宋埠堤防滲加固設(shè)計(jì)方案分析

彭 力

（江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)分院,江西 宜春 336000）

1 工程概況

宋埠堤隸屬宜春市奉新縣和南昌市安義縣共同管轄,位于潦河中上游之右岸,堤線(xiàn)起自奉新縣的鄭家洲村,沿潦河西下,至安義縣上堡村高地,總長(zhǎng)19.70 km。其中樁號(hào)0+000~6+050、9+400~13+650為奉新縣管轄,樁號(hào)6+050~9+400、13+650~19+700為安義縣管轄。工程實(shí)施對(duì)象為對(duì)宋埠堤奉新縣管轄范圍內(nèi)樁號(hào)1+900~6+050、9+400~13+650 段進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),樁號(hào)0+000~1+900 段于2007 年已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)急加固處理。

2 工程地質(zhì)概況

堤身填土主要取自堤內(nèi)、外兩側(cè)地表土,以壤土、粉質(zhì)粘土及砂類(lèi)土為主,夾有薄層砂壤土、細(xì)砂等。其中樁號(hào)4+080~4+400、5+550~6+680、7+510~8+650、9+700~10+000、12+460~12+960、13+440~14+440堤段堤身主要由中細(xì)砂、中粗砂、局部為壤土、砂壤土夾中砂組成,具中等透水性,堤身防滲及穩(wěn)定性較差。

樁號(hào)1+900~3+480、4+200~6+050、9+645~13+650堤基表層為薄層粘性土（或砂性土）,下部為厚層砂性土,在汛期外河高水位的影響下,形成較高的水頭壓力,地下水易頂破薄弱鋪蓋（或無(wú)鋪蓋）地段涌出,形成管涌或泡泉,從而產(chǎn)生滲透破壞。

堤防內(nèi)側(cè)由于取土筑堤,分布眾多長(zhǎng)條狀溝渠、淵塘,致使堤內(nèi)粘性土蓋層有效厚度變薄,在持續(xù)高水位條件下,江水勢(shì)必沿滲流途徑較短、蓋層較薄弱處產(chǎn)生滲透破壞,汛期有多處堤段出現(xiàn)滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 加固前滲流計(jì)算分析

宋埠堤現(xiàn)狀主要險(xiǎn)段均無(wú)任何滲流觀(guān)測(cè)資料,本次滲流安全分析以地質(zhì)勘探成果和運(yùn)行管理中出現(xiàn)的問(wèn)題為基礎(chǔ),結(jié)合施工回憶等有關(guān)資料,采用有限元法進(jìn)行滲流安全分析評(píng)價(jià)。

（1）計(jì)算斷面的確定

根據(jù)宋埠堤險(xiǎn)段地質(zhì)剖面圖中堤身堤基的地質(zhì)情況,本次滲流計(jì)算選取5 處具有代表性的斷面作為典型斷面進(jìn)行分析。選取這些斷面進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果基本能反映出宋埠堤險(xiǎn)段實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

（2）滲透指標(biāo)的確定

本次計(jì)算斷面的滲流分析以我院近期室內(nèi)外土工試驗(yàn)成果為基礎(chǔ),綜合施工回憶及運(yùn)行期出現(xiàn)的問(wèn)題后確定。斷面分區(qū)的滲流系數(shù)是綜合考慮本次地質(zhì)勘察資料的室內(nèi)外土工試驗(yàn)成果,采用地勘建議值。

典型斷面分區(qū)的滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 加固前斷面滲透分區(qū)表

（3）滲透穩(wěn)定計(jì)算

1）計(jì)算模型及程序說(shuō)明

對(duì)于符合達(dá)西定律二向均勻、各向同性土體的滲流,當(dāng)土體完全固結(jié)時(shí),水頭函數(shù)符合拉普斯方程式：

與之相應(yīng)的定解條件為：

初始條件：hi=0=h（x,z,t）

邊界條件：水頭邊界hi=tl=h（x,z,t）

本次滲流理論計(jì)算分析采用水利部水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院（WWW.Lizheng·com·cn）編制的土石壩三維滲流計(jì)算軟件（3.2 版）［1］。軟件編撰依據(jù)為《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-1998）、《滲流數(shù)值計(jì)算與程序說(shuō)明》（毛昶熙等主編、河海大學(xué)出版社、1999.01）、《有限元法原理與應(yīng)用》（第二版、朱伯芳編著、中國(guó)水利水電出版社、1998.10）等。軟件采用Windws9 x（2000）軟件環(huán)境,界面友善、操件簡(jiǎn)單直觀(guān)、輸入動(dòng)態(tài)顯示、自動(dòng)成圖。軟件適用于飽和土和非飽和土理論,適用于不規(guī)則邊界和各向同性（或各向?qū)裕B流場(chǎng),能有效解決各種堤壩復(fù)雜滲流狀況的穩(wěn)定滲流分析問(wèn)題,又可用來(lái)研究水庫(kù)水位上升、下降情況下的非穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

2）荷載組合

根據(jù)規(guī)范《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）結(jié)合本工程實(shí)際情況,滲流分析計(jì)算考慮上游設(shè)計(jì)洪水與下游相應(yīng)的最高水位組合情況。計(jì)算工況為：①設(shè)計(jì)水位下背水側(cè)堤坡的穩(wěn)定（穩(wěn)定滲流期）,外河水位取P=5%的設(shè)計(jì)洪水位,堤內(nèi)水位取內(nèi)堤腳高程或堤腳池塘最高水位；②設(shè)計(jì)洪水位降至堤腳時(shí),迎水側(cè)堤坡的穩(wěn)定（非穩(wěn)定滲流期）。

3）計(jì)算堤坡允許滲流坡降值：

式中：Jc為堤坡出逸臨界滲透坡降；γ1＇為土料浮容重,γ1＇=9.8；γ為水容重,γ=9.81；φ為土料內(nèi)摩擦角；β為下游堤坡坡角；C為土料凝聚力。

在滲透出口處土料的凝聚力遠(yuǎn)小于試驗(yàn)所得的數(shù)值,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可取試驗(yàn)值的1/3~1/4。

各典型斷面允許坡降計(jì)算值見(jiàn)表2。

表2 各典型斷面允許坡降計(jì)算值

（4）滲流計(jì)算結(jié)果分析

按上述工況組合進(jìn)行計(jì)算,各典型斷面滲透坡降值及單寬流量值見(jiàn)表3。

表3 加固前各典型斷面計(jì)算滲透坡降及單寬流量值表

1）整體安全性分析

根據(jù)各典型斷面有限元法計(jì)算分析,穩(wěn)定滲流期滲流性態(tài)符合均質(zhì)堤防滲流場(chǎng)分布規(guī)律。

2）局部滲透分析

根據(jù)地勘資料,堤基各土層允許滲透坡降［J］見(jiàn)表4。

表4 堤基各土層允許滲透坡降建議值

由表3可以看出,在設(shè)計(jì)洪水期的穩(wěn)定滲流期,在典型斷面樁號(hào)1+904、3+000 堤身堤基滲透坡降均小于設(shè)計(jì)允許值,可不進(jìn)行防滲處理。樁號(hào)3+900、4+800、11+190 堤基最大水平滲透坡降均大于允許滲透坡降；在實(shí)際運(yùn)行中各險(xiǎn)段堤身堤基已出現(xiàn)不同程度的滲漏、堤坡散浸等險(xiǎn)情,這是由于局部堤身單薄、堤基覆蓋層太薄或基本缺失所致。本次加固應(yīng)對(duì)險(xiǎn)情段分別進(jìn)行堤身堤基防滲處理。

3.2 加固前堤坡穩(wěn)定計(jì)算分析

計(jì)算工況為：①設(shè)計(jì)水位下背水側(cè)堤坡的穩(wěn)定（穩(wěn)定滲流期）,外河水位取P=10%的設(shè)計(jì)洪水位,堤內(nèi)水位取內(nèi)堤腳高程或堤腳池塘最高水位；②設(shè)計(jì)洪水位降至堤腳時(shí),迎水側(cè)堤坡的穩(wěn)定（非穩(wěn)定滲流期）。各典型斷面堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表10。

表5 樁號(hào)1+904加固前各典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

表6 樁號(hào)3+000加固前各典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

表10 加固前各典型斷面堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

表7 樁號(hào)3+900加固前各典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

表8 樁號(hào)4+800加固前各典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

表9 樁號(hào)11+190加固前各典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

根據(jù)規(guī)范規(guī)定,正常運(yùn)用條件下5級(jí)堤防抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc≥1.10,由表10可知,各典型斷面安全系數(shù)值均大于允許值,現(xiàn)狀堤坡穩(wěn)定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 防滲加固設(shè)計(jì)

4.1 堤身防滲加固設(shè)計(jì)

因樁號(hào)4+000~4+400、5+550~6+050兩段于2010年已進(jìn)行應(yīng)急加固設(shè)計(jì),采用深層攪拌樁堤身防滲處理,現(xiàn)已施工完成,故本次不再重復(fù)列項(xiàng)。樁號(hào)9+700~10+000、12+450~13+000、13+400~13+650堤段結(jié)合本次設(shè)計(jì)斷面培厚,該三段堤身防滲采用粘土防滲斜墻方案［2］,設(shè)計(jì)總長(zhǎng)1100 m。

堤身粘土防滲斜墻布置在迎水坡,斜墻頂高程為設(shè)計(jì)洪水位以上0.5 m,水平頂寬不小于3.0 m,下部截滲槽底寬不小于3.0 m,開(kāi)挖邊坡1∶1,伸入堤基覆蓋層內(nèi)不小于1.0 m。斜墻外坡坡比設(shè)計(jì)1∶2.5。堤身粘土防滲斜墻設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1≤1×10-5cm/s,壓實(shí)度 ≥0.91。

4.2 堤基防滲加固設(shè)計(jì)

1）堤基防滲方案比選

樁號(hào)10+480~10+600、11+150~12+550河灘較窄且枯水位較低可采用臨水側(cè)粘土防滲方案（粘土截滲槽）與填土壓浸兩方案比較。具體見(jiàn)表11。

表11 樁號(hào)11+150~12+550兩種方案主要工程量及造價(jià)比較表

由表11可以看出, 方案I造價(jià)遠(yuǎn)低于方案II,且方案II征地困難影響施工進(jìn)度,故本次設(shè)計(jì)樁號(hào)10+480~10+600、11+150~12+550段選取粘土截滲槽方案。

2）臨水側(cè)堤基粘土防滲方案（粘土截滲槽）設(shè)計(jì)

堤基粘土截滲槽布置在岸坡,頂高程平岸坡頂高程且保證河灘地有效防滲覆蓋層厚不小于1.5 m,水平頂寬不小于3.0 m,下部截滲槽底寬不小于3.0 m,開(kāi)挖邊坡1∶1.5,截滲槽底高程伸至堤基基巖面。外坡坡比設(shè)計(jì)1∶2.5。粘土截滲槽設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1≤1×10-5cm/s,壓實(shí)度 ≥0.91。

4.3 加固后滲流分析計(jì)算

堤身堤基加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算原理方法,計(jì)算工況、計(jì)算斷面同加固前,因本次加固新建土堤,故加固后增加新建土堤段典型斷面。經(jīng)加固前滲流計(jì)算樁號(hào)1+904、3+000 堤身、堤基滲透坡降均滿(mǎn)足要求,本次未進(jìn)行加固,不再進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算斷面各土層滲透計(jì)算參數(shù)表及穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表見(jiàn)表12、表13,各典型斷面滲透坡降值及單寬流量值見(jiàn)表14。計(jì)算結(jié)果表明,加固后各典型斷面各出逸坡降Jmax＜J允,堤身、堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算成果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表12 加固后典型斷面滲透分區(qū)表

表13 加固后典型斷面穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

表14 加固后各典型斷面計(jì)算滲透坡降及單寬流量值表

4.4 加固后堤坡穩(wěn)定計(jì)算

堤坡穩(wěn)定計(jì)算原理方法,計(jì)算工況、計(jì)算參數(shù)同加固前,采用典型斷面樁號(hào)9+600進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及圩堤險(xiǎn)情情況,上下游堤坡擬定1∶2.5進(jìn)行計(jì)算,堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表15。

表15 加固后各典型斷面堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表15得,新建土堤穩(wěn)定計(jì)算成果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

宋埠堤堤身、堤基防滲加固設(shè)計(jì)采用粘土斜墻結(jié)合粘土截水槽方案,設(shè)計(jì)方案合理,加固措施有效、經(jīng)濟(jì)、安全,工程實(shí)施后,宋埠堤能防御潦河10年一遇洪水,保證堤內(nèi)的防洪安全,為堤內(nèi)提供安定的生產(chǎn)、生活環(huán)境,促進(jìn)堤內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。