堤防加固工程滲流穩定和堤坡穩定計算與措施

王 婷

（蕪湖市水利工程建設管理處,安徽 蕪湖 241000）

0 引言

我國地域遼闊,許多大河源遠流長,這也意味著我國常年遭受洪澇的困擾,洪澇災害歷來是我國的主要要害[1]。威脅著人們的正常生活,并給生活在長期遭受洪澇災害的地域的百姓帶來巨大困惑[2],水災主要發生在長江、黃河等我國大江大河的中下游地區。因此堤防工程是洪澇災害防治中最有效的一種措施。

1 工程概況

荊山河本次治理的河段是自方村河至歐陽河段,總長為16.4 km,主要建設內容為荊山河、竹港河、歐陽河河道疏浚、擴挖、護坡護岸等。結合現場調查及工程勘察情況,荊山河水系整治工程的主要內容包括堤防加固及防汛道路、河道疏浚以及連通涵閘等建筑物。青弋江分洪道工程實施后,原荊山河白了灘右閘至四門站處的河道歸于青弋江分洪道,占用段兩端均已封堵或建閘控制,形成上下兩段兩條不相連的荊山河,即蕪湖縣荊山河和蕪湖市荊山河。蕪湖市荊山河位于原荊山河下段,下游在荊山圩王屋附近建荊方站與青弋江相通,上游在陶辛圩四大門處建荊山河閘與青安江相連,全長約 20.6 km,其右側有歐陽河與青弋江相通,左側有竹港河與青安江相通。

最近幾年,荊山河下游地區針對防洪措施也逐步進行了一些防洪工程措施,實施了城南圩堤防加固、涵閘更新改造、青弋江分洪道工程、青弋江治理工程得到較大程度的改善,但在城南圩與荊山圩等聯圩實施后,荊山河上游段方村河段、青安江段、埭南圩段荊山河側新城南圩封閉圈堤堤防尚存在部分堤防堤身、堤基質量差、斷面不達標、堤防標準低等問題,需進一步完善該區域的防洪治理工程。

荊山河除下游段利民路橋至杭家凸村（文革斗門）總長為 8.012 km 河段近年進行疏浚治理外,其余河段包括竹絲港河、歐陽河等支流未按排澇要求進行疏浚治理,導致局部河道淤積嚴重,現狀河底高程普遍在4 m 以上,難以滿足城市排澇要求。另外荊山河沿岸水系因各自的地形條件、地理位置等因素,水位較難銜接,需要在荊山河水處修建控制涵閘等建筑物。

2 堤防加固工程計算

2.1 滲流穩定計算

本次堤防治理范圍從樁號4+730 至樁號11+060,總長6.33 km,堤防等級為二級。擬加固堤段堤防堤高 6 m~7 m,堤頂現狀為土路,堤坡無護坡措施。堤防為就近取土堆筑而成,經過歷次加寬加高,堤身斷面呈梯形。堤身成分主要為中、重粉質壤土,夾雜少量砂壤土等,存在裂隙、孔洞。根據上述描述分析,對河道全堤段堤基進行結構劃分,見表1。

表1 堤防堤基地質結構分段表

由表1 可知,對于Ⅱ1及Ⅲ2類堤基,均存在有抗滑穩定等問題：對于Ⅲ1類堤基還存在滲透穩定問題。總體來看堤坡整體穩定性一般,部分臨溝塘堤段存在險情隱患。

滲流穩定計算公式如下：

式中：A 為越流系數；k1為弱透水地層滲透系數；T0為強透水地層的厚度；T1為弱透水地層的厚度；L 為河堤上游水位高度與上游堤坡交叉點距離下游堤腳位置；H 為堤防高度；J 為土的臨界水力比降；G 為土比重；n 為孔隙率；h 為強透水地層滲透系數。

滲流穩定計算公式參數值,見表2。

表2 滲流穩定計算公式參數值

滲流穩定計算結果,見表3。

表3 滲流穩定計算結果

堤身填土注水試驗成果,見表4。

表4 堤身填土注水試驗成果表

根據鉆探資料及試驗結果顯示,樁號F5+128,試段位置深度為0~6 m 滲透性為中等偏強和弱,F5+792 試段位置深度為0~9 m 滲透性為中等偏強和中等。由此可以看出本圩堤在修建整改的過程中存在處理不徹底問題。因此部分堤段堤身在汛期高水位時,易產生散浸、滲漏等險情。另外,通過走訪調查,據當地村民介紹,本段堤防在汛期高水位時,堤內坡腳處存在散浸現象。

2.2 堤坡穩定計算

由于荊山河堤防加固工程堤防的長度比較長,治理上存在一定困難,根據地質勘探報告分析,堤身土體主要由重粉質壤土組成。根據《堤防工程設計規范》相關內容顯示,通過瑞典圓弧滑動法來進行堤坡穩定計算,一共可以分為兩種工況,分別是正常工況和非常工況。

正常工況：根據荊山河河道行洪特點和蓄滯洪區的綜合運用情況,綜合分析得出結論,河道在行洪期間相對穩定,基本不存在水位驟降的情況,給加固工程帶來保障,不必考慮突然驟降的情況[3],并且當蓄滯洪區啟動的時候,河道受到影響后,河道的水位會比較高,一般滯蓄洪水的時間平均在15 d以上,在這樣情況下,河道可以形成穩定的滲流,當蓄滯洪區處于退洪時,這時水位開始慢慢下降,處于退水狀態[4]。

非常工況：在非常工況施工期間,由于土體整體的強度計算方法不同,導致堤坡穩定計算方法也有不同,因此采用有效應力法。

穩定滲流期抗滑穩定安全系數可按下方公式計算：

式中：Z 為堤坡外水位高于條塊底面中點的距離；b 為條塊的寬度；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力；u為穩定滲流期堤身；W為條塊重力；c 為土的抗剪強度指標。

堤坡穩定計算公式參數值見表5,堤坡穩定計算結果見表6。

表5 堤坡穩定計算公式參數值

表6 堤坡穩定計算結果

通過以上結果分析可以看出,各堤防的安全系數比較高,斷面迎水坡和背水坡安全系數符合標準要求,并且相對穩定,不會造成太多施工困難,因此滿足抗滑穩定的要求。

3 建議措施

為保證荊山河堤基滲流的穩定性,加固河道工程,根據不同的堤基地質條件和堤基種類,不斷完善堤基鞏固,在堤防加固時采取了填塘固基、背水側透水蓋重、減壓溝等堤基滲流控制措施。

1）填塘固基。早期堤防鞏固工程大多數是由人們鄰近取土漸漸填筑而形成,迎、背水側堤腳的附近形成了非常多大小不一的深塘。形成的這些深塘對堤防的安全系數有嚴重影響,填塘固基就是將迎水側堤腳附近的較多深塘使用粘性土、背水側堤腳附近較多深塘使用砂性土進行填平,以此來增加堤防鞏固的抗滲穩定和抗滑穩定性,這是一種全堤線都很適用的常規加固措施[5]。

2）背水側透水蓋重。對河道上方為弱透水覆蓋層、下方臥為深厚透水層的堤基和單一性砂性土的型堤基,若對堤防迎、背水側執行完填塘固基后,河道堤基滲流穩定系數依然不滿足條件,則需要在堤防背水側加設透水蓋重,用此方法來降低覆蓋層的滲透出逸坡降,增加覆蓋層的抗滲穩定性。蓋重寬度及厚度通過滲流穩定計算來確定。蓋重頂面一般設置橫向坡,橫向坡比例為1∶100~1∶50,這樣更有利于雨水的有效排除,因此來避免堤腳形成嚴重的積水、并形成沼澤。背水側蓋重材料的透水性嚴格要求需要大于覆蓋層10 倍以上,否則會增加覆蓋層下的滲流水位,減弱覆蓋層的抗滲穩定性,會得不償失。

3）減壓溝。在開挖減壓溝之后,將堤基覆蓋層切斷,大大縮減了堤基水平防滲長度,并且增添了堤身的基本高度,為了能高效精準地保證堤基下臥砂層的水平滲透穩定性和堤防抗滑穩定性,一般需求將減壓溝布置在堤防背水側堤腳平臺以外的區域,并更適合與迎水側防滲鋪蓋的鞏固方案一起使用,以此來加長滲徑的長度。由于堤后的減壓溝,不利于堤防抗滑穩定性,且溝底可能存在淤積、減壓效果減退,因此也可以用符合級配需求的中粗砂將減壓溝填平,制造成排滲暗溝形式。

4 結語

以荊山河防洪治理工程為例,進行滲流穩定與堤坡穩定計算,計算結果顯示,本圩堤在修建整改的過程中存在處理不徹底問題,部分堤段堤身在汛期高水位時,易產生散浸、滲漏等險情；各堤防的安全系數比較高,斷面迎水坡和背水坡安全系數符合標準要求,并且相對穩定,不會造成太多施工困難,因此滿足抗滑穩定的要求。根據上述結果提出采用填塘固基、背水側透水蓋重、減壓溝等堤基滲流控制措施,以供參考。