王偉，宋五朋

（1.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)中心，河南 鄭州 450008）

0 引言

洪澇災(zāi)害是比較常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，為了抵御洪澇災(zāi)害，就需要通過(guò)在河道上修筑堤防將大量的洪水約束在河道內(nèi)，防止對(duì)人民的生命、財(cái)產(chǎn)造成損害。堤防修建后，由于填堤土體的透水性及不均一性，在長(zhǎng)時(shí)間的洪水影響下，堤防可能出現(xiàn)滲漏危害，因此需要進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，根據(jù)分析成果對(duì)堤防進(jìn)行防護(hù)處理。文章以固始縣史灌河一段水毀堤防為例，采用《AutoBank7 水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》對(duì)堤防進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，通過(guò)計(jì)算成果，為堤防防滲加固措施的合理選擇提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

該段堤防位于史灌河右岸，2020年7月，史灌河流域連遭多輪強(qiáng)降雨，該段堤防堤身出現(xiàn)貫穿性滲流，最大流量約5 m3/s，隨后堤頂塌陷，背河坑塘發(fā)生管涌，涌水量約1 m3/s。險(xiǎn)情發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了緊急處置，拆除民房對(duì)堤頂塌陷坑進(jìn)行了回填，對(duì)坑塘管涌修筑了反濾圍井，并于堤防臨水坡淤砂堵漏，淤砂平臺(tái)寬5～10 m，外邊坡約1：1.50。初步分析堤防部分土體在原生產(chǎn)堤基礎(chǔ)上逐步加固而成，堤防填筑土料不均一，碾壓或夯實(shí)不充分；此外該段堤防群眾多在河堤上居住，長(zhǎng)期的生產(chǎn)、生活行為對(duì)堤防也造成一定破壞和影響。

1.2 地形地貌

場(chǎng)區(qū)屬?zèng)_積平原地貌，微地貌屬史灌河河谷地貌，地勢(shì)平坦，略有起伏。此段河堤高程31.82～32.27 m，堤高7 m左右，堤頂（含莊臺(tái)）寬22～32 m，堤內(nèi)沿堤防走向分布較多坑塘，坑塘深度一般1.50～3.00 m，堤內(nèi)地面高程一般24.78～25.94 m，堤外地面高程一般20.43～26.67 m。汛期高水位時(shí)，該段岸坡迎流頂沖。

1.3 地層巖性

堤身填土主要為原堤身填土及搶險(xiǎn)期間加固堤身填土，原堤身填土主要成分為中、重粉質(zhì)壤土，加固堤身土主要成分為細(xì)砂；堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土巖雙層結(jié)構(gòu)，上部屬粘砂多層結(jié)構(gòu)，地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土、細(xì)砂、淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、中壤土、中細(xì)砂及新近系鳳凰鎮(zhèn)組粘土巖。

2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散層孔隙水，主要賦存于下部砂層中，勘察期間地下水水位高程一般22.00～22.50 m 左右。場(chǎng)區(qū)地下水屬入滲～徑流開(kāi)采型，即地下水主要接受大氣降水入滲、側(cè)向徑流、灌溉及地表水入滲補(bǔ)給，排泄方式主要為人工開(kāi)采及側(cè)向徑流。根據(jù)工程類比及試驗(yàn)資料，重粉質(zhì)壤土一般具弱透水性，細(xì)砂、中細(xì)砂一般具中等透水性，淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、中壤土具弱～中等透水性，粉質(zhì)粘土、粘土巖具微～極微透水性。

3 堤防滲流穩(wěn)定分析

3.1 典型斷面選取

斷面選取原則：依據(jù)堤下各種土層組合，相同土層組合按照工程最不利的原則選取典型斷面。結(jié)合堤防地質(zhì)資料情況和堤防設(shè)計(jì)條件，選取該段堤防0+170斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

3.2 計(jì)算工況及參數(shù)

3.2.1 計(jì)算工況

計(jì)算工況：臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位，水位高程30 m，背水側(cè)無(wú)水。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

典型斷面各土層滲流穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 典型斷面各土層滲流穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)表

3.3 計(jì)算方法和結(jié)果

采用河海大學(xué)編制的《AutoBank7 水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》進(jìn)行堤防的滲透穩(wěn)定計(jì)算，該軟件是目前比較常用的滲流穩(wěn)定分析軟件，內(nèi)部采用有限元技術(shù)，可進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。

AutoBank軟件基本原理為達(dá)西定律，基本方程為：

式中：x、y 為平面坐標(biāo)，kx，ky為x、y 方向的滲透系數(shù)，φ=φ（x，y）為待求水頭勢(shì)函數(shù)。

水頭φ滿足以下邊界條件：①上游邊界上水頭已知φ=φn；②浸潤(rùn)線上水頭和位置高程相等φ=z；③在某邊界上滲流量q已知。

式中：ly，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭勢(shì)函數(shù)φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件

確定問(wèn)題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組：

式中：［H］為滲透矩陣；｛φ｝為滲流場(chǎng)水頭；｛F｝為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得各計(jì)算單元的水力比降。

典型斷面計(jì)算滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 堤段（0+170滲流穩(wěn)定期）圖

3.4 成果分析

根據(jù)計(jì)算成果表2可知，該段堤身及堤基表面滲透比降均大于允許比降，易造成滲透破壞，需采取防滲措施。

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 截滲方案選擇及工程布置

4.1 截滲方案選擇

堤防截滲一般采取背河側(cè)堤腳壓滲、臨河側(cè)截滲或壓截相結(jié)合等措施，其中截滲技術(shù)目前國(guó)內(nèi)常用的有：高壓噴射灌漿防滲技術(shù)、垂直鋪塑防滲技術(shù)、多鉆頭小直徑深層攪拌樁建造防滲墻技術(shù)等。根據(jù)以上技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合此段堤防地質(zhì)條件，截滲采用多頭小直徑深層攪拌樁方案解決堤防滲透穩(wěn)定問(wèn)題，該技術(shù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、防滲效果好、投資少、使用壽命長(zhǎng)、性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯等特點(diǎn)，近年來(lái)在江河、湖泊堤防防滲工程中被廣泛采用。

4.2 截滲工程布置

該段堤防加固處理長(zhǎng)度175 m，測(cè)量樁號(hào)0+050～0+225。處理措施及內(nèi)容主要包括堤身開(kāi)挖回填、臨河側(cè)堤坡防護(hù)、修建水泥土截滲墻、背河側(cè)填塘壓滲等。

堤身開(kāi)挖回填主要是將防汛搶險(xiǎn)時(shí)堤內(nèi)臨時(shí)填筑的磚渣等雜物挖除，開(kāi)挖深度約8 m，底寬約10 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件，開(kāi)挖邊坡1 ∶2.00～1 ∶2.50，以把搶險(xiǎn)回填的松散體全部挖除為準(zhǔn)。堤防回填采用粘性土料，并分層回填壓實(shí)，為減少新老堤防沉降差，筑堤壓實(shí)度≥0.92。水泥土截滲墻軸線位于現(xiàn)狀堤頂中部，修建截滲墻長(zhǎng)175 m，墻高19～20 m。另外，利用施工棄土等對(duì)背河側(cè)坑塘進(jìn)行回填，填塘寬度距堤腳≥30 m，平臺(tái)頂高程為25.00 m，外邊坡為1 ∶2。

圖2 險(xiǎn)堤段處理橫斷面圖

5 堤防滲流穩(wěn)定復(fù)核

5.1 典型斷面選取

此次滲流穩(wěn)定復(fù)核斷面與“3 滲流穩(wěn)定分析”選取斷面一致，即堤段0+170斷面。

5.2 計(jì)算工況及參數(shù)

5.2.1 計(jì)算工況復(fù)核計(jì)算工況臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位，水位高程30 m，背水側(cè)無(wú)水。

5.2.2 計(jì)算參數(shù)各土層滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算指標(biāo)與表1一致，截滲墻孔隙比取0.67，孔隙率取0.40，滲透系數(shù)取1.00E-07cm/s。

5.3 計(jì)算方法和結(jié)果

采用《AutoBank7 水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》進(jìn)行堤身與堤基的滲透穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

表3 滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

圖3 堤段（右堤0+170滲流穩(wěn)定期）圖

5.4 成果分析

根據(jù)計(jì)算成果表3可知，該段堤身及堤基表面滲透比降均小于允許比降，堤防截滲起到防滲效果。