堤防加固工程滲流穩(wěn)定和堤坡穩(wěn)定計算與措施

王 婷

（蕪湖市水利工程建設管理處,安徽 蕪湖 241000）

0 引言

我國地域遼闊,許多大河源遠流長,這也意味著我國常年遭受洪澇的困擾,洪澇災害歷來是我國的主要要害[1]。威脅著人們的正常生活,并給生活在長期遭受洪澇災害的地域的百姓帶來巨大困惑[2],水災主要發(fā)生在長江、黃河等我國大江大河的中下游地區(qū)。因此堤防工程是洪澇災害防治中最有效的一種措施。

1 工程概況

荊山河本次治理的河段是自方村河至歐陽河段,總長為16.4 km,主要建設內(nèi)容為荊山河、竹港河、歐陽河河道疏浚、擴挖、護坡護岸等。結合現(xiàn)場調(diào)查及工程勘察情況,荊山河水系整治工程的主要內(nèi)容包括堤防加固及防汛道路、河道疏浚以及連通涵閘等建筑物。青弋江分洪道工程實施后,原荊山河白了灘右閘至四門站處的河道歸于青弋江分洪道,占用段兩端均已封堵或建閘控制,形成上下兩段兩條不相連的荊山河,即蕪湖縣荊山河和蕪湖市荊山河。蕪湖市荊山河位于原荊山河下段,下游在荊山圩王屋附近建荊方站與青弋江相通,上游在陶辛圩四大門處建荊山河閘與青安江相連,全長約 20.6 km,其右側有歐陽河與青弋江相通,左側有竹港河與青安江相通。

最近幾年,荊山河下游地區(qū)針對防洪措施也逐步進行了一些防洪工程措施,實施了城南圩堤防加固、涵閘更新改造、青弋江分洪道工程、青弋江治理工程得到較大程度的改善,但在城南圩與荊山圩等聯(lián)圩實施后,荊山河上游段方村河段、青安江段、埭南圩段荊山河側新城南圩封閉圈堤堤防尚存在部分堤防堤身、堤基質(zhì)量差、斷面不達標、堤防標準低等問題,需進一步完善該區(qū)域的防洪治理工程。

荊山河除下游段利民路橋至杭家凸村（文革斗門）總長為 8.012 km 河段近年進行疏浚治理外,其余河段包括竹絲港河、歐陽河等支流未按排澇要求進行疏浚治理,導致局部河道淤積嚴重,現(xiàn)狀河底高程普遍在4 m 以上,難以滿足城市排澇要求。另外荊山河沿岸水系因各自的地形條件、地理位置等因素,水位較難銜接,需要在荊山河水處修建控制涵閘等建筑物。

2 堤防加固工程計算

2.1 滲流穩(wěn)定計算

本次堤防治理范圍從樁號4+730 至樁號11+060,總長6.33 km,堤防等級為二級。擬加固堤段堤防堤高 6 m~7 m,堤頂現(xiàn)狀為土路,堤坡無護坡措施。堤防為就近取土堆筑而成,經(jīng)過歷次加寬加高,堤身斷面呈梯形。堤身成分主要為中、重粉質(zhì)壤土,夾雜少量砂壤土等,存在裂隙、孔洞。根據(jù)上述描述分析,對河道全堤段堤基進行結構劃分,見表1。

表1 堤防堤基地質(zhì)結構分段表

由表1 可知,對于Ⅱ1及Ⅲ2類堤基,均存在有抗滑穩(wěn)定等問題：對于Ⅲ1類堤基還存在滲透穩(wěn)定問題?？傮w來看堤坡整體穩(wěn)定性一般,部分臨溝塘堤段存在險情隱患。

滲流穩(wěn)定計算公式如下：

式中：A 為越流系數(shù)；k1為弱透水地層滲透系數(shù)；T0為強透水地層的厚度；T1為弱透水地層的厚度；L 為河堤上游水位高度與上游堤坡交叉點距離下游堤腳位置；H 為堤防高度；J 為土的臨界水力比降；G 為土比重；n 為孔隙率；h 為強透水地層滲透系數(shù)。

滲流穩(wěn)定計算公式參數(shù)值,見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計算公式參數(shù)值

滲流穩(wěn)定計算結果,見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計算結果

堤身填土注水試驗成果,見表4。

表4 堤身填土注水試驗成果表

根據(jù)鉆探資料及試驗結果顯示,樁號F5+128,試段位置深度為0~6 m 滲透性為中等偏強和弱,F5+792 試段位置深度為0~9 m 滲透性為中等偏強和中等。由此可以看出本圩堤在修建整改的過程中存在處理不徹底問題。因此部分堤段堤身在汛期高水位時,易產(chǎn)生散浸、滲漏等險情。另外,通過走訪調(diào)查,據(jù)當?shù)卮迕窠榻B,本段堤防在汛期高水位時,堤內(nèi)坡腳處存在散浸現(xiàn)象。

2.2 堤坡穩(wěn)定計算

由于荊山河堤防加固工程堤防的長度比較長,治理上存在一定困難,根據(jù)地質(zhì)勘探報告分析,堤身土體主要由重粉質(zhì)壤土組成。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》相關內(nèi)容顯示,通過瑞典圓弧滑動法來進行堤坡穩(wěn)定計算,一共可以分為兩種工況,分別是正常工況和非常工況。

正常工況：根據(jù)荊山河河道行洪特點和蓄滯洪區(qū)的綜合運用情況,綜合分析得出結論,河道在行洪期間相對穩(wěn)定,基本不存在水位驟降的情況,給加固工程帶來保障,不必考慮突然驟降的情況[3],并且當蓄滯洪區(qū)啟動的時候,河道受到影響后,河道的水位會比較高,一般滯蓄洪水的時間平均在15 d以上,在這樣情況下,河道可以形成穩(wěn)定的滲流,當蓄滯洪區(qū)處于退洪時,這時水位開始慢慢下降,處于退水狀態(tài)[4]。

非常工況：在非常工況施工期間,由于土體整體的強度計算方法不同,導致堤坡穩(wěn)定計算方法也有不同,因此采用有效應力法。

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下方公式計算：

式中：Z 為堤坡外水位高于條塊底面中點的距離；b 為條塊的寬度；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力；u為穩(wěn)定滲流期堤身；W為條塊重力；c 為土的抗剪強度指標。

堤坡穩(wěn)定計算公式參數(shù)值見表5,堤坡穩(wěn)定計算結果見表6。

表5 堤坡穩(wěn)定計算公式參數(shù)值

表6 堤坡穩(wěn)定計算結果

通過以上結果分析可以看出,各堤防的安全系數(shù)比較高,斷面迎水坡和背水坡安全系數(shù)符合標準要求,并且相對穩(wěn)定,不會造成太多施工困難,因此滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

3 建議措施

為保證荊山河堤基滲流的穩(wěn)定性,加固河道工程,根據(jù)不同的堤基地質(zhì)條件和堤基種類,不斷完善堤基鞏固,在堤防加固時采取了填塘固基、背水側透水蓋重、減壓溝等堤基滲流控制措施。

1）填塘固基。早期堤防鞏固工程大多數(shù)是由人們鄰近取土漸漸填筑而形成,迎、背水側堤腳的附近形成了非常多大小不一的深塘。形成的這些深塘對堤防的安全系數(shù)有嚴重影響,填塘固基就是將迎水側堤腳附近的較多深塘使用粘性土、背水側堤腳附近較多深塘使用砂性土進行填平,以此來增加堤防鞏固的抗?jié)B穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定性,這是一種全堤線都很適用的常規(guī)加固措施[5]。

2）背水側透水蓋重。對河道上方為弱透水覆蓋層、下方臥為深厚透水層的堤基和單一性砂性土的型堤基,若對堤防迎、背水側執(zhí)行完填塘固基后,河道堤基滲流穩(wěn)定系數(shù)依然不滿足條件,則需要在堤防背水側加設透水蓋重,用此方法來降低覆蓋層的滲透出逸坡降,增加覆蓋層的抗?jié)B穩(wěn)定性。蓋重寬度及厚度通過滲流穩(wěn)定計算來確定。蓋重頂面一般設置橫向坡,橫向坡比例為1∶100~1∶50,這樣更有利于雨水的有效排除,因此來避免堤腳形成嚴重的積水、并形成沼澤。背水側蓋重材料的透水性嚴格要求需要大于覆蓋層10 倍以上,否則會增加覆蓋層下的滲流水位,減弱覆蓋層的抗?jié)B穩(wěn)定性,會得不償失。

3）減壓溝。在開挖減壓溝之后,將堤基覆蓋層切斷,大大縮減了堤基水平防滲長度,并且增添了堤身的基本高度,為了能高效精準地保證堤基下臥砂層的水平滲透穩(wěn)定性和堤防抗滑穩(wěn)定性,一般需求將減壓溝布置在堤防背水側堤腳平臺以外的區(qū)域,并更適合與迎水側防滲鋪蓋的鞏固方案一起使用,以此來加長滲徑的長度。由于堤后的減壓溝,不利于堤防抗滑穩(wěn)定性,且溝底可能存在淤積、減壓效果減退,因此也可以用符合級配需求的中粗砂將減壓溝填平,制造成排滲暗溝形式。

4 結語

以荊山河防洪治理工程為例,進行滲流穩(wěn)定與堤坡穩(wěn)定計算,計算結果顯示,本圩堤在修建整改的過程中存在處理不徹底問題,部分堤段堤身在汛期高水位時,易產(chǎn)生散浸、滲漏等險情；各堤防的安全系數(shù)比較高,斷面迎水坡和背水坡安全系數(shù)符合標準要求,并且相對穩(wěn)定,不會造成太多施工困難,因此滿足抗滑穩(wěn)定的要求。根據(jù)上述結果提出采用填塘固基、背水側透水蓋重、減壓溝等堤基滲流控制措施,以供參考。