土石防洪堤運(yùn)行中的工程風(fēng)險(xiǎn)與處置方法

(青海民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，青海 西寧　810007)

1　概　述

從大禹治水開(kāi)始，數(shù)千年來(lái)防洪堤對(duì)于保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了重要的作用。然而防洪堤建造后，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受到諸多外界環(huán)境因素的影響，如下部軟基、降雨侵蝕、水流沖刷和日曬風(fēng)化等，防洪堤會(huì)出現(xiàn)岸坡坍塌和侵蝕等破壞形式，威脅到防洪堤工程的安全性，有的造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

我國(guó)南方地區(qū)河流眾多，大部分防洪堤均為土石結(jié)構(gòu)，由于歷史原因，不少土石防洪堤在運(yùn)行中存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)防洪堤在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的處置方法，并分析國(guó)內(nèi)較為成功的治理案例，為同類(lèi)工程提供借鑒。

2　常見(jiàn)工程風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題

2.1　軟基問(wèn)題

由于防洪堤一般修建在河漫灘或一級(jí)階地附近、海岸淤積帶上等，這些區(qū)域往往沉積了一定厚度的軟土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土和松散的砂土等，在這些軟土地基上修建的防洪堤，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，仍可能存在著以下四個(gè)典型問(wèn)題：一是長(zhǎng)期固結(jié)沉降問(wèn)題，由于淤泥和淤泥質(zhì)土的滲透系數(shù)較小，一般處于1.0×10-7～1.0×10-8cm/s數(shù)量級(jí)上。當(dāng)軟土層較厚時(shí)(如福建省近海區(qū)域淤泥可厚達(dá)數(shù)米至十幾米)，若地基不采取排水處理措施，固結(jié)沉降將是十分緩慢的過(guò)程。根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)，可能需要幾年甚至幾十年的時(shí)間。另外，軟土的高壓縮性也會(huì)造成防洪堤的較大沉降，福建省沿海淤泥的壓縮模量可低至1.0～2.0MPa，根據(jù)以往觀測(cè)資料，對(duì)于2.0～3.0m高的防洪堤，其沉降量可超過(guò)1.0m。過(guò)大的沉降量會(huì)降低堤頂?shù)脑O(shè)計(jì)高程，使得防洪堤的防洪能力減弱，因此在工程建設(shè)前和運(yùn)行中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到防洪堤的后期沉降量(工后沉降量)。二是不均勻沉降問(wèn)題，相對(duì)防洪堤的總沉降量，不均勻沉降量容易導(dǎo)致堤頂?shù)母綄俟こ淘O(shè)施產(chǎn)生破壞，如路面凹凸不平、防浪墻拉裂和人行道開(kāi)裂等，對(duì)于不均勻沉降的減輕，一般可通過(guò)工后沉降來(lái)控制。三是岸坡穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)于軟土地基上修建的防洪堤，若設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)，在運(yùn)行初期，面臨著岸坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。由于軟土地基的抗剪強(qiáng)度較低，不排水抗剪強(qiáng)度一般在20kPa以內(nèi)，防洪堤岸坡可能沿堤身和軟基一同發(fā)生圓弧剪切破壞，即發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，軟基固結(jié)程度和強(qiáng)度越來(lái)越高，發(fā)生岸坡整體失穩(wěn)的可能性也越來(lái)越小。四是砂土地基液化問(wèn)題，對(duì)于位于地下水位以下的松散砂土地基，在地震工程中可能會(huì)出現(xiàn)液化問(wèn)題，一旦出現(xiàn)液化，地基承載力將大大降低，防洪堤容易出現(xiàn)坍塌或沉陷等事故。當(dāng)然，并非所有的砂土都會(huì)出現(xiàn)液化，若防洪堤建設(shè)期間沒(méi)有進(jìn)行液化評(píng)估，在運(yùn)行期間進(jìn)行砂土地基的液化性評(píng)估十分必要。

2.2　岸坡坍塌

在防洪堤運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常遇到的較大問(wèn)題就是岸坡坍塌事故。防洪堤邊坡內(nèi)部沿著某一滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng)，這種破壞與軟基上的圓弧剪切破壞的區(qū)別主要是前者破壞面只發(fā)生在防洪堤岸坡內(nèi)，而后者破壞面則發(fā)生在岸坡和下部的軟基內(nèi)，因此，前者的破壞面比后者的要小。造成防洪堤岸坡坍塌的外因主要是強(qiáng)降雨和洪水作用，當(dāng)雨水或洪水滲入到堤內(nèi)后，造成土體有效抗剪強(qiáng)度降低。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力理論

τ=c+(σ-u)tanφ

式中τ——土體抗剪強(qiáng)度；

c——土體黏聚力；

σ——剪切破壞面上的正應(yīng)力；

u——土體孔壓；

φ——土體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)水入滲到土體內(nèi)后，孔壓增大，導(dǎo)致有效抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)降低到一定程度時(shí)，岸坡產(chǎn)生滑塌。此外，雨水在坡內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生滲流，引起滲流力，加劇岸坡坍塌。

2.3　岸坡侵蝕與基底沖刷

防洪堤遇到雨水和洪水時(shí)，會(huì)造成防洪堤侵蝕。根據(jù)侵蝕理論，當(dāng)水流引起的侵蝕剪應(yīng)力超過(guò)了土體本身具有的臨界侵蝕抵抗值時(shí)，土體發(fā)生侵蝕。岸坡侵蝕造成坡面土體減少，產(chǎn)生一些侵蝕溝壑，岸坡侵蝕雖然不能一次性地造成破壞，但長(zhǎng)期侵蝕會(huì)造成防洪堤斷面面積減小，威脅到防洪堤的穩(wěn)定性。福建省東南沿海一般為火山巖區(qū)，以花崗巖最為常見(jiàn)，不少防洪堤采用花崗巖風(fēng)化殘積土進(jìn)行填筑。該類(lèi)土體遇水后容易崩解，即使在靜水環(huán)境中也會(huì)產(chǎn)生崩解，崩解會(huì)加劇土體的侵蝕，因此，對(duì)于花崗巖風(fēng)化殘積土填筑的防洪堤還要注意土體的崩解作用及其導(dǎo)致的土體侵蝕狀況。

基底沖刷是造成防洪堤破壞的一種常見(jiàn)形式，當(dāng)防洪堤腳部水流流速較大時(shí)，防洪堤基底可能會(huì)產(chǎn)生沖刷，沖刷作用可出現(xiàn)在堤腳和鄰近地基內(nèi)。特別是當(dāng)水流流向與防洪堤縱向軸線垂直時(shí)，水流會(huì)在堤腳附近旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生渦流，渦流對(duì)防洪堤及基底的沖刷作用大大加強(qiáng)，容易形成沖刷凹槽，當(dāng)凹槽發(fā)育到一定程度，岸坡由重力引起的下滑力超過(guò)了抗滑力時(shí)，防洪堤便出現(xiàn)大規(guī)?；?見(jiàn)下頁(yè)圖)。如西藏自治區(qū)日喀則市薩迦縣縣城防洪堤一期工程在2009年和2010年特大洪水汛期內(nèi)，防洪堤堤腳多處被掏空，出現(xiàn)坍塌[1]。

防洪堤基底沖刷凹槽及其導(dǎo)致的滑塌示意圖

2.4　管涌與流土

管涌和流土破壞是防洪堤經(jīng)常遇到的兩種水力破壞形式。管涌是在洪水期間，防洪堤在滲透水流作用下，堤內(nèi)松散的細(xì)粒土在粗粒土所形成的通道中流動(dòng)，被帶到堤外，導(dǎo)致土體的孔隙加大，滲流量也隨之增大，最終導(dǎo)致土體整體坍塌破壞；流土往往是整片土體在滲透力作用下發(fā)生破壞，如1998年長(zhǎng)江大洪水中兩側(cè)防洪堤大面積出現(xiàn)管涌問(wèn)題，導(dǎo)致長(zhǎng)江洪水泛濫，給兩岸人民群眾和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。此次事故后，國(guó)務(wù)院要求水利部門(mén)一定要治理防洪堤管涌問(wèn)題。

3　處理對(duì)策

3.1　軟基處理

針對(duì)防洪堤軟土地基，最為常用和有效的方法就是地基處理，絕大多數(shù)軟基處理方法在防洪堤地基內(nèi)均可適用，如加速排水處理法，包括塑料排水板和袋裝砂井；復(fù)合地基法，包括碎石樁、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁和石灰樁等；以及置換法和土工合成材料加固等。值得指出的是，排水固結(jié)法處理費(fèi)用一般相對(duì)復(fù)合地基法的要低，但處理后固結(jié)的時(shí)間仍然相對(duì)較長(zhǎng)，一般需要幾個(gè)月至幾年固結(jié)才基本完成。復(fù)合地基短時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到較高的強(qiáng)度，如水泥攪拌樁和高壓旋噴樁在施工一個(gè)月后就能夠形成較高的強(qiáng)度。地基處理后，可有效減小防洪堤的總沉降量和不均勻沉降量，還可防止產(chǎn)生圓弧整體剪切破壞。

3.2　提高壓實(shí)度與減小坡度

對(duì)于防洪堤堤身填土，提高填土壓實(shí)度對(duì)于堤身穩(wěn)定性、減小堤身壓縮沉降量和不均勻沉降量，以及防止管涌和流土都至關(guān)重要。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)有關(guān)規(guī)定，對(duì)于1級(jí)堤防，壓實(shí)度不小于95%，2級(jí)和堤身高度大于6m的3級(jí)堤防壓實(shí)度不小于93%，堤身高度小于6m的3級(jí)及3級(jí)以下堤防壓實(shí)度不小于91%。對(duì)于堤身的壓實(shí)，應(yīng)針對(duì)土質(zhì)類(lèi)型選用合理碾壓施工機(jī)械，如黏性土可選用靜力碾壓式，砂質(zhì)土可選用振動(dòng)碾壓式。一般事先需通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)等確定土體最優(yōu)含水量和碾壓參數(shù)等。另外，減小防洪堤坡度，選用級(jí)配良好的填料，避免使用有機(jī)質(zhì)含量較高的土體等，對(duì)保證防洪堤堤身質(zhì)量均有意義。

3.3　坡面防護(hù)

防洪堤的坡面防護(hù)可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)、建材和生態(tài)環(huán)保要求等，選用工程防護(hù)或植被防護(hù)形式。堤身的防護(hù)設(shè)施可分為直接防護(hù)和間接方法兩種形式，直接防護(hù)包括砌塊石或片石防護(hù)和植被防護(hù)，常用的方法有鋪石、拋石、石籠、植樹(shù)和鋪草皮等，間接防護(hù)主要是指修建導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物，如丁壩、順壩等。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，傳統(tǒng)工程防護(hù)的一些弊端逐漸顯露出來(lái)，在一些工程中逐漸采用生態(tài)環(huán)保的防護(hù)措施。

3.4　土工合成材料應(yīng)用

在防洪堤中應(yīng)用的土工合成材料主要是土工織物枕、土工織物軟體沉排、土工織物滲濾層和土工膜等，由于土工織物具有較高的抗拉強(qiáng)度，抗磨、耐酸堿和抗老化性能，無(wú)紡?fù)凉げ季哂休^好的反濾功能，土工膜具有較好的防滲性能，因此在防洪堤工程中采用土工織物可提高防洪堤的整體穩(wěn)定性，減小沖刷、管涌等水力破壞。如在防洪堤坡腳鋪設(shè)土工織物枕或土工織物軟體沉排，可有效防止堤腳發(fā)生侵蝕沖刷問(wèn)題，在堤身內(nèi)部鋪設(shè)一層土工布，可以有效防止細(xì)小土顆粒在滲透力作用下運(yùn)移，在坡面或堤身內(nèi)鋪設(shè)一層土工膜，可以大大減小堤身的滲透性。

4　成功案例

針對(duì)防洪堤下部軟基問(wèn)題，下面舉幾個(gè)國(guó)內(nèi)防洪堤軟基處理較為成功的案例。

a.高壓旋噴樁處理防洪堤軟基。在廣東省河源市源城區(qū)防洪堤工程中，為了加固地基、減少滲透性，采用高壓旋噴樁對(duì)地基進(jìn)行了加固。設(shè)計(jì)樁徑為1.20m，樁距為3m，采用梅花形布樁，樁長(zhǎng)10～16m不等，下部位于微風(fēng)化巖上，入巖深度為50cm，樁體強(qiáng)度在28d齡期時(shí)達(dá)到2MPa，單樁承載力要求大于1000kN。工程完工后，經(jīng)對(duì)防洪堤垂直沉降和水平位移觀測(cè)均符合規(guī)范要求，加固效果良好，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

b.水泥攪拌樁能夠明顯提高軟基承載力、減小沉降量。在溫州市永嘉縣防洪堤[3]、九江市堤防[4]和東江堤防[5]等工程中均采用了水泥攪拌樁復(fù)合地基，原地基經(jīng)加固后，加固土體的強(qiáng)度大大提高，堤防整體抗滑穩(wěn)定性也能夠提高。

c.福建省閩江防洪工程福州段(一期)防洪堤軟基采用塑料排水板進(jìn)行處理，塑料排水板呈梅花形布置，間距為1.20m[6]。

d.衢州市衢江區(qū)棠村段防洪堤堤身及堤后低洼地面多處滲水，且滲流量較大，嚴(yán)重影響到堤身的安全穩(wěn)定，為此采用高壓擺噴灌漿技術(shù)沿堤身的縱向軸線進(jìn)行防滲加固處理，灌漿材料為水泥漿，設(shè)計(jì)灌漿平均深度9.0～10.0m，經(jīng)灌漿處理后，防洪堤體滲漏處未見(jiàn)管涌、滲流等現(xiàn)象，防滲效果良好[7]。

e.福建省晉東防洪堤的坡面采用生態(tài)綠色混凝土進(jìn)行護(hù)坡施工，在迎水坡采用C25混凝土框架梁和現(xiàn)澆生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)型式。坡面上事先鋪設(shè)了一層營(yíng)養(yǎng)無(wú)紡復(fù)合土工布，然后澆筑C25混凝土框架梁，框架內(nèi)澆筑了16cm厚度的生態(tài)混凝土，也稱(chēng)為無(wú)砂混凝土。在混凝土中加入鹽堿改良劑，用以中和混凝土的鹽堿度。施工中對(duì)混凝土不進(jìn)行振搗，只用釘耙整平即可。生態(tài)混凝土留有一定的孔隙率，植物根系可穿過(guò)混凝土，在土工布中汲取營(yíng)養(yǎng)和水分，該生態(tài)綠化混凝土解決了傳統(tǒng)剛性混凝土板塊大面積防護(hù)、面板上寸草不生的問(wèn)題，維持了河道原有生態(tài)鏈條的平衡。

f.遼寧省丹東市馬市段防洪堤[8]，地基土主要為粉細(xì)砂、細(xì)砂，為中等透水性，易發(fā)生管涌，在2010年8月10日晚，洪水引發(fā)防洪堤多處管涌，為此在坡面處鋪設(shè)一層土工膜進(jìn)行防滲，土工膜沿坡面鋪設(shè)到設(shè)計(jì)水位，護(hù)腳以下垂直鋪設(shè)6.0m寬度，并在堤內(nèi)進(jìn)行了高壓擺噴灌漿處理，處理后防洪堤安全性大大提高。

5　結(jié)　語(yǔ)

防洪堤工程關(guān)乎沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，是關(guān)系民生的重要工程。本文針對(duì)防洪堤在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題進(jìn)行探討，分析產(chǎn)生破壞的常見(jiàn)類(lèi)型和形成原因，結(jié)合國(guó)內(nèi)一些治理措施案例，討論避免出現(xiàn)安全問(wèn)題的一些對(duì)策。防洪堤的安全運(yùn)行，從開(kāi)始的設(shè)計(jì)施工到后期的維護(hù)維修等運(yùn)行管理，每個(gè)環(huán)節(jié)都非常重要，維護(hù)防洪堤的安全運(yùn)行，是每位水利工作者的責(zé)任。

[1]李少軍.防洪堤坡腳防沖解決工程措施分析——以薩迦縣城區(qū)防洪堤維修加固工程為例[J].中國(guó)水運(yùn)，2014(10)：181-182.

[2]羅滬文，張華.高壓旋噴樁在防洪堤基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(3)：74-78.

[3]方子杰.水泥攪拌樁在溫州市永嘉縣防洪堤地基加固中的應(yīng)用[J].巖土工程界，2005(1)：60-62.

[4]黃建和.水泥土攪拌樁在九江市堤防基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2001(2)：11-12.

[5]胡濤，陳曉，金德鋼.水泥攪拌樁在東江堤防基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用[J].北京電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(29)：29-30.

[6]周婉真.閩江防洪堤軟土地基塑料排水板加固施工技術(shù)[J].廣西水利水電，2015(3)：44-47.

[7]金愛(ài)妹.高壓擺噴灌漿技術(shù)在防滲工程中的應(yīng)用——以衢州市衢江區(qū)棠村段防洪堤為例[J].浙江水利科技，2013(3)：90-92.

[8]戴晶.馬市防洪堤透水地基防滲的技術(shù)措施[J].城市道橋與防洪，2013(8)：177-178.