李志斌 張愫 彭琦
(益陽市資陽區(qū)水利局益陽市413000)(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院長(zhǎng)沙市410007)
民主垸位于益陽市區(qū)東北部,為湖南省洞庭湖區(qū)24個(gè)蓄洪垸之一,該垸四面環(huán)水,東、南臨資水北支,西臨資水西支甘溪港河,北臨萬子湖。全垸一線防洪大堤總長(zhǎng)81.23 km。
民主垸堤防構(gòu)筑在水網(wǎng)地區(qū),堤基地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)地質(zhì)勘探成果,該垸堤基淺表部分布有粉細(xì)砂層,或粉細(xì)砂層上部粘性土蓋層較薄、淤泥質(zhì)土層夾較多粉細(xì)砂透鏡體,其連續(xù)性好,結(jié)構(gòu)松散,透水性強(qiáng),滲透系數(shù)達(dá)到5.9×10-3cm/s,汛期高洪水位時(shí),垸內(nèi)外水頭差增大,外河水沿堤基透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂層向垸內(nèi)滲透,并擊穿上覆粘性土較薄蓋層,或通過粉細(xì)砂層直接形成滲漏通道,產(chǎn)生流土、管涌等滲透破壞,繼而導(dǎo)致堤基沉陷變形、上部堤身開裂塌陷,直至潰口垮堤。歷年防汛搶險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)也表明,堤基滲透破壞是導(dǎo)致該垸堤防出險(xiǎn)的主要因素,也是防汛搶險(xiǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1999年大洪水,資水甘溪港河中洲堤段因堤基發(fā)生管涌,引起堤基淘空,堤身塌陷(1.5~2.0)m,致使大堤失穩(wěn)破壞,造成248 m寬,(12~18)m深的潰口,因垸內(nèi)有烏龍隔堤和馬王隔堤,故只造成沙頭鎮(zhèn)受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失10.95億元。
民主垸四面環(huán)水,堤防多坐落于各水系岸邊或湖邊全新統(tǒng)(Q4al+l)堆積地層上,持力層以(Q4al+l)沖湖積堆積為主,其上部多為Q4al+l灰黃色粉質(zhì)粘土,厚度(0~7.3)m,局部夾砂壤土;中部為Q4al+l灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,厚(0~12)m不等;下部為Q4al+l粉細(xì)砂層,厚(0~12.4)m不等。局部堤段堤基為Q3al黃褐色似網(wǎng)紋狀粉質(zhì)粘土層,厚(0~14)m不等;其下部為中細(xì)砂、砂礫石,厚度一般大于12 m。
根據(jù)《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL 188-2005)附錄C的規(guī)定,并結(jié)合鉆探及地勘成果,按堤基地層分布及結(jié)構(gòu)特征,可將堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分為單一結(jié)構(gòu)類(Ⅰ)、雙層結(jié)構(gòu)類(Ⅱ)和多層結(jié)構(gòu)類(Ⅲ)三大類,民主垸堤基滲漏主要發(fā)生在單一結(jié)構(gòu)類粗粒土單一結(jié)構(gòu)亞類(Ⅰ1)、部分雙層結(jié)構(gòu)類(Ⅱ2)、(Ⅱ3)堤段、部分多層結(jié)構(gòu)類(Ⅲ2)、(Ⅲ3)及(Ⅲ4)堤段。
根據(jù)民主垸堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu),按堤基強(qiáng)弱透水性土的組合型式,結(jié)合防滲工程的特點(diǎn),民主垸堤基滲漏堤段的土層結(jié)構(gòu)可歸納為4種類型,見表1。
表1 民主垸堤基滲漏堤段地層結(jié)構(gòu)特征表
據(jù)以上四類地層結(jié)構(gòu)的堤段,結(jié)合堤內(nèi)外滲流邊界條件及險(xiǎn)情分布情況,選取8個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算工況采用外河為設(shè)計(jì)洪水位,垸內(nèi)為低水位或無水情況時(shí)對(duì)堤基滲流穩(wěn)定最不利的工況??紤]到民主垸堤基地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滲流計(jì)算采用滲流有限元分析方法,該方法的基本方程如下:
式中[K]——透水系數(shù)矩陣;
{H}——總水頭向量;
[M]——單元儲(chǔ)水量矩陣;
{Q}——流量向量;
t——時(shí)間。
計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的理正滲流分析軟件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算成果見表2。
從表2可以看出,所有斷面均不能滿足滲透穩(wěn)定要求,存在滲透破壞的可能性。
表2 堤基滲流穩(wěn)定計(jì)算成果
根據(jù)上述堤基滲流穩(wěn)定分析成果,并結(jié)合歷年出現(xiàn)的險(xiǎn)情,確定民主垸需要進(jìn)行滲控處理的堤長(zhǎng)為24.72 km。
堤防工程擋水時(shí)間短,承受水頭差不大,為便于地下水交換,堤基滲控處理以排為主、防滲為輔的“上堵下排”原則進(jìn)行。上堵即在迎水面作防滲鋪蓋或作垂直防滲墻以截?cái)嗤杆ǖ?;下排即在背水面采用透水材料作壓浸平臺(tái)或減壓井、導(dǎo)浸溝等。目前洞庭湖區(qū)常用的堤基防滲工程措施為垂直防滲(垂直防滲墻等)和水平防滲(堤后壓浸平臺(tái))等。
根據(jù)民主垸堤基地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類,其堤基滲控處理方案分述如下:
(1)Ⅰ類堤基。該類堤基因強(qiáng)透水層以下無相對(duì)不透水層為依托,采用垂直防滲墻只能為懸掛式,不能滿足滲透穩(wěn)定要求。從防滲效果來看,對(duì)深厚透水地基而言,在堤防背水側(cè)加壓浸平臺(tái)是比較合適的滲控措施,經(jīng)計(jì)算,壓浸平臺(tái)寬度需(80~120)m,單一壓浸方案不僅占用大量的土地,還需拆遷房屋和移民,故選擇單一壓浸和壓浸結(jié)合垂直防滲的方案進(jìn)行比較,結(jié)果見表3。
從表3成果可以看出:?jiǎn)我粔航桨刚嫉囟唷⒐こ淘靸r(jià)高,而壓浸結(jié)合垂直防滲方案比單一壓浸方案占地少、工程造價(jià)低,故對(duì)這類堤基選用壓浸結(jié)合垂直防滲的滲控方案。
(2)Ⅱ類堤基。該類堤基因強(qiáng)透水層以下有相對(duì)不透水層為依托,采用垂直防滲墻可以形成封閉,能徹底解決堤基滲漏問題,因此從技術(shù)上說,采用垂直防滲墻和堤后壓浸平臺(tái)兩種堤基滲控處理方案都是可行的,考慮到垸內(nèi)居民大都沿堤筑房居住,采用堤后壓浸平臺(tái)的堤基滲控方案往往占地拆遷移民工作量大,故選擇采用垂直防滲墻方案防滲。
(3)Ⅲ類堤基。該類堤基與Ⅰ類堤基有相似之處,強(qiáng)透水層以下無相對(duì)不透水層為依托,采用垂直防滲墻只能為懸掛式,不能滿足滲透穩(wěn)定要求。從防滲效果來看,對(duì)深厚透水地基而言,在堤防背水側(cè)加壓浸平臺(tái)是比較合適的滲控措施,經(jīng)計(jì)算,壓浸平臺(tái)寬度需(80~120)m,單一壓浸方案不僅占用大量的土地,還需拆遷房屋和移民,故選擇單一壓浸和壓浸與垂直防滲相結(jié)合的方案進(jìn)行比較,其比較見表3。
表3 單一壓浸與壓浸結(jié)合垂直防滲方案比較
從表3可以看出:?jiǎn)我粔航桨刚嫉囟?、工程造價(jià)高,而壓浸結(jié)合垂直防滲方案比單一壓浸方案占地少、工程造價(jià)低,故對(duì)這類堤基選用壓浸結(jié)合垂直防滲的滲控方案。
(4)Ⅳ類堤基。該類堤基的特點(diǎn)是強(qiáng)透水層以上有較厚的弱透水層,但弱透水層內(nèi)局部夾有粉細(xì)砂或透鏡體等透水層,對(duì)這類堤基可采用垂直防滲墻方案將堤基上部弱透水層中的粉細(xì)砂或透鏡體等透水層封閉,截?cái)酀B流在弱透水層中的通道,達(dá)到防滲的目的。
民主垸堤防構(gòu)筑在水網(wǎng)地區(qū),堤基地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)該垸堤防堤基的結(jié)構(gòu)類型和滲流特點(diǎn),通過滲流穩(wěn)定計(jì)算與分析,并對(duì)滲控處理方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和研究后確定該垸堤基滲控處理方案如下:
(1)對(duì)民主垸的Ⅰ類及Ⅲ類堤基,因強(qiáng)透水層以下無相對(duì)不透水層為防滲依托,堤基滲控方案采用壓浸結(jié)合垂直防滲的方案。
(2)對(duì)民主垸的Ⅱ類堤基,因強(qiáng)透水層以下有相對(duì)不透水層為依托,故采用封閉式垂直防滲墻方案。
(3)對(duì)民主垸的Ⅳ類堤基,因強(qiáng)透水層上部的弱透水層較厚,采用垂直防滲墻封閉弱透水層中的粉細(xì)砂或透鏡體等透水層的方案。