顏楚嬋

(惠州市惠州大堤北堤管理中心，廣東 惠州 516000)

堤防工程滲透破壞為常見現(xiàn)象，廣東省堤防總長(zhǎng)度達(dá)2.89萬km，其中5級(jí)以上的堤防長(zhǎng)度達(dá)2.20萬km。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年惠州市各級(jí)堤防總長(zhǎng)度達(dá)334.83 km，為該地區(qū)的防洪排澇發(fā)揮了重要作用。堤防工程的安全穩(wěn)定直接關(guān)系到周邊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，特別是城市中心區(qū)河段堤防工程，一旦發(fā)生破壞，將造成不可挽回?fù)p失，在大多數(shù)的堤防工程中，存在的問題總結(jié)起來主要有兩點(diǎn)：一是管理問題、外在原因?qū)е碌膯栴}以及堤防本身存在的問題，這些問題直接影響堤防的使用年限和壽命，其中最主要的影響因素是堤防本身所存在的問題，堤防的質(zhì)量受限于歷史時(shí)間、當(dāng)時(shí)的技術(shù)、以及經(jīng)濟(jì)條件的限制和設(shè)計(jì)的難易程度和規(guī)范化程度。二是施工技術(shù)也是極其重要的一步，施工過程如果不壓實(shí)，就會(huì)很容易發(fā)生滲透破壞等情況，直接危及堤防工程的安全性。

基于以上問題，堤防工程的防滲顯得尤為重要，本文以惠州某河道典型堤防為例，分析其滲流破壞并該對(duì)堤防工程進(jìn)行合理的防滲試驗(yàn)研究，來探求堤防工程防滲措施研究，為類似具有滲漏破壞的工程案例提供解決方案。

1 滲透破壞分析

1.1 滲流基本方程

滲流分析[1]中常用到滲流連續(xù)性方程，滲流連續(xù)性方程是從質(zhì)量守恒原理出發(fā)來建立。在滲流場(chǎng)中取出一個(gè)單元體，如圖1滲流場(chǎng)單元體：

圖1 滲流場(chǎng)單元體

設(shè)各邊長(zhǎng)分別為Δx，Δy，Δz，并和坐標(biāo)軸平行。設(shè)滲流沿坐標(biāo)軸方向的分速度分別為vx，vy，vz，液體的密度為ρ，通過計(jì)算流入和流出單元體質(zhì)量差，再根據(jù)質(zhì)量守恒原理，求解得到滲流連續(xù)性方程式(1)：

(1)

如果滲流密度不發(fā)生變化，多孔介質(zhì)不發(fā)生壓縮，則上式子可以簡(jiǎn)化為式(2)：

(2)

該式表明在該種情況下體積守恒，即流出和流入單元體的量相同。

1.2 滲透破壞類型

按照土體顆粒的物質(zhì)組成和級(jí)配特征以及成因等方面綜合分析，堤岸工程的破壞類型主要可以分為以下四種類型[1]：

(1)流土。流土即流沙，是指當(dāng)圖體重滲流方向與重力方向相反時(shí)，在滲流力的作用下，提坊表層的土體發(fā)生臌脹、隆起現(xiàn)象，繼而表層被滲流力的作用頂穿，土體中細(xì)顆粒發(fā)生懸浮而流出坡體，使得提坊內(nèi)部土體逐漸流失而發(fā)生破壞，黏性土由于其透水性較弱，一般容易發(fā)生凸起變形，而砂土等顆粒之間無黏結(jié)，透水性很強(qiáng)，在滲流力的推動(dòng)下很容易發(fā)生位移，會(huì)使得構(gòu)筑物容易發(fā)生隆起哦、砂沸等現(xiàn)象。

(2)管涌。管涌現(xiàn)象容易在砂類土中發(fā)生，這類土顆粒之間的黏結(jié)力弱，隨著滲流的發(fā)生，首先細(xì)顆粒的物質(zhì)在滲流力作用下發(fā)生運(yùn)移，接著土體中的粗顆粒也會(huì)運(yùn)移，隨著時(shí)間的推移，構(gòu)筑物內(nèi)部逐漸形成運(yùn)移通道，通道不斷增大，最后不足以支撐土體，發(fā)生整體的土體塌陷。

(3)接觸沖刷。接觸沖刷是指流體沿著顆粒粒徑不同的土層界面流動(dòng)時(shí)細(xì)顆粒被帶走的現(xiàn)象，一般發(fā)生在提防底部與地基接觸的位置。

(4)接觸流土 。接觸流土主要發(fā)生在滲透系數(shù)相差較大的兩種土層界面，當(dāng)滲流垂直于該界面流動(dòng)時(shí)，滲透系數(shù)較小的土層的顆粒被水流帶入到滲透系數(shù)較大的土層之中，這種破壞方式一般發(fā)生的較少。

1.3 滲透破壞響應(yīng)特征

滲流對(duì)于堤防工程的破壞主要表現(xiàn)在堤身和地基兩個(gè)主要部分，其中對(duì)于地基的破壞更加的明顯，主要有三種類型：

(1)堤坡沖刷。該破壞是滲水造成的，由于堤坡的出溢比大于允許的比降產(chǎn)生破壞，其次是由于滲流通路集中從而導(dǎo)致對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷。

(2)堤身漏洞。發(fā)生在背水坡和坡腳有貫穿通道的空洞，該洞滲流力很強(qiáng)，對(duì)坡體的土體具有很強(qiáng)的沖刷能力，對(duì)整堤岸的安全性造成很大的隱患。

(3)堤身接觸沖刷。堤身往往容易發(fā)生集中滲流，并且沖刷力極大，當(dāng)沖刷力大于土體本身的滲透強(qiáng)度時(shí)，在集中滲漏的位置會(huì)產(chǎn)生沖刷破壞，對(duì)堤防工程具有很大的威脅，需要及時(shí)進(jìn)行有效的處理，否則可能危及大堤的安全。

2 堤防工程防滲措施

堤身防滲：堤身[2]實(shí)際比降大多能夠滿足允許值，但是對(duì)于粉砂、細(xì)砂等筑成的堤防而言，浸潤線以下的坡比降難以滿足滲流穩(wěn)定的要求，常采取放坡、設(shè)貼坡來排水等措施。

堤基防滲：淺層透水層堤基可采用黏土截水槽或其他垂直防滲措施；相對(duì)不透水層或者透水層較厚的堤，根據(jù)堤身堤基接觸沖刷允許狀況而適當(dāng)延長(zhǎng)水平滲徑。

堤防工程的滲透破壞一直是威脅堤防安全的主要因素，因此，進(jìn)行堤防工程防滲工作以及相關(guān)的防滲試驗(yàn)非常有必要，目前，通過防滲試驗(yàn)及采取的防滲手段來看效果明顯，可以有效地防治因滲流而產(chǎn)生的滲透破壞。

2.1 常規(guī)河、渠等堤防工程的防滲措施

(1)混凝土面板防護(hù)。采用C30混凝土護(hù)面，C30混凝土板護(hù)面[3]。

(2)干砌石護(hù)面。適應(yīng)于坡度比較陡的渠堤。

(3)素土護(hù)面。素土護(hù)面要求土體進(jìn)行夯實(shí)，黏土碾壓壓實(shí)度為0.93。

2.2 特殊河段堤防除險(xiǎn)加固施工管控

(1)除險(xiǎn)加固原則。堤防工程特殊河段除險(xiǎn)加固過程中首先要保證的是工程的安全性和穩(wěn)定性，除了要滿足力、變形、以及滲流控制等一系列相關(guān)要求，還要盡量對(duì)環(huán)境不造成破壞，需要兼顧生態(tài)環(huán)境的凈化等功能，施工之前應(yīng)該進(jìn)行安全評(píng)價(jià)、實(shí)地勘查現(xiàn)場(chǎng)狀況，搶險(xiǎn)加固是在原有的基礎(chǔ)之上，因此要因地制宜。

(2)除險(xiǎn)加固要點(diǎn)。施工前對(duì)材料進(jìn)行必要的檢測(cè)，保證其符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)于即將新筑的土方與舊堤堤身相結(jié)合操作時(shí)，主要清除表面雜物，并將其開挖成臺(tái)階狀，繼而鋪土碾壓，這樣能夠使兩者有效的結(jié)合，避免產(chǎn)生孔隙而發(fā)生滲透。

(3)除險(xiǎn)加固的主要內(nèi)容措施。消除隱患、填殘補(bǔ)缺、整修搶險(xiǎn)、加高培厚、防滲鋪蓋、填塘固基、護(hù)岸加固等，對(duì)局部，對(duì)極個(gè)別因原填筑土料不合格需換填的，應(yīng)注意清底和分層回填碾壓至標(biāo)準(zhǔn)高程。

3 防滲試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)概況

經(jīng)過詳細(xì)的地質(zhì)資料勘探，該段堤基地層由上到下可分為四層：

(1)人工填土層：主要類型為粉質(zhì)黏土，厚度7.4 m，滲透系數(shù)為2.3×10-4cm/s。

(2)粉細(xì)砂層：厚度2～4 m, 滲透系數(shù)為1.9×10-3cm/s。

(3)淤泥質(zhì)土層：厚度0～4.6 m, 滲透系數(shù)為1.9×10-5cm/s。

粉質(zhì)黏土、粉土層: 滲透系數(shù)為1.9×10-6～4.3×10-4cm/s。

(4)粉細(xì)砂層為主要透水層，厚度較大層位穩(wěn)定，且滲透系數(shù)大，該層抗沖刷能力弱，易形成流沙險(xiǎn)情。

3.2 土工布+防滲墻設(shè)計(jì)方案

混凝土防滲墻施工技術(shù)水利工程施工中很常見的一種防滲技術(shù)，在長(zhǎng)期應(yīng)用中表現(xiàn)出了具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

(1)試驗(yàn)工況厚度。分別為180 mm、230 mm、330 mm, 堤身土工膜防滲和堤基防滲墻厚230 mm。對(duì)堤防進(jìn)行滲流穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果顯示：天然狀態(tài)下坡腳位置滲流破壞嚴(yán)重，發(fā)生管涌，這是因?yàn)榇颂幩μ荻燃卸拢犀F(xiàn)場(chǎng)情況，在堤身位置布設(shè)土工膜，但在地基不設(shè)置防滲墻，則會(huì)出現(xiàn)與天然狀態(tài)下相似的情況，這是因?yàn)橥凉つ⑺性诹似履_位置；與以上兩次實(shí)驗(yàn)相比較，經(jīng)過土工膜以及防滲墻處理的四種工況下，防滲效果明顯，由于防滲墻的用，滲流水頭大大地減弱，使得其對(duì)堤身的沖刷作用明顯減弱，保證了堤防工程的穩(wěn)定性。

(2)施工要求?；谇懊嬗?jì)算結(jié)果，考慮到工程成本，采用防滲方案為：堤身利用土工膜防滲(450 g/m2)、堤基采用多頭深層攪拌防滲墻(厚220 mm)墻頂高32 m,墻堤與地層第四層土頂面接觸。

防滲墻施工質(zhì)量的把控直接影響到防滲效果，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行科學(xué)合理的施工，施工過程中主要注意以下幾個(gè)方面的問題：水灰比、垂直度、有效搭接以及均勻度；水灰比的選擇應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本次試驗(yàn)中將水灰比確定為1∶7，在施工工程中應(yīng)多次測(cè)量水的體積加以控制，并抽查漿液密度，使其始終保持在1.3 g/m3，施工垂直度也很重要，施工前在樁機(jī)設(shè)置一個(gè)三點(diǎn)連通器，并用測(cè)量?jī)x測(cè)定使其垂直，記錄下連通器的刻度作為施工垂直度標(biāo)準(zhǔn)。

(3)設(shè)計(jì)要求。水泥采用不低于525的普通硅酸鹽水泥，施工過程中施工間歇一般不超過一天時(shí)間，鉆孔重疊處的墻體有效厚度應(yīng)不低于200 mm,墻體的搭接質(zhì)量和整體性也非常重要，墻體垂直度誤差<0.4%,滲透系數(shù)0.4 MPa，具體鉆孔布設(shè)圖如圖2所示。

圖2 多層小直徑深層攪樁防滲墻鉆孔布置(單位：mm)

(4)防滲效果分析。為了掌握上述防滲試驗(yàn)的防滲效果以及了解滲漏情況，及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，在堤防工程斷面位置設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)，具體方案為：防滲效果監(jiān)測(cè)、防滲墻上下游端頭繞滲監(jiān)測(cè)，主要儀器用測(cè)壓管、孔壓計(jì)；監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 相關(guān)性比較

由上述計(jì)算結(jié)果可知：該防滲方案可有效降低浸潤線范圍，減少堤防工程滲漏量，防滲效果顯著，其滲透、抗滑穩(wěn)定性均滿要求。

4 案例分析

4.1 工程區(qū)位置

惠州市位于廣東省東南部，屬珠江三角洲東北、東江中下游地區(qū)。市境東西相距152 km，南北相距128 km。東接汕尾市，南臨南海，并與深圳市相連，西南接?xùn)|莞市，西交廣州市，北與韶關(guān)市、西北與河源市為鄰。與周圍六市政區(qū)界線846.49 km；市內(nèi)河道工程數(shù)量眾多，河道堤岸邊坡經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)營后大多存在流土、管涌以及沖刷等滲透破壞的問題，因此選取該市某典型河道工程進(jìn)行工程治理，保證河道堤岸邊坡的穩(wěn)定，使其發(fā)揮自身功能，為河道排水等發(fā)揮作用。

4.2 防滲材料選擇

為保證防滲設(shè)計(jì)中防滲效果達(dá)到最佳，因此需要比選不同的防滲材料，選擇最佳方案，可選擇的對(duì)象主要有：水泥土、漿砌石、黏土、混凝土以及復(fù)合土工膜；必須標(biāo)準(zhǔn)為：滲水量、經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性、使用壽命。

(1)滲水量比選。由于材料不一，因此需要對(duì)不同材料的針對(duì)性試驗(yàn)，主要方法為：選取不同材料測(cè)定該材料在不同水頭下一天的滲透量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同防滲材料的滲透水量 L

根據(jù)表可知：在實(shí)驗(yàn)對(duì)象中，有滲透量最小可知復(fù)合土工膜的防滲效果最佳。

(2)經(jīng)濟(jì)性比選。堤防防滲工程材料的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于工程來說很重要，主要圍繞堤防的防滲益總體衡量，必要時(shí)可進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合材料價(jià)格、施工周期等因素綜合考慮。

(3)使用壽命比選。各種材料的使用壽命可以通過下表3直觀反映出來：

表3 防滲材料使用壽命防滲材料

由表可知：選擇復(fù)合土工膜可以長(zhǎng)期發(fā)揮防滲功能。

4.3 防滲設(shè)計(jì)

河道區(qū)主要以砂、礫石為主，雜物居多，首先清除雜物，避免對(duì)土工膜造成破壞，其次利用河床內(nèi)的石料回填存在的砂坑，采用分層碾壓，降水自然沉降的方式保證設(shè)計(jì)密實(shí)度的要求。

(1)過渡層設(shè)計(jì)。過渡層與防水材料直接接觸，必須平整緊實(shí)，設(shè)計(jì)方案中將原狀土作為過渡層，厚度25 cm，因地制宜，節(jié)省材料、降低工程量。

(2)防水層設(shè)計(jì)。防滲材料為復(fù)合土工膜，側(cè)搭于下游側(cè)上面，地面鋪設(shè)采用平行搭接的方式，保持布面平整，不可拉張或有褶皺，使其緊貼地面，斜坡鋪設(shè)應(yīng)沿著坡頂?shù)追较颍⑵叫写罱印?/p>

(3)保護(hù)層設(shè)計(jì)。通常采用一般性防護(hù)和局部防護(hù)相結(jié)合的方式作為防沖保護(hù)層結(jié)構(gòu)；一般性防護(hù)是通過填充河沙，使得土工膜處于50 a一遇洪水線以下，本工程堤防防滲位于河道內(nèi)，保護(hù)層具有雙重作用。

5 結(jié) 論

河道堤防防滲設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面的因素，通常都要圍繞防滲設(shè)計(jì)的質(zhì)量來考量，本文主要從防滲材料的必選以及方案的設(shè)計(jì)對(duì)河道堤防工程采取防滲處理，依次從過渡層、防水層、保護(hù)層方面展開了詳細(xì)論述，具有較高的實(shí)踐價(jià)值，事實(shí)證明該方案效果明顯，一定程度上防止了堤防因滲流而發(fā)生破壞，使其能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)營；但需要注意的是目前水利工程堤防防滲方面技術(shù)仍然存在一定的問題，總結(jié)起來主要有以下問題：防滲技術(shù)不夠完善、施工管理不到位、工程質(zhì)量監(jiān)督不到等；因此，建立完善施工質(zhì)量監(jiān)督力度與制度是目前當(dāng)務(wù)之急，通過有目的、有針對(duì)性地質(zhì)量進(jìn)度機(jī)制，督促施工人員遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)施工，選用高質(zhì)量材料、運(yùn)用科學(xué)合理的施工技術(shù)手段，從根本上解決存在的一系列問題。