李璐，王雪，黃紹磊，李西平

（1. 河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2. 鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，河南 鄭州 450000）

0 前言

某防洪堤位于一大型水庫下游右岸3 km 處，系上游水庫溢洪道下游之堤防，是重要的防洪屏障。其堤身為均質(zhì)土堤，長約1 090 m，最大壩高8.40 m；堤頂為混凝土路面，背水坡外商鋪較多，且緊鄰堤防。

經(jīng)汛期觀察，該堤身、堤基滲水現(xiàn)象較為嚴重。河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司對該段堤防進行了安全評價，河南省水利廳組織有關(guān)專家進行了安全鑒定。根據(jù)安全評價，該堤工程存在主要問題為：在設(shè)計洪水位穩(wěn)定期和驟降期，臨水坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范；浸潤線滲透坡降J平均值大于計算臨界坡降，會發(fā)生滲透破壞。因此，擬對該堤進行除險加固設(shè)計。

1 問題提出

根據(jù)前期資料和現(xiàn)場調(diào)查，某堤現(xiàn)狀為人工填筑而成，多為松散填土，壓實密度低，防滲抗沖能力差；上游水庫放水或天降暴雨時，河道水位升高，地下水位隨之升高，堤基滲漏加劇，背河側(cè)田間潮濕滲水；水庫不放水或天旱時，河道水位下降，田間潮濕消失。

地質(zhì)勘探顯示，該堤身填筑料主要是花崗巖風(fēng)化料，堤身上部施工質(zhì)量較差，填筑料混雜不均，碾壓不實，結(jié)構(gòu)疏松；下部碾壓較好，較密實。整體評價堤身填料滲透性為中等透水，在水頭差作用下，堤身存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題。

樁號0+000～0+800 堤基下有相對不透水層，巖性為重粉質(zhì)壤土；0+800～1+090堤基為砂壤土或砂礫石。

根據(jù)存在的安全隱患結(jié)合地質(zhì)資料，應(yīng)對其進行除險加固。為了保證該險工堤防治理與原堤防相結(jié)合，防護線路盡量順應(yīng)水流方向和堤防走向，保持平滑順直，不改變或少改變工程現(xiàn)狀，使洪水下泄順暢。并按照加固堤防應(yīng)結(jié)合原有堤型、筑堤材料等因素選擇堤型的要求，此次除險加固進行了二種方案的研究。

2 粘土斜墻方案

方案首先放緩迎水坡至1∶2.50，并結(jié)合防滲需要，在迎水坡做粘土斜墻為防滲體。

方案設(shè)計：在整段堤防設(shè)置粘土斜墻，并在堤基處設(shè)置粘土截水槽，斜墻頂部高程高出設(shè)計防洪水位0.50 m，為方便施工，頂部寬度設(shè)為1 m；斜墻底部寬度設(shè)為3 m；截水槽臨時開挖邊坡按1∶0.05控制，底部寬度1 m，如此截水槽深度可達到2 m。

優(yōu)點：施工工藝簡單，對施工企業(yè)素質(zhì)要求相對較低；粘土可就地取材，粘土資源豐富且運距較短材料價格較低；在截滲深度＜2 m時單價較低，較適宜于短距離小深度作業(yè)。

缺點：施工效率低；受水位、天氣影響大；不適宜堤基深層防滲；由于回填斜墻需要，對現(xiàn)狀堤頂混凝土路面損壞較大，影響當(dāng)?shù)亟煌?；施工作業(yè)質(zhì)量不易控制；防滲效果一般；使用年限低。

現(xiàn)場調(diào)研，險工處于鄉(xiāng)鎮(zhèn)繁華地段，是當(dāng)?shù)仄?、機動三輪車、自行車等交通工具主要通道，如果交通中斷時間較長，將對地方工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、尤其第三產(chǎn)業(yè)帶來較嚴重影響，帶來社會不穩(wěn)定因素。同時其堤防滲深度要達到除險深度，尚需增加相應(yīng)的工程措施。

參考《重大水利建設(shè)項目社會穩(wěn)定風(fēng)險評估暫行辦法》結(jié)合項目實際情況，并經(jīng)與業(yè)主研究，不推薦采用該方案。

3 灌漿方案

灌漿方案的基本原理：利用了壩堤最小主應(yīng)力面與其軸線方向一致的規(guī)律，灌入泥漿構(gòu)造防滲帷幕，解決壩體的滲透穩(wěn)定問題。

結(jié)合某現(xiàn)狀斷面，該方案將現(xiàn)狀的上游坡清除其腐殖土，回填與現(xiàn)狀堤身基本一致的土料，并放坡至1∶2.50；在大堤頂部做垂直截滲墻至堤基相對不透水層。

優(yōu)點：設(shè)備先進，效率高，工期短；施工基本不受河道水位和天氣影響；截滲深度可以控制；施工作業(yè)質(zhì)量可以通過上部孔距、入漿液量控制；防滲效果好，強度高，使用年限長。

缺點：由于設(shè)備先進，對施工人員素質(zhì)要求較高，需要專業(yè)的施工隊伍，專業(yè)設(shè)備。

灌漿方案有傳統(tǒng)的劈裂灌漿和較先進的高聚物注漿技術(shù)兩種。

3.1 傳統(tǒng)劈裂灌漿方案

傳統(tǒng)防滲墻設(shè)計主要參數(shù)為防滲墻深度和厚度。防滲墻深度以達到墻體相對封閉為目的，可根據(jù)地質(zhì)剖面圖設(shè)計；其厚度應(yīng)滿足墻壁抗?jié)B性、耐久性、墻體應(yīng)力和變形的要求，同時還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。

根據(jù)規(guī)定，防滲墻的厚度應(yīng)根據(jù)作用水頭、水泥土材料特性、地基性狀等因素確定，設(shè)計時計算公式如下：

式中：S—防滲墻有效厚度（m）；ΔH—防滲墻兩側(cè)水頭差（m），此工程為13.50 m；［J］—水泥土允許比降，可取破壞比降的1/3～1/2。根據(jù)已建工程經(jīng)驗，取［J］=200；ηj—系數(shù)，可取1.1～1.4，此工程取1.20。

經(jīng)計算，防滲墻厚度S=0.081 m。根據(jù)《深層攪拌法施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，水泥土防滲墻最小厚度不宜小于150 mm。此工程設(shè)計厚度取20 cm。

3.2 高聚物定向劈裂注漿方案

高聚物注漿技術(shù)通過注漿管向槽孔內(nèi)注射高聚物注漿材料，高聚物注漿材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹，形成連續(xù)、均勻、規(guī)則的高聚物防滲墻，達到填充脫空、防止?jié)B漏等目的。

該方案主要特點如下：①高膨脹性，根據(jù)實驗，采用的高聚物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，在空氣中形成的泡沫狀固體體積可達液體體積的20 倍以上；②早強，一般15 分鐘可達到90%以上的強度，并且具有較好彈性，不需要后期養(yǎng)護，有利于工程搶險；③防水，形成的泡沫狀固體為閉孔材料，防水性能優(yōu)良，可滿足一般堤壩防滲要求；④輕質(zhì)，材料膨脹固化后，其自重一般不到同體積水泥漿的10%，極大地減少了自重對地基的附加荷載，因此不會因除險加固帶來堤壩穩(wěn)定問題；⑤耐久，材料壽命可達數(shù)十年；⑥環(huán)保，對環(huán)境無污染，對水庫、河道不會造成因除險帶來的環(huán)境影響，對其水質(zhì)不會產(chǎn)生污染；⑦易控，整個施工工藝在監(jiān)控下完成，注漿壓力、溫度及注漿量可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

3.3 灌漿方案比較

傳統(tǒng)的劈裂灌漿主要作用是利用泥漿在壩體中固結(jié)硬化后形成的帷幕進行防滲。因此泥漿在土體內(nèi)能否固結(jié)硬化，成為劈裂灌漿中最關(guān)鍵的問題。研究表明影響漿液固結(jié)的因素十分復(fù)雜，漿液固結(jié)速率和效果不但與堤壩體土質(zhì)、施工質(zhì)量、壩體應(yīng)力狀態(tài)、漿體土料性質(zhì)、漿體厚度等因素有關(guān)，而且還受堤壩前水位、施工工藝的影響。

高聚物定性劈裂注漿技術(shù)具有高膨脹性，早強、易控等優(yōu)點，是目前最為快捷的堤壩防滲體系構(gòu)筑方法。

經(jīng)分析，高聚物防滲墻方案建筑工程投資為0.68 萬元/m，傳統(tǒng)防滲墻方案建筑工程投資為0.72萬元/m。顯然高聚物防滲墻方案更為經(jīng)濟。

工程除險加固一般應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有建筑物的原設(shè)計條件、工程地質(zhì)現(xiàn)狀、運行情況以及當(dāng)前科技進步條件，選擇合理除險加固方案。根據(jù)工程客觀條件，為在較短時間內(nèi)達到防滲目的，減少社會穩(wěn)定風(fēng)險和加固方案選擇要做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠且有利于工程的管理之目的，經(jīng)分析此工程采用高聚物注漿技術(shù)。

4 工程設(shè)計

高聚物注漿技術(shù)設(shè)計主要是對灌漿孔的設(shè)計和防滲帷幕厚度計算。

灌漿孔的布置：根據(jù)堤壩隱患的部位、性質(zhì)和堤壩內(nèi)部應(yīng)力狀況而確定，結(jié)合該工程實際情況，灌漿孔設(shè)置在堤壩之上。

灌漿孔深度設(shè)計：為了保證隱患部位得到充分處理，孔深一般應(yīng)深入隱患部位以下1～2 m。該工程深入重粉質(zhì)壤土層以下1 m。

灌漿孔距的確定：在保證帷幕連續(xù)和厚度均勻的情況下，孔距可以適當(dāng)放大，以減少成孔數(shù)量，節(jié)約投資。但孔距過大，將造成單孔灌漿時間較長，灌漿量大，從而導(dǎo)致帷幕厚度不均，高低不齊，帷幕連接不好。該工程灌漿孔距采用1 m。

帷幕厚度計算：灌漿主要目的是解決堤防滲漏問題，所以帷幕厚度的設(shè)計可根據(jù)不透水地基條件下土壩心墻的計算公式計算所得確定。工程按最終形成一個厚度1～2 cm的高聚物防滲帷幕。

同時帷幕有效厚度與擺動角度有關(guān)，由于施工時在噴射孔處形成一個圓柱體，緊鄰噴射孔兩側(cè)形成一道防滲墻，因此隨著射距的增加，防滲體寬度逐漸增大。

由于漿液采用高聚物材料，成型后的防滲帷幕滲透系數(shù)一般K=10-10～10-8cm/s，擺角10°～15°。

孔序設(shè)計：分序灌漿的目的主要是使?jié){液有一定的固結(jié)時間，與確定的孔距有緊密的聯(lián)系。灌漿孔距較小，治理長度較短時，為避免灌漿機械過多搬遷，影響工效，可采用1 序孔施工；反之可采用2序孔或3序孔。此工程采用1序孔施工。

成孔方法：采用液壓靜力觸探車，將特制的定向劈裂探頭壓入土中至預(yù)定深度，從而形成一定向劈裂的注漿孔。

該工程注漿平面布置圖見圖1。

圖1 注漿孔平面布置圖

5 除險加固后堤防穩(wěn)定分析

穩(wěn)定分析典型斷面選擇與安全評價一致，即0+400 斷面。按加固后斷面進行穩(wěn)定分析。

穩(wěn)定分析所采用的物理力學(xué)指標見表1。

表1 堤防穩(wěn)定分析物理力學(xué)指標表

滲流計算工況：根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》確定。

滲透穩(wěn)定按除險加固后斷面計算，堤防滲流視為平面滲流，其基本模型為：

式中：H—滲流場中任意點的總水頭函數(shù)，實用上可視為測壓管水頭（m）；Kx、Ky—分別為x軸和y軸方向土的滲透系數(shù)（cm/s）。

計算結(jié)果：典型斷面堤防滲透穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計算成果表

邊坡穩(wěn)定計算理論采用簡化畢肖普法，計算公式如下：

式中：W—條塊重力（kN）；V—垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）（kN）；μ—作用于土體地面的孔隙壓力（kN/m2）；α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；b—條塊寬度（m）；C/、φ′—土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內(nèi)摩擦角（°）；Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R—圓弧半徑（m）。

典型斷面堤坡穩(wěn)定計算成果見表3。

表3 堤坡穩(wěn)定計算成果表

由表3 可以看出，典型斷面在各種工況下，能滿足滲透穩(wěn)定要求，不會出現(xiàn)滲透破壞；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，可達到除險加固目的。

6 結(jié)語

針對某堤防安全評價存在的滲漏問題，結(jié)合其險工的具體情況和周邊環(huán)境，從技術(shù)、經(jīng)濟、社會穩(wěn)定諸多方面分析了粘土斜墻方案和傳統(tǒng)的劈裂灌漿、高聚物定向劈裂注漿技術(shù)的特點。采用的高聚物定向劈裂注漿技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)物與傳統(tǒng)的劈裂灌漿防滲加固技術(shù)的完美結(jié)合，其高膨脹性、早強、防水、輕質(zhì)、耐久、環(huán)保、易控等特點在堤防加固中具有較好的前途。在該堤防險工險段中的應(yīng)用，除達到了工程預(yù)期效果外，還成功避開了潛在的社會穩(wěn)定風(fēng)險。為進一步開展堤防防滲加固技術(shù)提供了借鑒。