剥岩土加固堤防在乐亭二滦河小埝工程中的应用

2022-03-25张静静时启军孙蓬勃

水科学与工程技术 2022年1期

张静静，时启军，徐磊，孙蓬勃

（1.河北省水利规划设计研究院有限公司，石家庄 050021；2.南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，石家庄 050000）

1 工程概况

乐亭县位于河北省唐山市东南部滦河下游，地处环渤海湾中心地带和京津唐秦4市环抱之中，地处环渤海经济中心区域的京唐港区腹地黄金地带，近年经济发展较快。2018年，乐亭县入选全国投资潜力百强县市、绿色发展百强县市，入选2018全国“幸福百县榜”，并重新确认国家卫生县城。

乐亭县二滦河防洪小埝，自滦乐交界处至入海口。目前存在问题为防洪小埝筑堤材料主要为砂性土，在多年的运用中风吹、雨刷剥蚀堤身，致使堤顶高程降低、堤身缩窄，影响了小埝行洪能力。

2 工程地质

工程区地处渤海沿岸的蓟滦冲洪积平原区，由西北向东南倾斜，构成广阔的近海平原。河床呈宽浅型，河床及漫滩地表大部分被粉细砂或砂壤土覆盖，小埝内外种植有大量树木和大棚果蔬。

二滦河小埝地层岩性由壤土、砂壤土、粉细砂、含碎石黏土（剥岩土为主）、杂填土等组成，局部夹黏土层；堤基岩性主要由壤土、粉砂、细砂、中砂等组成，局部为黏土、砂壤土层。二滦河小埝上游段Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.15g，二滦河小埝下游段Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.10g，相应地震烈度为Ⅶ度。场区设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类。

3 填筑方案拟定

工程段堤埝，堤基多为砂性土，背水侧无复堤条件，本次采取迎水侧复堤，使堤埝防洪标准由3～5年一遇提高到10年一遇。本工程防洪小埝迎水侧加高培厚段较长，填筑量所占比重较大，根据当地筑堤可利用土的物理力学特性、分布和储量，并结合已实施段的经验，拟选择以下3个方案对迎水侧复堤进行经济技术指标比选。

方案1：取河道内粉细砂加筋填筑

根据地质勘察成果，滦河干流河床主槽内砂性土可满足堤防填筑用量要求。堤埝迎、背水坡坡比为1∶3，迎水侧设置土工格栅加筋，迎水侧防护结构自上而下分别为40cm厚浆砌石护坡和0.5mm厚两布一膜复合土工膜，背水侧采用混凝土框格植草防护，对现状堤基为砂性土的堤段，背水坡坡脚以上1.5m坡面设置了反滤排水措施，反滤结构层自上而下分别为30cm厚干砌石、10cm厚碎石垫层和土工布。

图1 方案1典型横断面（砂性土复堤）

方案2：外购土填筑

根据以往已实施段工程经验，采用外购剥岩土填筑。剥岩土以全风化的黏土岩、壤土为主，黏粒含量、渗透系数等物理力学性质试验指标基本满足规范要求，在滦河和二滦河已实施项目中普遍使用，填筑效果较好。堤埝迎、背水坡坡比均为1∶3。根据不同河段的水流条件，迎水坡分别选用浆砌石、混凝上连锁砖和混凝土框格植草护坡进行防护，对现状堤身为粉细砂的堤段，背水侧采用干砌石或混凝土框格植草防护。

图2 方案2典型横断面（外购剥岩土复堤）

方案3：迎水侧采用剥岩土+砂性土填筑

根据“前堵后排”的原则，在迎水侧设防渗体斜墙，防渗体采用外购黏性土填筑，顶部位于路面以下，顶宽2m，迎水侧坡比为1∶3，自上而下逐渐加厚，设计水位以下最小厚度不小于1m，堤基以下齿槽深度2m，防渗体后采用河滩地砂性土填筑；迎、背水侧护坡结构型式与方案2相同。

图3 方案3典型横断面（外购黏性土+砂性土）

4 方案比选

方案1优点为填筑土料遵循了“就近取土”的原则，取土区紧邻工程区，调土运距较短，调土可利用场区施工临时道路，避免外界干扰，调土难度相对较小。缺点为砂性土的物理力学参数相对较低，堤防在高水位行洪时砂性土堤身存在较大隐患，一旦出现险工时抢险难度较大，砂性土填筑质量受施工质量影响较大，背水侧须设置反滤排水等工程措施，工程后期管理存在一定难度。

方案2剥岩土以全风化的黏土岩为主。根据地质勘察成果，物理力学性质试验指标基本满足规范要求，在滦河以往的年度实施项目中已有多个工程大量使用剥岩土作为筑堤材料的实例，填筑效果很好。料源紧邻公路，交通便利，其储量能够满足本工程设计用量。缺点为运距较远，单价高，总体投资上相对较高，且土料中夹杂粒径较大的块石，填筑前须对土料进行筛分。

方案3的优点是将方案1和方案2相结合。与方案1对比，迎水侧设剥岩土防渗体，优化了防渗效果；与方案2对比，在防渗体后采用就地取砂性土替代部分外购剥岩土，减少了外购土工程量，缓解了调土压力，优化了工程投资。缺点为尽管迎水侧采用了防渗体，但由于背水侧采用砂性土填筑，仍需要采取相应的工程措施，维修养护成本较高，另外，该方案须根据不同土料分区域填筑，施工难度较大，施工质量不易控制。

从工程运行安全、施工难度、工程投资等方面考虑，穿村段及现状未治理堤埝，本次复堤推荐采用方案2：迎水侧复堤，筑堤土为剥岩土。

5 填筑设计

5.1 渗透稳定计算

5.1.1 渗透变形类型判别

原埝身填筑土为人工填土，岩性主要由壤土、砂壤土、粉细砂、含碎石黏土、杂填土等组成，局部夹黏土层。其主要渗透破坏类型为流土。二滦河右埝的各土层，允许的水力比降的建议值：壤土为0.40，砂壤土为0.35，粉砂为0.25，细砂为0.20。

5.1.2 出逸坡降的计算

采用有限元法计算渗流浸润线，应用《水工结构有限元分析系统》分析计算渗流浸润线与渗流场。

其假定渗透介质（土石体）不可被压缩，渗流流态符合达西定律，则基本方程为：

式中 H为水头函数；x，y为空间坐标；kx，ky为以x，y轴为主轴方向的渗透系数。

初始条件：

边界条件：

第一类边界（水头边界）：

第二类边界（流量边界）：

渗流自由面边界：

式中 n是边界Γ2的外法向。

依据泛函变分的原理，将研究区划分为有限个计算单元，其中任意点的水头，由单元结点水头通过插值确定。通过对单元的集成，建立相应的代数方程组。对方程组求解，即可得出渗流场的数值解，即各结点的水头值，也就是渗流自由面水头线。

5.1.3 渗透工况计算

渗流及渗透稳定计算依据GB50286—2013《堤防工程设计规范》中的规定，设定计算工况如下：

工况1：稳定渗流工况的计算，临水侧设定为10年一遇设计水位，背水侧无水情况下，对堤防背水坡出逸比降进行复核。

工况2：非稳定渗流工况的计算，临水侧设定为10年一遇设计水位，经历48h后，下降至无水情况下，对临水侧堤坡稳定产生不利影响，在此条件下，复核堤防临水坡渗透出逸比降。

拟对治理段每隔1～3km选取1个典型断面，对“12·8”险情段及砂性堤段选取断面间距适当加密，对壤土堤身和黏性土堤基的断面间距适当加大。

5.1.4 防渗透破坏措施

通过堤防典型断面的渗流稳定计算结果分析可知，不满足渗透稳定的堤段主要为堤身、堤基均为砂性土的堤段。由于堤身较高、水深较大，堤身、堤基均为透水性强的粉细砂，砂性土堤身和大部分砂性土堤基的渗透稳定需另外采取工程措施。

根据“前堵后排”的原则，一般工程措施主要分两类，一类是通过延长渗径以减小出口比降，可在迎水坡铺设复合土工膜；二是增设背水坡贴坡排水以减小出逸点渗透坡降。采取上述措施后，堤防渗流比降由0.38降至0.25，堤防渗透稳定均满足要求。

5.2 边坡稳定性计算

5.2.1 抗滑稳定性计算方法

本次采用简化毕肖普法计算边坡的抗滑稳定性，其计算公式为：

其中 W为土（石）体的重量；u为作用在土体底面的孔隙压力；v为在垂直方向与水平方向的地震惯性力（规定：向上为负“-”，向下为正“+”）；b为土体的宽度；a为土体条块重力线和通过土块底面中点半径之间的角度；MC为水平方向上地震惯性力对圆心的力矩；c′，φ′为土条底部有效应力的抗剪强度指标；R为土条的滑坡面圆弧半径；K为土条圆弧滑动稳定性的安全系数（工况不一致，取值不同）。

5.2.2 计算工况

依据堤防的工作状态和作用力的不同，模拟边坡稳定性分析工况计算为：

正常运行条件I：二滦河乐亭段10年一遇设计水位，堤外无水时，复核堤防背水坡稳定。

正常运行条件II：二滦河乐亭段10年一遇设计水位骤降时的临水侧堤坡边坡稳定性复核。

非常运行条件I：施工期的堤埝里外全无水情况下，背水坡、临水坡的稳定性复核。

5.2.3 断面的选择及参数指标的选取

筑堤土c，φ，γ值，采用的是二滦河筑堤料场土料击实试验的实际成果。堤基的岩性及c，φ，γ值，依据地勘成果资料取值。土条的浸润线采用的是渗透稳定的演算结果。选取的3个典型断面桩号及各项参数如表1。