青原區(qū)值夏芳洲農(nóng)田防洪堤加固工程設(shè)計(jì)

袁 燾

（吉安市青原區(qū)水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概況

芳洲防洪堤位于青原區(qū)值夏鎮(zhèn)境內(nèi)，贛江的右岸和孤江的左岸，上起七姑嶺，下至馬埠村，全長(zhǎng)7.4 km。芳洲堤圩區(qū)內(nèi)地形寬闊，地勢(shì)低平。建堤以來(lái)，圩區(qū)內(nèi)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，水毀工程多，防汛搶險(xiǎn)任務(wù)重，堤身、堤基不同程度的存在各類(lèi)險(xiǎn)情，危及大堤安全。目前，防洪堤存在的主要問(wèn)題是：部分堤身斷面達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，邊坡較陡，局部堤段堤身土質(zhì)差，汛期出現(xiàn)滲漏滑坡險(xiǎn)情；堤基未進(jìn)行防滲處理，基礎(chǔ)出現(xiàn)滲漏、管涌險(xiǎn)情；風(fēng)浪水流對(duì)堤坡、岸坡沖刷嚴(yán)重；建筑物建設(shè)年代久遠(yuǎn)，閘室短、涵管管身短，材料及設(shè)備老化、裂縫多、閘門(mén)漏水嚴(yán)重等原因，不能正常運(yùn)行，影響大堤防洪安全。

2 土堤加高加固設(shè)計(jì)

2.1 堤頂高程

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-98）的規(guī)定，堤頂超高按下式計(jì)算確定：

式中：Y 為堤頂超高，m；R 為設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e 為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，m；A 為安全加高，m，按規(guī)范確定不允許越浪土堤段取0.5 m。

1）平均波高公式：

2）平均波周期按公式：

3）平均波長(zhǎng)（m）按公式：

經(jīng)計(jì)算：L=9.25 m。

4）風(fēng)壅水面高度按公式：

式中：e 為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壅水面高度，m；K 為綜合摩阻系數(shù)，K=3.6×10-6；β 為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角，°；其它符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算：e≈0.01 m。

5）土堤波浪爬高公式：

式中：KΔ為斜坡的糙率及滲透系數(shù)，KΔ=0.95；Kv為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Kv=1.075；Kp為爬高累積頻率換算系數(shù)，Kp=2.07；m=2.5；其它符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算：Rp=0.94。堤頂超高（贛江河段）：Y=R+e+A。即Y=0.94+0.01+0.5=1.45 m；故土堤堤頂高程（贛江河段）為H堤頂=H設(shè)+1.45 m：同理可得出（孤江河段）土堤堤頂高程為H堤頂=H設(shè)+1.20 m；芳洲堤各控制斷面堤頂高程見(jiàn)表1。

表1 芳洲圩堤P=10%設(shè)計(jì)洪水水位及堤頂高程表 單位：m

根據(jù)以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)所需堤頂高程為54.93 m～55.81 m，而現(xiàn)狀防洪堤實(shí)測(cè)高程為55.24 m～56.96 m，除首尾兩端局部地段堤頂高程略低于設(shè)計(jì)堤頂高程外，其余堤頂高程均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

對(duì)堤頂高程滿(mǎn)足要求、但堤頂寬度不夠的堤段，可結(jié)合在迎水面鋪設(shè)混凝土預(yù)制塊護(hù)坡對(duì)其進(jìn)行加寬，對(duì)堤頂寬度及高程都不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的堤段進(jìn)行堤頂加寬加高。

2.2 堤身斷面

因現(xiàn)狀防洪堤斷面很不規(guī)則，堤頂高程局部不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)高程要求，堤坡較陡、堤頂較窄。對(duì)堤身加高培坡加固，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》并考慮防汛交通需要，防洪堤堤頂寬取4.0 m（樁號(hào)5+973～7+168 段位于人口居住密集區(qū)，該段堤頂寬度加寬至6 m）。土堤邊坡迎水坡為1∶2.5、背水坡為1∶2.0，土堤填筑壓實(shí)度不應(yīng)小于0.91。

防洪堤現(xiàn)狀堤頂高程為55.24 m～56.96 m，堤頂寬度不一，一般為2.5 m～5.76 m。現(xiàn)狀堤頂除樁號(hào)0+160～1+580 及樁號(hào)7+168～7+400 兩段為泥結(jié)石路面外，其它堤段現(xiàn)狀均為砼路面。根據(jù)堤頂高程復(fù)核計(jì)算及工程現(xiàn)狀，堤頂加固寬為4.0 m（人口密集段樁號(hào)5+973～7+168 堤頂寬度為6 m），鑒于現(xiàn)狀堤頂多為砼路面，為了改善防洪堤防汛交通條件，結(jié)合堤防的運(yùn)行管理要求，將剩下的兩段泥結(jié)石路面均設(shè)計(jì)成砼路面。

2.3 堤身滲流及穩(wěn)定分析

2.3.1 堤身滲流分析

（1）計(jì)算斷面及參數(shù)的選取

1）計(jì)算斷面

本次滲流安全復(fù)核選擇防洪堤上、下游邊坡相對(duì)較陡、堤身相對(duì)較高、堤基結(jié)構(gòu)具有代表性的防洪堤地質(zhì)鉆孔樁號(hào)3+000 和4+500 兩個(gè)斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。

2）滲透系數(shù)

防洪堤樁號(hào)3+000 斷面的分區(qū)：將堤身填土視為1 個(gè)區(qū)；堤基含砂低液限粉土為1 個(gè)區(qū)；堤基低液限粘土為1 個(gè)區(qū)；堤基砂卵石層為1 個(gè)區(qū)；堤基強(qiáng)風(fēng)化基巖為1 個(gè)區(qū)；共5 個(gè)滲透區(qū)。防洪堤樁號(hào)4+500 斷面的分區(qū)：將堤身填土視為1 個(gè)區(qū)；堤基含砂低液限粉土為1 個(gè)區(qū)；堤基砂卵石層為1 個(gè)區(qū)；堤基強(qiáng)風(fēng)化基巖為1 個(gè)區(qū)；共4 個(gè)滲透區(qū)。

堤身的滲透系數(shù)取值以本次室內(nèi)土工試驗(yàn)成果為主，堤基滲透系數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注壓水試驗(yàn)成果取值。防洪堤各滲透區(qū)的滲透系數(shù)取值結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 防洪堤各滲透分區(qū)滲透系數(shù)取值計(jì)算表

（2）允許坡降

1）堤基含砂低液限粉土允許滲透坡降：根據(jù)地質(zhì)提供，堤基含砂低液限粉土允許滲透坡降為0.45。

2）堤基低液限粘土允許滲透坡降：根據(jù)地質(zhì)提供，堤基低液限粘土允許滲透坡降為0.5。

3）堤基砂卵石層允許滲透坡降：本次地勘堤基下部為黃色砂卵石層，地勘建議其允許水力比降為0.1。

（3）計(jì)算模型及程序說(shuō)明

對(duì)于符合達(dá)西定律的二向均質(zhì)、各向同性的土體的滲流，當(dāng)土體已完全固結(jié)時(shí)，其水頭函數(shù)符合拉普拉斯方程式：

初始條件：ht=0=h（x、z、o）。

邊界條件：水頭邊界ht=tl=h（x、z、t）。

其中：h 自由面上水頭函數(shù)；z 坐標(biāo)位置高程；q 自由面下降或上升時(shí)從自由邊界流入或流出滲流場(chǎng)的單寬流量；u 給水度（自由面下降）或飽和度（自由面上升）；θ 為自由面直線與鉛直線夾角。

滲流計(jì)算采用南京水利科學(xué)研究院編制的二維滲流有限元數(shù)值模擬計(jì)算程序UNSST2，程序求解方法是：基于三角形單元的有限元法，用改進(jìn)平方根法的直接解法求解線性代數(shù)方程組。

（4）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

防洪堤各斷面計(jì)算主要成果見(jiàn)表3。

表3 防洪堤穩(wěn)定滲流期計(jì)算最大出逸坡降值及滲漏量

（5）計(jì)算成果分析

據(jù)防洪堤滲流網(wǎng)分析，防洪堤樁號(hào)3+000 斷面在設(shè)計(jì)水位下防洪堤下游在池塘邊的出逸坡降大于允許坡降值，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。樁號(hào)4+500 斷面在設(shè)計(jì)水位下防洪堤下游堤腳粉土層的出逸坡降大于允許坡降值，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。在高水位時(shí)堤基有產(chǎn)生滲透破壞的可能。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)在高水位時(shí)堤基滲水有渾濁現(xiàn)象，特別在堤內(nèi)池塘內(nèi)更有泡泉帶砂的現(xiàn)象，表明堤基腳在高水位時(shí)存在滲透不安全隱患。

2.3.2 堤身穩(wěn)定分析

（1）穩(wěn)定安全系數(shù)

芳洲堤址所在地震基本烈度小于Ⅵ度，可不進(jìn)行抗震穩(wěn)定分析，而只進(jìn)行靜力穩(wěn)定分析。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）的規(guī)定：當(dāng)防洪堤處于正常運(yùn)用條件時(shí)，采用瑞典圓弧法所要求的堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10。當(dāng)防洪堤處于非常運(yùn)用條件時(shí)，采用瑞典圓弧法所要求的堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05。

（2）計(jì)算內(nèi)容

①穩(wěn)定滲流期的下游堤坡；②水位降落期的上游堤坡。

（3）計(jì)算方法

堤坡靜力穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法，對(duì)于均質(zhì)堤采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算。本次堤坡穩(wěn)定復(fù)核采用新疆水電勘察設(shè)計(jì)院編制的堤坡穩(wěn)定分析計(jì)算程序。該程序可同時(shí)用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算上、下游堤坡最危險(xiǎn)裂弧的最小安全系數(shù)。

（4）計(jì)算斷面的選擇

根據(jù)芳洲堤身的結(jié)構(gòu)情況，計(jì)算時(shí)選擇與防洪堤滲流分析計(jì)算所選取的斷面。

（5）計(jì)算參數(shù)的確定

本次防洪堤穩(wěn)定復(fù)核，防洪堤堤身填土物理力學(xué)指標(biāo)及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定均以地勘資料為主。防洪堤各區(qū)土料參數(shù)選取結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 防洪堤各種土料的物理力學(xué)指標(biāo)表

（6）堤坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

上游在設(shè)計(jì)水位工況：樁號(hào)3+000 斷面下游堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35；樁號(hào)4+500 斷面下游堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.48。上游在設(shè)計(jì)水位驟降至堤腳工況：樁號(hào)3+000 斷面上游堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20；樁號(hào)4+500 斷面上游堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.18。防洪堤堤坡在各種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.4 防洪堤加固工程設(shè)計(jì)

2.4.1 堤基防滲加固方案設(shè)計(jì)

根椐滲流計(jì)算現(xiàn)狀堤基出逸段滲透坡降均大于允許滲透坡降，故需對(duì)于砂或砂卵石強(qiáng)透水層堤段進(jìn)行防滲處理。

（1）樁號(hào)0+000～3+100 和5+300～7+400 段，因堤基上部有一層低液限粘土，土質(zhì)較均，較密，具有良好的防滲作用。由于堤內(nèi)有許多池塘和深坑，破壞了其粘性土覆蓋層的連續(xù)性，按樁號(hào)3+000 斷面經(jīng)計(jì)算出逸坡降為0.65 大于其允許坡降，在外河高水位時(shí)基礎(chǔ)易產(chǎn)生滲透破壞。本次加固設(shè)計(jì)對(duì)堤內(nèi)塘、坑采用透水料平坑填塘蓋重防滲處理。

（2）樁號(hào)3+100～5+300 段，堤基上部?jī)H有一層含砂低液限粉土（野外勘察鑒別似粉土質(zhì)砂），該層具中等透水性，因堤基砂卵石層屬極強(qiáng)透水，故在粉土層出逸段的出逸坡降很大，按樁號(hào)4+500 斷面經(jīng)計(jì)算出逸坡降達(dá)0.71，大于其允許坡降，在外河高水位時(shí)基礎(chǔ)易產(chǎn)生滲透破壞。本次加固設(shè)計(jì)采用施工工藝簡(jiǎn)單、投資較省的堤后蓋重壓滲方案。針對(duì)堤基滲流險(xiǎn)情，根據(jù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合江西省類(lèi)似圩堤堤基防滲治理經(jīng)驗(yàn)，主要采用填塘固基的處理措施。

2.4.2 堤坡防護(hù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)防洪堤上、下堤坡均雜亂無(wú)章。本次加固設(shè)計(jì)擬對(duì)防洪堤迎水坡設(shè)計(jì)洪水位+0.5 m 以下采用0.1 m 厚C15 砼預(yù)制塊護(hù)坡，下設(shè)厚10 cm砂卵石墊層，以上采用草皮護(hù)坡（現(xiàn)狀樁號(hào)2+440～3+145 及3+780～4+225 迎水面已應(yīng)急實(shí)施了砼預(yù)制塊護(hù)坡）。

2.4.3 堤身防滲加固設(shè)計(jì)

因現(xiàn)狀防洪堤斷面很不規(guī)則，堤頂高程除首尾兩端局部略不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)高程要求外，其它均滿(mǎn)足規(guī)范要求。椐地勘資料分析：現(xiàn)堤身首、尾堤段填土，為低液限粘土，土體較均勻，填筑尚密，低壓縮性，滲透系數(shù)K=10-4cm/s～10-5cm/s 數(shù)量級(jí)，綜合分析，屬弱透水性，基本滿(mǎn)足均質(zhì)土堤的技術(shù)要求。堤身中段填土為含砂低液限粉土，結(jié)構(gòu)稍密，滲透系數(shù)K＞10-4cm/s，中等透水性，不滿(mǎn)足均質(zhì)土堤的技術(shù)要求。

本次結(jié)合堤坡加固和堤基處理對(duì)堤身填筑質(zhì)量較差的樁號(hào)1+500～5+300 堤段采取上游側(cè)加設(shè)粘土進(jìn)行防滲；其它不達(dá)標(biāo)堤段也應(yīng)在迎水面采用粘土培厚處理；粘土滲透系數(shù)要求≤10-5cm/s，土堤填筑壓實(shí)度不應(yīng)小于0.91。

3 結(jié)語(yǔ)

為了改善圩堤內(nèi)人民的生活環(huán)境，徹底擺脫洪澇災(zāi)害的威脅，提高防護(hù)區(qū)內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，改善原有耕地的耕作條件，解決居民的生命財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題，因此迫切需要對(duì)現(xiàn)有防護(hù)區(qū)堤防進(jìn)行加固，保障區(qū)域內(nèi)防洪安全、糧食安全及居民生產(chǎn)生活安全，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。