楊 祎，李鋒德，康軍林

(遼寧省遼河保護(hù)區(qū)管理局，沈陽(yáng) 110002)

遼河干流砂基砂堤防滲處理技術(shù)探討及工程實(shí)踐

楊 祎，李鋒德，康軍林

(遼寧省遼河保護(hù)區(qū)管理局，沈陽(yáng) 110002)

遼河干流堤防由于砂基砂堤的存在，一定程度上存在防洪隱患。本文對(duì)遼河砂基砂堤基本情況進(jìn)行簡(jiǎn)介，分析了適合遼河干流堤防砂基砂堤處理的技術(shù)，并介紹了該技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

遼河干流;砂基砂堤;防滲處理

遼河是我國(guó)七大江河之一，發(fā)源于河北省平泉縣七老圖山脈(海拔1490m)，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧四省區(qū)，在遼寧省盤(pán)錦市入渤海，全長(zhǎng)1345km，總流域面積21.9萬(wàn)km2。東西遼河在遼寧省昌圖縣福德店匯合后，始稱遼河干流，全長(zhǎng)538km，面積37927km2，占遼河全流域的17.3%。

1 基本情況

遼河干流現(xiàn)有堤防主要是1987～1991年整治加固后形成的。自福德店至河口堤防全長(zhǎng)679.71km，其中左岸堤長(zhǎng)346.6km，右岸堤長(zhǎng)333.2km。石佛寺以上堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)30年一遇，石佛寺以下100年一遇，堤頂寬6.0m。

按照遼河流域防洪規(guī)劃，遼河干流堤防通過(guò)地段主要為第四系松散堆積層，其表部為黏土、砂土，下部為粉砂、細(xì)砂、中粗砂、礫砂、園礫層等。遼河堤防加高培厚的土料，主要取自沿河灘地沖淤土，施工方法主要為機(jī)械碾壓法和泥漿泵淤固法。由于施工方法的不同，所用土料區(qū)別較大，機(jī)械碾壓法段多為表層的黏性土，泥漿泵施工淤固段多為坑中取土，填土多為壤土和砂壤土，砂基砂堤段主要集中在此。根據(jù)遼河干流防洪工程堤防質(zhì)檢成果分析資料，清河口以上主要以機(jī)械碾壓筑堤為主，泥漿泵施工不到12%，清河口以下泥漿泵施工的堤段占施工段的39.5%。由于地基及筑堤方式的不同，遼河大堤存在砂基砂堤的隱患，洪水期如果河道內(nèi)水位較高時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向滲漏，所以對(duì)滲漏問(wèn)題需進(jìn)行處理。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，遼河現(xiàn)有砂基砂堤段總計(jì)103處，總長(zhǎng)251.82km，其中，已治理3處，治理長(zhǎng)度10.6km，仍需治理長(zhǎng)度241.22km。

2 遼河干流砂基砂堤處理技術(shù)探討

砂基砂堤的存在是遼河堤防的薄弱環(huán)節(jié)，也是工程中最普遍且難以治愈的心腹之患，選擇有效、合理、經(jīng)濟(jì)的除險(xiǎn)加固方案應(yīng)遵循“前堵后排、反濾料保護(hù)滲流出口”的滲流控制原則，這是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，是堤防滲透破壞除險(xiǎn)加固工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 堤防滲透破壞基理及表現(xiàn)形式

堤防滲透破壞往往始于土體滲透變形，也就是土體結(jié)構(gòu)在滲流作用下先發(fā)生土粒移動(dòng)或土塊浮動(dòng)等變形現(xiàn)象，而后發(fā)展到完全喪失抗?jié)B能力。這一過(guò)程受到滲透水流和土體自身性狀兩方面因素控制。土體自身性狀比較復(fù)雜，受土的礦物成分、顆粒組成、密實(shí)程度等多方面的影響，不同的土層具有不同的滲透性，而不同滲透性的土層位置和分布，對(duì)堤防整體的抗?jié)B能力有很大的影響。

堤防滲流破壞關(guān)鍵因素是土體能夠承受的不會(huì)發(fā)生滲透變形的最大水力比降，稱為臨界比降Jcr，它被用來(lái)表示土體的抗?jié)B強(qiáng)度。對(duì)不同的土質(zhì)和不同的土體結(jié)構(gòu)，其數(shù)值不同。當(dāng)?shù)谭莱隹谔幍某鲆荼冉礘超過(guò)土體抗?jié)B強(qiáng)度時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生滲透變形。土體滲透變形的形式有多種，主要有流土和管涌。前者是出口處土體整體浮動(dòng)的現(xiàn)象，后者則是土顆粒在土體內(nèi)的移動(dòng)。兩者形式雖然有所不同，但其基本原因是近似的，均是由滲流力超過(guò)土的浮容重引起，習(xí)慣上均稱為“管涌”。當(dāng)J＜Jcr時(shí)，土體保持滲透穩(wěn)定;當(dāng)J≥Jcr時(shí)，土體從平衡臨界狀態(tài)到滲透變形或破壞。J是土體實(shí)際承受的出逸比降，Jcr是出口處土體的臨界比降。J會(huì)隨著時(shí)間和水位變化而變化，出逸比降可用流網(wǎng)法或有限元法計(jì)算得到。

對(duì)于黏性土的抗?jié)B強(qiáng)度，可按照扎馬林公式求得：

式中：［J］為允許比降;Gs為土粒比重;n為孔隙率;k為安全系數(shù)。

堤防由于滲流運(yùn)動(dòng)直接或間接造成的堤防與地基的土體變形、破壞，主要有以下一些表現(xiàn)形式：

a.地基中的強(qiáng)透水層承壓水頂穿上部弱透水層，形成集中滲流造成局部流土，進(jìn)而向堤防內(nèi)部發(fā)展成為連通的通道，當(dāng)通道持續(xù)發(fā)展擴(kuò)大時(shí)，堤防就會(huì)下沉、開(kāi)裂，進(jìn)而破壞。

b.背水坡腳處因滲水出逸出現(xiàn)大面積沙沸現(xiàn)象，使坡腳泡軟出現(xiàn)局部?jī)?nèi)脫坡。

c.外河水位降落時(shí)，堤身的水不能及時(shí)排出，產(chǎn)生了反向的滲流，加上堤內(nèi)土中過(guò)高的孔隙水壓力，導(dǎo)致堤防在河水退水時(shí)產(chǎn)生外脫坡。

d.當(dāng)護(hù)坡塊石下面沒(méi)有反濾墊層時(shí)，在波浪的沖擊下，水流會(huì)淘刷坡面土粒，使坡面塌陷。

e.堤身或堤基含有貫穿上下游的通道，易形成接觸沖刷通道，危及堤防安全。

f.無(wú)護(hù)面的“赤膊堤”或坡面排水不好的堤段，在暴雨的沖刷下，會(huì)使堤坡形成雨淋溝沖蝕坡面，并進(jìn)一步導(dǎo)致滲流出口處滲透穩(wěn)定性的削弱，甚至破壞。

堤防除險(xiǎn)加固工程必須進(jìn)行滲流控制，其措施主要是防滲和排滲，以及滲流出口處的反濾保護(hù)?？傮w按照“上堵下排”原則，一是減小出逸比降，二是增大出口處土體抗?jié)B能力(增大允許比降)。

2.2 遼河干流砂基砂堤處理型式選擇

根據(jù)以上堤防滲透破壞原因，砂基砂堤成險(xiǎn)原因，結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)際情況，對(duì)于砂堤砂基的處理，擬采取處理的型式為：

a.對(duì)于堤身不滿足滲透要求的，以迎水面堤坡土工膜防滲、迎水面堤坡黏土斜墻防滲型式為主;以迎水側(cè)護(hù)堤地水平黏土鋪蓋，結(jié)合堤坡土工膜防滲;背水側(cè)堤坡貼坡排水;三維網(wǎng)格等生物防護(hù)措施為輔助。

b.對(duì)于堤基不滿足滲透穩(wěn)定要求的，采用堤基垂直防滲措施，以堤基垂直鋪塑、堤基深層攪拌樁水泥土截滲墻防滲型式為主;以堤基高噴灌漿、迎水側(cè)護(hù)堤地水平黏土鋪蓋結(jié)合背水側(cè)堤基減壓井或排水溝減壓等其他措施為輔助。

c.對(duì)于堤身、堤基均不能滿足滲透穩(wěn)定要求的，以堤坡土工膜結(jié)合堤基垂直鋪塑、深層攪拌樁水泥土截滲墻防滲型式為主;以堤身、堤基高壓噴射灌漿，迎水側(cè)護(hù)堤地水平黏土鋪蓋結(jié)合迎水側(cè)堤坡土工膜，結(jié)合背水側(cè)堤基減壓井或排水溝減壓型式為輔助。

3 工程實(shí)踐

遼中縣滿都戶砂堤砂基段位于遼河右堤L112～L113間，本段堤防堤身及堤基均分布有透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂，且由于筑堤取土，造成堤防迎水坡灘面表層黏土覆蓋層被挖取，砂土層出露，每到大水年份汛期河道水位較高時(shí)，在堤防背水坡堤腳附近經(jīng)常發(fā)生滲水現(xiàn)象，特別是1985、1986年，遼河連續(xù)發(fā)生較大洪水，本段堤防堤后大面積滲水，嚴(yán)重威脅大堤安全，在臨時(shí)搶險(xiǎn)中耗費(fèi)了大量的人力物力。該段堤防一旦出險(xiǎn)，將危及沿岸人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全以及遼中縣城市的防洪安全。

3.1 工程地質(zhì)

工程布置鉆探斷面共7個(gè)，每個(gè)斷面布置3個(gè)鉆孔。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，堤身巖性為粉質(zhì)黏土、粉土，堤基巖性為粉質(zhì)黏土粉土、粉砂、細(xì)砂。堤身大部分為粉質(zhì)黏土，中等透水，滲透系數(shù)為1.2×10－4cm/s，堤基細(xì)砂為中等透水，滲透系數(shù)為8.7×10－3cm/s。

滲流計(jì)算采用水利水電規(guī)劃總院推廣的“土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序(DQB)”。其計(jì)算方法為求解拉普拉斯方程，用有限單元法作滲流場(chǎng)離散，引用三結(jié)點(diǎn)的三角形單元和線性插值函數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，該段堤防在天然條件下不滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2 工程設(shè)計(jì)

垂直鋪塑施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、成本低、防滲效果好，在國(guó)內(nèi)水利工程中得到廣泛應(yīng)用，在遼寧主要河道堤防防滲處理中也應(yīng)用較多;垂直鋪塑形成防滲帷幕分懸掛式、半封閉式和全封閉式三種。遼河一次洪水歷時(shí)7天，主要集中在3天，洪峰較短，采用1～1.5倍水頭深度的懸掛式防滲帷幕能較好地降低背水坡出逸點(diǎn)比降和延緩堤基滲流破壞時(shí)間。

本段堤防防滲工程設(shè)計(jì)采用堤身迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲和堤基垂直鋪塑防滲相結(jié)合的防滲處理方案。

3.2.1 帷幕深度選用

一般垂直防滲的深度可取為S=1～1.5H，這里取S=1.5H，本堤段平均水深H=3.7m。

考慮其他不利因素取S=6.5m。

3.2.2 滲流穩(wěn)定復(fù)核

垂直防滲深度為8m，按有部分截水墻的斜墻壩滲流計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，該段堤防在實(shí)施堤身和堤基防滲工程后，明顯改變滲流狀態(tài)，滿足了堤防滲透安全的要求。

3.2.3 帷幕厚度計(jì)算

采用蘇聯(lián)水工科學(xué)研究院提出的計(jì)算薄膜應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。由公式推導(dǎo)可得：

式中 T——計(jì)算薄膜厚度，m;

E——在設(shè)計(jì)溫度下薄膜的彈性模量，kg/cm2;

P——薄膜承受的水壓力，T/m2;

d——與薄膜接觸的砂卵石的最大粒徑，mm;

［σ］——薄膜容許拉應(yīng)力，kg/cm2，［σ］=(1/5～1/6)σ;

σ——薄膜的最大拉應(yīng)力，kg/cm2。

計(jì)算結(jié)果：T=0.08mm

考慮土工膜刺破及施工時(shí)不可避免人為損壞等因素，根據(jù)規(guī)范《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—98)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)規(guī)定：土石堤防滲土工膜厚度不應(yīng)小于0.5mm，最小厚度不得小于0.3mm。本工程斜墻復(fù)合土工膜膜厚0.3mm，垂直鋪塑土工膜膜厚0.5mm。

3.2.4 防護(hù)層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

防護(hù)層抗滑穩(wěn)定計(jì)算分為保護(hù)層透水性良好和不良兩種情況，采用《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—98)公式計(jì)算：

式中 σ——土料與土工膜之間的摩擦角，σ=27°;

α——土工膜鋪放坡角;

γ’、γsat——防護(hù)層的浮容重和飽和容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算保護(hù)層透水性良好時(shí)安全系數(shù)Fs=1.27＞1.25，滿足穩(wěn)定要求。透水性不良時(shí)安全系數(shù)Fs=0.63＜1.25，不滿足穩(wěn)定要求。因此要求堤坡土工膜保護(hù)層土料為透水性良好的砂壤土。

3.2.5 設(shè)計(jì)結(jié)論

本次設(shè)計(jì)雖只對(duì)垂直鋪塑治理方式進(jìn)行了復(fù)核和驗(yàn)算，但其具有較強(qiáng)的代表性，其他處理型式，如：水泥土截滲墻、高噴和垂直鋪塑的功能基本一樣，僅是在工藝上存在一定區(qū)別。在數(shù)學(xué)模擬條件下，以上砂基砂堤治理方案滿足設(shè)計(jì)要求，但受資料、計(jì)算方法等諸多條件的限制，實(shí)際治理效果還需要在今后運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行逐步的檢驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行完善和改進(jìn)。

1 水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院．遼河流域防洪規(guī)劃報(bào)告［R］．2002．

2 柯書(shū)武，吳為國(guó)．垂直鋪塑技術(shù)在堤身防滲處理技術(shù)中的應(yīng)用［J］．防滲技術(shù)，2002(03)．

2 陳鴻飛，朱逢春，高荔，田漢功，王惠．垂直鋪塑及其在堤基防滲處理中的應(yīng)用［J］．水利水電科技進(jìn)展，2000(02)．

Discussion and Project Practice of Liaohe River Branch Sand Base and Sand Bank Seepage Control Technology

YANG Yi，LI Feng-de，KANG Jun-lin
(Liaoning Liaohe River Protected Area Administrative Bureau，Shenyang110002，China)

Liaohe River branch dike has flood control risk to some extent due to the existence of sand base and sand bank．In this paper，Liaohe River sand base and sand bank＇s basic situation is briefly described．The proper processing technique suitable for Liaohe River branch embankment sand base and sand dike treatment is analyzed．The application of the technique in the project practice is introduced．

Liaohe River branch;sand base and sand dike;seepage control treatment

TV441

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1005-4774(2013)08-0019-04