汪甸防護堤堤基滲流分析及加固設計

陸迎壽

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

百色市汪甸防護工程位于右江樂里河支流上，地處樂里河左岸汪甸鄉政府后汪垌片一帶，東起汪甸水文站，西至塘房橋頭。2005年動工興建，2007年進行了堤基防滲帷幕灌漿處理。

堤防區位于百色水利樞紐庫區樂里河左岸，為山間河流沖積階地，地形較平緩，向樂里河微傾斜，高程220～229.5 m。堤基為典型雙層地基結構，下層為含泥漂卵石，膠結松散，易塌孔，為強透水層，上層為粉質粘土層，厚度1～4 m，為弱～微透水層。2016年9月21日上午，已在高水位運行多天的防護堤因堤基漂卵石層局部區域發生管涌導致潰堤，給防護堤內的人民生產生活造成嚴重影響。為解決防護區的工程安全，對防護堤采取堤內填高壓滲的設計方案進行加固。

2 工程設計方案[1]

對于下臥層為強透水的堤基，其處理方案多種多樣，比如堤基防滲帷幕、塑性混凝土心墻、堤后減壓排滲井、土工布截滲、堤前和堤后下游側設反慮鋪蓋延長滲徑，劈裂灌漿等技術手段[2]，為徹底解決汪甸防護堤的滲透安全問題，提出了如下3個設計方案進行比選。

（1）方案一：堤內填高壓滲方案。堤內填高壓滲方案在應急搶險基礎上對堤后防護區整體進行填高壓滲設計，并在遠離堤腳處設滯洪塘，在堤后培厚體后新建貼坡排水體和排水溝；由于應急搶險掩埋了原堤基排滲井，故本階段在距堤腳120 m處設排滲井，間距15 m，排滲井滲水通過排水農溝流至滯洪塘。

（2）方案二：堤基防滲帷幕補強方案。堤基防滲帷幕補強方案在應急搶險基礎上沿堤軸線重新對堤基防滲帷幕進行補強，灌漿封堵原排滲井；在培厚體后新建貼坡排水體和排水溝，新設排滲井。

（3）方案三：堤基塑性混凝土防滲墻方案。堤基塑性混凝土防滲墻方案在應急搶險基礎上在堤頂設置塑性混凝土防滲墻，貫通至基巖，在堤后培厚體后新建貼坡排水體和排水溝，新設排滲井。

方案一需對堤后農田全部進行整治，但填高需要大量土石料，征地范圍較大，投資也較其他方案較省，且堤后填高后延長了滲徑，對堤身與防護區的安全有利，同時減少堤后農田浸沒的情況。方案二具有占地少、施工期短的優點，但帷幕年久后容易失效，需要對其進行補灌，堤后排滲井容易堵塞，后期運行維護費用高，堤后滲漏量大，且堤后農田浸沒問題仍有可能存在。方案三與方案二的區別在于防滲方式不同，塑性混凝土防滲墻相比防滲帷幕，防滲效果與安全性更有保障，但由于防護堤下部基礎為含泥漂卵石層，造孔做塑性混凝土垂直防滲墻時造價高、工期緊張，施工成功的風險大、效果難以保證。

經綜合比較后，本工程擬推薦方案一作為本次工程修復加固方案。

3 滲流計算及填高壓滲加固設計

3.1 設計理論

3.1.1 滲流計算有限元法

根據滲流計算條件，將研究區域離散化，再以總水頭為未知變量，建立關于總水頭的矩陣方程式，其基本計算公式如下：

式中：[K]為滲透系數矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為流量向量；t為時間。

3.1.2 填高壓滲計算原理

土石堤背水側各點的透水蓋重厚度計算公式如下[3]：

式中：ti為i處的蓋重厚度，m；hi為根據滲流計算求得的i處的表層弱透水層承壓水頭，m；Gs為表層弱透水層土粒的比重；n為表層弱透水層土粒的孔隙率；t1為表層弱透水層厚度，m；ρ為蓋重土石料的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；K為蓋重安全系數。

3.2 防護區滲流場分析

汪甸防護堤內的防護區雙層地基土分布不一，為合理獲得防護堤后粘土鋪蓋下表面的承壓水頭，采用有限元法對典型斷面進行分析，根據地質勘察資料[1]，選擇堤基漂卵石滲透系數較大的2+081.6斷面進行研究。2+081.6現狀滲流分析剖面見圖1，各層土的滲透參數見表1。

圖1 2+081.6現狀滲流分析剖面模型

表1 各層土滲透參數表

根據百色水庫運行調度規則，本研究采用外江水位為228.120 m，內江水位與原地面齊平的邊界條件進行滲流場計算，典型斷面總水頭分布云圖及粉質粘土鋪蓋下表面距堤腳0、25、50、…、300 m的水頭值分別見圖2和表2。從表2可以看出，弱透水層底部承壓水頭離堤腳越遠，其值逐漸變小，最為危險的在于距堤腳100 m的范圍內，其承壓水頭在3 m以上，如若該范圍內弱透水層的重量不足以抵抗由此承壓水頭產生的頂托力，將導致弱透水層頂穿，進而演化為底部強透水層發生管涌通道，危害堤身安全。為此，有必要根據滲流計算的承壓水頭復核堤后弱透水層的滲透穩定性。

表2 典型斷面承壓水頭計算表m

圖2 總水頭分布云圖

3.3 堤后填高壓滲加固設計

根據蓋重理論計算公式，計算典型斷面堤后距堤腳0、25、50、…、300 m的蓋重厚度成果見表3。

由表3可知，堤后100 m范圍內均需要填高壓滲才能保證弱透水層不被底下的承壓水頭頂托破壞。由計算可得，當不考慮堤基防滲帷幕效果時，汪甸防護堤堤腳處至少需要壓重至223.645 m高程才能滿足外江水位為設計水位的作用。越遠離堤腳，所需壓重厚度逐漸減小，至約100 m之外，靠弱透水層重量即抵消底部承壓水頭的作用。

表3 堤后填高壓滲計算表

經研究，考慮到防護堤后人們的生產、生活，建議將堤后240 m范圍內整體抬填至224.0 m高程。堤后蓋重材料采用土石混合料，要求滲透系數大于1.0×10-4cm/s，土石混合料填筑至223.0 m高程。土石混合料之上設保水土層，厚0.5 m；表層設耕植土層，厚0.5 m。同時，為確保防護區的安全，建議在距堤腳100 m處設減壓排滲井，充分降低弱透水層底部承壓水頭，并在堤后設3排測壓管以監測弱透水層底部承壓水頭。經滲透穩定復核驗算，防護堤經過加固設計后，可滿足堤后弱透水層的滲透穩定性要求。

4 結語

對于多層復雜堤基，可通過有限元法準確計算其滲流場，從而評價各層土的滲透穩定性。本文依托百色市汪甸防護堤搶險修復應急工程項目，采用有限元法計算復雜多層堤基各層土的滲流場，準確獲得弱透水層底部承壓水頭，進而采用蓋重理論公式計算堤后弱透水層上的蓋重厚度，從而有效地指導堤后防護區的填高壓滲加固設計。