山区河道堤防工程渗控措施研究

潘文浩 尚钦 郑华康 吕鹏

摘要：山区河道堤防堤基及堤身土层多由透水性较强的非黏性土构成，汛期易产生渗透破坏和堤基渗漏，在堤防工程设计中需考虑一定的防渗排水或加固补强措施。以金沙江丽江段新建堤防工程为例，对采取不同渗控方案的堤防断面进行了非稳定渗流计算，对堤身及堤基渗透稳定性进行了分析，并结合堤后农作物特性进行了淹没分析，提出了针对典型山区河道堤防较为经济合理的渗控措施。结果表明：山区堤防防渗应以防止渗透破坏为主，宜采取适当深度的防渗墙加堤后盖重方案。

关键词：渗控措施; 堤防工程; 淹没分析; 山区河道; 丽江段新建堤防工程; 金沙江

中图法分类号：TV871 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.001

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0001 - 05

0 引 言

山区河道堤防堤基多为双层或单一结构，表层或上部多分布粉细砂、粉土或砂质粉土，中下部一般为深厚的砂砾卵石夹漂（块）石层。由于缺乏黏性土料，堤身也往往采用砂砾石填筑[1-2]。因此，在兴建堤防时，堤基及堤身的防渗是关键问题。以往对堤防防渗的研究多为针对平原河道汛期稳定渗流条件，而山区河道洪水過程一般陡涨陡落，洪峰历时相对较短，难以形成稳定渗流场，因此，在工程设计中可选取设计水位过程作为边界条件，对非稳定渗流场进行计算[3-4]。

本文以金沙江丽江段红岩村新建堤防为例，对不同渗控方案下的堤基及堤身渗流场进行了计算，并根据计算成果进行了堤后农作物淹没分析，综合考虑地质条件、经济适用性等方面因素，选取了较为合理的渗控措施。

1 工程概况

金沙江丽江段红岩村新建堤防位于金沙江丽江段右岸，下距长江第一弯石鼓约14 km。拟建堤防所在的滩地分布有村庄和耕地，滩地地势较低，历年来洪水灾害频繁，且缺乏防洪工程建设。由于沿江的玉龙县为国家级贫困县，临江的肥沃耕地是当地宝贵的土地资源和重要的经济来源，因此，拟通过修建堤防来补齐防洪工程短板，促进当地经济可持续发展。该工程段地层以双层结构为主，堤基土上部主要为冲洪积含砂低液限黏土，厚度一般为1.5～3.0 m，呈可塑状，地表多分布粉细砂或砂质粉土，局部地表分布土夹碎（卵）砾石，厚度一般为0.3～1.0 m;下部主要为砂砾卵石夹漂（块）石层，局部段砂砾卵石层以下分布卵砾石夹土（图1）。

2 渗控方案

2.1 初步比选

参考GB 50286-2013《堤防工程设计规范》及已建类似工程经验，堤基防渗处理方案主要有：堤后填高、垂直防渗、堤内设减压沟及水平防渗等措施。为合理确定防渗处理方案，从土层条件、地形地势条件、建筑物结构、材料来源、施工条件及后期使用等方面对不同的防渗处理措施进行比较分析如下。

（1） 方案1。堤内整体填高。堤后填高至设计洪水位可有效解决防渗问题和堤后排涝问题，且能充分利用附近工程段开挖弃土。但该方案存在的问题主要如下：①对于村镇段，堤后为居民聚集区，不具备整体填高的条件;②对于耕地段，填高后需复垦，而工程区域黏性土料匮乏，复垦困难;③堤后填高需对堤防保护范围进行大面积临时征地，而工程区位于少数民族地区，堤防保护范围有较多的民风及宗教特色建筑，如白塔、渡江纪念碑等，临时征地再复耕难度较大。故不推荐采用堤内整体填高的方案。

（2） 方案2。垂直防渗。垂直防渗可以延长渗径、改善堤身和堤基土的密实性，对于减小逸出比降、减少渗漏量均有一定作用，在堤基中有弱透水性土层时优先采用。工程段堤身为透水性较强的砂砾石填筑，堤基下部土层为深厚的透水性强的砂砾卵石，但表层一般有一定厚度的中透水性粉细砂夹粉土层，部分段有弱透水性的含砂黏土层，可用垂直防渗墙截断堤身渗流通道，对下部堤基渗径延长也有一定作用。垂直防渗能截断堤身渗漏量，也能在一定程度上减少堤基的渗漏量。

（3） 方案3。水平防渗。水平防渗措施可以采用堤外铺设黏土盖层，或堤内填筑透水盖重及填塘固基的方法。由于工程区缺乏黏性土土料，且金沙江流速较大，堤外铺盖层后期因水流冲刷可能受到破坏;此外，工程段渗漏量主要来源于堤基砂卵砾石层形成的的渗流通道，水平防渗对该渗漏量的控制不如垂直防渗效果好。故不推荐采用堤外铺设黏土盖层的方法。堤内填筑透水盖重结合填塘固基的方法适用范围较广，主要用于防止背水侧堤坡、堤脚、堤基及局部低洼地发生渗透破坏。部分堤段堤内表层覆盖层埋深较浅，下部砂卵砾石层在一定水头差下易形成透水通道，可能存在渗透稳定问题，所以需采用堤内盖重和局部填塘进行防渗处理。

综合考虑，垂直防渗和堤内填筑透水盖重水平防渗的方式均适用于金沙江丽江段新建堤防工程。

2.2 渗流稳定计算

2.2.1 计算方法

工程河段洪峰期一般为8～9月，本次对各堤防段进行洪峰期非稳定渗流场计算，工程段设计洪水标准为10 a一遇，相应典型洪水年为1991年典型年，工程河段石鼓水文站实测洪水过程如图2所示。考虑到红岩村堤防段距离石鼓站的距离约13 km，且中间无大的支流入汇，因此该测站水位过程对于工程段具有一定代表性。非稳定渗流计算中，选取该洪水位过程作为堤防迎水侧水位工况，背水侧水位为现状地面高程。

土层按各向同性考虑，采用有限元法计算。渗透稳定的判别采用洪水期外江最高水位时表层土的出逸比降控制，即：

J≤J允

式中：J为表层土的实际出逸比降;J允为表层土的允许出逸比降。

2.2.2 计算参数

根据地质勘察建议值及《工程地质手册》，各土层的渗透系数及允许比降按表1取值。

2.2.3 方案比选

为定量分析垂直防渗墙长度和水平盖重宽度，确定经济合理的防渗措施，本次选取典型断面，拟定了7种渗流控制方案进行渗流计算和渗流稳定分析。其中，盖重高程高于堤坡出逸点。方案1为无防渗措施;方案2为设置10 m宽盖重;方案3为设置20 m宽盖重;方案4为设置10 m长垂直防渗墙;方案5为设置15 m长垂直防渗墙;方案6为设置20 m长垂直防渗墙;方案7为设置10 m长垂直防渗墙并设置15 m宽盖重。

根据拟定的计算方案，典型剖面的渗流计算成果见表2，典型剖面各方案等勢线分布见图3～9。

根据计算成果，方案1条件下，若不采取渗控措施，背水坡出逸点较高，堤坡及堤内脚均超出表层土允许比降，不满足渗流稳定要求，且高水位期堤后渗漏量较大。方案2，3条件下堤坡出逸点高程均明显下降，堤坡出逸点比降小于允许比降，但堤内脚比降仍大于允许比降，渗漏量相比方案1没有明显减小，说明堤后盖重能在一定程度上减小堤内脚（或盖重脚）的渗流比降，但对渗漏量的减少不明显。比较方案2，3可知，盖重加宽对进一步减小渗流比降和渗漏量均不明显。在方案4条件下，堤坡出逸点高程均明显下降，堤坡出逸点比降小于允许比降，但堤内脚比降仍大于允许比降，渗漏量相比方案1减少了48%。比较方案4，5，6可知，防渗墙能在一定程度上延长浸润线、降低堤后逸出比降、减少渗漏量，但由于堤基主要为强透水性的砂卵砾石层，悬挂防渗对渗漏量的控制有限，进一步延长防渗墙对渗漏量的减少没有明显作用。在方案7条件下，堤身及堤后土层的渗流比降均小于允许比降，断面的渗流稳定能得到有效控制。

3 堤后农作物淹没分析

参考GB 50288-2018《灌溉与排水工程设计标准》，并根据渗流稳定复核成果，对工程段堤后农作物淹没情况进行分析。由表3可知，在典型年洪水高水位期间，堤后渗漏量大于1 m3/（d·m），堤后易形成积水。据调查，工程段7～8月份沿江主要农作物有烤烟、玉米、水稻以及药材如三七等，大部分处于生长期，根据GB 50288-2018《灌溉与排水工程设计标准》，这些作物耐淹时间一般不超过2～3 d，耐淹水深一般不超过15～20 cm。根据渗漏量计算成果，在不采取防渗措施的条件下，工程段堤后农作物淹没情况如表4所示。由表4可知，1991年典型年洪水过程下，堤防段洪水漫滩时间超过14 d。无防渗措施的堤防断面洪峰期渗漏量达到1.72 m3/（d·m），堤后平均淹没水深均超过20 cm。典型年洪峰期为8月2日至9月9日，正处于沿江主要农作物的生长期和成熟期。因此，从防止农作物淹没方面来看，采取一定防渗措施以减少相应渗漏量也是必要的。

采用防渗墙和盖重进行防渗处理后，工程段渗漏量相对于该原堤基及堤身条件情况下的渗漏量有一定程度减少，平均淹没水深均已降至农作物耐淹水深以下，但由于堤基主要为砂砾卵石夹漂（块）石和细砂，黏性土、粉土覆盖层较薄，垂直悬挂防渗墙对堤基渗漏量的控制仍有限，渗漏量仅减少45%。由渗控方案比选分析（表2）可知，进一步延长防渗墙对渗漏量的减少并不明显，因此，需在堤后设置排水设施或调整农作物种植结构来避免农作物遭受淹没。

4 结 论

本文以金沙江丽江段新建堤防为例，对不同渗控方案下的堤防断面进行了渗流稳定分析以及农作物淹没分析。结果表明：山区河道堤防堤基多由深厚的强透水性砂卵砾石层构成，防渗墙难以深入至相对不透水层，继续增加防渗墙深度对堤后渗漏量的控制仍有限，且不够经济。因此山区堤防防渗应以防止渗透破坏为主，宜采取适当深度的防渗墙加堤后盖重方案。

参考文献：

[1] 郑华康，胡超，尚钦，等. 桥梁基础对岸坡渗透稳定及抗滑稳定性影响分析[J]. 水利水电快报，2017，38（11）：103-106.

[2] 邱宽红，吕达伟，黄斌. 堤防工程渗流稳定性数值分析[J]. 人民长江，2011，42（增2）：155-156.

[3] 毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 1990.

[4] 《工程地质手册》编委会. 工程地质手册. 北京： 中国建筑工业出版社， 2006.

（编辑：江 文）

Research on seepage control measures for dikes of typical mountain rivers：

a case of dike project in Lijiang reach of Jinsha River

PAN Wenhao， SHANG Qin， ZHENG Huakang， LYU Peng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： The river dike body and its foundation in mountain area are mainly composed of strong permeability non-cohesive soil， which may cause seepage damage and dike foundation seepage in flood seasons. Therefore， seepage control， drainage measures and reinforcement should be considered in dike project design. Taking Lijiang reach of the Jinsha River as a study case， unsteady seepage simulation of the dike body with different seepage control schemes was conducted， the dike seepage stability of dyke body and foundation as well as the crop submergence in the back of dyke were analyzed based on the simulation， and relatively economical and reasonable seepage control measures were proposed for typical mountain river dikes. The results showed that the major seepage control of the river dike in mountainous area should be seepage damage prevention， and it is advisable to construct seepage wall combined with weighting soil layer in the back of dike.

Key words： seepage control measure; dike project; submergence analysis; mountain river; dike project in Lijiang reach; Jinsha River