堤基防滲處理綜述

占洪波

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 合肥 230022）

堤基防滲處理綜述

占洪波

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 合肥 230022）

滲透破壞在堤防工程中非常普遍，根據(jù)1998年長江防洪搶險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)資料，滲透破壞險(xiǎn)情占總險(xiǎn)情的70%，潰決、沖決幾乎皆由滲透破壞所致。堤防除險(xiǎn)加固中堤基防滲至關(guān)重要。

堤防 滲透破壞 防滲

汛期，隨著水位的升高，背水側(cè)堤基的滲透出逸坡降增大，一旦超過堤基的抗?jié)B臨界坡降就會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。堤基的滲透破壞常表現(xiàn)為滲水、土層隆起、膨脹、斷裂等，通常統(tǒng)稱為管涌。堤基管涌，尤其是近堤腳的管涌，發(fā)展速度快，容易形成管涌洞，一旦搶險(xiǎn)不及時(shí)或措施不得當(dāng)，就有發(fā)生潰堤的危險(xiǎn)。因此搞好堤基處理，保持堤基滲流穩(wěn)定，確保大堤安全運(yùn)行，具有重要意義。

1 堤基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

堤基的成份及其分層是復(fù)雜多變的，但對堤防滲流穩(wěn)定影響較大的主要是淺層土，一般主要以堤高兩倍深度或河道深泓以上的地層土性來決定。

根據(jù)堤基工程地質(zhì)特性，參照淮河流域干支流堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分的技術(shù)要求，可將堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)大概歸納為單一結(jié)構(gòu)（圖 1）、雙層結(jié)構(gòu)（圖 4、圖 5）和多層結(jié)構(gòu)（圖 2、圖3）3個(gè)主要類型。筆者認(rèn)為按上述劃分原則對堤基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，非常具有代表性，也符合防滲工程特點(diǎn)。

2 堤基的防滲措施

防滲設(shè)計(jì)總的原則是：前堵、后排，降低堤后滲流位勢。

2.1 前堵

“前堵”即在臨水側(cè)采用防滲鋪蓋、鋪設(shè)土工膜等。但因堤防臨水側(cè)往往受到河勢水流的影響，這些措施會(huì)受到一定的限制。此外，不受河勢水流影響的垂直防滲措施，如截水槽、截滲墻等也應(yīng)屬“前堵”范疇。

2.1.1 防滲鋪蓋

當(dāng)?shù)袒鄬Σ煌杆畬勇癫剌^深，透水層較厚，同時(shí)臨水側(cè)有穩(wěn)定灘地的堤基宜采用鋪蓋防滲措施。防滲鋪蓋（圖1）的效果取決于其長度、厚度和垂直向的滲透系數(shù)。實(shí)踐表明，對近似均質(zhì)透水堤基，鋪蓋防滲效果比較明顯。而表層地層的滲透系數(shù)小于深部底層較多時(shí)，其效果有一定限度。

鋪蓋設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)凈水頭和堤基允許水力坡降初步確定所需的等效長度，然后通過經(jīng)濟(jì)比較選擇鋪蓋的長度、厚度和鋪蓋的滲透系數(shù)，最后對鋪蓋土料本身的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

鋪蓋土料應(yīng)具有一定的防滲性能，通常其滲透系數(shù)最好不大于1×10－5cm/s，如果滲透系數(shù)過大，即使加長鋪蓋其防滲效果也不會(huì)有大的增加。鋪蓋應(yīng)采用不等厚形式，遠(yuǎn)離堤腳處應(yīng)薄一些，但不應(yīng)小于0.5～1.0m，近堤腳處厚h取決于滲透坡降i＝H/h（H為鋪蓋上下水頭差），要求i不大于鋪蓋土料的允許坡降。對于粘土為5～6，壤土為4～5，輕壤土為3～4。

在缺乏防滲土料的地區(qū)可以采用土工膜或復(fù)合土工膜，但在表面應(yīng)設(shè)置保護(hù)層及排水排氣系統(tǒng)。

2.1.2 截水槽、截滲墻

截水槽（圖2）、截滲墻（圖3）等垂直防滲措施特別適用于堤基透水層較薄、隔水層較淺的情況，此時(shí)截水槽、截滲墻底部易達(dá)到相對不透水層，形成封閉式防滲幕墻，堤基的滲流量和揚(yáng)壓力可以得到有效控制，從而可以達(dá)到根治堤基滲透破壞的目的。雙層或多層透水堤基且透水層較深的情況，懸掛式垂直防滲幕墻的效果很差，封閉式垂直防滲難度大且造價(jià)太高，不宜采用。多層地基且存在淺層弱透水層的情況，可以考慮半封閉式垂直防滲，但必須在勘察資料充分并經(jīng)滲流計(jì)算充分論證后方可采用。垂直防滲應(yīng)布置在臨水堤腳或堤頂靠臨水側(cè)。

截水槽應(yīng)采用與堤身防滲體相同的土料填筑，其壓實(shí)密度不應(yīng)小于堤身的同類土料。截水槽的底寬，應(yīng)根據(jù)回填土料、下臥的相對不透水層的允許滲透坡降及施工條件而定。

截滲墻可以采用射水法、鋸槽法、高壓灌漿法等成墻技術(shù)進(jìn)行施工。經(jīng)過多年的實(shí)踐應(yīng)用，不斷尋求工藝簡單、高效低耗與環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的施工技術(shù)成為必然趨勢。如近年來得到廣泛應(yīng)用的多頭小直徑深層攪拌樁截滲墻技術(shù)就具備上述特點(diǎn)。該法成墻厚度（0.2～0.3m）均勻，墻體連續(xù)，成墻深度可達(dá)13～18m。

2.2 后排

“后排”主要是在背水側(cè)采用壓滲蓋重、排水溝和減壓井等措施。處理措施，可單獨(dú)使用，也可結(jié)合使用。

2.2.1 壓滲蓋重

壓滲蓋重（圖4）比較適用于：表層弱透水層較厚但又不足以壓住下層承壓水的雙層、多層結(jié)構(gòu)堤基。蓋重能防止堤基滲流對表層土的滲透破壞。一方面可以避免在壓蓋范圍內(nèi)發(fā)生管涌；另一方面，即使在壓蓋范圍以外出現(xiàn)管涌，也加大了管涌離堤腳的距離，從而降低了管涌的發(fā)展速度和管涌的危害度。

根據(jù)現(xiàn)行堤防設(shè)計(jì)規(guī)范，背水側(cè)各點(diǎn)的蓋重厚度可按下式計(jì)算：

式中：Ti為i處的蓋重厚度（m）；hi為根據(jù)滲流計(jì)算求得的i處的表土層的承壓水頭（m）；Gs為表土層的比重；n為表土層的孔隙率；T1為表層土的厚度（m）；ρ為蓋重土的密度（kN/m3）；ρW為水的密度（kN/m3）；K為安全系數(shù)，安全系數(shù)可取2.0。

蓋重的范圍也要根據(jù)堤基滲流計(jì)算確定，確保蓋重范圍之外的表層土出逸坡降為規(guī)范允許值。此外還要重視對歷史險(xiǎn)情的實(shí)地調(diào)查，蓋重通常也應(yīng)不小于歷史險(xiǎn)情出現(xiàn)的范圍，并應(yīng)根據(jù)具體地形地質(zhì)條件和堤防的重要程度選用。一般至少為50m，但也不應(yīng)超過200m。

蓋重土料必須選用滲透系數(shù)較大的砂性土，其滲透系數(shù)至少大于被保護(hù)土層的滲透系數(shù)10倍以上，這樣就基本不改變堤基原有的滲壓分布狀態(tài)，如附近缺乏上述土料，則必須借助其他有效輔助措施排出滲水，不能違反前堵后排的原則。

2.2.2 排水溝

排水溝（圖4）比較適用于：雙層結(jié)構(gòu)、表土層較薄、下臥透水層較均勻的堤基，透水性均勻的單層結(jié)構(gòu)堤基以及上層透水性大于下層的雙層結(jié)構(gòu)堤基。

在理論上，排水溝的位置應(yīng)盡量靠近堤腳，這樣其排水效果最好。但出于堤防搶險(xiǎn)的安全性考慮，排水溝一般要與背水側(cè)壓滲蓋重聯(lián)合使用，此時(shí)排水溝應(yīng)布置在蓋重的末端。排水溝的幾何尺寸取決于預(yù)計(jì)的滲流量、期望的滲流控制效果、施工的實(shí)際情況以及排水溝開挖地點(diǎn)的材料穩(wěn)定性，并且要挖穿表層弱透水層。同時(shí)排水溝的周邊應(yīng)設(shè)置反濾排水層，以防排水溝發(fā)生滲透破壞。

在排水溝的施工中，應(yīng)對反濾料及反濾層的施工提出嚴(yán)格要求，嚴(yán)格按反濾料的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)選擇反濾料，并按反濾料的施工要求進(jìn)行施工。在鋪填反濾料時(shí)，必須防止由降雨沖刷引起的淤塞。

2.2.3 減壓井

減壓井（圖5）比較適用于表土層和透水層均較厚的雙層堤基、多層堤基以及含水層成層性顯著或透鏡體較多的地基。此時(shí)采用封閉式垂直防滲幕墻成本太高或不可能，懸掛式垂直防滲效果很差，排水溝由于開挖較深也不宜采用。當(dāng)然，對表土層較薄的雙層或多層地基也可以使用減壓井。實(shí)踐表明，如果減壓井不被淤堵，其滲流控制效果非常顯著。逐漸適用于所有地基情況。減壓井一般和其他滲流控制措施如防滲鋪蓋、壓滲蓋重、排水溝等結(jié)合使用。

一般而言，減壓井的設(shè)計(jì)程序包括：確定沒有減壓井時(shí)背水堤基的水頭值；將此水頭值與所期望的相應(yīng)于給定安全系數(shù)的水頭值進(jìn)行比較；設(shè)計(jì)一減壓井系統(tǒng)，將水頭減小至期望值。因?yàn)橛泻芏嗟木翟O(shè)計(jì)方案（包括井徑、井距和貫入深度、井口高程等）可以滿足要求，因此井系設(shè)計(jì)方案并不是唯一的，目標(biāo)是選擇一種比較經(jīng)濟(jì)、尺寸合理并能達(dá)到預(yù)期效果的方案。通常，設(shè)計(jì)者先是選擇井的直徑和貫入深度，然后確定井間距，求出井系造價(jià)，然后再對不同貫入深度進(jìn)行上述計(jì)算，最終找到更加經(jīng)濟(jì)的井系設(shè)計(jì)方案。

減壓井系統(tǒng)應(yīng)盡量布置在背水側(cè)堤腳附近，以便有效控制堤基滲流。但從堤防搶險(xiǎn)的安全性考慮，減壓井一般也常布置在背水側(cè)壓滲蓋重末端，并與排水溝相通，滲水通過排水溝排走。

減壓井的間距一般為15～20m。井深至少深入強(qiáng)透水層厚度50%以上，否則，排水效果大減。井徑應(yīng)能允許最大設(shè)計(jì)流量通過而不發(fā)生過大的水頭損失，并且直徑不應(yīng)小于15cm。井徑宜大不宜小。井口高程越低，減壓效果越好，但開挖地面排水溝的工程量也越大，故井口高程應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較確定。井口高程還應(yīng)高于排水溝中可能出現(xiàn)的最高水位，以防泥水倒灌。

2.3 填塘

填塘固基也是加固堤基普遍采用的措施。已往各堤防加固設(shè)計(jì)中確定的填塘范圍都比較大，并不一致，而且對填塘土料也無明確要求。填塘范圍越大越安全似乎已成為防汛人員的共識(shí)，但如此巨大的投資是否必要還值得研究。若堤內(nèi)填塘的土料是粘粒含量較多的重粉質(zhì)壤土或粘土，其效果可能適得其反。因?yàn)樵瓉淼虄?nèi)的水塘都是堤基滲水的出逸點(diǎn)，若用粘粒含量較多的土填塘，滲水通道被堵塞，堤內(nèi)坡腳附近部位覆蓋層底的承壓水頭必然增加，該部位滲水冒沙的危險(xiǎn)性反而會(huì)增加。

針對上述問題，有資深專家提出了相對較全面的設(shè)計(jì)原則：堤外填塘取30m，至于塘底覆蓋層厚度超過3.0m的是否需要填沒，要根據(jù)塘底覆蓋層土質(zhì)確定，如果該土層粘粒較大而且該水塘不影響堤防外坡的穩(wěn)定，可以不填，若沙性較大（砂壤土或粉土等）還是應(yīng)該填平，外塘的填塘土料最好用重粉質(zhì)壤土或粘土，若缺乏這種土料，可以用附近地表的土作填塘材料。堤內(nèi)填塘的范圍取堤后50m，也就是在護(hù)堤地以外20m范圍的水塘一律填平。填塘土料最好采用粗顆粒透水材料，例如砂礫石和采石場的石渣等，盡可能保持其原有的透水性，減小副作用。這樣既能保證大堤的安全，也可以節(jié)省大量的填塘土方和投資。

3 結(jié)束語

綜上所述，采用何種防滲加固措施應(yīng)根據(jù)堤基地質(zhì)條件、地形條件以及滲透破壞危害程度等進(jìn)行綜合考慮，然后通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選取單一或幾種措施來綜合治理

（專欄編輯：張 婷）