青原區值夏芳洲農田防洪堤加固工程設計

袁 燾

（吉安市青原區水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概況

芳洲防洪堤位于青原區值夏鎮境內，贛江的右岸和孤江的左岸，上起七姑嶺，下至馬埠村，全長7.4 km。芳洲堤圩區內地形寬闊，地勢低平。建堤以來，圩區內洪澇災害嚴重，水毀工程多，防汛搶險任務重，堤身、堤基不同程度的存在各類險情，危及大堤安全。目前，防洪堤存在的主要問題是：部分堤身斷面達不到設計要求，邊坡較陡，局部堤段堤身土質差，汛期出現滲漏滑坡險情；堤基未進行防滲處理，基礎出現滲漏、管涌險情；風浪水流對堤坡、岸坡沖刷嚴重；建筑物建設年代久遠，閘室短、涵管管身短，材料及設備老化、裂縫多、閘門漏水嚴重等原因，不能正常運行，影響大堤防洪安全。

2 土堤加高加固設計

2.1 堤頂高程

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-98）的規定，堤頂超高按下式計算確定：

式中：Y 為堤頂超高，m；R 為設計波浪爬高，m；e 為設計風壅增水高度，m；A 為安全加高，m，按規范確定不允許越浪土堤段取0.5 m。

1）平均波高公式：

2）平均波周期按公式：

3）平均波長（m）按公式：

經計算：L=9.25 m。

4）風壅水面高度按公式：

式中：e 為計算點的風壅水面高度，m；K 為綜合摩阻系數，K=3.6×10-6；β 為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角，°；其它符號意義同前。

經計算：e≈0.01 m。

5）土堤波浪爬高公式：

式中：KΔ為斜坡的糙率及滲透系數，KΔ=0.95；Kv為經驗系數，Kv=1.075；Kp為爬高累積頻率換算系數，Kp=2.07；m=2.5；其它符號意義同前。

經計算：Rp=0.94。堤頂超高（贛江河段）：Y=R+e+A。即Y=0.94+0.01+0.5=1.45 m；故土堤堤頂高程（贛江河段）為H堤頂=H設+1.45 m：同理可得出（孤江河段）土堤堤頂高程為H堤頂=H設+1.20 m；芳洲堤各控制斷面堤頂高程見表1。

表1 芳洲圩堤P=10%設計洪水水位及堤頂高程表 單位：m

根據以上計算可知，設計所需堤頂高程為54.93 m～55.81 m，而現狀防洪堤實測高程為55.24 m～56.96 m，除首尾兩端局部地段堤頂高程略低于設計堤頂高程外，其余堤頂高程均滿足規范要求。

對堤頂高程滿足要求、但堤頂寬度不夠的堤段，可結合在迎水面鋪設混凝土預制塊護坡對其進行加寬，對堤頂寬度及高程都不滿足設計要求的堤段進行堤頂加寬加高。

2.2 堤身斷面

因現狀防洪堤斷面很不規則，堤頂高程局部不滿足設計高程要求，堤坡較陡、堤頂較窄。對堤身加高培坡加固，根據《堤防工程設計規范》并考慮防汛交通需要，防洪堤堤頂寬取4.0 m（樁號5+973～7+168 段位于人口居住密集區，該段堤頂寬度加寬至6 m）。土堤邊坡迎水坡為1∶2.5、背水坡為1∶2.0，土堤填筑壓實度不應小于0.91。

防洪堤現狀堤頂高程為55.24 m～56.96 m，堤頂寬度不一，一般為2.5 m～5.76 m。現狀堤頂除樁號0+160～1+580 及樁號7+168～7+400 兩段為泥結石路面外，其它堤段現狀均為砼路面。根據堤頂高程復核計算及工程現狀，堤頂加固寬為4.0 m（人口密集段樁號5+973～7+168 堤頂寬度為6 m），鑒于現狀堤頂多為砼路面，為了改善防洪堤防汛交通條件，結合堤防的運行管理要求，將剩下的兩段泥結石路面均設計成砼路面。

2.3 堤身滲流及穩定分析

2.3.1 堤身滲流分析

（1）計算斷面及參數的選取

1）計算斷面

本次滲流安全復核選擇防洪堤上、下游邊坡相對較陡、堤身相對較高、堤基結構具有代表性的防洪堤地質鉆孔樁號3+000 和4+500 兩個斷面進行滲流計算。

2）滲透系數

防洪堤樁號3+000 斷面的分區：將堤身填土視為1 個區；堤基含砂低液限粉土為1 個區；堤基低液限粘土為1 個區；堤基砂卵石層為1 個區；堤基強風化基巖為1 個區；共5 個滲透區。防洪堤樁號4+500 斷面的分區：將堤身填土視為1 個區；堤基含砂低液限粉土為1 個區；堤基砂卵石層為1 個區；堤基強風化基巖為1 個區；共4 個滲透區。

堤身的滲透系數取值以本次室內土工試驗成果為主，堤基滲透系數依據現場注壓水試驗成果取值。防洪堤各滲透區的滲透系數取值結果見表2。

表2 防洪堤各滲透分區滲透系數取值計算表

（2）允許坡降

1）堤基含砂低液限粉土允許滲透坡降：根據地質提供，堤基含砂低液限粉土允許滲透坡降為0.45。

2）堤基低液限粘土允許滲透坡降：根據地質提供，堤基低液限粘土允許滲透坡降為0.5。

3）堤基砂卵石層允許滲透坡降：本次地勘堤基下部為黃色砂卵石層，地勘建議其允許水力比降為0.1。

（3）計算模型及程序說明

對于符合達西定律的二向均質、各向同性的土體的滲流，當土體已完全固結時，其水頭函數符合拉普拉斯方程式：

初始條件：ht=0=h（x、z、o）。

邊界條件：水頭邊界ht=tl=h（x、z、t）。

其中：h 自由面上水頭函數；z 坐標位置高程；q 自由面下降或上升時從自由邊界流入或流出滲流場的單寬流量；u 給水度（自由面下降）或飽和度（自由面上升）；θ 為自由面直線與鉛直線夾角。

滲流計算采用南京水利科學研究院編制的二維滲流有限元數值模擬計算程序UNSST2，程序求解方法是：基于三角形單元的有限元法，用改進平方根法的直接解法求解線性代數方程組。

（4）穩定滲流計算成果

防洪堤各斷面計算主要成果見表3。

表3 防洪堤穩定滲流期計算最大出逸坡降值及滲漏量

（5）計算成果分析

據防洪堤滲流網分析，防洪堤樁號3+000 斷面在設計水位下防洪堤下游在池塘邊的出逸坡降大于允許坡降值，不滿足規范要求。樁號4+500 斷面在設計水位下防洪堤下游堤腳粉土層的出逸坡降大于允許坡降值，不滿足規范要求。在高水位時堤基有產生滲透破壞的可能。現場檢查發現在高水位時堤基滲水有渾濁現象，特別在堤內池塘內更有泡泉帶砂的現象，表明堤基腳在高水位時存在滲透不安全隱患。

2.3.2 堤身穩定分析

（1）穩定安全系數

芳洲堤址所在地震基本烈度小于Ⅵ度，可不進行抗震穩定分析，而只進行靜力穩定分析。根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）的規定：當防洪堤處于正常運用條件時，采用瑞典圓弧法所要求的堤坡穩定安全系數為1.10。當防洪堤處于非常運用條件時，采用瑞典圓弧法所要求的堤坡穩定安全系數為1.05。

（2）計算內容

①穩定滲流期的下游堤坡；②水位降落期的上游堤坡。

（3）計算方法

堤坡靜力穩定計算采用剛體極限平衡法，對于均質堤采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法計算。本次堤坡穩定復核采用新疆水電勘察設計院編制的堤坡穩定分析計算程序。該程序可同時用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算上、下游堤坡最危險裂弧的最小安全系數。

（4）計算斷面的選擇

根據芳洲堤身的結構情況，計算時選擇與防洪堤滲流分析計算所選取的斷面。

（5）計算參數的確定

本次防洪堤穩定復核，防洪堤堤身填土物理力學指標及抗剪強度指標的確定均以地勘資料為主。防洪堤各區土料參數選取結果見表4。

表4 防洪堤各種土料的物理力學指標表

（6）堤坡穩定計算結果分析與穩定性評價

上游在設計水位工況：樁號3+000 斷面下游堤坡抗滑穩定安全系數為1.35；樁號4+500 斷面下游堤坡抗滑穩定安全系數為1.48。上游在設計水位驟降至堤腳工況：樁號3+000 斷面上游堤坡抗滑穩定安全系數為1.20；樁號4+500 斷面上游堤坡抗滑穩定安全系數為1.18。防洪堤堤坡在各種工況下抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

2.4 防洪堤加固工程設計

2.4.1 堤基防滲加固方案設計

根椐滲流計算現狀堤基出逸段滲透坡降均大于允許滲透坡降，故需對于砂或砂卵石強透水層堤段進行防滲處理。

（1）樁號0+000～3+100 和5+300～7+400 段，因堤基上部有一層低液限粘土，土質較均，較密，具有良好的防滲作用。由于堤內有許多池塘和深坑，破壞了其粘性土覆蓋層的連續性，按樁號3+000 斷面經計算出逸坡降為0.65 大于其允許坡降，在外河高水位時基礎易產生滲透破壞。本次加固設計對堤內塘、坑采用透水料平坑填塘蓋重防滲處理。

（2）樁號3+100～5+300 段，堤基上部僅有一層含砂低液限粉土（野外勘察鑒別似粉土質砂），該層具中等透水性，因堤基砂卵石層屬極強透水，故在粉土層出逸段的出逸坡降很大，按樁號4+500 斷面經計算出逸坡降達0.71，大于其允許坡降，在外河高水位時基礎易產生滲透破壞。本次加固設計采用施工工藝簡單、投資較省的堤后蓋重壓滲方案。針對堤基滲流險情，根據地形地質條件，結合江西省類似圩堤堤基防滲治理經驗，主要采用填塘固基的處理措施。

2.4.2 堤坡防護設計

現防洪堤上、下堤坡均雜亂無章。本次加固設計擬對防洪堤迎水坡設計洪水位+0.5 m 以下采用0.1 m 厚C15 砼預制塊護坡，下設厚10 cm砂卵石墊層，以上采用草皮護坡（現狀樁號2+440～3+145 及3+780～4+225 迎水面已應急實施了砼預制塊護坡）。

2.4.3 堤身防滲加固設計

因現狀防洪堤斷面很不規則，堤頂高程除首尾兩端局部略不滿足設計高程要求外，其它均滿足規范要求。椐地勘資料分析：現堤身首、尾堤段填土，為低液限粘土，土體較均勻，填筑尚密，低壓縮性，滲透系數K=10-4cm/s～10-5cm/s 數量級，綜合分析，屬弱透水性，基本滿足均質土堤的技術要求。堤身中段填土為含砂低液限粉土，結構稍密，滲透系數K＞10-4cm/s，中等透水性，不滿足均質土堤的技術要求。

本次結合堤坡加固和堤基處理對堤身填筑質量較差的樁號1+500～5+300 堤段采取上游側加設粘土進行防滲；其它不達標堤段也應在迎水面采用粘土培厚處理；粘土滲透系數要求≤10-5cm/s，土堤填筑壓實度不應小于0.91。

3 結語

為了改善圩堤內人民的生活環境，徹底擺脫洪澇災害的威脅，提高防護區內的防洪標準，改善原有耕地的耕作條件，解決居民的生命財產安全問題，因此迫切需要對現有防護區堤防進行加固，保障區域內防洪安全、糧食安全及居民生產生活安全，促進區域經濟社會可持續發展。