辽河流域砂堤砂基处理技术方案探讨

2020-08-14董军

陕西水利 2020年7期

董军

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006）

辽河是我国七大江河之一，受限于筑堤时经济条件和技术条件，目前砂堤砂基广泛存在，特别是辽河干流中上游地区砂堤砂基占比超过50%，洪水期散渗及个别堤段管涌对堤身安全构成巨大威胁，按照水利部提出的防洪工程补短板要求，应在经济条件允许的情况下，优先对其进行系统治理，笔者根据多年来对辽河基本情况的熟稔和全省砂堤砂基处理技术的跟踪研究，提出辽河干流不同砂堤砂基类型处理技术方案的一些个人想法，供同仁参考。

1 辽河干流砂堤砂基分布现状

辽河干流现有堤防主要是1987年～1991年整治加固后形成的。辽河干流堤防所建地段主要为第四系松散堆积层，其表部为粘土、砂土，下部为粉砂、细砂、中粗砂等。辽河堤防建设筑堤土料，多数为临堤取土，限于当时筑堤工艺及工程总投资限制，土料质量和碾压质量并无非常严格和正规要求，因此很多流域内冲泄淤积的粉土细砂以及粉细砂等都随粘性土料上堤，成为目前辽河堤防土料的组成部分。辽河现有砂堤砂基共计233处，总长383.448 km，已治理（含已有治理计划及计划治理但未实施）长50.600 km。通过对未治理的砂堤砂基进行稳定复核，现状砂堤砂基不满足规范要求的成险砂基砂堤共计100处，需治理总长约159.491 km。

2 砂堤砂基破坏主要成因和类型

辽河洪水持续时间较长，全河堤防均能形成稳定渗流，渗透性较强且抗冲刷性能较差的砂基砂堤，在堤身稳定渗流期，背水堤坡及管理地的土体产生变形破坏，主要分为两种类型：

1）由于堤身和堤基土料渗透系数较大，且不均匀系数较高，孔隙水穿过堤身土体后将细颗粒带走，表现为散渗或管涌，持续一段时间后，堤身渗流土体细颗粒被大量带走后，粗颗粒骨架在上层土体重力作用下坍塌，导致溃堤失事。

2）背水护堤地存在双层堤基，即上层为厚度较薄的弱透水土层，下层有连续且较深的强透水层，同时堤防临水侧滩地弱透水层厚度较小、不连续或滩地狭窄主槽近堤，遭遇洪水时，堤基中强透水层分担水头压力较小，弱透水底部承压水头较高，弱透水层层间水力比降过大，对上部弱透水层结构造成破坏，形成集中渗流造成局部流土，向堤防内部发展成为连通的通道，如果通道持续发展，堤防可能出现下沉、开裂甚至溃堤。

第一种管涌的产生一个原因是堤身土体的特殊性，但主要是因为迎背水水头差较大，造成堤身浸润线水位过高、水力比降超出土体复核造成的，解决的关键点在于降低堤防内浸润线高度，增大有效渗径，减小水力比降。第二种双层堤基破坏的机理，同样为背水侧护堤地或堤脚部分承受了较高的水头压力差，同时上覆土层的厚度和重量不足以平衡渗流的浮力，造成结构失稳后，其治理方式一般为增加背水侧压载或在堤脚后挖排水井，降低出溢水压力等。

3 治理原则

辽河两岸堤防砂堤砂基数量较多，规模较大，通过查阅辽河两岸沿线堤防的详细地质勘测资料，逐堤段进行渗流稳定计算复核，力争采用最可行有效的方法，将成险的砂堤砂基彻底治理。处理主要遵循以下基本原则：

1）系统治理，逐段排查，不乱治、不漏治、不重治。依据地勘资料，逐个堤段进行渗流稳定复核计算，明确划分成险堤段，确保不漏掉成险堤段。通过现场踏勘，并与地方水利主管部门确认，本次砂堤砂基治理范围筛除已治理或已有治理计划的砂堤砂基，避免重复建设。

2）对症下药，根据破坏型式及成险原因，采取行之有效的治理措施，彻底消除隐患。由于各段堤防地质条件差异性较大，导致各堤段渗流成险原因有所不同，因此，应首先分析成险的原因和类型，再对其进行针对性的工程结构设计，以达到从根本上消除隐患的目的。

3）因地制宜，统筹兼顾，充分考虑占地条件、城市景观要求、堤防加培型式、施工难度、工程效果等因素，确保工程易于实施、环境协调、经济合理。辽河砂堤砂基涉及市县范围广，各河段的占地、景观的要求均有所不同，应根据外部条件不同采取适合的治理措施，同时堤防加培是否对堤身造成扰动也成为砂堤砂基治理型式选择的参考因素之一。

4）工程型式便于后期运行、管理与维护。辽河砂堤砂基数量较多，砂堤砂基采取工程措施后，其后期运行、管理与维护的需求量较大，根据砂堤砂基类型基本确定治理措施后，应进一步优化工程的结构型式，确保工程运行成本低、后期管理方便、易于维护。

4 防渗治理技术原理

堤防渗流破坏几乎伴随着人类堤防建设的全历史，几千年来劳动人民通过观察和反复试验，积累了大量的工程经验，从工程措施的位置上可分为堤前、堤身和堤后，方法可分为“盖、截、导、压”四个方面。

1）“盖”主要布置在堤前，即将进入堤防的渗透量尽量降低，同时降低进入堤身的水头压力，一般采用粘性土料在堤防临水堤脚外或堤坡建设一定厚度且具有一定宽度规模的粘土铺盖，形成相对的不透水层防护。一般防渗铺盖的宽度约为临河水深的15～20倍，这种方法主要适用于堤基防渗，堤防迎水侧有较为开阔平坦的河滩地，且粘土料场供料充分，运输距离近。现状辽河堤防迎水侧多种植防浪林，难以形成较为连续完整的铺盖层，且辽河沿线粘土料场较少，取料较难，因此这种方法在辽河中应用范围有限。

2）“截”主要布置在堤身，是近现代发展起来的处理砂堤砂基的工艺，一般是指在堤身的临水堤脚或中前部堤身建造连续的防渗体，通过防渗体基本截断原来的浸润线通道或较大的减少通过防渗体的渗流量，增加延长过堤有效渗径，降低堤身的渗流水头。防渗工程一般修在堤防临水侧和堤基内，对堤身渗流和堤基渗流都适用，工程不占地或占地较少。辽河砂堤防渗设计可采用此方法针对渗流水头比降大、堤身浸润线高的砂基砂堤进行除险治理。

3）“导”主要布置在背水堤脚，一般在新建堤防或老堤加固的背水侧堤脚修建渗透系数较大的导渗结构，加速通过堤身的渗流速度并及时排出堤防，保证背水侧堤脚安全，另外由于导渗结构的允许水力坡降远超原筑堤材料，基本不存在导渗结构渗流破坏的问题。导渗措施方面，目前效果较好应用较多的有排水棱体、排渗沟、贴坡排水、减压井等。辽河堤防背水侧多数为农村段，对于渗流排水量不敏感，且辽河背水一般均有大于10 m的护堤地，工程实施具有较好条件。

4）“压”主要布置在背水护堤地，解决护堤地双层堤基相对不透水层底部扬压力大于其上部有效压重的问题，通过在相对不透水层顶部增加渗透系数较大覆盖层的方法，增加相对不透水层重力，达到压应力大于浮力，保持堤基稳定的目的，有效防止背水护堤地的渗透破坏。辽河堤防背水侧压载主要采用填土（或粉细砂）法，使用较为普遍。压载盖重的方法，主要适用于上层为弱透水薄弱层的双层堤基的情况，可以有效抑制堤基渗流导致的破坏。辽河迎水侧洪水期水头较高，背水侧护堤地粘性土层厚度一般不超过2 m，通过多年洪水期观察和理论计算，均有很多堤段需要进行处理，有条件区域可考虑采用背水压重的型式进行除险治理。

对于背水堤坡、堤脚产生的流土及管涌等渗透破坏问题，根据多年实践经验，辽河上比较行之有效的方法主要以“截”为主，即在临水堤脚和堤身部位设置连续防渗墙，包括垂直铺塑+堤坡防渗膜、高喷灌浆和混凝土搅拌桩等。堤身导渗运用较多的型式主要包括排水棱体、透水后戗等。

对于双层堤基引起的堤基渗流稳定问题，综合考虑工程占地因素和可实施性，推荐采用堤基排渗措施，通过导渗结构，及时排出背水堤基渗流，降低堤基覆盖层承压水头和渗透压力，应用较为广泛的导渗方法包括减压井、排渗沟等。

5 处理方案及典型结构

经综合各方面方案优缺点比选，推荐辽河砂堤砂基处理中截渗措施以深层水泥搅拌桩为主，堤身渗流稳定破坏以建设排水后戗为主，双层地基渗流破坏以建设排渗沟减压为主。

1）水泥搅拌桩

水泥搅拌桩从上世纪90年代在辽河流域得到广泛应用，其原理为利用水泥等材料作为固化剂，借助搅拌机械，将堤身堤基的粉细砂等土料和固化剂强制搅拌，通过水泥等固化剂与土料所产生的物理和化学反应，达到固化、硬化一定范围内堤身土体，使之具有一定强度和较小渗透系数的连续桩体，根据需要建设单排或多排具有防渗能力的墙体。水泥搅拌桩成墙截渗效果与固结剂的使用量、地下水径流情况和土体质量相关，固结剂使用量过高或过低均对成墙效果有较为明显影响，一般需要在经验范围内通过现场试验确定固结剂掺混比例；地下水径流的流动性对水泥浆的浓度有较大影响，一般流动性较大的应适当加大固结剂使用量，相反可适当减少；土体质量决定了成墙的强度和整体效果，颗粒较粗孔隙率较大成墙效果一般较差，中粗砂或卵砾石不但成墙效果不佳，且搅拌难度也成倍加大，往往桩柱之间偏移角不容易控制在合理范围，反之细颗粒特别是淤泥、粉土、粉细砂等实施难度较小且成墙效果较好，但土体中有机质含量过高或地下水酸碱度过高均会影响成墙质量。

辽宁省实施水泥搅拌桩作为防渗手段相比于南方较晚，技术经验等相对欠缺，目前全国整体技术的进步，不但成墙工艺和效率进步较大，成墙深度亦有了很大提高，省内目前较为经济的成墙深度亦可以达到18 m以上。深层水泥搅拌桩对现有堤身结构无不利影响，对现有堤坡等生态景观不形成扰动，工程实施难度不大、场地要求较低，工程投资中等，可适用于大部分辽河砂堤和粉细砂堤基的处理。深层水泥搅拌桩工程示意图见图1。辽河上包括昌图县于家砂堤砂基段、开原市项家窝棚砂堤砂基段等在2005年采用此种工程型式进行处理，处理后背水堤身及护堤地在包括2010年、2013年、2019年历次洪水中均无明显渗水和地面隆起，工程治理达到了预期效果。

图1 砂基砂堤深层水泥搅拌桩典型断面图

2）透水后戗

透水后戗（又名透水压浸台），是在背水堤坡填筑透水性比堤身大的材料，利用透水后戗增大堤身断面，延长堤身的渗浸以达到稳定堤身的效果。为保证透水后戗的渗透稳定，防止渗透水流逸出表面时出现管涌与流土引发渗透破坏，可设置分层反滤结构，并用块石压载。透水后戗顶部高出浸润线在堤坡上的逸出点 0.5 m～1 m，顶宽 2 m～4 m，边坡 1∶3～1∶5。

透水后戗的优点是，不破坏现有堤防，施工方便，造价低，在运用过程中便于观察和维修，同时，在一定程度上起到扩大堤身断面的作用，提高了堤防的稳定性。透水后戗的工程示意图见图2。辽河上包括铁岭县药王庙砂堤砂基段、法库县龙王庙砂堤砂基段等在2008年采用此种工程型式进行处理，处理后背水堤身在包括2010年、2013年、2019年历次洪水中整体结构稳定无滑坡，洪水后期有清水渗出、无土体颗粒，工程治理达到了预期效果。

图2 透水后戗工程典型横断面图

3）排渗沟

排渗沟法是在背水侧堤脚一定范围内开挖沟槽，通过将背水相对不透水层挖穿，借助背水排水系统，排出透过堤基的孔隙水，降低堤后覆盖层内水压力和堤身渗流出溢点高度，防止发生管涌、流土、沙沸、地面隆起等现象的一种排渗措施。需要注意的是，双层堤基做排渗沟时要确定挖穿表层弱透水层，将沟底置于强透水层上，否则无法达到预期效果。排渗沟根据其运行情况，可分为明沟和暗沟，为了保障排渗效果，其沟底和边坡都要设置反滤层。

排渗沟工程施工简便快捷，工程效果好，工程造价低，相对而言后期运行需增加相应的管理和监测措施。根据辽河实际情况，推荐采用暗沟的排渗沟方案。排渗沟的工程结构见图3。辽河上包括盘山县三道沟砂堤砂基段、台安县刘家砂堤砂基段等在2010年采用此种工程型式进行处理，处理后背水堤身在包括2013年、2019年等历次洪水中背水堤坡稳定无滑坡，背水护堤地整体稳定无隆起和水流渗出，排渗沟顶面无水流外溢，排渗沟入周边沟渠有明显成股清水，工程治理达到了预期效果。