民主垸堤基渗控处理方案探讨

李志斌 张愫 彭琦

（益阳市资阳区水利局益阳市413000）（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

1 概述

民主垸位于益阳市区东北部，为湖南省洞庭湖区24个蓄洪垸之一，该垸四面环水，东、南临资水北支，西临资水西支甘溪港河，北临万子湖。全垸一线防洪大堤总长81.23 km。

民主垸堤防构筑在水网地区，堤基地质条件复杂，根据地质勘探成果，该垸堤基浅表部分布有粉细砂层，或粉细砂层上部粘性土盖层较薄、淤泥质土层夹较多粉细砂透镜体，其连续性好，结构松散，透水性强，渗透系数达到5.9×10-3cm/s，汛期高洪水位时，垸内外水头差增大，外河水沿堤基透水性较强的粉细砂层向垸内渗透，并击穿上覆粘性土较薄盖层，或通过粉细砂层直接形成渗漏通道，产生流土、管涌等渗透破坏，继而导致堤基沉陷变形、上部堤身开裂塌陷，直至溃口垮堤。历年防汛抢险的经验也表明，堤基渗透破坏是导致该垸堤防出险的主要因素，也是防汛抢险的重点和难点。1999年大洪水，资水甘溪港河中洲堤段因堤基发生管涌，引起堤基淘空，堤身塌陷（1.5～2.0）m，致使大堤失稳破坏，造成248 m宽，（12～18）m深的溃口，因垸内有乌龙隔堤和马王隔堤，故只造成沙头镇受灾，直接经济损失10.95亿元。

2 堤基渗流稳定分析

2.1 堤基地层结构特征

民主垸四面环水，堤防多坐落于各水系岸边或湖边全新统（Q4al+l）堆积地层上，持力层以（Q4al+l）冲湖积堆积为主，其上部多为Q4al+l灰黄色粉质粘土，厚度（0～7.3）m，局部夹砂壤土；中部为Q4al+l灰黑色淤泥质粉质粘土，厚（0～12）m不等；下部为Q4al+l粉细砂层，厚（0～12.4）m不等。局部堤段堤基为Q3al黄褐色似网纹状粉质粘土层，厚（0～14）m不等；其下部为中细砂、砂砾石，厚度一般大于12 m。

根据《堤防工程地质勘察规程》（SL 188-2005）附录C的规定，并结合钻探及地勘成果，按堤基地层分布及结构特征，可将堤基地质结构分为单一结构类（Ⅰ）、双层结构类（Ⅱ）和多层结构类（Ⅲ）三大类，民主垸堤基渗漏主要发生在单一结构类粗粒土单一结构亚类（Ⅰ1）、部分双层结构类（Ⅱ2）、（Ⅱ3）堤段、部分多层结构类（Ⅲ2）、（Ⅲ3）及（Ⅲ4）堤段。

根据民主垸堤基地质结构，按堤基强弱透水性土的组合型式，结合防渗工程的特点，民主垸堤基渗漏堤段的土层结构可归纳为4种类型，见表1。

表1 民主垸堤基渗漏堤段地层结构特征表

2.2 堤基渗流稳定分析

据以上四类地层结构的堤段，结合堤内外渗流边界条件及险情分布情况，选取8个典型断面进行计算分析。计算工况采用外河为设计洪水位，垸内为低水位或无水情况时对堤基渗流稳定最不利的工况。考虑到民主垸堤基地层结构复杂，渗流计算采用渗流有限元分析方法，该方法的基本方程如下：

式中［K］——透水系数矩阵；

｛H｝——总水头向量；

［M］——单元储水量矩阵；

｛Q｝——流量向量；

t——时间。

计算采用北京理正软件设计研究院开发的理正渗流分析软件进行计算，计算成果见表2。

从表2可以看出，所有断面均不能满足渗透稳定要求，存在渗透破坏的可能性。

表2 堤基渗流稳定计算成果

根据上述堤基渗流稳定分析成果，并结合历年出现的险情，确定民主垸需要进行渗控处理的堤长为24.72 km。

3 堤基渗控处理方案比选

堤防工程挡水时间短，承受水头差不大，为便于地下水交换，堤基渗控处理以排为主、防渗为辅的“上堵下排”原则进行。上堵即在迎水面作防渗铺盖或作垂直防渗墙以截断透水通道；下排即在背水面采用透水材料作压浸平台或减压井、导浸沟等。目前洞庭湖区常用的堤基防渗工程措施为垂直防渗（垂直防渗墙等）和水平防渗（堤后压浸平台）等。

根据民主垸堤基地层结构特点和分类，其堤基渗控处理方案分述如下：

（1）Ⅰ类堤基。该类堤基因强透水层以下无相对不透水层为依托，采用垂直防渗墙只能为悬挂式，不能满足渗透稳定要求。从防渗效果来看，对深厚透水地基而言，在堤防背水侧加压浸平台是比较合适的渗控措施，经计算，压浸平台宽度需（80～120）m，单一压浸方案不仅占用大量的土地，还需拆迁房屋和移民，故选择单一压浸和压浸结合垂直防渗的方案进行比较，结果见表3。

从表3成果可以看出：单一压浸方案占地多、工程造价高，而压浸结合垂直防渗方案比单一压浸方案占地少、工程造价低，故对这类堤基选用压浸结合垂直防渗的渗控方案。

（2）Ⅱ类堤基。该类堤基因强透水层以下有相对不透水层为依托，采用垂直防渗墙可以形成封闭，能彻底解决堤基渗漏问题，因此从技术上说，采用垂直防渗墙和堤后压浸平台两种堤基渗控处理方案都是可行的，考虑到垸内居民大都沿堤筑房居住，采用堤后压浸平台的堤基渗控方案往往占地拆迁移民工作量大，故选择采用垂直防渗墙方案防渗。

（3）Ⅲ类堤基。该类堤基与Ⅰ类堤基有相似之处，强透水层以下无相对不透水层为依托，采用垂直防渗墙只能为悬挂式，不能满足渗透稳定要求。从防渗效果来看，对深厚透水地基而言，在堤防背水侧加压浸平台是比较合适的渗控措施，经计算，压浸平台宽度需（80～120）m，单一压浸方案不仅占用大量的土地，还需拆迁房屋和移民，故选择单一压浸和压浸与垂直防渗相结合的方案进行比较，其比较见表3。

表3 单一压浸与压浸结合垂直防渗方案比较

从表3可以看出：单一压浸方案占地多、工程造价高，而压浸结合垂直防渗方案比单一压浸方案占地少、工程造价低，故对这类堤基选用压浸结合垂直防渗的渗控方案。

（4）Ⅳ类堤基。该类堤基的特点是强透水层以上有较厚的弱透水层，但弱透水层内局部夹有粉细砂或透镜体等透水层，对这类堤基可采用垂直防渗墙方案将堤基上部弱透水层中的粉细砂或透镜体等透水层封闭，截断渗流在弱透水层中的通道，达到防渗的目的。

4 结语

民主垸堤防构筑在水网地区，堤基地质条件复杂，根据该垸堤防堤基的结构类型和渗流特点，通过渗流稳定计算与分析，并对渗控处理方案进行技术经济比较和研究后确定该垸堤基渗控处理方案如下：

（1）对民主垸的Ⅰ类及Ⅲ类堤基，因强透水层以下无相对不透水层为防渗依托，堤基渗控方案采用压浸结合垂直防渗的方案。

（2）对民主垸的Ⅱ类堤基，因强透水层以下有相对不透水层为依托，故采用封闭式垂直防渗墙方案。

（3）对民主垸的Ⅳ类堤基，因强透水层上部的弱透水层较厚，采用垂直防渗墙封闭弱透水层中的粉细砂或透镜体等透水层的方案。