額木爾河治理工程漠河段堤基防滲設計探討

王志遠，夏鳳蘭

(1.黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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額木爾河治理工程漠河段堤基防滲設計探討

王志遠1，夏鳳蘭2

(1.黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

額木爾河(漠河縣新城區段)堤防處于額木爾河河漫灘區，地形起伏較小，地勢由南向北逐漸降低，0+000-1+000地勢低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般為0.20-3.90m。對額木爾河漠河段堤防堤基進行防滲設計，保證堤防安全。

堤防；堤基防滲；垂直防滲；防滲措施

1 基本資料

額木爾河(漠河縣新城區段)堤防處于額木爾河河漫灘區，地形起伏較小，地勢由南向北逐漸降低，0+000-1+000地勢低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般為0.20-3.90m。

本次勘察所揭露的地層巖性分層描述如下：

第四系全新統沖積層(alQ4)：①耕土：黑色、黑褐色，結構松散，有彈性，海綿感，濕—很濕，含植物根系和植物纖維，局部為團狀分布，有臭味，在樁號0+600-1+100處缺失，厚度0.00-0.80m。②級配不良礫：連續分布于第四系松散堆積層下部，黃褐色，中密-密實狀態，稍濕-飽水，顆粒不均勻，多為次圓狀，少部分為圓狀和次棱角狀，礫徑一般2-20mm，個別大于20mm。礫粒以細礫為主，母巖以花崗巖、安山巖和玄武巖為主，強透水性，厚度3.80-4.80m。③全風化砂礫巖：普遍分布，黃色，巖石結構嚴重破壞，風化砂礫狀、似中密-密實狀態，濕-很濕，厚度0.80-1.90m。④強風化砂礫巖：連續分布于第四系全新統沖積層之下，黃色-紅褐色，巖心呈塊狀，巖石結構基本破壞，水理穩定性中等，厚度2.3-2.50m。下部弱風化—微風化砂礫巖。

各土層物理力學指標建議取值：①耕土：根據鉆探土樣現場觀測，建議取值：天然密度1.94-1.80g/cm3、含水量ω=17%-25%、比重Gs=2.68。②級配不良礫：天然密度γ=1.95g/cm3、干密度1.67g/cm3、飽和密度2.01 g/cm3，土粒比重Gs=2.75；孔隙率n=35；內摩擦角φ=35°、滲透系數0.208×10-2m/s。③1全風化砂礫巖：天然狀態似粉土質砂，比照密實狀態下的粉土質砂特性，強風化泥質砂巖建議取值：允許承載力[R]=300kPa。土粒比重Gs=2.72、天然密度γ=1.93g/cm3、干密度1.69g/cm3、飽和密度1.98 g/cm3、內摩擦角φ=32°，滲透系數0.208×10-2m/s。④2強風化砂礫巖：巖心呈塊狀，巖石結構基本破壞，強風化砂礫巖建議取值：允許承載力[R]=500kPa。

本堤段上部耕土較薄，局部礫類土出露地表在汛期高水位時易產生滲透破壞，建議設計中采取適當工程措施。堤基②級配不良礫的滲透變形類型為管涌，建議設計時取J允=0.26。

2 堤基處理和防滲措施

2.1 堤基類型

根據地質鉆探揭示本次設計堤防所在位置堤基均為砂礫石。

2.2 堤基滲透破壞型式

背水坡堤腳以外水平段出逸滲透比降由大變小，在滲流出口處一定范圍滲流出逸比降將大于地基土的允許出逸比降。因此在堤腳處常常產生管涌等現象，由于此類滲透破壞可能導致潰堤，而且可能由于堤腳處土體強度指標降低而導致堤體失穩產生滑坡。

當堤基平均比降不能滿足要求時，也可能產生滲透破壞。

2.3 堤基滲透穩定計算

根據測量資料、鉆探資料選取相對不安全的斷面進行滲流穩定計算。漠河縣新城區堤防堤基均為級配不良礫，選取3+730和4+730斷面進行透水堤基滲透穩定計算。

計算中采用的滲透系數采用按照壓實度0.91控制的土工實驗指標。

計算情況：迎水側為P=3.33%設計洪水位，下游無水。

參照《堤防工程設計規范》GB50286—2013，計算簡圖如圖1所示。

圖1 透水地基均質土堤計算簡圖

透水地基均質堤防滲流計算公式如下：

(1)

式中：q為單寬滲流量；qD為不透水地基上求得的相同均質土堤單位寬度滲流量。

透水地基均質堤防堤坡面滲流比降：

沿滲出段AB：

(2)

沿地基段BC：

(3)

臨界水力比降計算：

Jc=(Gs-1)(1-n1)

(4)

無黏性土的允許比降：

[J]=Jc/K

(5)

式中：Gs為表層土的土粒比重；n1為表層土的孔隙率；K為安全系數，取2.0。

從計算結果可以看出地基下游出口滲流比降不滿足允許比降要求，需采取工程措施，以保證工程安全。

2.4 堤基防滲設計

從滲透穩定計算分析，透水堤基滲漏量大，堤后堤腳水平距離0.04-0.44m范圍內出逸比降大于允許比降，需做進行處理，本次設計擬對額木爾河堤防采用垂直防滲措施進行處理。

根據鉆探資料顯示，堤基均為砂礫石基礎，地面以下分別為級配不良礫、全風化礫巖、全風化礫巖，直至弱風化、微風化，本次設計擬定采用截滲墻形式進行滲流計算，截滲墻頂端高于地面0.5m，底端深入強風化巖0.5m與弱風化層相接，截滲墻的厚度為0.3-0.5m，可相當于混凝土心墻。

1)滲流量計算：通過單位長堤體及地基的滲流量q計算按《土壩計算手冊》，公式如下：

q=q1+q2+q3

(5)

式中：q為堤體及堤基的滲流量，m3/s；q1為堤體和堤體截滲墻的滲流量，m3/s；q2為堤基截滲墻的滲流量，m3/s；q3為繞過截滲墻通過表層基巖的滲流量，m3/s。

(6)

(7)

q3=kTα0(H1-h)

(8)

2)逸出點高度的計算：

逸出高度ho計算采用《水工設計手冊》中公式(15-4-30)：

(9)

式中：α為逸出點與下游水面之間高差，m。其他參數同前。

計算斷面采用樁號1+200斷面，通過計算采用截滲墻后，堤基滲漏量為1.168m3/d·m，不采用截滲墻堤基滲漏量為131.873 m3/d.m，相比較之下，截滲效果顯著。

堤基采用截滲墻效果明顯，雖然投資較大，但考慮漠河縣新城區的建立，對堤防堤基進行除險加固的意義久遠，建議采用截滲墻。

截滲墻布置于中心線距迎水側堤肩距離為3m，截滲墻頂端進入堤體0.5m，底端深入強風化巖0.5m。

方案比選：

本次截滲墻根據堤基結構及本地區的實際情況選擇高噴截滲墻及混凝土防滲墻兩種形式進行方案比較。其中，高噴防滲墻鉆孔間距采用1.2m，混凝土防滲墻厚度采用0.5m，詳見表1。

表1 垂直防滲方案比較表

額木爾河堤防堤身土質為黏性土，堤基上層為級配不良礫，下層為全風化礫巖和強風化礫巖。

水泥混凝土防滲墻適合于任何沖積層地基，包括礫石、碎石、砂土等不穩定土層、深厚覆蓋層，從投資比較表中可以看出該方案的造價相比高噴防滲墻稍低；該方案工程施工時需要在泥漿固壁情況下進行回填防滲料形成單元段，但措施不當或遇到地層復雜情況時發生塌孔現象，影響成墻質量，同時還會影響工期；額木爾河堤防堤基下層為全風化礫巖及強風化礫巖，地下水位偏高、開槽固壁困難，易坍塌。

高壓噴射灌漿防滲墻造價稍高，該方法適用于黏性土、粉細砂、砂礫石等各種地基，施工采用的振孔高噴工藝是一種利用大功率、高頻振動錘，將設有噴嘴鉆頭的一整根高噴管(稱振管——即鉆桿與高噴管復合體)直接振入地層，至設計深度，形成鉆孔(使造孔和下放高噴管一次完成)，在振管上提過程中將高噴介質調整到設計參數，進行高壓噴射灌漿作業的高噴灌漿新工藝。

振孔高噴工藝是充分利用振動力造孔，在成孔效率極高的優勢下實現小孔距高噴施工；可以有效利用高壓射流近噴嘴處的高能區強力切割、重復擾動地層，即可保證墻體連續又能實現快速提升；由于單孔施工速度快，可實現高噴孔不分序，依次施工連續成墻；由于整根管振入地層不需要泥漿護壁，根治了坍孔和“假灌”弊病，確保墻體質量。該技術只破壞打孔位置的路面，破壞面積較小，工程結束后對其封堵即可。

綜上，兩種方案的造價相差不多綜合考慮堤基地質條件、工程造價、施工條件及施工進度要求及當地的成功經驗等情況后，同時考慮額木爾河堤防保護對象非常重要，因此本次垂直防滲措施采用高壓噴射灌漿防滲墻。標準橫剖面圖見圖2。

圖2 標準橫剖面圖

截滲墻采用高壓擺噴成墻技術，孔距為1.2m，防滲墻底端深入強風化巖0.5m，，抗壓強度R28≥5MPa，墻體滲透系數k≤1×10-6cm/s。

灌漿孔按分序加密的原則進行布置，布設單 排孔，分為三序，每28.8m布設1個先導孔，先導孔可作為1序孔。

[1]中華人民共和國水利部.GB50286—98堤防工程設計規范[S].北京：水利水電出版社，1998.

[2]齊齊哈爾市水利勘測設計研究院有限責任公司.黑龍江省額木爾河治理劃等號初步設計報告[R].齊齊哈爾：齊齊哈爾市水利勘測設計研究院有限責任公司，2016.

1007-7596(2016)10-0057-03

2016-10-08

王志遠(1967-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師；夏鳳蘭(1972-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師。

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