堤防加固工程渗流稳定和堤坡稳定计算与措施

王 婷

（芜湖市水利工程建设管理处,安徽 芜湖 241000）

0 引言

我国地域辽阔,许多大河源远流长,这也意味着我国常年遭受洪涝的困扰,洪涝灾害历来是我国的主要要害[1]。威胁着人们的正常生活,并给生活在长期遭受洪涝灾害的地域的百姓带来巨大困惑[2],水灾主要发生在长江、黄河等我国大江大河的中下游地区。因此堤防工程是洪涝灾害防治中最有效的一种措施。

1 工程概况

荆山河本次治理的河段是自方村河至欧阳河段,总长为16.4 km,主要建设内容为荆山河、竹港河、欧阳河河道疏浚、扩挖、护坡护岸等。结合现场调查及工程勘察情况,荆山河水系整治工程的主要内容包括堤防加固及防汛道路、河道疏浚以及连通涵闸等建筑物。青弋江分洪道工程实施后,原荆山河白了滩右闸至四门站处的河道归于青弋江分洪道,占用段两端均已封堵或建闸控制,形成上下两段两条不相连的荆山河,即芜湖县荆山河和芜湖市荆山河。芜湖市荆山河位于原荆山河下段,下游在荆山圩王屋附近建荆方站与青弋江相通,上游在陶辛圩四大门处建荆山河闸与青安江相连,全长约 20.6 km,其右侧有欧阳河与青弋江相通,左侧有竹港河与青安江相通。

最近几年,荆山河下游地区针对防洪措施也逐步进行了一些防洪工程措施,实施了城南圩堤防加固、涵闸更新改造、青弋江分洪道工程、青弋江治理工程得到较大程度的改善,但在城南圩与荆山圩等联圩实施后,荆山河上游段方村河段、青安江段、埭南圩段荆山河侧新城南圩封闭圈堤堤防尚存在部分堤防堤身、堤基质量差、断面不达标、堤防标准低等问题,需进一步完善该区域的防洪治理工程。

荆山河除下游段利民路桥至杭家凸村（文革斗门）总长为 8.012 km 河段近年进行疏浚治理外,其余河段包括竹丝港河、欧阳河等支流未按排涝要求进行疏浚治理,导致局部河道淤积严重,现状河底高程普遍在4 m 以上,难以满足城市排涝要求。另外荆山河沿岸水系因各自的地形条件、地理位置等因素,水位较难衔接,需要在荆山河水处修建控制涵闸等建筑物。

2 堤防加固工程计算

2.1 渗流稳定计算

本次堤防治理范围从桩号4+730 至桩号11+060,总长6.33 km,堤防等级为二级。拟加固堤段堤防堤高 6 m~7 m,堤顶现状为土路,堤坡无护坡措施。堤防为就近取土堆筑而成,经过历次加宽加高,堤身断面呈梯形。堤身成分主要为中、重粉质壤土,夹杂少量砂壤土等,存在裂隙、孔洞。根据上述描述分析,对河道全堤段堤基进行结构划分,见表1。

表1 堤防堤基地质结构分段表

由表1 可知,对于Ⅱ1及Ⅲ2类堤基,均存在有抗滑稳定等问题：对于Ⅲ1类堤基还存在渗透稳定问题。总体来看堤坡整体稳定性一般,部分临沟塘堤段存在险情隐患。

渗流稳定计算公式如下：

式中：A 为越流系数；k1为弱透水地层渗透系数；T0为强透水地层的厚度；T1为弱透水地层的厚度；L 为河堤上游水位高度与上游堤坡交叉点距离下游堤脚位置；H 为堤防高度；J 为土的临界水力比降；G 为土比重；n 为孔隙率；h 为强透水地层渗透系数。

渗流稳定计算公式参数值,见表2。

表2 渗流稳定计算公式参数值

渗流稳定计算结果,见表3。

表3 渗流稳定计算结果

堤身填土注水试验成果,见表4。

表4 堤身填土注水试验成果表

根据钻探资料及试验结果显示,桩号F5+128,试段位置深度为0~6 m 渗透性为中等偏强和弱,F5+792 试段位置深度为0~9 m 渗透性为中等偏强和中等。由此可以看出本圩堤在修建整改的过程中存在处理不彻底问题。因此部分堤段堤身在汛期高水位时,易产生散浸、渗漏等险情。另外,通过走访调查,据当地村民介绍,本段堤防在汛期高水位时,堤内坡脚处存在散浸现象。

2.2 堤坡稳定计算

由于荆山河堤防加固工程堤防的长度比较长,治理上存在一定困难,根据地质勘探报告分析,堤身土体主要由重粉质壤土组成。根据《堤防工程设计规范》相关内容显示,通过瑞典圆弧滑动法来进行堤坡稳定计算,一共可以分为两种工况,分别是正常工况和非常工况。

正常工况：根据荆山河河道行洪特点和蓄滞洪区的综合运用情况,综合分析得出结论,河道在行洪期间相对稳定,基本不存在水位骤降的情况,给加固工程带来保障,不必考虑突然骤降的情况[3],并且当蓄滞洪区启动的时候,河道受到影响后,河道的水位会比较高,一般滞蓄洪水的时间平均在15 d以上,在这样情况下,河道可以形成稳定的渗流,当蓄滞洪区处于退洪时,这时水位开始慢慢下降,处于退水状态[4]。

非常工况：在非常工况施工期间,由于土体整体的强度计算方法不同,导致堤坡稳定计算方法也有不同,因此采用有效应力法。

稳定渗流期抗滑稳定安全系数可按下方公式计算：

式中：Z 为堤坡外水位高于条块底面中点的距离；b 为条块的宽度；β为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；W1为在堤坡外水位以上的条块重力；W2为在堤坡外水位以下的条块重力；u为稳定渗流期堤身；W为条块重力；c 为土的抗剪强度指标。

堤坡稳定计算公式参数值见表5,堤坡稳定计算结果见表6。

表5 堤坡稳定计算公式参数值

表6 堤坡稳定计算结果

通过以上结果分析可以看出,各堤防的安全系数比较高,断面迎水坡和背水坡安全系数符合标准要求,并且相对稳定,不会造成太多施工困难,因此满足抗滑稳定的要求。

3 建议措施

为保证荆山河堤基渗流的稳定性,加固河道工程,根据不同的堤基地质条件和堤基种类,不断完善堤基巩固,在堤防加固时采取了填塘固基、背水侧透水盖重、减压沟等堤基渗流控制措施。

1）填塘固基。早期堤防巩固工程大多数是由人们邻近取土渐渐填筑而形成,迎、背水侧堤脚的附近形成了非常多大小不一的深塘。形成的这些深塘对堤防的安全系数有严重影响,填塘固基就是将迎水侧堤脚附近的较多深塘使用粘性土、背水侧堤脚附近较多深塘使用砂性土进行填平,以此来增加堤防巩固的抗渗稳定和抗滑稳定性,这是一种全堤线都很适用的常规加固措施[5]。

2）背水侧透水盖重。对河道上方为弱透水覆盖层、下方卧为深厚透水层的堤基和单一性砂性土的型堤基,若对堤防迎、背水侧执行完填塘固基后,河道堤基渗流稳定系数依然不满足条件,则需要在堤防背水侧加设透水盖重,用此方法来降低覆盖层的渗透出逸坡降,增加覆盖层的抗渗稳定性。盖重宽度及厚度通过渗流稳定计算来确定。盖重顶面一般设置横向坡,横向坡比例为1∶100~1∶50,这样更有利于雨水的有效排除,因此来避免堤脚形成严重的积水、并形成沼泽。背水侧盖重材料的透水性严格要求需要大于覆盖层10 倍以上,否则会增加覆盖层下的渗流水位,减弱覆盖层的抗渗稳定性,会得不偿失。

3）减压沟。在开挖减压沟之后,将堤基覆盖层切断,大大缩减了堤基水平防渗长度,并且增添了堤身的基本高度,为了能高效精准地保证堤基下卧砂层的水平渗透稳定性和堤防抗滑稳定性,一般需求将减压沟布置在堤防背水侧堤脚平台以外的区域,并更适合与迎水侧防渗铺盖的巩固方案一起使用,以此来加长渗径的长度。由于堤后的减压沟,不利于堤防抗滑稳定性,且沟底可能存在淤积、减压效果减退,因此也可以用符合级配需求的中粗砂将减压沟填平,制造成排渗暗沟形式。

4 结语

以荆山河防洪治理工程为例,进行渗流稳定与堤坡稳定计算,计算结果显示,本圩堤在修建整改的过程中存在处理不彻底问题,部分堤段堤身在汛期高水位时,易产生散浸、渗漏等险情；各堤防的安全系数比较高,断面迎水坡和背水坡安全系数符合标准要求,并且相对稳定,不会造成太多施工困难,因此满足抗滑稳定的要求。根据上述结果提出采用填塘固基、背水侧透水盖重、减压沟等堤基渗流控制措施,以供参考。