堤后減壓溝及反濾層工程設(shè)計(jì)綜述

姜 楠

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 工程概況

撓力河干流虎山村堤防位于七臺(tái)河市茄子河區(qū)虎山村境內(nèi)，堤防長(zhǎng)度4.01km。堤防防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，堤防級(jí)別為Ⅳ，現(xiàn)狀堤頂寬4.0m，堤防筑堤材料為黏土料，迎水面與背水面邊坡坡比1∶2.5。

撓力河治理工程對(duì)七臺(tái)河市茄子河區(qū)段堤防進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，通過對(duì)堤防典型斷面進(jìn)行滲透穩(wěn)定復(fù)核，堤防斷面不滿足穩(wěn)定要求，需布設(shè)減壓溝及反濾層進(jìn)行堤基滲控處理，提高堤基滲流安全性。

2 地質(zhì)條件

堤防所在地貌主要為撓力河漫灘，起點(diǎn)及終點(diǎn)位于漫灘與坡積裙相接處。地表高程142.48～147.90m，地勢(shì)平坦。堤基粗砂層中的地下水位與河水聯(lián)系密切，在汛期高水頭作用下易發(fā)生管涌滲透變形。級(jí)配不良粗砂允許比降J允=0.20。

表1 堤基工程地質(zhì)條件分類表

3 堤基滲透穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

3.1 地基類型

根據(jù)工程地質(zhì)勘察所揭示的堤基地層結(jié)構(gòu)，撓力河茄子河區(qū)大部分堤段堤基為雙層結(jié)構(gòu)地基。上薄黏性土下砂性土雙層結(jié)構(gòu)堤基是指堤基表層弱透水層厚度在0.50～1.50m之間，下部為粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土砂、級(jí)配不良砂等，堤基存在滲透穩(wěn)定隱患。

3.2 堤基滲透破壞形式

上薄黏性土下砂性土多層結(jié)構(gòu)地基相對(duì)不透水的天然表土層受其底部衰減很慢的承壓水頭作用，當(dāng)其自重不足以抵抗所受的承壓水頭作用時(shí)便會(huì)被頂穿或隆起，產(chǎn)生翻砂，泉眼群等險(xiǎn)情，為防止上述原因產(chǎn)生的堤基滲透破壞，需要平衡承壓水頭。

3.3 堤基滲透穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

堤基滲透穩(wěn)定分析分別從上薄黏性土下砂性土雙層結(jié)構(gòu)地基堤防和透水地基均質(zhì)土堤，各選取典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。

3.3.1 上薄黏性土下砂性土地基的滲流計(jì)算

上下游弱透水層長(zhǎng)度，按上游弱透水長(zhǎng)度有限，下游弱透水層按天然長(zhǎng)度計(jì)算。弱透水層下承壓水頭計(jì)算：

(1)

式中：h為弱透水底部承壓水頭，m；A為越流系數(shù)；K0為透水層滲透系數(shù)；T1為弱透水層深度；T0為透水層有效深度；T無限時(shí)， T0=(0.5-1.0)(L+m1H)；H為上游水頭；m1為上游邊坡；L為上、下游水位水平段長(zhǎng)；b為堤防斷面底寬。

設(shè)不同x計(jì)算出不同弱透水層下承壓水頭h。雙層地基堤段滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 雙層結(jié)構(gòu)地基典型斷面滲流計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算斷面下游滲透出逸比降不滿足允許比降，應(yīng)設(shè)置排滲減壓措施。

3.3.2 透水堤基均質(zhì)土堤坡面滲流計(jì)算

3.3.2.1 沿坡面滲出段

(2)

式中：m2為下游邊坡；h0為出逸高度；J為出逸比降；y為距堤腳高度，m。

3.3.2.2 沿堤基基礎(chǔ)水平段

(3)

式中：m2為下游邊坡；h0為出逸高度，m；J為出逸比降；x為距堤腳距離，m。

砂基滲流計(jì)算成果詳見表3。

表3 砂基典型斷面滲流計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算斷面堤腳后堤基出逸比降不滿足要求，堤后存在滲透破壞的隱患，應(yīng)設(shè)置排滲減壓措施。

4 堤基防滲處理

存在破壞隱患的堤段需設(shè)置排滲減壓措施。結(jié)合虎山村堤防背水側(cè)堤腳現(xiàn)狀緊鄰天然排水溝，不適宜做蓋重、壓滲處理?？紤]采用排水減壓溝設(shè)計(jì)方案。

4.1 排水減壓溝設(shè)計(jì)

減壓溝溝底半寬b0=0.25m，砂面溝半寬b=1.25m，溝邊坡1:2.0，溝深入砂層D=0.5m，透水地基厚度T=6.0m。左側(cè)補(bǔ)給水頭H=H1=2.2m，右側(cè)補(bǔ)給水頭H2=1.66m。上游弱透水覆蓋土層長(zhǎng)度L1=40m，下游弱透水覆蓋土層長(zhǎng)度L2=1000m，堤底寬度L′=31.0m，透水層滲透系數(shù)k=5×10-3cm/s=4.32m/d，溝周邊長(zhǎng)l=2.74m。

(4)

經(jīng)計(jì)算，水頭ˉH=2.16m，長(zhǎng)度ˉL=66.29m。考慮覆蓋土層不透水，按下述公式計(jì)算滲流量及出逸比降。

(5)

式中：b和b0為深入強(qiáng)透水砂層中梯形溝深為D的頂寬和底寬之半。

溝后回升或剩余水頭為：

(6)

式中：q為入溝單寬流量，m3/s；he為溝后回升水頭，m；J為溝前坡出滲坡降；β為不完整溝修正系數(shù)；α為迎流集中系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，α=2.67，β=0.83，he=0.089m，q=0.82m2/d，J=0.185。計(jì)算坡降小于土層允許比降J允，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 排水減壓溝反濾層設(shè)計(jì)

反濾層設(shè)計(jì)被保護(hù)土料為級(jí)配不良粗砂，反濾層位于被保護(hù)土層上部，屬Ⅱ

型反濾。堤腳后減壓排水溝深入砂層D=0.5m，綜合考量，取反濾排水帶平均厚度0.5m，上覆20cm厚碎石墊層。

反濾排水帶反濾料保護(hù)對(duì)象為級(jí)配不良粗砂，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中提供的地基砂性土顆粒組成統(tǒng)計(jì)表，粒徑<0.005mm的黏粒含量為0.8%，<3%，顆粒間不具有黏結(jié)力，現(xiàn)對(duì)保護(hù)該無黏性土進(jìn)行反濾設(shè)計(jì)，砂礫料資料取自砂礫料場(chǎng)勘探成果。

為防止被保護(hù)土層不向反濾層流失(保土準(zhǔn)則)，被保護(hù)土和反濾層的下包線特征粒徑D15max按下式進(jìn)行計(jì)算：

D15max≤4d85

(7)

為保證反濾料的透水性(透水準(zhǔn)則)，反濾層滿足排水要求時(shí)的上包線特征粒徑D15min按下式進(jìn)行計(jì)算：

D15min≥5d15

(8)

式中：d15、d85為被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土分別占總土重的15%和85%。

根據(jù)堤防堤基土體物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表可知，d15=0.25mm，d85=2mm。為防止采用間斷級(jí)配，本次設(shè)計(jì)的反濾料過篩率為60%粒料中任一粒徑最大值與最小

值的比率取2，反濾料級(jí)配范圍上下包線不均勻系數(shù)η=6。

因此，綜合各條件計(jì)算得：D15max≤4d85=8.0mm，取D15max=6.0mm①；D15min≥5d15=1.25mm，取D15min=3.0mm②；D10max=D15max/1.2=5.0mm(系數(shù)1.2由η取值，D15和D10連線的坡度確定)；D60max=6D10max=30.0mm③；D60min= D60max/2=15.0mm④；依據(jù)最大最小粒徑準(zhǔn)則，被保護(hù)土D5min=0.075mm⑤，D100max=72.5mm⑥；D10min=D15min/1.2=2.5mm；依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》表B.0.9防止分離的下包線D90和上包線D10粒徑關(guān)系表可知，被保護(hù)土D90max=40.0mm⑦。

反濾料級(jí)配的設(shè)計(jì)成果為，連接控制點(diǎn)④②⑤確定反濾料的上包線，連接⑥⑦③①確定反濾料的下包線，將上下包線延伸至100%。繪制的反濾設(shè)計(jì)控制點(diǎn)見圖2。

砂礫料場(chǎng)的天然砂礫料不滿足此要求，需要進(jìn)行篩分，篩分后的土料顆分曲線匯入反濾設(shè)計(jì)控制點(diǎn)示意圖，曲線應(yīng)在上下包線范圍內(nèi)，篩分后顆粒粒徑滿足反濾要求。同時(shí)，篩分后細(xì)顆粒料不均勻系數(shù)η控制在5-8之間，表明篩分后反濾料級(jí)配良好。

反濾料采用經(jīng)過篩選的砂礫石料，應(yīng)復(fù)核下列要求：①質(zhì)地致密，抗水性和抗風(fēng)化性能較好，無針、片狀顆粒。根據(jù)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020)砂礫料反濾層填筑的“相對(duì)密度≥0.70”；②反濾料滲透系數(shù)≥10-3cm/s；③反濾料中粒徑<0.075mm的顆粒含量<5%；④滿足連續(xù)級(jí)配，保證基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

滲流控制是堤防建設(shè)工程中的重要項(xiàng)目，滲控方法亦是多種多樣。排滲減壓，對(duì)于雙層或透水地基上的堤防來說，是最經(jīng)濟(jì)有效的滲控措施。文章結(jié)合工程實(shí)際地形條件，因地制宜，采用挖深到砂層中的明溝降低承壓水頭，結(jié)合反濾層設(shè)計(jì)，解除安全隱患，防止管涌的發(fā)生，有效避免了洪水災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成損害。