重要堤防段周圍，實現(xiàn)良好的安全監(jiān)測效果。

2 長江重要堤防安全監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用價值

對于長江流域來水，是人類賴以生存的重要資源，為此，保護長江流域使我們的重要使命和責(zé)任。自1998長江出現(xiàn)全流域的大型洪水中，對人們造成了巨大的財產(chǎn)損失和大量的人員傷亡，嚴重限制了長江流域的經(jīng)濟發(fā)展，此次洪水也為我國河流堤防的治理工作敲響了警鐘。在經(jīng)歷了此次大洪水后，我國對長江流域相繼開展了一級和二級的堤防建設(shè)，對重點堤防工程進行了全面地治理，重點堤防工程開展包括堤防的穿堤建筑物建設(shè)項目，防滲墻建設(shè)、堤防基礎(chǔ)加固技術(shù)工程以及拋石固基工程建設(shè)。為了能夠更全面地了解長江流域這些重要堤防的運行狀態(tài)，包括穿堤建筑物和防滲工程的質(zhì)量，同時對這些重要堤防工處開展了良好的安全監(jiān)測技術(shù)，在重要地段周圍設(shè)置了科學(xué)的安全監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了良好的堤防安全監(jiān)測效果，促進長江流域的安全。

3 長江重要堤防安全監(jiān)測工程中防滲墻的監(jiān)測效果

在長江流域重要堤防的安全監(jiān)測工程中，對防滲墻的監(jiān)測能夠起到良好的監(jiān)測效果，是提高堤防加固效果和防治滲漏現(xiàn)象的重要結(jié)構(gòu)，所以，提高防滲墻的安全監(jiān)測，保障防滲墻的防滲效果具有重要意義。為此，應(yīng)該合理的設(shè)計防滲墻結(jié)構(gòu)，并提高防滲墻的施工質(zhì)量，確保防滲墻具備良好的防滲性，滿足滲透以及抗浮的穩(wěn)定性，同時有效地降低自由面以及溢出段的高度。結(jié)合長江重要堤防階段堤基礎(chǔ)的地層結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)，對防滲墻的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以采用三種方式，包括半封閉式、全封閉式以及懸掛式，以下對這三種方式的防滲墻設(shè)計結(jié)構(gòu)進行具體研究。

3.1 長江重要堤防半封閉式防滲墻的設(shè)計

對于防滲墻的半封閉式設(shè)計中，半封閉式防滲墻通過比較強的透水層后進入弱透水層，并和弱透水層共同形成統(tǒng)一的防滲體系，在弱透水層下方還具有強透水層。在具體設(shè)計中，應(yīng)該對重要堤防的堤基礎(chǔ)進行垂直截滲墻結(jié)構(gòu)的設(shè)置，從而實現(xiàn)堤基透水層的良好阻隔效果，提高防滲效果，對于堤身來說，浸潤線能夠出現(xiàn)明顯地降低，從而滲流效果出現(xiàn)明顯地改善，保障了堤基的穩(wěn)定性。對于長江干堤洪湖燕窩段來說，其堤基為第四紀全新統(tǒng)沖積層，設(shè)置的厚度在25米左右，能夠表現(xiàn)出良好的雙韻律建造效果。在第一韻律層中，由于厚度不大，分析砂層的埋深比較小，是防滲漏的重點環(huán)節(jié)，第二韻律層上方為淤泥性土質(zhì)和黏土質(zhì)，表現(xiàn)為弱透水層，具有穩(wěn)定的分布狀態(tài)，能夠為垂直防滲結(jié)構(gòu)提供依托，所以，采用鋼板樁垂直防滲墻在第一韻律層的下方采用粉細砂層進行截斷，從而體現(xiàn)出良好的防滲效果。在防滲墻的設(shè)計中應(yīng)該沿著防滲墻的軸線防線設(shè)置留個監(jiān)測點，對每一個斷面進行監(jiān)測，并獲取監(jiān)測信息：當(dāng)出現(xiàn)高水位時，地下水位的補給時有長江向堤內(nèi)側(cè)方向，并沿著鋼板樁防滲墻的軸線由中間向兩端部分變化，內(nèi)測水位的變化幅度也隨之增大，越靠近中間部位，防滲墻內(nèi)側(cè)的水位變化越來越不明顯。當(dāng)出現(xiàn)低水位時，地下水有堤防內(nèi)側(cè)向長江方向補給，并在防滲墻的兩端水位變化中實現(xiàn)良好的同步性，此外，防滲墻的中部和內(nèi)部水位變化都比較平緩，防滲墻外側(cè)的水位變化幅度十分明顯。

由此可以看出，在鋼板防滲墻的設(shè)計中，有效地改善了長江重要堤防段的防滲流狀態(tài)，尤其是對于外側(cè)高水位期間，能夠利用鋼板樁內(nèi)側(cè)的滲流水頭見效效果，同時堤防內(nèi)的浸潤性也隨之降低。目前，我國長江沿岸的干堤中對采用半封閉式防滲墻的設(shè)計環(huán)節(jié)進行安全監(jiān)測所反饋的結(jié)果比獻出良好的水頭差，當(dāng)出現(xiàn)汛期時，防滲墻的外側(cè)和內(nèi)側(cè)水頭差能達到3米左右。此外，半封閉式防滲墻的防滲效果還取決于防滲墻的厚度、滲透性以及連續(xù)性，同時也受到地質(zhì)條件與河泓切割情況的影響。

3.2 長江重要堤防全封閉式防滲墻的設(shè)計

相比于半封閉式防滲墻的設(shè)計而言，全封閉式防滲墻的設(shè)計同樣要進入弱透水層，但是弱透水層下方?jīng)]有強透水層，在這種情況下，防滲墻能夠深入到具有弱透水性的基巖以及黏土層中，在這樣的堤基結(jié)構(gòu)來說，全封閉式防滲墻的施工難度比較大。當(dāng)前情況下，在已完成的全封閉式防滲墻中，大部分長江重要地段的全封閉防滲墻都具有超過40米的深度。基于防滲墻設(shè)計理論來說，全封閉式防滲墻截斷了地下水的滲徑，防滲墻的前后水頭比都比較明顯，因此顯現(xiàn)出良好的防滲漏效果。經(jīng)過近幾年的監(jiān)測效果來看，由于這些段的汛期水位不高，全封閉式防滲墻的滲控效果沒有發(fā)揮出良好的作用，仍然有待進一步考驗。

3.3 長江重要堤防懸掛式防滲墻的設(shè)計

對于懸掛式防滲墻的設(shè)計來說，具有良好的滲控效果。懸掛式防滲墻的底部通常處于強透水層中，在設(shè)計理論中，懸掛式防滲墻的設(shè)計能夠有效地解決重要堤防段的堤身開裂現(xiàn)象，對洞穴和土質(zhì)不均勻、填土密實度交叉的地質(zhì)條件都能夠起到良好的防滲效果。但是，只有確保貫入度接近100%時，才能發(fā)揮出顯著的堤基防滲效果，也就是說，這種懸掛式防滲墻的設(shè)計能夠有效抑制滲漏變形擴展的效果，但是對滲控并沒有顯著的效果，因此在選擇時應(yīng)該視情況而定。

在長江重要堤防段的荊南干堤斷面附近，土質(zhì)結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為砂性土質(zhì)，并且地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較單一，局部地區(qū)還伴有黏性土質(zhì)，地質(zhì)的上層黏土分布厚度通常情況下不超過2米，堤基的地質(zhì)環(huán)境比較差，并沒有垂直防滲的依托層，因此，防滲墻的設(shè)計只能設(shè)置在強透水性的砂土層中。在進行斷面的防滲墻兩側(cè)檢測時，設(shè)施滲壓計，監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)為，不管是汛期還是枯水時節(jié)，防滲墻的內(nèi)外側(cè)水頭差都比較小，最多不超過50毫米，而且水位的變化也比較同步。

由此可以看出，堤后險情作用水頭一般不會由于懸掛式的防滲墻設(shè)計而變得明顯降低，想要實現(xiàn)堤腳附近滲流狀態(tài)得到全面地改善，必須結(jié)合實際的地質(zhì)情況，適當(dāng)?shù)卦黾討覓焓椒罎B墻的貫入度，也可以采用堤后適當(dāng)部位增加減壓井工程，以此來保障安全狀態(tài)。

4 長江重要堤防穿堤建筑物的施工監(jiān)測

為了研究對長江重要堤防穿堤建筑物的監(jiān)測，本文以武漢市爛泥湖堤段為研究對象，對穿堤建筑物的施工監(jiān)測結(jié)果進行分析。該段穿堤建筑物是98年洪水后重建，最早的建設(shè)采用的使單孔鋼筋混凝土拱涵式排水閘，閘身穿過長江堤防，形成典型的穿堤建筑物，在洪水災(zāi)害后，閘上部以及內(nèi)側(cè)都出現(xiàn)了嚴重地地面坍塌，并且外徑2m處不斷擴大，在當(dāng)時的現(xiàn)場勘查中，還發(fā)現(xiàn)頂板處超過20cm 的開裂，堤身的土壤也都被掏空。因此，對該段的穿堤建筑物進行改造時，對重點部分設(shè)置的安全檢測設(shè)施，結(jié)果這些年的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，閘的整體結(jié)構(gòu)縫開合度和溫度呈現(xiàn)著明顯地反向關(guān)聯(lián)，實測出最大值為17.8mm，所有的結(jié)構(gòu)縫和填土完成后都比較穩(wěn)定，沒有明顯地變化。目前，穿堤建筑物的結(jié)構(gòu)縫開度仍舊處于安全狀態(tài)。此外，對于相鄰的閘段來說，存在不均勻的沉降量，主要表現(xiàn)為填土?xí)r間存在一定的差異，從而導(dǎo)致閘箱的填土蓋重存在差異，并且大部分是由于閘段區(qū)域的地質(zhì)條件引發(fā)的，淤泥地質(zhì)在進行攪拌樁施工處理后，不均勻的沉降量得到彌補，穿堤建筑物的承載能力得到明顯提升。穿堤建筑物的孔縫水壓力在汛期時，隨著長江的水位上漲而提升，當(dāng)長江水位回落時，孔隙水壓力也逐漸下降，基本表現(xiàn)比較穩(wěn)定，土壓力的測值變化基本與孔隙水壓力的變化規(guī)律一致。

就當(dāng)前的穿堤建筑物安全監(jiān)測來看，整體表現(xiàn)運行良好，實現(xiàn)了良好的改造和治理效果。

5 長江重要堤防安全監(jiān)測新技術(shù)

5.1 中子分水儀

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展智能化中子水分儀能夠?qū)崿F(xiàn)良好的農(nóng)田土壤測量，為了更好地掌握堤防段水分含量的分布情況，熟悉加固施工后堤防的滲流情況，可以采用中子分水儀對長江重要堤防進行監(jiān)測，測量出重要堤防段堤身的含水量，通過中子分水儀的應(yīng)用可以體現(xiàn)出良好的實測效果。通過大量的實測數(shù)據(jù)分析，堤身的含水量分布大多數(shù)呈現(xiàn)“S”形態(tài)，并且一般地表下層1米左右的范圍都會受到氣候的影響，孔底一般受地下水位的影響，當(dāng)容積含水量超過30%時，可以認為土壤已經(jīng)飽和，相對應(yīng)的高程相當(dāng)于地下水位高程。

5.2 溫度示蹤滲流監(jiān)測

通過分布式光纖溫度測量技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)ΤＲ娭匾谭蓝蔚乃そㄖ锖突A(chǔ)建設(shè)進行監(jiān)測，提高防滲漏效果。目前，溫度示蹤滲流監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)為的河流堤防和大壩監(jiān)測中。在我國長江中下游的重要堤防段，全面開展了溫度示蹤滲流監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)的分布光纜，對監(jiān)測設(shè)備進行合理的埋設(shè)，并選擇適合的測量方式，結(jié)合可能產(chǎn)生影響的因素，實現(xiàn)了良好的監(jiān)測效果。針對長江重要堤防區(qū)域開展溫度示蹤滲流監(jiān)測的結(jié)果表明，光纖溫度傳感技術(shù)在地把溫度測量中實現(xiàn)了長距離的同步溫度測量效果，在對特定的滲透途徑進行探測石，可以對長江堤防部分進行在線測量，并且利用鉆孔中傳感探測器的安裝，能夠測量出堤壩滲漏的垂直分布現(xiàn)狀，相比于傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測來說，具有低成本、高收益的測量效果，能夠體現(xiàn)出施工簡單和連續(xù)測量的優(yōu)勢，同時也具有高靈敏度的特點。

5.3 安全監(jiān)測自動監(jiān)控系統(tǒng)

隨著我國自動化水平的全面覆蓋，在長江重要堤防的安全監(jiān)測中，也融入了自動化技術(shù)，創(chuàng)建了自動化實施監(jiān)測系統(tǒng)，對長江的重要堤防段進行全天候的安全監(jiān)測工作，并結(jié)合現(xiàn)代化的監(jiān)測儀器進行信息的監(jiān)測和采集，建立完善的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。通過對安全監(jiān)測自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)長江堤防的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲以及分析和評價工作，提高了安全監(jiān)測效率，滿足時代的發(fā)展需求，能夠表現(xiàn)出良好的長江堤防安全監(jiān)測效果。

6 結(jié)束語

綜上所述，長江流域的堤防工程關(guān)系著人們的生命財產(chǎn)安全，有效地開展長江重要堤防安全監(jiān)測工作能夠提高堤防段的防滲效果，促進社會的發(fā)展，通過對長江重要堤防段施工期的監(jiān)測信息分析，總體來看防滲墻和穿堤建筑物的安全效果都比較穩(wěn)定，通過新技術(shù)的引入，能夠更好地實現(xiàn)長江重要堤防的安全監(jiān)測效果，促進社會的穩(wěn)定發(fā)展。