青原区值夏芳洲农田防洪堤加固工程设计

袁 焘

（吉安市青原区水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概况

芳洲防洪堤位于青原区值夏镇境内，赣江的右岸和孤江的左岸，上起七姑岭，下至马埠村，全长7.4 km。芳洲堤圩区内地形宽阔，地势低平。建堤以来，圩区内洪涝灾害严重，水毁工程多，防汛抢险任务重，堤身、堤基不同程度的存在各类险情，危及大堤安全。目前，防洪堤存在的主要问题是：部分堤身断面达不到设计要求，边坡较陡，局部堤段堤身土质差，汛期出现渗漏滑坡险情；堤基未进行防渗处理，基础出现渗漏、管涌险情；风浪水流对堤坡、岸坡冲刷严重；建筑物建设年代久远，闸室短、涵管管身短，材料及设备老化、裂缝多、闸门漏水严重等原因，不能正常运行，影响大堤防洪安全。

2 土堤加高加固设计

2.1 堤顶高程

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-98）的规定，堤顶超高按下式计算确定：

式中：Y 为堤顶超高，m；R 为设计波浪爬高，m；e 为设计风壅增水高度，m；A 为安全加高，m，按规范确定不允许越浪土堤段取0.5 m。

1）平均波高公式：

2）平均波周期按公式：

3）平均波长（m）按公式：

经计算：L=9.25 m。

4）风壅水面高度按公式：

式中：e 为计算点的风壅水面高度，m；K 为综合摩阻系数，K=3.6×10-6；β 为风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，°；其它符号意义同前。

经计算：e≈0.01 m。

5）土堤波浪爬高公式：

式中：KΔ为斜坡的糙率及渗透系数，KΔ=0.95；Kv为经验系数，Kv=1.075；Kp为爬高累积频率换算系数，Kp=2.07；m=2.5；其它符号意义同前。

经计算：Rp=0.94。堤顶超高（赣江河段）：Y=R+e+A。即Y=0.94+0.01+0.5=1.45 m；故土堤堤顶高程（赣江河段）为H堤顶=H设+1.45 m：同理可得出（孤江河段）土堤堤顶高程为H堤顶=H设+1.20 m；芳洲堤各控制断面堤顶高程见表1。

表1 芳洲圩堤P=10%设计洪水水位及堤顶高程表 单位：m

根据以上计算可知，设计所需堤顶高程为54.93 m～55.81 m，而现状防洪堤实测高程为55.24 m～56.96 m，除首尾两端局部地段堤顶高程略低于设计堤顶高程外，其余堤顶高程均满足规范要求。

对堤顶高程满足要求、但堤顶宽度不够的堤段，可结合在迎水面铺设混凝土预制块护坡对其进行加宽，对堤顶宽度及高程都不满足设计要求的堤段进行堤顶加宽加高。

2.2 堤身断面

因现状防洪堤断面很不规则，堤顶高程局部不满足设计高程要求，堤坡较陡、堤顶较窄。对堤身加高培坡加固，根据《堤防工程设计规范》并考虑防汛交通需要，防洪堤堤顶宽取4.0 m（桩号5+973～7+168 段位于人口居住密集区，该段堤顶宽度加宽至6 m）。土堤边坡迎水坡为1∶2.5、背水坡为1∶2.0，土堤填筑压实度不应小于0.91。

防洪堤现状堤顶高程为55.24 m～56.96 m，堤顶宽度不一，一般为2.5 m～5.76 m。现状堤顶除桩号0+160～1+580 及桩号7+168～7+400 两段为泥结石路面外，其它堤段现状均为砼路面。根据堤顶高程复核计算及工程现状，堤顶加固宽为4.0 m（人口密集段桩号5+973～7+168 堤顶宽度为6 m），鉴于现状堤顶多为砼路面，为了改善防洪堤防汛交通条件，结合堤防的运行管理要求，将剩下的两段泥结石路面均设计成砼路面。

2.3 堤身渗流及稳定分析

2.3.1 堤身渗流分析

（1）计算断面及参数的选取

1）计算断面

本次渗流安全复核选择防洪堤上、下游边坡相对较陡、堤身相对较高、堤基结构具有代表性的防洪堤地质钻孔桩号3+000 和4+500 两个断面进行渗流计算。

2）渗透系数

防洪堤桩号3+000 断面的分区：将堤身填土视为1 个区；堤基含砂低液限粉土为1 个区；堤基低液限粘土为1 个区；堤基砂卵石层为1 个区；堤基强风化基岩为1 个区；共5 个渗透区。防洪堤桩号4+500 断面的分区：将堤身填土视为1 个区；堤基含砂低液限粉土为1 个区；堤基砂卵石层为1 个区；堤基强风化基岩为1 个区；共4 个渗透区。

堤身的渗透系数取值以本次室内土工试验成果为主，堤基渗透系数依据现场注压水试验成果取值。防洪堤各渗透区的渗透系数取值结果见表2。

表2 防洪堤各渗透分区渗透系数取值计算表

（2）允许坡降

1）堤基含砂低液限粉土允许渗透坡降：根据地质提供，堤基含砂低液限粉土允许渗透坡降为0.45。

2）堤基低液限粘土允许渗透坡降：根据地质提供，堤基低液限粘土允许渗透坡降为0.5。

3）堤基砂卵石层允许渗透坡降：本次地勘堤基下部为黄色砂卵石层，地勘建议其允许水力比降为0.1。

（3）计算模型及程序说明

对于符合达西定律的二向均质、各向同性的土体的渗流，当土体已完全固结时，其水头函数符合拉普拉斯方程式：

初始条件：ht=0=h（x、z、o）。

边界条件：水头边界ht=tl=h（x、z、t）。

其中：h 自由面上水头函数；z 坐标位置高程；q 自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量；u 给水度（自由面下降）或饱和度（自由面上升）；θ 为自由面直线与铅直线夹角。

渗流计算采用南京水利科学研究院编制的二维渗流有限元数值模拟计算程序UNSST2，程序求解方法是：基于三角形单元的有限元法，用改进平方根法的直接解法求解线性代数方程组。

（4）稳定渗流计算成果

防洪堤各断面计算主要成果见表3。

表3 防洪堤稳定渗流期计算最大出逸坡降值及渗漏量

（5）计算成果分析

据防洪堤渗流网分析，防洪堤桩号3+000 断面在设计水位下防洪堤下游在池塘边的出逸坡降大于允许坡降值，不满足规范要求。桩号4+500 断面在设计水位下防洪堤下游堤脚粉土层的出逸坡降大于允许坡降值，不满足规范要求。在高水位时堤基有产生渗透破坏的可能。现场检查发现在高水位时堤基渗水有浑浊现象，特别在堤内池塘内更有泡泉带砂的现象，表明堤基脚在高水位时存在渗透不安全隐患。

2.3.2 堤身稳定分析

（1）稳定安全系数

芳洲堤址所在地震基本烈度小于Ⅵ度，可不进行抗震稳定分析，而只进行静力稳定分析。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的规定：当防洪堤处于正常运用条件时，采用瑞典圆弧法所要求的堤坡稳定安全系数为1.10。当防洪堤处于非常运用条件时，采用瑞典圆弧法所要求的堤坡稳定安全系数为1.05。

（2）计算内容

①稳定渗流期的下游堤坡；②水位降落期的上游堤坡。

（3）计算方法

堤坡静力稳定计算采用刚体极限平衡法，对于均质堤采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算。本次堤坡稳定复核采用新疆水电勘察设计院编制的堤坡稳定分析计算程序。该程序可同时用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算上、下游堤坡最危险裂弧的最小安全系数。

（4）计算断面的选择

根据芳洲堤身的结构情况，计算时选择与防洪堤渗流分析计算所选取的断面。

（5）计算参数的确定

本次防洪堤稳定复核，防洪堤堤身填土物理力学指标及抗剪强度指标的确定均以地勘资料为主。防洪堤各区土料参数选取结果见表4。

表4 防洪堤各种土料的物理力学指标表

（6）堤坡稳定计算结果分析与稳定性评价

上游在设计水位工况：桩号3+000 断面下游堤坡抗滑稳定安全系数为1.35；桩号4+500 断面下游堤坡抗滑稳定安全系数为1.48。上游在设计水位骤降至堤脚工况：桩号3+000 断面上游堤坡抗滑稳定安全系数为1.20；桩号4+500 断面上游堤坡抗滑稳定安全系数为1.18。防洪堤堤坡在各种工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

2.4 防洪堤加固工程设计

2.4.1 堤基防渗加固方案设计

根椐渗流计算现状堤基出逸段渗透坡降均大于允许渗透坡降，故需对于砂或砂卵石强透水层堤段进行防渗处理。

（1）桩号0+000～3+100 和5+300～7+400 段，因堤基上部有一层低液限粘土，土质较均，较密，具有良好的防渗作用。由于堤内有许多池塘和深坑，破坏了其粘性土覆盖层的连续性，按桩号3+000 断面经计算出逸坡降为0.65 大于其允许坡降，在外河高水位时基础易产生渗透破坏。本次加固设计对堤内塘、坑采用透水料平坑填塘盖重防渗处理。

（2）桩号3+100～5+300 段，堤基上部仅有一层含砂低液限粉土（野外勘察鉴别似粉土质砂），该层具中等透水性，因堤基砂卵石层属极强透水，故在粉土层出逸段的出逸坡降很大，按桩号4+500 断面经计算出逸坡降达0.71，大于其允许坡降，在外河高水位时基础易产生渗透破坏。本次加固设计采用施工工艺简单、投资较省的堤后盖重压渗方案。针对堤基渗流险情，根据地形地质条件，结合江西省类似圩堤堤基防渗治理经验，主要采用填塘固基的处理措施。

2.4.2 堤坡防护设计

现防洪堤上、下堤坡均杂乱无章。本次加固设计拟对防洪堤迎水坡设计洪水位+0.5 m 以下采用0.1 m 厚C15 砼预制块护坡，下设厚10 cm砂卵石垫层，以上采用草皮护坡（现状桩号2+440～3+145 及3+780～4+225 迎水面已应急实施了砼预制块护坡）。

2.4.3 堤身防渗加固设计

因现状防洪堤断面很不规则，堤顶高程除首尾两端局部略不满足设计高程要求外，其它均满足规范要求。椐地勘资料分析：现堤身首、尾堤段填土，为低液限粘土，土体较均匀，填筑尚密，低压缩性，渗透系数K=10-4cm/s～10-5cm/s 数量级，综合分析，属弱透水性，基本满足均质土堤的技术要求。堤身中段填土为含砂低液限粉土，结构稍密，渗透系数K＞10-4cm/s，中等透水性，不满足均质土堤的技术要求。

本次结合堤坡加固和堤基处理对堤身填筑质量较差的桩号1+500～5+300 堤段采取上游侧加设粘土进行防渗；其它不达标堤段也应在迎水面采用粘土培厚处理；粘土渗透系数要求≤10-5cm/s，土堤填筑压实度不应小于0.91。

3 结语

为了改善圩堤内人民的生活环境，彻底摆脱洪涝灾害的威胁，提高防护区内的防洪标准，改善原有耕地的耕作条件，解决居民的生命财产安全问题，因此迫切需要对现有防护区堤防进行加固，保障区域内防洪安全、粮食安全及居民生产生活安全，促进区域经济社会可持续发展。