汪甸防護(hù)堤堤基滲流分析及加固設(shè)計(jì)

陸迎壽

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

百色市汪甸防護(hù)工程位于右江樂里河支流上，地處樂里河左岸汪甸鄉(xiāng)政府后汪垌片一帶，東起汪甸水文站，西至塘房橋頭。2005年動(dòng)工興建，2007年進(jìn)行了堤基防滲帷幕灌漿處理。

堤防區(qū)位于百色水利樞紐庫區(qū)樂里河左岸，為山間河流沖積階地，地形較平緩，向樂里河微傾斜，高程220～229.5 m。堤基為典型雙層地基結(jié)構(gòu)，下層為含泥漂卵石，膠結(jié)松散，易塌孔，為強(qiáng)透水層，上層為粉質(zhì)粘土層，厚度1～4 m，為弱～微透水層。2016年9月21日上午，已在高水位運(yùn)行多天的防護(hù)堤因堤基漂卵石層局部區(qū)域發(fā)生管涌導(dǎo)致潰堤，給防護(hù)堤內(nèi)的人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。為解決防護(hù)區(qū)的工程安全，對(duì)防護(hù)堤采取堤內(nèi)填高壓滲的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加固。

2 工程設(shè)計(jì)方案[1]

對(duì)于下臥層為強(qiáng)透水的堤基，其處理方案多種多樣，比如堤基防滲帷幕、塑性混凝土心墻、堤后減壓排滲井、土工布截滲、堤前和堤后下游側(cè)設(shè)反慮鋪蓋延長滲徑，劈裂灌漿等技術(shù)手段[2]，為徹底解決汪甸防護(hù)堤的滲透安全問題，提出了如下3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

（1）方案一：堤內(nèi)填高壓滲方案。堤內(nèi)填高壓滲方案在應(yīng)急搶險(xiǎn)基礎(chǔ)上對(duì)堤后防護(hù)區(qū)整體進(jìn)行填高壓滲設(shè)計(jì)，并在遠(yuǎn)離堤腳處設(shè)滯洪塘，在堤后培厚體后新建貼坡排水體和排水溝；由于應(yīng)急搶險(xiǎn)掩埋了原堤基排滲井，故本階段在距堤腳120 m處設(shè)排滲井，間距15 m，排滲井滲水通過排水農(nóng)溝流至滯洪塘。

（2）方案二：堤基防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)方案。堤基防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)方案在應(yīng)急搶險(xiǎn)基礎(chǔ)上沿堤軸線重新對(duì)堤基防滲帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，灌漿封堵原排滲井；在培厚體后新建貼坡排水體和排水溝，新設(shè)排滲井。

（3）方案三：堤基塑性混凝土防滲墻方案。堤基塑性混凝土防滲墻方案在應(yīng)急搶險(xiǎn)基礎(chǔ)上在堤頂設(shè)置塑性混凝土防滲墻，貫通至基巖，在堤后培厚體后新建貼坡排水體和排水溝，新設(shè)排滲井。

方案一需對(duì)堤后農(nóng)田全部進(jìn)行整治，但填高需要大量土石料，征地范圍較大，投資也較其他方案較省，且堤后填高后延長了滲徑，對(duì)堤身與防護(hù)區(qū)的安全有利，同時(shí)減少堤后農(nóng)田浸沒的情況。方案二具有占地少、施工期短的優(yōu)點(diǎn)，但帷幕年久后容易失效，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)灌，堤后排滲井容易堵塞，后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，堤后滲漏量大，且堤后農(nóng)田浸沒問題仍有可能存在。方案三與方案二的區(qū)別在于防滲方式不同，塑性混凝土防滲墻相比防滲帷幕，防滲效果與安全性更有保障，但由于防護(hù)堤下部基礎(chǔ)為含泥漂卵石層，造孔做塑性混凝土垂直防滲墻時(shí)造價(jià)高、工期緊張，施工成功的風(fēng)險(xiǎn)大、效果難以保證。

經(jīng)綜合比較后，本工程擬推薦方案一作為本次工程修復(fù)加固方案。

3 滲流計(jì)算及填高壓滲加固設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理論

3.1.1 滲流計(jì)算有限元法

根據(jù)滲流計(jì)算條件，將研究區(qū)域離散化，再以總水頭為未知變量，建立關(guān)于總水頭的矩陣方程式，其基本計(jì)算公式如下：

式中：[K]為滲透系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲(chǔ)水量矩陣；{Q}為流量向量；t為時(shí)間。

3.1.2 填高壓滲計(jì)算原理

土石堤背水側(cè)各點(diǎn)的透水蓋重厚度計(jì)算公式如下[3]：

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處的表層弱透水層承壓水頭，m；Gs為表層弱透水層土粒的比重；n為表層弱透水層土粒的孔隙率；t1為表層弱透水層厚度，m；ρ為蓋重土石料的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；K為蓋重安全系數(shù)。

3.2 防護(hù)區(qū)滲流場(chǎng)分析

汪甸防護(hù)堤內(nèi)的防護(hù)區(qū)雙層地基土分布不一，為合理獲得防護(hù)堤后粘土鋪蓋下表面的承壓水頭，采用有限元法對(duì)典型斷面進(jìn)行分析，根據(jù)地質(zhì)勘察資料[1]，選擇堤基漂卵石滲透系數(shù)較大的2+081.6斷面進(jìn)行研究。2+081.6現(xiàn)狀滲流分析剖面見圖1，各層土的滲透參數(shù)見表1。

圖1 2+081.6現(xiàn)狀滲流分析剖面模型

表1 各層土滲透參數(shù)表

根據(jù)百色水庫運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，本研究采用外江水位為228.120 m，內(nèi)江水位與原地面齊平的邊界條件進(jìn)行滲流場(chǎng)計(jì)算，典型斷面總水頭分布云圖及粉質(zhì)粘土鋪蓋下表面距堤腳0、25、50、…、300 m的水頭值分別見圖2和表2。從表2可以看出，弱透水層底部承壓水頭離堤腳越遠(yuǎn)，其值逐漸變小，最為危險(xiǎn)的在于距堤腳100 m的范圍內(nèi)，其承壓水頭在3 m以上，如若該范圍內(nèi)弱透水層的重量不足以抵抗由此承壓水頭產(chǎn)生的頂托力，將導(dǎo)致弱透水層頂穿，進(jìn)而演化為底部強(qiáng)透水層發(fā)生管涌通道，危害堤身安全。為此，有必要根據(jù)滲流計(jì)算的承壓水頭復(fù)核堤后弱透水層的滲透穩(wěn)定性。

表2 典型斷面承壓水頭計(jì)算表m

圖2 總水頭分布云圖

3.3 堤后填高壓滲加固設(shè)計(jì)

根據(jù)蓋重理論計(jì)算公式，計(jì)算典型斷面堤后距堤腳0、25、50、…、300 m的蓋重厚度成果見表3。

由表3可知，堤后100 m范圍內(nèi)均需要填高壓滲才能保證弱透水層不被底下的承壓水頭頂托破壞。由計(jì)算可得，當(dāng)不考慮堤基防滲帷幕效果時(shí)，汪甸防護(hù)堤堤腳處至少需要壓重至223.645 m高程才能滿足外江水位為設(shè)計(jì)水位的作用。越遠(yuǎn)離堤腳，所需壓重厚度逐漸減小，至約100 m之外，靠弱透水層重量即抵消底部承壓水頭的作用。

表3 堤后填高壓滲計(jì)算表

經(jīng)研究，考慮到防護(hù)堤后人們的生產(chǎn)、生活，建議將堤后240 m范圍內(nèi)整體抬填至224.0 m高程。堤后蓋重材料采用土石混合料，要求滲透系數(shù)大于1.0×10-4cm/s，土石混合料填筑至223.0 m高程。土石混合料之上設(shè)保水土層，厚0.5 m；表層設(shè)耕植土層，厚0.5 m。同時(shí)，為確保防護(hù)區(qū)的安全，建議在距堤腳100 m處設(shè)減壓排滲井，充分降低弱透水層底部承壓水頭，并在堤后設(shè)3排測(cè)壓管以監(jiān)測(cè)弱透水層底部承壓水頭。經(jīng)滲透穩(wěn)定復(fù)核驗(yàn)算，防護(hù)堤經(jīng)過加固設(shè)計(jì)后，可滿足堤后弱透水層的滲透穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

對(duì)于多層復(fù)雜堤基，可通過有限元法準(zhǔn)確計(jì)算其滲流場(chǎng)，從而評(píng)價(jià)各層土的滲透穩(wěn)定性。本文依托百色市汪甸防護(hù)堤搶險(xiǎn)修復(fù)應(yīng)急工程項(xiàng)目，采用有限元法計(jì)算復(fù)雜多層堤基各層土的滲流場(chǎng)，準(zhǔn)確獲得弱透水層底部承壓水頭，進(jìn)而采用蓋重理論公式計(jì)算堤后弱透水層上的蓋重厚度，從而有效地指導(dǎo)堤后防護(hù)區(qū)的填高壓滲加固設(shè)計(jì)。