堤防裂縫成因及加固設計方案研究

張樹鵬

（遼寧省沈陽市遼中區農業技術推廣與行政執法中心,遼寧 沈陽 110200）

0 引言

裂縫成因復雜，危害較大，通常會引起堤防的滲透變形，嚴重影響其結構強度和耐久性指標，折損工程的使用壽命和社會效益。加固區裂縫處理前應對裂縫實行動態監測，觀測裂縫的位置、走向、幾何數字特征和空間發育發展狀況等[1]，結合勘探結果深入分析裂縫成因機理，有針對性地提出相應的解決措施。本文以遼中縣渾河堤防裂縫治理工程為例對堤防裂縫加固設計方案進行探討。

1 工程概況

1.1 渾河水情

遼中縣渾河起源于撫順市清源縣境內的長白山支脈滾馬嶺。境內河長75.6 km，控制面積287.33 km2，其中耕地面積為26.32 萬畝。渾河河道彎曲，平均比降為1/4000，黃臘坨以上較陡。河道橫向變形劇烈，彎道塌岸速度年平均約20 m，河彎消長較快。岸灘上層為黏土、壤土。右岸在境內堤長為69.58 km，和遼陽縣境內的左岸堤距為700 m～2300 m。平灘流量為600 m3/s～800 m3/s，河槽寬150 m～250 m。黃臘坨以上河幅較寬，最大安全泄量為4174 m3/s，枯水流量為 0.66m3/s，多年平均流量為44.5 m3/s。

1.2 堤防及裂縫現狀

渾河遼中境內流長為75.61 km，右岸堤長69.94 km，堤防于1996 年汛前開始整治，1999 年竣工。入境處設計水位高程25.72 m（位于40 號大斷面內），出境處設計水位12.09 m，設計水位比降1/4000～1/9000。堤頂安全超高1.5 m～1.7 m。堤防斷面：堤頂寬6.0 m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶3.0。

2010 年先后有2 次洪峰到來，洪峰流量1690 m3/s，歷時時間長，降雨量大且集中。汛期遼中總降雨量為499.8 mm，是常年的1.6 倍，致使筑堤土料物理性質發生不同程度變化，造成堤防局部段出現不同程度的裂縫、沉陷、滑坡等險情。

2012 年遼中洪峰流量最大為520 m3/s，由于新老堤防結合不利等因素造成堤防出現不同程度的裂縫、沉陷和滑坡等險情。裂縫寬在1 cm～20 cm，沉滑高差在3 cm～20 cm。裂縫深度最大達2.15 m左右。共計產生裂縫22 處，總長度8210 m。裂縫統計見表1。（按照破壞程度，將5 cm以下裂縫劃分為一般裂縫，5 cm以上裂縫為嚴重裂縫）

表1 渾河大堤裂縫統計匯總表

2 裂縫檢測及成因分析

渾河堤防產生裂縫后，在汛期遭遇雨水沖刷后，加劇了裂縫寬度和深度發展，嚴重威脅到渾河防洪堤的安全。通過典型斷面挖探坑檢測，裂縫深度為0.65 m～2.15 m，最大裂縫寬度為20 cm，裂縫走向均為縱向。

2.1 堤防裂縫檢測

在遼中縣渾河堤防上共選取6 個斷面，在選定位置處挖取探坑探測裂縫深度、裂縫寬度和走向。檢測結果見表2； 典型斷面處裂縫形狀見圖1。

表2 堤防裂縫檢測表

圖1 渾河堤防橫斷面裂縫示意圖及現狀外觀（樁號90+435）（尺寸單位：m）

2.2 堤防土方壓實質量檢測

在代表性位置探坑內按不同高程取樣進行密度和含水率檢測，并分別在堤防的迎水坡、背水坡的上、中、下3 個部位取樣，進行密度和含水率檢測，檢測位置見圖2。

圖2 遼中縣渾河堤防橫斷面土樣檢測位置

土方填筑壓實質量檢測過程中，共抽樣檢測45 組，合格39 組，合格率達86.7 %。實測土方填筑最大干密度ρdmax=1.69 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.38 g/cm3，均值干密度ρd=1.53 g/cm3。粘土共抽樣檢測9 組，8 組合格，合格率達88.9 %。土方最大干密度ρdmax=1.47 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.39 g/cm3，均值干密度ρd=1.45 g/cm3。

2.3 新老堤接合面抗滑穩定分析

根據工程實際情況，對堤防按以下兩種工況采用理正計算軟件完成抗滑穩定驗算：

工況1：當迎水坡達設計水位時，計算穩定滲流背水坡的邊坡穩定。

工況2：洪水消落時，臨水坡面邊坡穩定計算。

根據式（1）穩定滲流期有效應力法和式（2）水位降落期總應力法完成計算。

式中：l為單個土條的滑動面長度l=bsecβ（m）；b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN，W=W1+W2+W3+γwZb；Z為條塊上方水位高出條塊底面中點的距離，m；u為穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙水壓力，kPa；ui為水位降落前堤身中的孔隙水壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，°；γw為水的重度，kN/m3。

采取82+025 典型斷面計算，設計水位取12.55 m，則迎水坡水深為4.9 m。結合面以及結合面以上覆土含有雜草等物使得土料指標降低，滑裂面采用新老堤結合面見圖3，堤防抗滑穩定計算結果見表3。

圖3 堤防新老堤結合面抗滑穩定計算示意圖（82+025斷面）（尺寸單位：m）

表3 堤防抗滑穩定計算結果表

由計算結果可知，按照《堤防工程設計規范》堤坡抗滑穩定不滿足要求，所以需要及時治理新老堤結合面的滑移裂縫。

2.4 堤防裂縫產生原因

（1）遼中縣渾河堤防是老堤通過加高培厚完成。堤壩厚度沿軸線方向不一，根據土體自然沉降量計算公式不同填筑厚度的土方沉降量在同一時段內隨著填筑厚度增大而增大。根據堤防施工圖可知，迎水側新筑堤身厚度明顯大于背水側，沉降差異必然導致裂縫產生。

（2）2012 年汛期降雨集中，短時間內造成堤壩土體含水量陡然增大，導致堤頂產生裂縫。

3 裂縫加固設計方案

3.1 工程規模及設計標準

防洪標準50 年一遇，工程等級為2 級，堤頂寬6 m，堤防超高1.7 m。堤防設計過流能力4000 m3/s。筑堤材料為粉質粘土、壤土、細砂等，粘性土壓實度不小于0.92。

本次設計范圍包括渾河遼中段堤防的全部裂縫，樁號為69+000～94+900。其中裂縫總長度8210 m。

3.2 裂縫維修設計方案

3.2.1 土方重新壓實（方案一）

（1）重點堤段：裂縫寬度5 cm以上的堤段。維修加固設計5 段重點堤段，裂縫長5440 m。開挖堤防頂至整治前的高程，清除裂縫所在堤段的表土50 cm，按加固設計方案重新填筑壓實。

迎水坡護腳設計：為防止新老堤結合斷面再次出現險情，擬在重點堤段迎水坡坡腳做戧臺護腳以加強迎水坡抗滑穩定性，在護腳處做0.5 m清基處理，護腳尺寸5 m×1 m，回填土方壓實。

（2）非重點堤段：裂縫寬度5 cm以下堤段，非重點堤段裂縫共計2770 m。該堤段表土清基50 cm，根據裂縫所在的位置，分布在兩側的裂縫將堤防開挖至裂縫底部并鏟平，分布在單側的裂縫則按階梯斷面開挖至裂縫底部，由裂縫處向安全側挖掘1.0 m，階梯臺高0.3 m，階梯臺寬0.5 m，按照設計高程重新筑堤壓實。

（3）堤身設計：設計參數應滿足防汛和管理所需。保持堤身加固前后的結構、尺寸不變。

（4）筑堤材料及填筑標準：土料選清除根莖、雜質的亞黏土，粘粒含量15%～30%，塑料指數為10～20。土體含水率保持在最優含水率的±3%范圍內，壓實度不小于0.92。

（5）堤頂結構：根據施工、管理和防汛要求綜合確定堤頂寬度為6 m，結合堤身材料、氣象等條件等選用土堤路基鋪筑堤頂路面。鋪設200 mm厚砂石路基，100 cm厚砂石路面；堤頂坡度采用2%，向兩側傾斜。

3.2.2 灌漿填補裂隙（方案二）

采用灌漿填補裂隙方案，重要裂縫與一般裂縫均從頂面進行灌漿進行裂隙填補，灌至裂隙底部。

綜上，由于方案一成熟可靠，并且有前期經驗可以借鑒，同時施工方便投資節省，所以選取方案一為本次設計實施方案。

4 結語

堤防裂縫產生的成因復雜，施工質量不佳、遇特殊運行工況或設計瑕疵等均能導致裂縫產生和發展。在確定加固設計方案前應詳細勘察了解裂縫性質，結合具體情況論證比選方案，從根本上解決隱患，確保堤防安全運行。