浅谈堤防工程防渗加固方案

2024-05-07郭建国

中国新技术新产品 2024年6期

郭建国

（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东江门 529030）

水利枢纽工程中的拦河坝、围堰等建筑是由土质、石质等透水性物质构筑形成，水分能从这些物质的孔隙中穿过。对水库来说，水利工程渗漏不仅会导致水量损失，而且渗流速度较快还会使土颗粒散失，从而导致大坝失稳[1]。如果水工结构基础材料具有透水性，例如土质基础、砂砾石基础、岩石基础等，那么土体经基础渗透后，底部会因渗透水的动水压而产生扬力，从而对土体的稳定性造成不利影响。因此必须要掌握渗流的运动规律，采取有效的措施，对水利枢纽工程进行防渗处理。为全面落实此项工作，发挥水利工程在市场内更高的经济效益，本文针对此类工程项目的防渗施工方案比选方法进行设计。

1 项目实例

1.1 工程概况

本次以汕头市中港河某水利工程为例，中港河属于工程中的主要支流，集雨面积为48.5km2，主河长为17km，坡降为0.2‰。

中港河水利工程整治范围为崎沟闸至中港河潮南潮阳区界处，在防渗施工前须进行勘测设计[2]。初步设计阶段工程测量内容及成果为GPS控制点E级50个，水准测量32km，1∶1000河道平面带状图3.55km2，河道横断面图60km，河道纵剖面图20km，涵闸大样图0.40km2，在施工图阶段根据需要进行补充测量。

本次地质勘察工作（包括现场工作及室内工作）均按照市场发行文件的最新标准执行，初步设计阶段地质勘察的主要工作见表1。

表1 初步设计阶段地质勘察的主要工作

通过现场勘查，对水利工程现场反馈的现状照片进行汇总。

1.2 水文条件与工程地质

在对该地区水文条件进行调研中，应明确此地区属于亚热海海洋气候，根据秋风岭水库42年实测降雨统计，分析地区降雨情况[3]。见表2。

表2 地区降雨情况的分析

在深入现场调查后发现，中港河水源为秋风水库发电尾水及区间汇水，两岸印染化工污染企业较多，村庄密集，垃圾堆砌较多，水质污染严重，水体发黑，水浮莲和垃圾堵塞河道。

本工程场地建筑物主要置于第四系松散堆积层上，从区域地质构造来看，断裂构造通过工程场地时，表现为基底隐伏构造，经过现场的钻探调研，分析基础结构，发现基础地质构造整体较为简单且在钻探后未发现现场存在断层，经过专家与技术人员的现场评估，现有的地质条件对工程项目防渗施工的综合影响较小。

1.3 工程建设内容与堤防渗透稳定计算

根据工程项目的具体情况，明确此次工程整治的内容为清障及两岸堤防达标加固，拆除重建1座节制闸（上东闸）。穿堤涵闸：拆除重建10座，加固8座，新建9座。工程范围权属两英镇、峡山街道和胪岗镇，建议工程管理单位加强管理，经常清除堤坡上的灌木、杂草，以免影响工程。根据相关文件，把中港河以南、秋风水库以北部分和中港河以北胪岗镇区域划分为成田涝区[4]。成田涝区位于练江流域下游，靠近海门湾，涝区外的练江水位主要受潮汐影响。成田涝区的涝水可以充分利用外江潮汐水位变化和涝区内的调蓄面积，当外江潮位高于中港河水位时关闭水闸，利用涝区内的涌容进行调蓄，当外江潮位低于中港河水位时，打开陈厝寮水闸和半港水闸自排。中港河水位高于各穿堤涵排水沟水位时，各穿堤涵闸关闭以防洪水倒灌，涝区内利用涌容调蓄，有泵站的涝片可启动水泵进行强排[5]。中港河水位低于各穿堤涵闸所在排水沟水位时，打开闸门进行自排。

在上述内容的基础上，为确保工程顺利实施，满足工程项目施工中的防渗需求，应明确施工过程中，堤防内部（包括堤基）的渗流作用。如图1所示。

图1 堤防内部的渗流作用

明确堤防内部的渗流作用的基础上，对土粒在渗透条件下的分散作用力进行分析，如图2所示[6]。

图2 坝基中土粒在渗透条件下的分散作用力

以此为依据，计算水利枢纽工程土坝渗透稳定系数，过程如公式（1）所示。

式中：Q为水利枢纽工程土坝渗透稳定系数；A为平均渗透流速；h为坝基中土粒在渗透条件下的分散作用力；L为水利坡度。

4.油区治安环境好坏，严重影响油地关系。近年来，国家加大了对“三小一点”（小炼油、小化工、小轧钢、废旧物资收购点）的打击和治理整顿，盗油现象虽得到了一定的控制，但是随着原油价格的上涨，受经济利益地驱动，不法分子盗窃原油的步伐并没有停止，而且手段越来越高明。村民干扰施工、扣押车辆、挖沟断路等违法行为时有发生，甚至出现了破坏油井设施、盗挖输油管线、大量盗窃原油等一批影响重大的案件，使油区治安环境进一步恶化。

2 水利枢纽工程防渗方案比选与推荐方案

2.1 方案比选

结合上述渗透稳定计算公式，计算本工程左堤2900m及右堤1450m，总长4350m，计算最大比降大于相应土层的允许比降，堤防渗透稳定不达标，有发生管涌或流土等渗透破坏的风险。针对渗透比降过大的堤段，拟进行防渗加固处理。防渗墙是在松散堤身及透水堤基中形成一道防渗墙，截断透水层，确保大堤渗透稳定，保障堤围安全。

本次进行比选的防渗处理方案包括充填灌浆、振动沉模混凝土防渗墙、劈裂灌浆、水泥土防渗墙等。

2.1.1 水泥土防渗墙

多头搅拌水泥土搅拌桩连续墙是一项已经较为成熟的施工技术，造墙深度可达15～20m，厚度30～70cm，有良好的防渗能力。特别是在砂层中，水泥土的强度、完整性更高。多头搅拌水泥土连续墙工序简单、施工速度快、造价低廉、以及对周边环境友好无污染。

本工程推荐采用水泥土搅拌桩防渗墙方案进行堤防防渗处理，从现状堤顶打入单排水泥土搅拌桩防渗墙[7]。计算水泥土搅拌桩防渗墙最小墙厚如公式（2）所示。

式中：δ为水泥土搅拌桩防渗墙最小墙体厚度；ΔH为防渗水头差，根据本工程实际情况，堤围两侧水位差均不超过10m；J为防渗体渗透允许比降。根据相关工程经验，水泥土搅拌桩防渗墙的允许比降为50。经计算，δ=0.2m，即水泥土搅拌桩防渗墙最小墙厚≥0.2m。

桩底高程须至少穿过强透水砂层底界线1m，桩顶高程须高于强透水砂层顶界线1m，上部相对不透水层可采用空桩连接，并夯实土体。

2.1.2 充填灌浆

充填注浆是通过注浆的压力来填充大坝中存在的裂缝和空洞，从而达到加固大坝的目的。

在注浆压力的影响下，泥浆会克服各种阻力，渗透到孔、裂缝中，随着压力的增加，泥浆的吸浆量和扩散的距离也会增加，因此，填充注浆也被称为渗透注浆。此类注浆是在不破坏土体结构的情况下进行的，要求其粒度比土体的孔隙度小，即需要满足土体的可灌性，因此材料选择非常关键。充填灌浆浆液材料主要有水泥浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥砂浆、水玻璃类浆液、水泥-水玻璃浆液等。水泥浆充填灌浆施工简单，但是浆液凝结时间较长，粉细砂地基的防渗加固可灌性差。黏土浆充填灌浆取材方便，成本低，但防渗效果较差。水泥黏土浆充填灌浆综合了水泥浆和黏土浆，具备两者的优点，使用最广泛。水泥砂浆充填灌浆通常用于大的空洞或缺口，可灌性较差且施工质量不容易控制。水玻璃充填灌浆浆液黏度与水接近，可灌性最好，但造价较高，不适合大范围使用。水泥-水玻璃充填灌浆克服了水泥浆液凝结时间过长的问题，但成本相应增加。

本次比选方案初拟“梅花”形布置两排充填灌浆孔，单排孔距3m，终孔孔距1.5m，排距1.5m，采用纯黏土浆，充填灌浆干料量为1.5t/m。充填灌浆底高程穿过强透水砂层底界线至少1m，灌浆顶高程须高于强透水砂层顶界线1m，上部相对不透水层封孔并用黏土回填、黏夯实。

2.1.3 振动沉模混凝土防渗墙

在地基中，利用泥浆固壁，开凿一个槽型孔结构，通过回填防渗材料，构建一个具有防渗能力的底线连续墙。与其他类型的防渗结构相比，振动沉模混凝土防渗墙的墙体结构尺寸、材料的渗透性能能够按照实际工程以及施工现场的地层条件进行调节和控制。同时，该施工工艺适用于各种地质条件，尽管施工的难易程度不同，但以目前的施工技术水平，可以建立防渗墙。通常，混凝土防渗墙的施工需要借助大型施工机械，采用泥浆法进行加固，技术环节多，因此对工程技术、管理、施工等方面提出了更高的要求。混凝土防渗墙有良好的耐久性和防渗效果[8]。混凝土防渗墙的施工方法很多，最大的不同是沟槽（孔）的成缝方式，控制沟槽与孔板间的连接和沟槽（孔竖向）是施工关键。

本次比选方案拟采用厚度为0.3m的薄型混凝土防渗墙，具体施工工艺为采用液压抓斗施工成槽，泥浆护壁，浇筑塑性混凝土防渗墙。墙底高程须穿过强透水砂层底界线1m，墙顶高程须至少高于强透水砂层顶界线1m，上部相对不透水层可采用回填素土并夯实。

2.1.4 劈裂灌浆

劈裂灌浆技术是利用堤坝体的灌浆体柱的侧向压力大于原堤坝体的侧向压力（小主应力），填充密实所有与浆脉相连接的裂缝、洞穴等。根据《土坝灌浆技术规范》（SL 564—2014），劈裂灌浆具有机理明确、施工控制合理、工艺流程简单、工期短以及见效快等优点。本次比选方案初拟布置单排劈裂灌浆孔，孔距3m，沿堤轴线布置，采用纯黏土浆，劈裂灌浆干料量为1.5t/m。劈裂灌浆底高程穿过强透水砂层底界线1m，灌浆顶高程须至少高于强透水砂层顶界线1m，上部相对不透水层封孔并用黏土回填、黏夯实。

针对上述防渗方案，对其投资进行对比，见表3～表6。