剝巖土加固堤防在樂亭二灤河小埝工程中的應(yīng)用

張靜靜，時(shí)啟軍，徐 磊，孫蓬勃

（1.河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，石家莊 050000）

1 工程概況

樂亭縣位于河北省唐山市東南部灤河下游，地處環(huán)渤海灣中心地帶和京津唐秦4市環(huán)抱之中，地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)中心區(qū)域的京唐港區(qū)腹地黃金地帶，近年經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快。2018年，樂亭縣入選全國投資潛力百強(qiáng)縣市、綠色發(fā)展百強(qiáng)縣市，入選2018全國“幸福百縣榜”，并重新確認(rèn)國家衛(wèi)生縣城。

樂亭縣二灤河防洪小埝，自灤樂交界處至入海口。目前存在問題為防洪小埝筑堤材料主要為砂性土，在多年的運(yùn)用中風(fēng)吹、雨刷剝蝕堤身，致使堤頂高程降低、堤身縮窄，影響了小埝行洪能力。

2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地處渤海沿岸的薊灤沖洪積平原區(qū)，由西北向東南傾斜，構(gòu)成廣闊的近海平原。河床呈寬淺型，河床及漫灘地表大部分被粉細(xì)砂或砂壤土覆蓋，小埝內(nèi)外種植有大量樹木和大棚果蔬。

二灤河小埝地層巖性由壤土、砂壤土、粉細(xì)砂、含碎石黏土（剝巖土為主）、雜填土等組成，局部夾黏土層；堤基巖性主要由壤土、粉砂、細(xì)砂、中砂等組成，局部為黏土、砂壤土層。二灤河小埝上游段Ⅱ類場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，二灤河小埝下游段Ⅱ類場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相應(yīng)地震烈度為Ⅶ度。場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

3 填筑方案擬定

工程段堤埝，堤基多為砂性土，背水側(cè)無復(fù)堤條件，本次采取迎水側(cè)復(fù)堤，使堤埝防洪標(biāo)準(zhǔn)由3～5年一遇提高到10年一遇。本工程防洪小埝迎水側(cè)加高培厚段較長，填筑量所占比重較大，根據(jù)當(dāng)?shù)刂炭衫猛恋奈锢砹W(xué)特性、分布和儲(chǔ)量，并結(jié)合已實(shí)施段的經(jīng)驗(yàn)，擬選擇以下3個(gè)方案對(duì)迎水側(cè)復(fù)堤進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比選。

方案1：取河道內(nèi)粉細(xì)砂加筋填筑

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，灤河干流河床主槽內(nèi)砂性土可滿足堤防填筑用量要求。堤埝迎、背水坡坡比為1∶3，迎水側(cè)設(shè)置土工格柵加筋，迎水側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)自上而下分別為40cm厚漿砌石護(hù)坡和0.5mm厚兩布一膜復(fù)合土工膜，背水側(cè)采用混凝土框格植草防護(hù)，對(duì)現(xiàn)狀堤基為砂性土的堤段，背水坡坡腳以上1.5m坡面設(shè)置了反濾排水措施，反濾結(jié)構(gòu)層自上而下分別為30cm厚干砌石、10cm厚碎石墊層和土工布。

圖1 方案1典型橫斷面（砂性土復(fù)堤）

方案2：外購?fù)撂钪?/p>

根據(jù)以往已實(shí)施段工程經(jīng)驗(yàn)，采用外購剝巖土填筑。剝巖土以全風(fēng)化的黏土巖、壤土為主，黏粒含量、滲透系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，在灤河和二灤河已實(shí)施項(xiàng)目中普遍使用，填筑效果較好。堤埝迎、背水坡坡比均為1∶3。根據(jù)不同河段的水流條件，迎水坡分別選用漿砌石、混凝上連鎖磚和混凝土框格植草護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，對(duì)現(xiàn)狀堤身為粉細(xì)砂的堤段，背水側(cè)采用干砌石或混凝土框格植草防護(hù)。

圖2 方案2典型橫斷面（外購剝巖土復(fù)堤）

方案3：迎水側(cè)采用剝巖土+砂性土填筑

根據(jù)“前堵后排”的原則，在迎水側(cè)設(shè)防滲體斜墻，防滲體采用外購黏性土填筑，頂部位于路面以下，頂寬2m，迎水側(cè)坡比為1∶3，自上而下逐漸加厚，設(shè)計(jì)水位以下最小厚度不小于1m，堤基以下齒槽深度2m，防滲體后采用河灘地砂性土填筑；迎、背水側(cè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式與方案2相同。

圖3 方案3典型橫斷面（外購黏性土+砂性土）

4 方案比選

方案1優(yōu)點(diǎn)為填筑土料遵循了“就近取土”的原則，取土區(qū)緊鄰工程區(qū)，調(diào)土運(yùn)距較短，調(diào)土可利用場(chǎng)區(qū)施工臨時(shí)道路，避免外界干擾，調(diào)土難度相對(duì)較小。缺點(diǎn)為砂性土的物理力學(xué)參數(shù)相對(duì)較低，堤防在高水位行洪時(shí)砂性土堤身存在較大隱患，一旦出現(xiàn)險(xiǎn)工時(shí)搶險(xiǎn)難度較大，砂性土填筑質(zhì)量受施工質(zhì)量影響較大，背水側(cè)須設(shè)置反濾排水等工程措施，工程后期管理存在一定難度。

方案2剝巖土以全風(fēng)化的黏土巖為主。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，在灤河以往的年度實(shí)施項(xiàng)目中已有多個(gè)工程大量使用剝巖土作為筑堤材料的實(shí)例，填筑效果很好。料源緊鄰公路，交通便利，其儲(chǔ)量能夠滿足本工程設(shè)計(jì)用量。缺點(diǎn)為運(yùn)距較遠(yuǎn)，單價(jià)高，總體投資上相對(duì)較高，且土料中夾雜粒徑較大的塊石，填筑前須對(duì)土料進(jìn)行篩分。

方案3的優(yōu)點(diǎn)是將方案1和方案2相結(jié)合。與方案1對(duì)比，迎水側(cè)設(shè)剝巖土防滲體，優(yōu)化了防滲效果；與方案2對(duì)比，在防滲體后采用就地取砂性土替代部分外購剝巖土，減少了外購?fù)凉こ塘?，緩解了調(diào)土壓力，優(yōu)化了工程投資。缺點(diǎn)為盡管迎水側(cè)采用了防滲體，但由于背水側(cè)采用砂性土填筑，仍需要采取相應(yīng)的工程措施，維修養(yǎng)護(hù)成本較高，另外，該方案須根據(jù)不同土料分區(qū)域填筑，施工難度較大，施工質(zhì)量不易控制。

從工程運(yùn)行安全、施工難度、工程投資等方面考慮，穿村段及現(xiàn)狀未治理堤埝，本次復(fù)堤推薦采用方案2：迎水側(cè)復(fù)堤，筑堤土為剝巖土。

5 填筑設(shè)計(jì)

5.1 滲透穩(wěn)定計(jì)算

5.1.1 滲透變形類型判別

原埝身填筑土為人工填土，巖性主要由壤土、砂壤土、粉細(xì)砂、含碎石黏土、雜填土等組成，局部夾黏土層。其主要滲透破壞類型為流土。二灤河右埝的各土層，允許的水力比降的建議值：壤土為0.40，砂壤土為0.35，粉砂為0.25，細(xì)砂為0.20。

5.1.2 出逸坡降的計(jì)算

采用有限元法計(jì)算滲流浸潤線，應(yīng)用《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》分析計(jì)算滲流浸潤線與滲流場(chǎng)。

其假定滲透介質(zhì)（土石體）不可被壓縮，滲流流態(tài)符合達(dá)西定律，則基本方程為：

式中 H為水頭函數(shù)；x，y為空間坐標(biāo)；kx，ky為以x，y軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

初始條件：

邊界條件：

第一類邊界（水頭邊界）：

第二類邊界（流量邊界）：

滲流自由面邊界：

式中 n是邊界Γ2的外法向。

依據(jù)泛函變分的原理，將研究區(qū)劃分為有限個(gè)計(jì)算單元，其中任意點(diǎn)的水頭，由單元結(jié)點(diǎn)水頭通過插值確定。通過對(duì)單元的集成，建立相應(yīng)的代數(shù)方程組。對(duì)方程組求解，即可得出滲流場(chǎng)的數(shù)值解，即各結(jié)點(diǎn)的水頭值，也就是滲流自由面水頭線。

5.1.3 滲透工況計(jì)算

滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，設(shè)定計(jì)算工況如下：

工況1：穩(wěn)定滲流工況的計(jì)算，臨水側(cè)設(shè)定為10年一遇設(shè)計(jì)水位，背水側(cè)無水情況下，對(duì)堤防背水坡出逸比降進(jìn)行復(fù)核。

工況2：非穩(wěn)定滲流工況的計(jì)算，臨水側(cè)設(shè)定為10年一遇設(shè)計(jì)水位，經(jīng)歷48h后，下降至無水情況下，對(duì)臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，在此條件下，復(fù)核堤防臨水坡滲透出逸比降。

擬對(duì)治理段每隔1～3km選取1個(gè)典型斷面，對(duì)“12·8”險(xiǎn)情段及砂性堤段選取斷面間距適當(dāng)加密，對(duì)壤土堤身和黏性土堤基的斷面間距適當(dāng)加大。

5.1.4 防滲透破壞措施

通過堤防典型斷面的滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析可知，不滿足滲透穩(wěn)定的堤段主要為堤身、堤基均為砂性土的堤段。由于堤身較高、水深較大，堤身、堤基均為透水性強(qiáng)的粉細(xì)砂，砂性土堤身和大部分砂性土堤基的滲透穩(wěn)定需另外采取工程措施。

根據(jù)“前堵后排”的原則，一般工程措施主要分兩類，一類是通過延長滲徑以減小出口比降，可在迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜；二是增設(shè)背水坡貼坡排水以減小出逸點(diǎn)滲透坡降。采取上述措施后，堤防滲流比降由0.38降至0.25，堤防滲透穩(wěn)定均滿足要求。

5.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

5.2.1 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法

本次采用簡化畢肖普法計(jì)算邊坡的抗滑穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為：

其中 W為土（石）體的重量；u為作用在土體底面的孔隙壓力；v為在垂直方向與水平方向的地震慣性力（規(guī)定：向上為負(fù)“-”，向下為正“+”）；b為土體的寬度；a為土體條塊重力線和通過土塊底面中點(diǎn)半徑之間的角度；MC為水平方向上地震慣性力對(duì)圓心的力矩；c′，φ′為土條底部有效應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；R為土條的滑坡面圓弧半徑；K為土條圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性的安全系數(shù)（工況不一致，取值不同）。

5.2.2 計(jì)算工況

依據(jù)堤防的工作狀態(tài)和作用力的不同，模擬邊坡穩(wěn)定性分析工況計(jì)算為：

正常運(yùn)行條件I：二灤河樂亭段10年一遇設(shè)計(jì)水位，堤外無水時(shí)，復(fù)核堤防背水坡穩(wěn)定。

正常運(yùn)行條件II：二灤河樂亭段10年一遇設(shè)計(jì)水位驟降時(shí)的臨水側(cè)堤坡邊坡穩(wěn)定性復(fù)核。

非常運(yùn)行條件I：施工期的堤埝里外全無水情況下，背水坡、臨水坡的穩(wěn)定性復(fù)核。

5.2.3 斷面的選擇及參數(shù)指標(biāo)的選取

筑堤土c，φ，γ值，采用的是二灤河筑堤料場(chǎng)土料擊實(shí)試驗(yàn)的實(shí)際成果。堤基的巖性及c，φ，γ值，依據(jù)地勘成果資料取值。土條的浸潤線采用的是滲透穩(wěn)定的演算結(jié)果。選取的3個(gè)典型斷面樁號(hào)及各項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1 典型斷面邊坡穩(wěn)定計(jì)算選取的參數(shù)

5.2.4 安全系數(shù)確定

依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用簡化的畢肖普法計(jì)算土堤邊坡抗滑穩(wěn)定，5級(jí)堤防（土堤）的邊坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，應(yīng)大于等于以下數(shù)值：

（1）正常運(yùn)用工況下：1.20。

（2）非正常運(yùn)用工況下Ⅰ：1.10。

5.2.5 邊坡系數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

按上述的方法和設(shè)定條件，對(duì)典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，按式（2）算得到安全系數(shù)，若不滿足安全要求，則放緩邊坡，重新進(jìn)行計(jì)算，直至邊坡穩(wěn)定滿足約定要求。堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果如表2。根據(jù)計(jì)算成果，二灤河堤身填筑剝巖土，迎、背水邊坡設(shè)計(jì)坡比為1∶3，各工況均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 斷面邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

6 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)采用的剝巖土對(duì)堤埝進(jìn)行加固，既能利用當(dāng)?shù)氐V區(qū)剝離的廢棄巖土，又能夠減少土料場(chǎng)征地，不僅節(jié)約了寶貴的土地資源和工程投資，還對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了重要作用。