山區(qū)河道堤防工程滲控措施研究

潘文浩 尚欽 鄭華康 呂鵬

摘要：山區(qū)河道堤防堤基及堤身土層多由透水性較強(qiáng)的非黏性土構(gòu)成，汛期易產(chǎn)生滲透破壞和堤基滲漏，在堤防工程設(shè)計(jì)中需考慮一定的防滲排水或加固補(bǔ)強(qiáng)措施。以金沙江麗江段新建堤防工程為例，對(duì)采取不同滲控方案的堤防斷面進(jìn)行了非穩(wěn)定滲流計(jì)算，對(duì)堤身及堤基滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并結(jié)合堤后農(nóng)作物特性進(jìn)行了淹沒分析，提出了針對(duì)典型山區(qū)河道堤防較為經(jīng)濟(jì)合理的滲控措施。結(jié)果表明：山區(qū)堤防防滲應(yīng)以防止?jié)B透破壞為主，宜采取適當(dāng)深度的防滲墻加堤后蓋重方案。

關(guān)鍵詞：滲控措施; 堤防工程; 淹沒分析; 山區(qū)河道; 麗江段新建堤防工程; 金沙江

中圖法分類號(hào)：TV871 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.001

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）01 - 0001 - 05

0 引 言

山區(qū)河道堤防堤基多為雙層或單一結(jié)構(gòu)，表層或上部多分布粉細(xì)砂、粉土或砂質(zhì)粉土，中下部一般為深厚的砂礫卵石夾漂（塊）石層。由于缺乏黏性土料，堤身也往往采用砂礫石填筑[1-2]。因此，在興建堤防時(shí)，堤基及堤身的防滲是關(guān)鍵問題。以往對(duì)堤防防滲的研究多為針對(duì)平原河道汛期穩(wěn)定滲流條件，而山區(qū)河道洪水過程一般陡漲陡落，洪峰歷時(shí)相對(duì)較短，難以形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，因此，在工程設(shè)計(jì)中可選取設(shè)計(jì)水位過程作為邊界條件，對(duì)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[3-4]。

本文以金沙江麗江段紅巖村新建堤防為例，對(duì)不同滲控方案下的堤基及堤身滲流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算成果進(jìn)行了堤后農(nóng)作物淹沒分析，綜合考慮地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)適用性等方面因素，選取了較為合理的滲控措施。

1 工程概況

金沙江麗江段紅巖村新建堤防位于金沙江麗江段右岸，下距長(zhǎng)江第一彎石鼓約14 km。擬建堤防所在的灘地分布有村莊和耕地，灘地地勢(shì)較低，歷年來洪水災(zāi)害頻繁，且缺乏防洪工程建設(shè)。由于沿江的玉龍縣為國(guó)家級(jí)貧困縣，臨江的肥沃耕地是當(dāng)?shù)貙氋F的土地資源和重要的經(jīng)濟(jì)來源，因此，擬通過修建堤防來補(bǔ)齊防洪工程短板，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。該工程段地層以雙層結(jié)構(gòu)為主，堤基土上部主要為沖洪積含砂低液限黏土，厚度一般為1.5～3.0 m，呈可塑狀，地表多分布粉細(xì)砂或砂質(zhì)粉土，局部地表分布土夾碎（卵）礫石，厚度一般為0.3～1.0 m;下部主要為砂礫卵石夾漂（塊）石層，局部段砂礫卵石層以下分布卵礫石夾土（圖1）。

2 滲控方案

2.1 初步比選

參考GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及已建類似工程經(jīng)驗(yàn)，堤基防滲處理方案主要有：堤后填高、垂直防滲、堤內(nèi)設(shè)減壓溝及水平防滲等措施。為合理確定防滲處理方案，從土層條件、地形地勢(shì)條件、建筑物結(jié)構(gòu)、材料來源、施工條件及后期使用等方面對(duì)不同的防滲處理措施進(jìn)行比較分析如下。

（1） 方案1。堤內(nèi)整體填高。堤后填高至設(shè)計(jì)洪水位可有效解決防滲問題和堤后排澇問題，且能充分利用附近工程段開挖棄土。但該方案存在的問題主要如下：①對(duì)于村鎮(zhèn)段，堤后為居民聚集區(qū)，不具備整體填高的條件;②對(duì)于耕地段，填高后需復(fù)墾，而工程區(qū)域黏性土料匱乏，復(fù)墾困難;③堤后填高需對(duì)堤防保護(hù)范圍進(jìn)行大面積臨時(shí)征地，而工程區(qū)位于少數(shù)民族地區(qū)，堤防保護(hù)范圍有較多的民風(fēng)及宗教特色建筑，如白塔、渡江紀(jì)念碑等，臨時(shí)征地再?gòu)?fù)耕難度較大。故不推薦采用堤內(nèi)整體填高的方案。

（2） 方案2。垂直防滲。垂直防滲可以延長(zhǎng)滲徑、改善堤身和堤基土的密實(shí)性，對(duì)于減小逸出比降、減少滲漏量均有一定作用，在堤基中有弱透水性土層時(shí)優(yōu)先采用。工程段堤身為透水性較強(qiáng)的砂礫石填筑，堤基下部土層為深厚的透水性強(qiáng)的砂礫卵石，但表層一般有一定厚度的中透水性粉細(xì)砂夾粉土層，部分段有弱透水性的含砂黏土層，可用垂直防滲墻截?cái)嗟躺頋B流通道，對(duì)下部堤基滲徑延長(zhǎng)也有一定作用。垂直防滲能截?cái)嗟躺頋B漏量，也能在一定程度上減少堤基的滲漏量。

（3） 方案3。水平防滲。水平防滲措施可以采用堤外鋪設(shè)黏土蓋層，或堤內(nèi)填筑透水蓋重及填塘固基的方法。由于工程區(qū)缺乏黏性土土料，且金沙江流速較大，堤外鋪蓋層后期因水流沖刷可能受到破壞;此外，工程段滲漏量主要來源于堤基砂卵礫石層形成的的滲流通道，水平防滲對(duì)該滲漏量的控制不如垂直防滲效果好。故不推薦采用堤外鋪設(shè)黏土蓋層的方法。堤內(nèi)填筑透水蓋重結(jié)合填塘固基的方法適用范圍較廣，主要用于防止背水側(cè)堤坡、堤腳、堤基及局部低洼地發(fā)生滲透破壞。部分堤段堤內(nèi)表層覆蓋層埋深較淺，下部砂卵礫石層在一定水頭差下易形成透水通道，可能存在滲透穩(wěn)定問題，所以需采用堤內(nèi)蓋重和局部填塘進(jìn)行防滲處理。

綜合考慮，垂直防滲和堤內(nèi)填筑透水蓋重水平防滲的方式均適用于金沙江麗江段新建堤防工程。

2.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法

工程河段洪峰期一般為8～9月，本次對(duì)各堤防段進(jìn)行洪峰期非穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算，工程段設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，相應(yīng)典型洪水年為1991年典型年，工程河段石鼓水文站實(shí)測(cè)洪水過程如圖2所示。考慮到紅巖村堤防段距離石鼓站的距離約13 km，且中間無大的支流入?yún)R，因此該測(cè)站水位過程對(duì)于工程段具有一定代表性。非穩(wěn)定滲流計(jì)算中，選取該洪水位過程作為堤防迎水側(cè)水位工況，背水側(cè)水位為現(xiàn)狀地面高程。

土層按各向同性考慮，采用有限元法計(jì)算。滲透穩(wěn)定的判別采用洪水期外江最高水位時(shí)表層土的出逸比降控制，即：

J≤J允

式中：J為表層土的實(shí)際出逸比降;J允為表層土的允許出逸比降。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察建議值及《工程地質(zhì)手冊(cè)》，各土層的滲透系數(shù)及允許比降按表1取值。

2.2.3 方案比選

為定量分析垂直防滲墻長(zhǎng)度和水平蓋重寬度，確定經(jīng)濟(jì)合理的防滲措施，本次選取典型斷面，擬定了7種滲流控制方案進(jìn)行滲流計(jì)算和滲流穩(wěn)定分析。其中，蓋重高程高于堤坡出逸點(diǎn)。方案1為無防滲措施;方案2為設(shè)置10 m寬蓋重;方案3為設(shè)置20 m寬蓋重;方案4為設(shè)置10 m長(zhǎng)垂直防滲墻;方案5為設(shè)置15 m長(zhǎng)垂直防滲墻;方案6為設(shè)置20 m長(zhǎng)垂直防滲墻;方案7為設(shè)置10 m長(zhǎng)垂直防滲墻并設(shè)置15 m寬蓋重。

根據(jù)擬定的計(jì)算方案，典型剖面的滲流計(jì)算成果見表2，典型剖面各方案等勢(shì)線分布見圖3～9。

根據(jù)計(jì)算成果，方案1條件下，若不采取滲控措施，背水坡出逸點(diǎn)較高，堤坡及堤內(nèi)腳均超出表層土允許比降，不滿足滲流穩(wěn)定要求，且高水位期堤后滲漏量較大。方案2，3條件下堤坡出逸點(diǎn)高程均明顯下降，堤坡出逸點(diǎn)比降小于允許比降，但堤內(nèi)腳比降仍大于允許比降，滲漏量相比方案1沒有明顯減小，說明堤后蓋重能在一定程度上減小堤內(nèi)腳（或蓋重腳）的滲流比降，但對(duì)滲漏量的減少不明顯。比較方案2，3可知，蓋重加寬對(duì)進(jìn)一步減小滲流比降和滲漏量均不明顯。在方案4條件下，堤坡出逸點(diǎn)高程均明顯下降，堤坡出逸點(diǎn)比降小于允許比降，但堤內(nèi)腳比降仍大于允許比降，滲漏量相比方案1減少了48%。比較方案4，5，6可知，防滲墻能在一定程度上延長(zhǎng)浸潤(rùn)線、降低堤后逸出比降、減少滲漏量，但由于堤基主要為強(qiáng)透水性的砂卵礫石層，懸掛防滲對(duì)滲漏量的控制有限，進(jìn)一步延長(zhǎng)防滲墻對(duì)滲漏量的減少?zèng)]有明顯作用。在方案7條件下，堤身及堤后土層的滲流比降均小于允許比降，斷面的滲流穩(wěn)定能得到有效控制。

3 堤后農(nóng)作物淹沒分析

參考GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并根據(jù)滲流穩(wěn)定復(fù)核成果，對(duì)工程段堤后農(nóng)作物淹沒情況進(jìn)行分析。由表3可知，在典型年洪水高水位期間，堤后滲漏量大于1 m3/（d·m），堤后易形成積水。據(jù)調(diào)查，工程段7～8月份沿江主要農(nóng)作物有烤煙、玉米、水稻以及藥材如三七等，大部分處于生長(zhǎng)期，根據(jù)GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，這些作物耐淹時(shí)間一般不超過2～3 d，耐淹水深一般不超過15～20 cm。根據(jù)滲漏量計(jì)算成果，在不采取防滲措施的條件下，工程段堤后農(nóng)作物淹沒情況如表4所示。由表4可知，1991年典型年洪水過程下，堤防段洪水漫灘時(shí)間超過14 d。無防滲措施的堤防斷面洪峰期滲漏量達(dá)到1.72 m3/（d·m），堤后平均淹沒水深均超過20 cm。典型年洪峰期為8月2日至9月9日，正處于沿江主要農(nóng)作物的生長(zhǎng)期和成熟期。因此，從防止農(nóng)作物淹沒方面來看，采取一定防滲措施以減少相應(yīng)滲漏量也是必要的。

采用防滲墻和蓋重進(jìn)行防滲處理后，工程段滲漏量相對(duì)于該原堤基及堤身?xiàng)l件情況下的滲漏量有一定程度減少，平均淹沒水深均已降至農(nóng)作物耐淹水深以下，但由于堤基主要為砂礫卵石夾漂（塊）石和細(xì)砂，黏性土、粉土覆蓋層較薄，垂直懸掛防滲墻對(duì)堤基滲漏量的控制仍有限，滲漏量?jī)H減少45%。由滲控方案比選分析（表2）可知，進(jìn)一步延長(zhǎng)防滲墻對(duì)滲漏量的減少并不明顯，因此，需在堤后設(shè)置排水設(shè)施或調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)來避免農(nóng)作物遭受淹沒。

4 結(jié) 論

本文以金沙江麗江段新建堤防為例，對(duì)不同滲控方案下的堤防斷面進(jìn)行了滲流穩(wěn)定分析以及農(nóng)作物淹沒分析。結(jié)果表明：山區(qū)河道堤防堤基多由深厚的強(qiáng)透水性砂卵礫石層構(gòu)成，防滲墻難以深入至相對(duì)不透水層，繼續(xù)增加防滲墻深度對(duì)堤后滲漏量的控制仍有限，且不夠經(jīng)濟(jì)。因此山區(qū)堤防防滲應(yīng)以防止?jié)B透破壞為主，宜采取適當(dāng)深度的防滲墻加堤后蓋重方案。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：江 文）

Research on seepage control measures for dikes of typical mountain rivers：

a case of dike project in Lijiang reach of Jinsha River

PAN Wenhao， SHANG Qin， ZHENG Huakang， LYU Peng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： The river dike body and its foundation in mountain area are mainly composed of strong permeability non-cohesive soil， which may cause seepage damage and dike foundation seepage in flood seasons. Therefore， seepage control， drainage measures and reinforcement should be considered in dike project design. Taking Lijiang reach of the Jinsha River as a study case， unsteady seepage simulation of the dike body with different seepage control schemes was conducted， the dike seepage stability of dyke body and foundation as well as the crop submergence in the back of dyke were analyzed based on the simulation， and relatively economical and reasonable seepage control measures were proposed for typical mountain river dikes. The results showed that the major seepage control of the river dike in mountainous area should be seepage damage prevention， and it is advisable to construct seepage wall combined with weighting soil layer in the back of dike.

Key words： seepage control measure; dike project; submergence analysis; mountain river; dike project in Lijiang reach; Jinsha River