遼河干流砂基砂堤防滲處理技術(shù)探討及工程實踐

楊 祎，李鋒德，康軍林

(遼寧省遼河保護區(qū)管理局，沈陽 110002)

遼河干流砂基砂堤防滲處理技術(shù)探討及工程實踐

楊 祎，李鋒德，康軍林

(遼寧省遼河保護區(qū)管理局，沈陽 110002)

遼河干流堤防由于砂基砂堤的存在，一定程度上存在防洪隱患。本文對遼河砂基砂堤基本情況進行簡介，分析了適合遼河干流堤防砂基砂堤處理的技術(shù)，并介紹了該技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用。

遼河干流;砂基砂堤;防滲處理

遼河是我國七大江河之一，發(fā)源于河北省平泉縣七老圖山脈(海拔1490m)，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧四省區(qū)，在遼寧省盤錦市入渤海，全長1345km，總流域面積21.9萬km2。東西遼河在遼寧省昌圖縣福德店匯合后，始稱遼河干流，全長538km，面積37927km2，占遼河全流域的17.3%。

1 基本情況

遼河干流現(xiàn)有堤防主要是1987～1991年整治加固后形成的。自福德店至河口堤防全長679.71km，其中左岸堤長346.6km，右岸堤長333.2km。石佛寺以上堤防防洪標準30年一遇，石佛寺以下100年一遇，堤頂寬6.0m。

按照遼河流域防洪規(guī)劃，遼河干流堤防通過地段主要為第四系松散堆積層，其表部為黏土、砂土，下部為粉砂、細砂、中粗砂、礫砂、園礫層等。遼河堤防加高培厚的土料，主要取自沿河灘地沖淤土，施工方法主要為機械碾壓法和泥漿泵淤固法。由于施工方法的不同，所用土料區(qū)別較大，機械碾壓法段多為表層的黏性土，泥漿泵施工淤固段多為坑中取土，填土多為壤土和砂壤土，砂基砂堤段主要集中在此。根據(jù)遼河干流防洪工程堤防質(zhì)檢成果分析資料，清河口以上主要以機械碾壓筑堤為主，泥漿泵施工不到12%，清河口以下泥漿泵施工的堤段占施工段的39.5%。由于地基及筑堤方式的不同，遼河大堤存在砂基砂堤的隱患，洪水期如果河道內(nèi)水位較高時，將會產(chǎn)生側(cè)向滲漏，所以對滲漏問題需進行處理。據(jù)資料統(tǒng)計，遼河現(xiàn)有砂基砂堤段總計103處，總長251.82km，其中，已治理3處，治理長度10.6km，仍需治理長度241.22km。

2 遼河干流砂基砂堤處理技術(shù)探討

砂基砂堤的存在是遼河堤防的薄弱環(huán)節(jié)，也是工程中最普遍且難以治愈的心腹之患，選擇有效、合理、經(jīng)濟的除險加固方案應(yīng)遵循“前堵后排、反濾料保護滲流出口”的滲流控制原則，這是一項技術(shù)性很強的工作，是堤防滲透破壞除險加固工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 堤防滲透破壞基理及表現(xiàn)形式

堤防滲透破壞往往始于土體滲透變形，也就是土體結(jié)構(gòu)在滲流作用下先發(fā)生土粒移動或土塊浮動等變形現(xiàn)象，而后發(fā)展到完全喪失抗?jié)B能力。這一過程受到滲透水流和土體自身性狀兩方面因素控制。土體自身性狀比較復(fù)雜，受土的礦物成分、顆粒組成、密實程度等多方面的影響，不同的土層具有不同的滲透性，而不同滲透性的土層位置和分布，對堤防整體的抗?jié)B能力有很大的影響。

堤防滲流破壞關(guān)鍵因素是土體能夠承受的不會發(fā)生滲透變形的最大水力比降，稱為臨界比降Jcr，它被用來表示土體的抗?jié)B強度。對不同的土質(zhì)和不同的土體結(jié)構(gòu)，其數(shù)值不同。當?shù)谭莱隹谔幍某鲆荼冉礘超過土體抗?jié)B強度時，土體就會發(fā)生滲透變形。土體滲透變形的形式有多種，主要有流土和管涌。前者是出口處土體整體浮動的現(xiàn)象，后者則是土顆粒在土體內(nèi)的移動。兩者形式雖然有所不同，但其基本原因是近似的，均是由滲流力超過土的浮容重引起，習慣上均稱為“管涌”。當J＜Jcr時，土體保持滲透穩(wěn)定;當J≥Jcr時，土體從平衡臨界狀態(tài)到滲透變形或破壞。J是土體實際承受的出逸比降，Jcr是出口處土體的臨界比降。J會隨著時間和水位變化而變化，出逸比降可用流網(wǎng)法或有限元法計算得到。

對于黏性土的抗?jié)B強度，可按照扎馬林公式求得：

式中：［J］為允許比降;Gs為土粒比重;n為孔隙率;k為安全系數(shù)。

堤防由于滲流運動直接或間接造成的堤防與地基的土體變形、破壞，主要有以下一些表現(xiàn)形式：

a.地基中的強透水層承壓水頂穿上部弱透水層，形成集中滲流造成局部流土，進而向堤防內(nèi)部發(fā)展成為連通的通道，當通道持續(xù)發(fā)展擴大時，堤防就會下沉、開裂，進而破壞。

b.背水坡腳處因滲水出逸出現(xiàn)大面積沙沸現(xiàn)象，使坡腳泡軟出現(xiàn)局部內(nèi)脫坡。

c.外河水位降落時，堤身的水不能及時排出，產(chǎn)生了反向的滲流，加上堤內(nèi)土中過高的孔隙水壓力，導(dǎo)致堤防在河水退水時產(chǎn)生外脫坡。

d.當護坡塊石下面沒有反濾墊層時，在波浪的沖擊下，水流會淘刷坡面土粒，使坡面塌陷。

e.堤身或堤基含有貫穿上下游的通道，易形成接觸沖刷通道，危及堤防安全。

f.無護面的“赤膊堤”或坡面排水不好的堤段，在暴雨的沖刷下，會使堤坡形成雨淋溝沖蝕坡面，并進一步導(dǎo)致滲流出口處滲透穩(wěn)定性的削弱，甚至破壞。

堤防除險加固工程必須進行滲流控制，其措施主要是防滲和排滲，以及滲流出口處的反濾保護。總體按照“上堵下排”原則，一是減小出逸比降，二是增大出口處土體抗?jié)B能力(增大允許比降)。

2.2 遼河干流砂基砂堤處理型式選擇

根據(jù)以上堤防滲透破壞原因，砂基砂堤成險原因，結(jié)合工程地質(zhì)實際情況，對于砂堤砂基的處理，擬采取處理的型式為：

a.對于堤身不滿足滲透要求的，以迎水面堤坡土工膜防滲、迎水面堤坡黏土斜墻防滲型式為主;以迎水側(cè)護堤地水平黏土鋪蓋，結(jié)合堤坡土工膜防滲;背水側(cè)堤坡貼坡排水;三維網(wǎng)格等生物防護措施為輔助。

b.對于堤基不滿足滲透穩(wěn)定要求的，采用堤基垂直防滲措施，以堤基垂直鋪塑、堤基深層攪拌樁水泥土截滲墻防滲型式為主;以堤基高噴灌漿、迎水側(cè)護堤地水平黏土鋪蓋結(jié)合背水側(cè)堤基減壓井或排水溝減壓等其他措施為輔助。

c.對于堤身、堤基均不能滿足滲透穩(wěn)定要求的，以堤坡土工膜結(jié)合堤基垂直鋪塑、深層攪拌樁水泥土截滲墻防滲型式為主;以堤身、堤基高壓噴射灌漿，迎水側(cè)護堤地水平黏土鋪蓋結(jié)合迎水側(cè)堤坡土工膜，結(jié)合背水側(cè)堤基減壓井或排水溝減壓型式為輔助。

3 工程實踐

遼中縣滿都戶砂堤砂基段位于遼河右堤L112～L113間，本段堤防堤身及堤基均分布有透水性較強的粉細砂，且由于筑堤取土，造成堤防迎水坡灘面表層黏土覆蓋層被挖取，砂土層出露，每到大水年份汛期河道水位較高時，在堤防背水坡堤腳附近經(jīng)常發(fā)生滲水現(xiàn)象，特別是1985、1986年，遼河連續(xù)發(fā)生較大洪水，本段堤防堤后大面積滲水，嚴重威脅大堤安全，在臨時搶險中耗費了大量的人力物力。該段堤防一旦出險，將危及沿岸人民生命和財產(chǎn)的安全以及遼中縣城市的防洪安全。

3.1 工程地質(zhì)

工程布置鉆探斷面共7個，每個斷面布置3個鉆孔。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，堤身巖性為粉質(zhì)黏土、粉土，堤基巖性為粉質(zhì)黏土粉土、粉砂、細砂。堤身大部分為粉質(zhì)黏土，中等透水，滲透系數(shù)為1.2×10－4cm/s，堤基細砂為中等透水，滲透系數(shù)為8.7×10－3cm/s。

滲流計算采用水利水電規(guī)劃總院推廣的“土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計算程序(DQB)”。其計算方法為求解拉普拉斯方程，用有限單元法作滲流場離散，引用三結(jié)點的三角形單元和線性插值函數(shù)。計算結(jié)果見表1。

表1 滲透穩(wěn)定計算結(jié)果

由滲透穩(wěn)定計算結(jié)果可知，該段堤防在天然條件下不滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2 工程設(shè)計

垂直鋪塑施工工藝簡單、施工速度快、成本低、防滲效果好，在國內(nèi)水利工程中得到廣泛應(yīng)用，在遼寧主要河道堤防防滲處理中也應(yīng)用較多;垂直鋪塑形成防滲帷幕分懸掛式、半封閉式和全封閉式三種。遼河一次洪水歷時7天，主要集中在3天，洪峰較短，采用1～1.5倍水頭深度的懸掛式防滲帷幕能較好地降低背水坡出逸點比降和延緩堤基滲流破壞時間。

本段堤防防滲工程設(shè)計采用堤身迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲和堤基垂直鋪塑防滲相結(jié)合的防滲處理方案。

3.2.1 帷幕深度選用

一般垂直防滲的深度可取為S=1～1.5H，這里取S=1.5H，本堤段平均水深H=3.7m。

考慮其他不利因素取S=6.5m。

3.2.2 滲流穩(wěn)定復(fù)核

垂直防滲深度為8m，按有部分截水墻的斜墻壩滲流計算，結(jié)果見表2：

表2 滲透穩(wěn)定計算結(jié)果

由滲透穩(wěn)定計算結(jié)果可知，該段堤防在實施堤身和堤基防滲工程后，明顯改變滲流狀態(tài)，滿足了堤防滲透安全的要求。

3.2.3 帷幕厚度計算

采用蘇聯(lián)水工科學研究院提出的計算薄膜應(yīng)力的經(jīng)驗公式計算。由公式推導(dǎo)可得：

式中 T——計算薄膜厚度，m;

E——在設(shè)計溫度下薄膜的彈性模量，kg/cm2;

P——薄膜承受的水壓力，T/m2;

d——與薄膜接觸的砂卵石的最大粒徑，mm;

［σ］——薄膜容許拉應(yīng)力，kg/cm2，［σ］=(1/5～1/6)σ;

σ——薄膜的最大拉應(yīng)力，kg/cm2。

計算結(jié)果：T=0.08mm

考慮土工膜刺破及施工時不可避免人為損壞等因素，根據(jù)規(guī)范《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—98)(以下簡稱《規(guī)范》)規(guī)定：土石堤防滲土工膜厚度不應(yīng)小于0.5mm，最小厚度不得小于0.3mm。本工程斜墻復(fù)合土工膜膜厚0.3mm，垂直鋪塑土工膜膜厚0.5mm。

3.2.4 防護層抗滑穩(wěn)定計算

防護層抗滑穩(wěn)定計算分為保護層透水性良好和不良兩種情況，采用《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—98)公式計算：

式中 σ——土料與土工膜之間的摩擦角，σ=27°;

α——土工膜鋪放坡角;

γ’、γsat——防護層的浮容重和飽和容重，kN/m3。

經(jīng)計算保護層透水性良好時安全系數(shù)Fs=1.27＞1.25，滿足穩(wěn)定要求。透水性不良時安全系數(shù)Fs=0.63＜1.25，不滿足穩(wěn)定要求。因此要求堤坡土工膜保護層土料為透水性良好的砂壤土。

3.2.5 設(shè)計結(jié)論

本次設(shè)計雖只對垂直鋪塑治理方式進行了復(fù)核和驗算，但其具有較強的代表性，其他處理型式，如：水泥土截滲墻、高噴和垂直鋪塑的功能基本一樣，僅是在工藝上存在一定區(qū)別。在數(shù)學模擬條件下，以上砂基砂堤治理方案滿足設(shè)計要求，但受資料、計算方法等諸多條件的限制，實際治理效果還需要在今后運行過程中進行逐步的檢驗，并在此基礎(chǔ)上不斷進行完善和改進。

1 水利部東北勘測設(shè)計研究院．遼河流域防洪規(guī)劃報告［R］．2002．

2 柯書武，吳為國．垂直鋪塑技術(shù)在堤身防滲處理技術(shù)中的應(yīng)用［J］．防滲技術(shù)，2002(03)．

2 陳鴻飛，朱逢春，高荔，田漢功，王惠．垂直鋪塑及其在堤基防滲處理中的應(yīng)用［J］．水利水電科技進展，2000(02)．

Discussion and Project Practice of Liaohe River Branch Sand Base and Sand Bank Seepage Control Technology

YANG Yi，LI Feng-de，KANG Jun-lin
(Liaoning Liaohe River Protected Area Administrative Bureau，Shenyang110002，China)

Liaohe River branch dike has flood control risk to some extent due to the existence of sand base and sand bank．In this paper，Liaohe River sand base and sand bank＇s basic situation is briefly described．The proper processing technique suitable for Liaohe River branch embankment sand base and sand dike treatment is analyzed．The application of the technique in the project practice is introduced．

Liaohe River branch;sand base and sand dike;seepage control treatment

TV441

B

1005-4774(2013)08-0019-04