基于堤防隱患探測的滲流穩(wěn)定分析研究

呂 平

(安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000)

長江中下游堤防多為逐次分階段加培而成，堤身土質(zhì)結(jié)合不良，堤基表層黏性土壤層較薄，高水位時易發(fā)生散浸、管涌等險情。據(jù)統(tǒng)計，從2020年長江干堤險情的類型來看，管涌和散浸險情數(shù)量占到當年險情總數(shù)的80.1%[1]。通過對2016、2020年汛期出險的無為大堤白玉池堤段開展土質(zhì)勘探和隱患探測，進行滲流穩(wěn)定分析，找出堤防工程存在的短板和薄弱環(huán)節(jié)，并提出針對性工程建議，對保障防洪安全十分必要，為類似出險堤段安全評價分析提供參考。

1 工程概況

無為大堤位于長江左岸安徽省蕪湖市境內(nèi)，全長124.475km，屬1級堤防，保護著域內(nèi)合肥、蕪湖、馬鞍山、六安4市下轄的11個縣(市、區(qū))427.3萬畝耕地、600多萬人口以及重要設(shè)施的防洪安全，在國民經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。無為大堤白玉池段全長4km，對應(yīng)無為大堤樁號44+000～48+000，該段灘地狹窄，局部粘土覆蓋層薄，在2016、2020年汛期高水位時，先后出現(xiàn)多次散浸滲水險情，見表1。

表1 無為大堤白玉池段險情匯總表

2 工程地質(zhì)調(diào)查

1998年長江流域大洪水時，無為大堤白玉池段多處發(fā)生散浸滲漏現(xiàn)象。1998年汛后至2002年，該段堤防經(jīng)過堤身加培、鉆探灌漿和截滲槽等加固工程，堤頂高程超高設(shè)計洪水位2.5m，設(shè)計堤頂寬不小于10m，設(shè)計內(nèi)坡戧臺以上坡比1∶3，戧臺以下坡比1∶5，設(shè)計外坡比1∶3[2-3]。

2016—2017年，無為大堤工程管理單位先后對白玉池段45+550～46+400段850m堤身實施了錐探灌漿，對出水點附近46+090～46+310段220m實施了平臺蓋重。

根據(jù)地質(zhì)資料[4]，無為大堤白玉池段地質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)類，堤基由上部粘性土蓋層和下部砂性土層組成。按粘性土蓋層厚度可分為：薄蓋層雙層結(jié)構(gòu)亞類：上部粘性土蓋層厚度2～5m。厚蓋層雙層結(jié)構(gòu)亞類：上部粘性土蓋層厚度大于5m。其中白玉池段47+500～48+000為薄蓋層雙層結(jié)構(gòu)亞類，其它堤段為厚蓋層雙層結(jié)構(gòu)亞類，覆蓋層厚5.2～10.8m，為粉質(zhì)粘土。

針對2016、2020年出險堤段，通過現(xiàn)場鉆孔取樣，并進行常規(guī)物理力學試驗、滲透試驗等室內(nèi)試驗。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔取樣試驗，該段堤身填土厚6.0～12.8m。土質(zhì)為粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)壤土，夾粉細砂、砂壤土及碎石、磚瓦塊、煤渣、螺殼碎片、植物根莖或腐植質(zhì)和含有機質(zhì)土、泥炭土等不良夾層，以弱-微透水性為主，局部疏松。堤身局部夾雜不良土質(zhì)或雜物，密實程度稍差，堤身滲透性相應(yīng)較大，汛期江水易沿薄弱部位向堤內(nèi)滲透，造成堤坡散浸、滲漏。

3 堤防隱患探測

為進一步掌握無為大堤白玉池段的堤身狀況，為滲流穩(wěn)定分析提供支撐數(shù)據(jù)，2021年組織對無為大堤白玉池段堤防進行隱患探測工作，首先采用探地雷達法進行普查，對普查階段發(fā)現(xiàn)的堤身異常部位采用高密度電阻率法進行詳查[5-7]。

3.1 探地雷達法普查

探地雷達隱患探測從堤防樁號44+000向樁號48+000方向探測。測線1位于迎水側(cè)堤肩，測線2位于背水側(cè)戧臺如圖1所示，測線走向與堤防軸線平行。

圖1 探地雷達測線布置示意圖

成果采用界面追蹤的解釋方法，在色譜圖和波列圖中判斷堤防隱患的回波信號，根據(jù)回波相位追蹤同相軸即反射界面，結(jié)合現(xiàn)場安全檢查和工程歷史資料對雷達成果資料進行解釋分析。根據(jù)探測成果共判斷存在反射信號異常部位9處，見表2。異常判別標準包括反射信號強烈、回波明顯雜亂、同相軸呈現(xiàn)雙曲線特征以及同相軸大幅度起伏和不連續(xù)等，如圖2—3所示。結(jié)合工程實際情況，以上信號異常部位存在填筑材料雜亂或存在異物等情況。

圖2 探地雷達信號異常區(qū)域成果圖(堤肩44+180～44+185)

表2 探地雷達法普查異常位置統(tǒng)計表

3.2 高密度電阻法詳查

高密度電阻率法探測共布置3條測線，測線沿堤頂背水側(cè)布置，起止樁號分別為45+284～45+522、45+700～46+034和46+070～46+714，各條測線均由小樁號向大樁號方向布置，探測長度共計1216m。

高密度電法采用溫納裝置，以滾動測量方式覆蓋探測區(qū)域，探測深度一般達到堤基，電極距2m。數(shù)據(jù)處理采用儀器配套的軟件Image2D進行處理，繪制視電阻率色譜圖，如圖4—7所示。根據(jù)成果資料分析，大部分測試區(qū)域視電阻率分布比較均勻，一般呈淺部高阻、深部低阻的規(guī)律，表明淺部堤身較為干燥、電阻值較高。部分成果圖中下部存在較為明顯的低阻異常：共17處視電阻率較低異常區(qū)域判斷為含水量較高，見表3。

表3 高密度電法測線及成果信息一覽表

圖3 探地雷達信號異常區(qū)域成果圖(戧臺46+650)

圖4 測線1視電阻率色譜圖(45+284～45+522)

圖5 測線2視電阻率色譜圖(45+700～46+034)

4 滲流安全復(fù)核計算

4.1 計算斷面選擇

根據(jù)地質(zhì)勘探和堤身隱患探測結(jié)果，結(jié)合無為大堤白玉池段險情特點，選取樁號44+300、44+910、45+500、45+690、46+200、46+530、47+050、47+587共8個斷面進行滲流分析計算。

圖6 測線3視電阻率色譜圖(46+070～46+452)

圖7 測線3視電阻率色譜圖(46+380～46+714)

4.2 計算方法

采用Geostudio軟件[8-9]的SEEP/W(滲流分析模塊)。SEEP/W模塊是用于分析多孔滲水材料，如土體和巖石中的地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題的有限元軟件?？捎肧EEP/W分析從簡單的飽和穩(wěn)定態(tài)到復(fù)雜的不飽和時變問題。

4.3 計算工況

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》選取以下工況進行計算：

工況1：上游保證水位+下游相應(yīng)水位；

工況2：上游洪水降落時對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定的不利情況。

針對上述這些工況，通過平面穩(wěn)定滲流計算得到：①設(shè)計洪水持續(xù)時間內(nèi)堤身中的浸潤線分布，及堤身堤基中的等水位線分布；②背水堤坡中的出逸位置和出逸比降等。

4.4 計算結(jié)果

對選取的8個斷面進行了滲流穩(wěn)定分析，得到了：①保證水位時各斷面堤身的浸潤線位置，及堤身堤基中的等水位線分布；②背水側(cè)堤坡的出逸位置、出逸比降等。結(jié)果匯總見表4—5。

表4 各斷面的滲流安全計算成果

4.5 2020年汛期險情滲流計算分析

根據(jù)2020年汛期無為大堤白玉池段堤內(nèi)坡出逸情況，建立堤身下部和堤基存在層間滲流異常的計算模型(45+690斷面和47+050斷面)，出逸情況見表6，出逸情況與2020年汛期出逸相近。

表5 各斷面背水側(cè)覆蓋層的的剩余水壓力成果

表6 45+690斷面、47+050斷面2020年洪水險情復(fù)核結(jié)果

由復(fù)核結(jié)果可知，在對應(yīng)鳳凰頸閘水位15.06m時(超過1998年最高水位0.09m)，考慮堤身高程15m以下部位、堤基內(nèi)部存在層間弱面、質(zhì)量缺陷導(dǎo)致堤身、堤基滲透性增大，其中45+690斷面堤內(nèi)坡的滲流出逸范圍在坡腳以上7.70m，垂直高度大致是1.48m，47+050斷面堤內(nèi)坡的滲流出逸范圍在坡腳以上13.30m，垂直高度大致是3.11m，滲流模擬結(jié)果如圖8—9所示。綜合分析，2020年汛期堤防滲水險情是堤身高程15m以下部位、堤基內(nèi)部的層間弱面或隱患所致。

圖8 45+690斷面2020年洪水情況滲流模擬

圖9 47+050斷面2020年洪水情況下滲流模擬

5 結(jié)語

(1)根據(jù)堤防隱患探測和滲流穩(wěn)定分析，無為大堤白玉池段2020年汛期滲水險情是堤身高程15m以下部位、堤基內(nèi)部的層間弱面或隱患所致；在警戒水位工況下，堤防滲流出逸位置在坡腳處，在堤身含水率較大堤段坡腳以上一定范圍處于窨潮、滲水狀態(tài)。

(2)建議對無為大堤白玉池堤段44+910～48+000的出險部位進行平臺蓋重和注漿等加固措施；在大堤上布置固定的沉降監(jiān)測點，定期開展監(jiān)測工作；定期開展堤防探測工作，加強探測資料的整理和對比工作，保證工程安全運行。

(3)在堤防隱患探測的基礎(chǔ)上，有針對性的開展?jié)B流穩(wěn)定分析研究，能夠有效查明堤防隱患部位及險情發(fā)生原因，為開展堤防除險提供依據(jù)。由于高密度電阻率法實測要求較高，本次尚未對出險堤段進行全線探測，需進一步開展詳細探查。