堤后減壓溝及反濾層工程設計綜述

姜 楠

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 工程概況

撓力河干流虎山村堤防位于七臺河市茄子河區虎山村境內，堤防長度4.01km。堤防防洪設計標準為20a一遇，堤防級別為Ⅳ，現狀堤頂寬4.0m，堤防筑堤材料為黏土料，迎水面與背水面邊坡坡比1∶2.5。

撓力河治理工程對七臺河市茄子河區段堤防進行除險加固設計，通過對堤防典型斷面進行滲透穩定復核，堤防斷面不滿足穩定要求，需布設減壓溝及反濾層進行堤基滲控處理，提高堤基滲流安全性。

2 地質條件

堤防所在地貌主要為撓力河漫灘，起點及終點位于漫灘與坡積裙相接處。地表高程142.48～147.90m，地勢平坦。堤基粗砂層中的地下水位與河水聯系密切，在汛期高水頭作用下易發生管涌滲透變形。級配不良粗砂允許比降J允=0.20。

表1 堤基工程地質條件分類表

3 堤基滲透穩定復核計算

3.1 地基類型

根據工程地質勘察所揭示的堤基地層結構，撓力河茄子河區大部分堤段堤基為雙層結構地基。上薄黏性土下砂性土雙層結構堤基是指堤基表層弱透水層厚度在0.50～1.50m之間，下部為粉土質砂、含細粒土砂、級配不良砂等，堤基存在滲透穩定隱患。

3.2 堤基滲透破壞形式

上薄黏性土下砂性土多層結構地基相對不透水的天然表土層受其底部衰減很慢的承壓水頭作用，當其自重不足以抵抗所受的承壓水頭作用時便會被頂穿或隆起，產生翻砂，泉眼群等險情，為防止上述原因產生的堤基滲透破壞，需要平衡承壓水頭。

3.3 堤基滲透穩定復核計算

堤基滲透穩定分析分別從上薄黏性土下砂性土雙層結構地基堤防和透水地基均質土堤，各選取典型斷面進行滲流計算。

3.3.1 上薄黏性土下砂性土地基的滲流計算

上下游弱透水層長度，按上游弱透水長度有限，下游弱透水層按天然長度計算。弱透水層下承壓水頭計算：

(1)

式中：h為弱透水底部承壓水頭，m；A為越流系數；K0為透水層滲透系數；T1為弱透水層深度；T0為透水層有效深度；T無限時， T0=(0.5-1.0)(L+m1H)；H為上游水頭；m1為上游邊坡；L為上、下游水位水平段長；b為堤防斷面底寬。

設不同x計算出不同弱透水層下承壓水頭h。雙層地基堤段滲流計算結果見表2。

表2 雙層結構地基典型斷面滲流計算成果表

由計算結果可知，計算斷面下游滲透出逸比降不滿足允許比降，應設置排滲減壓措施。

3.3.2 透水堤基均質土堤坡面滲流計算

3.3.2.1 沿坡面滲出段

(2)

式中：m2為下游邊坡；h0為出逸高度；J為出逸比降；y為距堤腳高度，m。

3.3.2.2 沿堤基基礎水平段

(3)

式中：m2為下游邊坡；h0為出逸高度，m；J為出逸比降；x為距堤腳距離，m。

砂基滲流計算成果詳見表3。

表3 砂基典型斷面滲流計算成果表

由計算結果可知，計算斷面堤腳后堤基出逸比降不滿足要求，堤后存在滲透破壞的隱患，應設置排滲減壓措施。

4 堤基防滲處理

存在破壞隱患的堤段需設置排滲減壓措施。結合虎山村堤防背水側堤腳現狀緊鄰天然排水溝，不適宜做蓋重、壓滲處理。考慮采用排水減壓溝設計方案。

4.1 排水減壓溝設計

減壓溝溝底半寬b0=0.25m，砂面溝半寬b=1.25m，溝邊坡1:2.0，溝深入砂層D=0.5m，透水地基厚度T=6.0m。左側補給水頭H=H1=2.2m，右側補給水頭H2=1.66m。上游弱透水覆蓋土層長度L1=40m，下游弱透水覆蓋土層長度L2=1000m，堤底寬度L′=31.0m，透水層滲透系數k=5×10-3cm/s=4.32m/d，溝周邊長l=2.74m。

(4)

經計算，水頭ˉH=2.16m，長度ˉL=66.29m。考慮覆蓋土層不透水，按下述公式計算滲流量及出逸比降。

(5)

式中：b和b0為深入強透水砂層中梯形溝深為D的頂寬和底寬之半。

溝后回升或剩余水頭為：

(6)

式中：q為入溝單寬流量，m3/s；he為溝后回升水頭，m；J為溝前坡出滲坡降；β為不完整溝修正系數；α為迎流集中系數。

經計算，α=2.67，β=0.83，he=0.089m，q=0.82m2/d，J=0.185。計算坡降小于土層允許比降J允，滿足設計要求。

4.2 排水減壓溝反濾層設計

反濾層設計被保護土料為級配不良粗砂，反濾層位于被保護土層上部，屬Ⅱ

型反濾。堤腳后減壓排水溝深入砂層D=0.5m，綜合考量，取反濾排水帶平均厚度0.5m，上覆20cm厚碎石墊層。

反濾排水帶反濾料保護對象為級配不良粗砂，根據地質報告中提供的地基砂性土顆粒組成統計表，粒徑<0.005mm的黏粒含量為0.8%，<3%，顆粒間不具有黏結力，現對保護該無黏性土進行反濾設計，砂礫料資料取自砂礫料場勘探成果。

為防止被保護土層不向反濾層流失(保土準則)，被保護土和反濾層的下包線特征粒徑D15max按下式進行計算：

D15max≤4d85

(7)

為保證反濾料的透水性(透水準則)，反濾層滿足排水要求時的上包線特征粒徑D15min按下式進行計算：

D15min≥5d15

(8)

式中：d15、d85為被保護土的粒徑，小于該粒徑的土分別占總土重的15%和85%。

根據堤防堤基土體物理力學指標統計表可知，d15=0.25mm，d85=2mm。為防止采用間斷級配，本次設計的反濾料過篩率為60%粒料中任一粒徑最大值與最小

值的比率取2，反濾料級配范圍上下包線不均勻系數η=6。

因此，綜合各條件計算得：D15max≤4d85=8.0mm，取D15max=6.0mm①；D15min≥5d15=1.25mm，取D15min=3.0mm②；D10max=D15max/1.2=5.0mm(系數1.2由η取值，D15和D10連線的坡度確定)；D60max=6D10max=30.0mm③；D60min= D60max/2=15.0mm④；依據最大最小粒徑準則，被保護土D5min=0.075mm⑤，D100max=72.5mm⑥；D10min=D15min/1.2=2.5mm；依據《碾壓式土石壩設計規范》表B.0.9防止分離的下包線D90和上包線D10粒徑關系表可知，被保護土D90max=40.0mm⑦。

反濾料級配的設計成果為，連接控制點④②⑤確定反濾料的上包線，連接⑥⑦③①確定反濾料的下包線，將上下包線延伸至100%。繪制的反濾設計控制點見圖2。

砂礫料場的天然砂礫料不滿足此要求，需要進行篩分，篩分后的土料顆分曲線匯入反濾設計控制點示意圖，曲線應在上下包線范圍內，篩分后顆粒粒徑滿足反濾要求。同時，篩分后細顆粒料不均勻系數η控制在5-8之間，表明篩分后反濾料級配良好。

反濾料采用經過篩選的砂礫石料，應復核下列要求：①質地致密，抗水性和抗風化性能較好，無針、片狀顆粒。根據規范《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2020)砂礫料反濾層填筑的“相對密度≥0.70”；②反濾料滲透系數≥10-3cm/s；③反濾料中粒徑<0.075mm的顆粒含量<5%；④滿足連續級配，保證基礎滲透穩定性。

5 結 語

滲流控制是堤防建設工程中的重要項目，滲控方法亦是多種多樣。排滲減壓，對于雙層或透水地基上的堤防來說，是最經濟有效的滲控措施。文章結合工程實際地形條件，因地制宜，采用挖深到砂層中的明溝降低承壓水頭，結合反濾層設計，解除安全隱患，防止管涌的發生，有效避免了洪水災害對人民生命財產安全造成損害。