大洋河堤防透水堤基防滲處理分析研究

伏世紅

(大連市水利建筑設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116021)

1 概 述

1.1 工程概況

大洋河位于遼寧省東南部，地理位置為E122°51'-124°07'、N39°49'-40°49'。流域東側(cè)為鴨綠江支流愛河，北以千山山脈分水嶺為界與太子河為鄰，西側(cè)有大清河、碧流河和英那河，南臨黃海。大洋河總流域面積為6504km2，河流全長198.2km，河流的平均比降為0.69‰。大洋河為設(shè)計(jì)20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

大洋河龍王廟段堤防始建于20世紀(jì)70年代，1995年以來一直未進(jìn)行加高培厚，堤身斷面瘦小，堤頂寬度僅為1.0-1.8m，迎水坡坡比在1∶1.5-1∶2.0之間，護(hù)砌形式為干砌石，厚度20-30cm，塊石粒徑較小，堤坡局部有塌落現(xiàn)象，背水坡坡比1∶1.7-1∶2.0局部堤頂高程不滿足，堤前為灘地，全段有1.1km耕地，堤后全部為耕地。

1.2 透水堤基簡介

龍王廟段全段共3.52km，兩側(cè)堤防堤基土為粉細(xì)砂、細(xì)砂，為透水堤基，容易發(fā)生管涌等破壞現(xiàn)象。代表斷面處堤防物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 透水堤基代表斷面堤防物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2 文章研究的背景和意義

2.1 河道整體存在的問題

1)無堤段較多。根據(jù)《大洋河流域規(guī)劃》及《大洋河防洪規(guī)劃》，大洋河中下游尚需修建堤防33.00km，這些無堤段占中下游規(guī)劃堤防的27%。由于無堤段較多，堤防不封閉，部分堤防尚未形成防洪能力。

2)斷面瘦小，防洪標(biāo)準(zhǔn)底。已建防洪堤大多至建成以來一直沒有進(jìn)行加高培厚，堤身斷面瘦小，堤頂寬度僅為1.0-1.8m，大部分堤段坡比不足1∶2，部分堤段沖刷嚴(yán)重，坡比不足1∶1.5。堤頂高程不滿足設(shè)計(jì)要求，防洪標(biāo)準(zhǔn)低。

3)河道淤積，防洪標(biāo)準(zhǔn)降低。大洋河下游為海相淤積，近年來隨著支流水系水庫工程的建設(shè)，非汛期河道流量減少，河道經(jīng)多年淤積變遷，局部河段河床抬高達(dá)2.7m，實(shí)際防洪標(biāo)準(zhǔn)降低。

4)大壩護(hù)坡工程破損嚴(yán)重。防洪大堤建成后，護(hù)坡工程沒有進(jìn)行維修加固，塊石脫落，破損嚴(yán)重。

5)部分堤防存在管涌段。由于現(xiàn)有堤防外側(cè)局部河床沖刷嚴(yán)重，河床底部直接為粉細(xì)砂，原有壩炕變窄，地下水滲徑變小，再加上堤防內(nèi)側(cè)由當(dāng)初挖土修堤，形成深溝，溝底的黏性土覆蓋層變薄或者缺失而直接露出粉細(xì)砂層。當(dāng)河床內(nèi)水位升高、壓力變大時(shí)，水易通過堤基中砂層滲漏到堤內(nèi)，在堤內(nèi)黏性土層薄或缺失的深溝處冒出地面，形成管涌。

6)穿堤建筑物年久失修，破損嚴(yán)重。穿堤建筑物經(jīng)過多年運(yùn)行，受損老化程度嚴(yán)重。穿堤涵洞基礎(chǔ)坐落在粉細(xì)砂上，經(jīng)過多年洪水滲透，底板以下部分被掏空影響涵洞的整體穩(wěn)定性，不滿足滲透穩(wěn)定要求。啟閉架混凝土剝蝕嚴(yán)重，有鋼筋裸露現(xiàn)象；啟閉臺(tái)頂高程低于設(shè)計(jì)洪水位。出口翼墻出現(xiàn)裂縫，存在安全隱患。進(jìn)、出口閘門銹蝕，漏水嚴(yán)重。啟閉機(jī)銹蝕損壞，不能正常工作。

高端化&品質(zhì)化，體現(xiàn)在以6000元以上的彩電，8000元以上的多門和對(duì)開門冰箱，3000元以上的波輪洗衣機(jī)，5000元以上的滾筒洗衣機(jī)，8000元以上的空調(diào)柜機(jī)，30000元以上的空調(diào)掛機(jī)，5000元以上的油煙機(jī)，1000元以上的電飯煲等為代表的高價(jià)格產(chǎn)品的滲透率逐漸提高。

2.2 文章研究的意義

大洋河途徑東港市龍王廟鎮(zhèn)，有3.52km堤段堤基土為粉細(xì)砂、細(xì)砂，滲透系數(shù)為2×10-3呈中等透水性，易發(fā)生管涌型破壞，根據(jù)歷史洪災(zāi)記載，1982年8月7日晚，發(fā)生洪水時(shí)，堤后因管涌冒出的水柱高達(dá)1.60m。而當(dāng)時(shí)洋河閘站的水位記錄為8.60m，12點(diǎn)30分黃旗閘決口，龍王廟鎮(zhèn)透水堤基的堤段，經(jīng)群眾奮力搶險(xiǎn)用大柴和濾料石進(jìn)行充填才幸免一災(zāi)。

由上述歷史洪災(zāi)記錄可見，該堤段現(xiàn)狀存在的問題已直接影響到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，研究解決大洋河堤防透水堤基滲透破壞問題意義重大。

3 透水堤基滲流穩(wěn)定分析

3.1 滲透穩(wěn)定分析

龍王廟防洪工程中有新建土堤段和土堤加高培厚段，根據(jù)地質(zhì)情況，堤基均屬于透水堤基，滲流計(jì)算按透水堤基均質(zhì)土堤考慮，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)公式計(jì)算：

1)滲流計(jì)算按透水堤基均質(zhì)土堤(下游坡無排水設(shè)備)考慮，堤身和堤基的流量分開計(jì)算，參數(shù)見表2。

(1)

(2)

(3)

L1=L+△L

(4)

(5)

浸潤線按下式計(jì)算：

(6)

計(jì)算浸潤線各點(diǎn)坐標(biāo)列入表3。

表3 土堤浸潤線坐標(biāo)表

圖1 (11+500)滲流圖

2)背水坡滲流出口比降計(jì)算：

本地區(qū)下臥層為透水堤基，則透水堤基均質(zhì)土堤坡面滲流比降可采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)公式：

(7)

沿堤基段：

(8)

滲透破壞的允許滲透坡降，參照《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001，計(jì)算公式：

J破壞=(Gs-1)(1-n1)

(9)

相應(yīng)的允許坡降可按下式計(jì)算：

(10)

式中：GS為土粒比重；n1為土的孔隙率；J為滲透比降；KB為安全系數(shù)，取2.0。

經(jīng)計(jì)算所得滲流比降成果見表4。

表4 滲流比降成果表

根據(jù)滲流比降成果表可以看出，龍王廟防洪土堤基J>J允，不滿足要求，需要對(duì)堤基進(jìn)防滲處理[1]。

3.2 透水堤基處理措施的選取

本次研究選取土工膜垂直防滲與帷幕灌漿兩方案進(jìn)行比較。

方案一：采用土工膜垂直防滲增加滲徑，應(yīng)對(duì)管涌現(xiàn)象，土工膜延迎水坡坡面鋪設(shè)至設(shè)計(jì)水位，護(hù)腳以下使用鏈槽機(jī)垂直鋪設(shè)6.0m。

方案二：采用高噴防滲墻，布置1排灌漿孔，孔間距1.5m，孔徑采用110mm，灌漿孔設(shè)在堤腳，高噴采用擺噴對(duì)接，擺角采用30°。

方案一和方案二的工程理及投比較表見表5。

表5 方案一和方案二的工程理及投比較表

方案二施工方便，不需要特殊機(jī)械設(shè)備，而且投資較方案一節(jié)省很多，故本次研究堤基防滲處理采用方案二。

3.3 土工膜垂直防滲措施復(fù)核

針對(duì)該工程而言，其主要問題是由于粉細(xì)砂具有的透水性，使堤基不穩(wěn)定，滲徑長度不滿足要求。在堤防護(hù)腳前增加垂直鋪設(shè)土工膜，即增加了堤防的滲徑長度，使河道內(nèi)的水位向堤后滲透時(shí)形成穩(wěn)定。以該工程的某個(gè)斷面為例，土工膜垂直鋪設(shè)6.0m，進(jìn)行滲徑計(jì)算：

允許滲徑采用公式：

L允=C×H=9×5.2=46.8m。(以某斷面為例)

(11)

式中：L允為允許滲徑；C為滲徑系數(shù)，取9(粉細(xì)砂，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 265-20 1 6)；H為上下游水頭差，5.2m[2]。

該斷面基礎(chǔ)底寬37.5m+土工膜12.0m=49.5m

實(shí)際滲徑L=49.5m> L允，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

大洋河?xùn)|港市龍王廟堤段透水堤基，潛在很大的洪水隱患，洪水時(shí)發(fā)生的管涌破壞現(xiàn)象已有歷史記載，洪災(zāi)直接危及當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全。文章列舉了大洋河整河段存在的問題，論述了龍王廟堤段透水堤基分析研究的意義，通過理論計(jì)算、方案比選等，選取了土工膜垂直防滲這一透水堤基處理的工程措施[3]。

以上研究方法及結(jié)論為同類工程設(shè)計(jì)研究提供了參考借鑒。