漢江下游堤防工程滲控分析及治理措施

李延春 朱琛潔 李 婷 劉萬浩

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

湖北省漢江下游堤防位于漢江下游兩岸、湖北省中心腹地，是漢江河道主要的防洪體系。目前漢江下游堤防有三大特點(diǎn)：一是堤防填土成分復(fù)雜，填筑土組成及密實(shí)程度差異性較大，堤身砂壤土含量較高，砂基砂層較厚；二是漢江下游干流兩岸保護(hù)區(qū)內(nèi)地面高程低于常年洪水位，而下游河道的泄洪能力不僅小于洪水來量且自上而下遞減，各河段的泄洪能力很不平衡；三是漢江下游出口河段的泄洪能力還受長(zhǎng)江水位的頂托影響，致使泄洪不暢。因此，歷史上漢江下游堤防洪水災(zāi)害頻繁，在1935年，1964年、1983年及2003年洪水來臨時(shí)，發(fā)生較多散浸、管涌、翻砂鼓水等險(xiǎn)情，對(duì)漢江下游地區(qū)造成了不同程度的洪災(zāi)損失。本文根據(jù)漢江下游堤防隗家洲管涌群險(xiǎn)段的出險(xiǎn)情況、堤防地質(zhì)條件等對(duì)險(xiǎn)情原因進(jìn)行滲控分析，并根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果探討防滲墻、蓋重、填塘等治理措施的實(shí)施及效果。

1 漢江下游堤防隗家洲出險(xiǎn)情況

隗家洲管涌群險(xiǎn)段位于漢江干堤左岸樁號(hào)232+500～232+650，該段堤頂寬8m，邊坡為1:3，外灘平均寬度700m，外灘高程34～35m（1985 國(guó)家高程），堤內(nèi)距堤腳450m 處，為磚廠取土場(chǎng)，地面高程為33m，磚廠取土造成該地段大面積坑塘，塘深3～5m。

2010 年汛期，在樁號(hào)232+650 距內(nèi)堤腳430m 堤內(nèi)磚廠取土場(chǎng)管涌6 個(gè)，其中孔徑0.4m 的1 個(gè)，0.03m 的5個(gè)，帶青砂，水冰涼，涌水高度0.1m，險(xiǎn)情高程26.0m。

2011 年汛期，在樁號(hào)232+500 距內(nèi)堤腳430m 堤內(nèi)磚廠取土場(chǎng)出現(xiàn)管涌群，共5 個(gè)，其中孔徑0.6m1 個(gè)，0.03～0.10m4 個(gè)，帶青砂，水冰涼，雍水高度0.4m 左右。出險(xiǎn)時(shí)外江水位39.91m，超警戒水位0.41m。險(xiǎn)情地面高程26.0m。取土場(chǎng)長(zhǎng)約300m，寬約200m，深度7～8m。

2 險(xiǎn)情特征分析

隗家洲管涌群險(xiǎn)段堤身填土大都在堤內(nèi)外就近取土，填土成分復(fù)雜，主要為第四系沖積物，巖性主要為壤土、砂壤土，局部夾少量的黏土，部分堤段有砂壤土夾粉砂、粉砂及腐植物，堤身黏性土一般呈可硬塑狀，具中等壓縮性，局部高壓縮性，密實(shí)程度極不均一，主要為中密～稍密狀，透水性差異較大。該段為堤身工程狀況較差的堤段，屬Ⅲ類。堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)為II類；堤基主要為壤土、砂壤土及粉細(xì)砂等透水性較強(qiáng)土層組成，砂性土頂板較高，上部壤土等相對(duì)隔水層厚度較薄（約為2m），本段堤基工程地質(zhì)條件差，屬IV類。

出險(xiǎn)時(shí)段堤外水位超警戒1m，管涌出險(xiǎn)在距離堤內(nèi)腳450m 的坑塘內(nèi)。主要是由于磚場(chǎng)取土影響，形成了局部坑塘，塘深3～5m，黏性土蓋層被全部損毀，堤基砂性土貫通堤內(nèi)、外，加之堤防高水位浸泡時(shí)間長(zhǎng)，含水趨近飽和，對(duì)堤基砂土影響較大，在高水位的水頭壓力下，江水沿透水通道向堤內(nèi)滲透，導(dǎo)致出現(xiàn)管涌群。

3 險(xiǎn)情滲控分析

該堤防工程采用有限元方法進(jìn)行滲控分析，在歷年汛期高水位情況下，堤防現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的險(xiǎn)情和處理效果與有限元計(jì)算結(jié)果基本相似，對(duì)險(xiǎn)情處理具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性，本次計(jì)算采用河海大學(xué)AutoBank 二維有限元滲流計(jì)算程序。

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘成果，堤防土體滲透系數(shù)見表1。

表1 堤防土體滲透系數(shù)表

3.2 險(xiǎn)情斷面滲控分析

根據(jù)堤基土層的分布狀況，在前述分類的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定性計(jì)算，以了解堤防的堤基滲流狀態(tài)，評(píng)價(jià)滲控措施的防滲導(dǎo)滲效果。選擇232+500 斷面，分為加固前原狀斷面、防滲墻、防滲墻+蓋重3 種工況進(jìn)行滲控計(jì)算分析[2]，計(jì)算結(jié)果見表2所示。3種工況下的堤身滲流情況分別如圖1～圖3所示。

圖1 加固前滲流等勢(shì)線

表2 滲流計(jì)算成果表

該斷面堤身為壤土，堤基為粉砂層，下部貫穿細(xì)砂層，堤后表層土為壤土，平均厚度為2m，其下為粉砂，從計(jì)算斷面成果看出，現(xiàn)狀滲流場(chǎng)等勢(shì)線如圖1 所示，堤身浸潤(rùn)線出逸高程37.47m，堤腳處的垂直出逸比降為0.72，壤土層允許出逸比降為0.55，不滿足滲透穩(wěn)定要求。

由于堤基為貫穿細(xì)砂層，采用防滲墻后不能完全截?cái)嗤杆畬樱躺斫?rùn)線出逸高程37.36m，堤腳處的垂直出逸比降為0.563，壤土層允許出逸比降為0.55，不滿足滲透穩(wěn)定要求（如圖2 所示）。對(duì)此采用14m 深防滲墻加堤后100m 蓋重的處理方案進(jìn)行計(jì)算，滲流等勢(shì)線如圖3 所示，堤身浸潤(rùn)線出逸高程37.02m，堤腳處的垂直出逸比降為0.098，壤土允許出逸比降為0.55，滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖2 防滲墻處理后滲流等勢(shì)線

圖3 防滲墻+蓋重處理后滲流等勢(shì)線

4 險(xiǎn)情治理措施

4.1 “防滲墻+蓋重”治理方法

對(duì)于滲透破壞險(xiǎn)情，主要采用“外截內(nèi)導(dǎo)”的防滲墻+蓋重的治理方法：

（1）垂直防滲墻[3]對(duì)堤基砂層效果較好，特別是處理淺砂層產(chǎn)生的滲透破壞效果顯著；

（2）背水側(cè)壓滲蓋重是一種抑制堤基滲透變形的有效措施，特別是處理深砂層產(chǎn)生的滲透破壞效果顯著。

隗家洲管涌群險(xiǎn)段堤基以砂性土為主，滲透系數(shù)大，堤內(nèi)管理范圍以外的地下水依然直接受外江水頭補(bǔ)給，汛期外江水位升高，依靠表層黏性土的鋪蓋作用衰減水頭，防止水力破壞。若遭遇地表溝渠、塘堰切割地表，導(dǎo)致地面黏性表土破壞或消失，將容易出現(xiàn)管涌等險(xiǎn)情。考慮由于砂性土埋深較大，且兩側(cè)封閉范圍較大，結(jié)合滲流分析成果，對(duì)堤身采取14m 深水泥土攪拌樁防滲墻、堤后采用100m 寬范圍蓋重的處理方案，可降低堤內(nèi)100m 管理范圍出逸點(diǎn)坡降，確保堤防安全，同時(shí)對(duì)磚廠取土形成的坑塘進(jìn)行全面回填，并在出險(xiǎn)較集中的部位設(shè)置減壓井，降低深層砂基地下水位，有效控制管涌險(xiǎn)情。

4.2 “防滲墻+蓋重”治理方法實(shí)施要點(diǎn)

4.2.1 水泥土攪拌樁防滲墻施工

（1）墻體材料。墻體材料采用水泥土，水泥土材料配方以12%～15%的水泥摻量（水泥占土體重量比）控制[5]，防滲墻施工前必須進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)最后確定防滲墻的水泥摻量。

（2）水泥漿制備。按規(guī)定的水灰比配制水泥漿，在制漿機(jī)與集料斗之間設(shè)一過濾網(wǎng)，對(duì)漿液進(jìn)行嚴(yán)格過濾，將雜質(zhì)濾除。

（3）攪拌成樁。葉片噴漿方式為噴漿下沉和噴漿提升，一次完成作業(yè)；中心管噴漿方式則下沉?xí)r不噴漿，即先進(jìn)行預(yù)攪下沉，提升時(shí)噴漿，再重復(fù)下沉，噴漿提升，往復(fù)兩次完成作業(yè)。兩種噴漿方式均力求勻速，并將提升速度控制在0.2～1m/min范圍內(nèi)。

（4）先導(dǎo)孔施工。攪拌樁防滲墻施工前，必須進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，進(jìn)一步查明地層情況，并繪制先導(dǎo)孔地質(zhì)剖面圖，如發(fā)現(xiàn)不良地層，應(yīng)進(jìn)行處理，并經(jīng)過設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后，才能進(jìn)行正式施工。

（5）防滲墻體施工。為了達(dá)到全封閉的防滲效果，水泥土攪拌樁防滲墻樁與樁之間需要搭接成連續(xù)的防滲墻，單樁的直徑為0.5m，樁與樁之間最小搭接厚度不小于0.3m。防滲墻施工應(yīng)保證連續(xù)性，中途停止時(shí)間不得超過24h，如中途停止時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)最后施工的單樁進(jìn)行空鉆，以保證后續(xù)防滲墻搭接效果。

（6）主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。單軸無側(cè)限浸泡28d抗壓強(qiáng)度應(yīng)>1MPa；墻體滲透系數(shù)應(yīng)為1～3×10-6cm/s；允許滲透比降應(yīng)>60。

4.2.2 蓋重和填塘施工

（1）土料填筑要求[7]

①土方回填前應(yīng)進(jìn)行回填接合面清基作業(yè)，清基范圍邊界應(yīng)在設(shè)計(jì)基面邊線外0.5m。

②堤基表層的淤泥、腐殖土、泥炭等不合格土及草皮、樹根、建筑垃圾等雜物必須清理，堤基范圍內(nèi)的井窖、墓穴、樹坑、坑塘及動(dòng)物墓穴應(yīng)清理并按填筑要求進(jìn)行回填處理。

③清除的廢渣應(yīng)運(yùn)到填筑面清基范圍以外，不得隨地棄置，更不允許與筑堤土料混雜。

④填筑應(yīng)分段施工，分段作業(yè)面的最小長(zhǎng)度不應(yīng)小于100m，堤段間的搭接施工應(yīng)對(duì)其搭接表面進(jìn)行刨毛處理，蓋重填筑應(yīng)分層施工，層厚一般為0.3m左右，填筑碾壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求后才能進(jìn)行下一層施工。

⑤填筑時(shí)要注意防止雨水并做好防護(hù)，下雨時(shí)不能施工，填筑面禁止車輛進(jìn)入。

⑥蓋重填土不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜物，蓋重填土宜采用滲透系數(shù)偏大的壤土或砂性土（4～6×10-4cm/s），無黏性土相對(duì)密度不小于0.6，黏性土壓實(shí)度不小于0.91。

⑦蓋重厚度為1～2m，蓋重外邊采用1:3的邊坡與堤內(nèi)地面相接，為防止蓋重平臺(tái)積水，平臺(tái)采用1%的縱坡將雨水導(dǎo)入坡腳，并在坡腳設(shè)置排水溝。

⑧填塘高程為堤內(nèi)地面平均高程，應(yīng)先排出塘內(nèi)水源后進(jìn)行填塘，填土宜采用滲透系數(shù)偏大的砂壤土（4～6×10-4cm/s）。

（2）填筑質(zhì)量檢驗(yàn)

①填筑合格及外觀質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按《堤防工程施工規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

②填筑施工中，每層填料經(jīng)碾壓、取樣檢查合格后，才能填筑上一層。

4.2.3 減壓井施工

減壓井間距為15m，深度為20m，外井管為PE 硬塑料井管，外徑400mm，壁厚23.7mm，內(nèi)井管材料為PE硬塑料井管，外徑280mm，壁厚10.7mm；鉆孔采用清水或泥漿護(hù)壁，有效內(nèi)徑不小于600mm；外井管上部井管為實(shí)管，下部井管為透水花管；內(nèi)井管全管段為透水花管；內(nèi)外井花管開孔率為15%～19%，透水圓孔呈梅花形布置，鉆孔直徑10mm；井口設(shè)置三通排水結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

綜上所述，由于磚場(chǎng)取土影響，在堤內(nèi)形成了局部坑塘，黏性土蓋層被全部損毀，造成堤基砂性土貫通堤內(nèi)、外，加之汛期堤在高水位的水頭壓力下，江水沿透水通道向堤內(nèi)滲透，導(dǎo)致出現(xiàn)管涌群，堤內(nèi)取土對(duì)堤身安全隱患較大。通過對(duì)隗家洲管涌群險(xiǎn)情的滲流分析計(jì)算可知，在堤基為厚砂基層和堤內(nèi)外砂層貫通的條件下，單純采用防滲墻防滲不能完全截?cái)嗤杆畬樱瑢?duì)降低堤內(nèi)出逸點(diǎn)坡降效果不明顯，計(jì)算結(jié)果也顯示，堤腳處出逸坡降不滿足滲透穩(wěn)定要求。為確保堤身安全，該險(xiǎn)段采用堤身防滲墻和堤后蓋重處理措施，有效降低堤內(nèi)出逸坡降，同時(shí)對(duì)磚廠取土形成的坑塘進(jìn)行全面回填，覆蓋住透水通道，并在出險(xiǎn)較集中的部位設(shè)置減壓井，降低深層砂基地下水位，有效控制了管涌險(xiǎn)情。

該項(xiàng)目在2017年進(jìn)行了加固處理，至今已經(jīng)歷了5個(gè)汛期，該段堤內(nèi)管涌點(diǎn)險(xiǎn)情已基本控制，特別是2021年汛期，在漢江下游堤防多次超警戒水位、堤身擋水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水位高的情況下，經(jīng)管理單位現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該段堤內(nèi)沒有出現(xiàn)險(xiǎn)情，保證了堤防的安全。總之，對(duì)隗家洲管涌群合理、有效的治理經(jīng)驗(yàn)是類似險(xiǎn)情處置的成功范例，值得借鑒。