減壓井在渾河臺(tái)安段大堤的應(yīng)用研究

吳麗霜

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

排水減壓是雙層地基上的堤防較為經(jīng)濟(jì)有效的滲控措施。當(dāng)弱透水覆蓋土層較薄(小于3m)時(shí)，可采用深挖到砂層中的排水溝降低承壓水頭，防止管涌發(fā)生；當(dāng)弱透水覆蓋土層較厚(大于3m)，且不均勻，對(duì)仍發(fā)生堤后管涌段，可采用減壓井列排滲措施。

渾河臺(tái)安縣段減壓井是遼寧省首次應(yīng)用排水減壓井處理砂基滲漏問(wèn)題，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中不斷摸索，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，本文以后湘水段為例，闡述研究成果，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

渾河臺(tái)安縣段堤線均位于渾河右岸，上邊界為朝陽(yáng)堡村，下邊界為三岔河口，區(qū)間堤防總長(zhǎng)度31.23km，干流堤防為均質(zhì)土堤，堤頂高程10.6～14.5m，堤頂寬度3.5～6.5m，迎水坡約1∶2.5，背水坡約1∶3.5，迎水側(cè)多為平均寬度約50m的護(hù)堤林，局部段為耕地或荒地，背水側(cè)為耕地、居民地。渾河臺(tái)安縣段現(xiàn)狀存在8處砂堤砂基，總長(zhǎng)度10.083km，其中后湘水段堤防長(zhǎng)度為1.3km。

后湘水段堤防汛期曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)管涌，堤后緊鄰村莊和耕地，是歷年防汛重點(diǎn)，由于資金受限，一直沒(méi)有系統(tǒng)治理。后湘水段堤基為雙層結(jié)構(gòu)，上部為粉質(zhì)黏土，一般屬弱透水，局部為微透水；下部為粉砂、細(xì)砂，具有中等透水性，洪水期易形成滲流，影響堤基穩(wěn)定。

依據(jù)地質(zhì)勘查成果對(duì)砂基進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核，計(jì)算公式如下：

ρsattl=(H-Z0)ρw

(1)

式中，psat—汛期飽和土體容重，kN/m2；tl—滲透穩(wěn)定所需黏土鋪蓋層厚度，m；H—臨水側(cè)水位，m；Z0—透水層高程，m；pw—水體容重，kN/m2。

經(jīng)調(diào)查和復(fù)核計(jì)算，實(shí)際勘察黏土厚度均小于滲透穩(wěn)定所需黏土鋪蓋層厚度，需對(duì)堤基采取處理措施。

2 減壓井設(shè)計(jì)、施工及管理

2.1 堤基滲透破壞的成因和分類

堤基的滲透破壞類型基本為管涌。堤基的滲透破壞表現(xiàn)為泡泉、沙沸、土層隆起、浮動(dòng)、膨脹、斷裂等。堤防堤基的表土層一般極少為砂礫層，因此，堤基滲透破壞一般為土力學(xué)中的流土破壞。產(chǎn)生的原因是，隨著汛期水的抬高，背水側(cè)堤基的滲透出逸比降增大，一旦超過(guò)堤基的抗?jié)B臨界比降就會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。滲透破壞首先在堤基的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)，如坑塘或表土層較薄的位置。對(duì)近似均質(zhì)的透水堤基，滲透破壞首先發(fā)生在堤腳處。堤基管涌，尤其是近堤腳的管涌，發(fā)生速度快，容易形成管涌洞，一旦搶險(xiǎn)不及時(shí)或措施不得當(dāng)，就有潰堤危險(xiǎn)。因此，對(duì)管涌堤段必須進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2.2 方案比選

由于后湘水段堤基土層組成的特殊性，堤基黏土鋪蓋厚度不均，鋪蓋層以下有強(qiáng)透水層，勘察深度15m未揭露細(xì)砂層最大層厚，根據(jù)以往資料，最大揭露深度達(dá)70m，堤基垂直鋪塑、堤身深層攪拌樁打入不透水層實(shí)施難度較大，工程造價(jià)較高。修建排水棱體占地面積大，部分段房屋、耕地緊鄰堤防，征地難度大。堤身開(kāi)挖后恢復(fù)難度較大，難以保證與原堤防較好的契合，同時(shí)排水棱體增加的滲漏量較為明顯，易引起堤防沿線居民恐慌，排水棱體對(duì)背水坡腳以外天然鋪蓋保護(hù)作用較小，易形成滲漏通道，威脅堤防工程安全。相比于排水棱體，減壓井實(shí)施過(guò)程中不會(huì)對(duì)堤身造成破壞，開(kāi)挖斷面相對(duì)較小，施工工藝較為簡(jiǎn)單。減壓井使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)淤積問(wèn)題，隨著水利事業(yè)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷更新，一方面可以通過(guò)減壓井的合理選型將淤積影響盡量降低；另一方面，減壓井清洗技術(shù)也在不斷更新，清洗所需時(shí)間、費(fèi)用等愈來(lái)愈低；再者，隨著水利管理制度不斷完善，減壓井維護(hù)管理難度將愈來(lái)愈小；還有可以通過(guò)加密或加深減壓井隨時(shí)減輕堤防及背水側(cè)堤基壓力。在淤積不嚴(yán)重的情況下，減壓井防滲效果較排水棱體好。綜上所述推薦背水堤腳設(shè)置減壓井作為砂基治理的方式。

表1 砂基復(fù)核成果表

2.3 減壓井設(shè)計(jì)方案

減壓井布置在堤防背水側(cè)堤腳，利用濾水管將來(lái)自堤防迎水側(cè)滲透水流直接導(dǎo)入井內(nèi)，阻止水流往堤后流動(dòng)，在背水側(cè)堤腳處的地下迅速降低壓力水頭，以達(dá)到增加堤防的穩(wěn)定性、降低背水側(cè)地下水位和避免背水側(cè)發(fā)生滲透破壞的目的。

根據(jù)《堤防工程手冊(cè)》3.5.7節(jié)有減壓井列的堤基滲流計(jì)算公式，后湘水上游水頭為6.27m，經(jīng)過(guò)試算，當(dāng)井距為20m時(shí)，計(jì)算井深為14.2m，單井滲流量為14.14 m3/d、井間水頭1.01m，剩余水頭0.93m，布置減壓井后滲透系數(shù)小于允許值，滿足滲流穩(wěn)定要求，故后湘水段減壓井井距為20m、井深為15m。

減壓井由井身、悶頭及對(duì)中器、井口保護(hù)裝置等組成，減壓井由內(nèi)向外分為2層：第一層為盲溝管，總長(zhǎng)15.3m，內(nèi)外徑為Φ13003A6/200mm，盲溝管單位質(zhì)量不小于2.9kg/m，空隙率為80%～90%。抗壓強(qiáng)度：當(dāng)偏平率為5%時(shí)，大于65kPa；偏平率為10%時(shí)，大于98kPa。盲溝管吊得起、放得下，結(jié)構(gòu)不松動(dòng)、不散體。單節(jié)盲溝管長(zhǎng)3m，盲溝管逐節(jié)起吊，2節(jié)盲溝管在井口處連接，采用3根直徑3.5mm不銹鋼碼釘相連，用紗布將連接段緊密包裹后，再用10#～12#不銹鋼絲綁扎。第二層固定PE管，總長(zhǎng)15.3m，內(nèi)外徑為Φ230.803A6/250mm，公稱壓力不小于0.6MPa。井口高出地面0.3m，管底設(shè)0.3m沉淀段。地面以下2～14.7m管壁四周開(kāi)孔，孔徑Φ16mm，排、列凈間距均為30mm，呈梅花型布孔，外包2層無(wú)紡布。管底部采用厚度為20mm塑料板作悶頭，悶頭直徑Φ350mm，以3塊梯形板與悶頭和固定PE管焊牢。

造孔孔徑為500mm、孔深為15m。井管上部2m用膨脹土球填滿，黏土球直徑為30mm，在半干狀態(tài)下緩慢投入。孔壁與井壁間下部13m采用粒徑為2～10mm的石英砂填緊，作反濾層，厚度不小于15cm，石英砂粒徑范圍小于指定下限粒徑按重量不大于3%，大于指定上限粒徑不大于2%，不均勻系數(shù)k80不大于1.8，密度2.5～2.7g/cm3，含泥量小于1%。

井臺(tái)采用C20混凝土，外邊界尺寸為1.2m×1.2m、井蓋采用1.0m×1.0m鋼筋混凝土裝置予以保護(hù)。井臺(tái)邊墻預(yù)留一處排水孔，采用DN100PVC排水管，管頭用雙層無(wú)紡布包裹反濾。

2.4 抽水試驗(yàn)成果

根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，成井設(shè)備采用反循環(huán)鉆井機(jī)，洗井設(shè)備采用水泵抽水，不能滿足要求時(shí)采用空壓機(jī)洗井。

洗井后減壓井落淤厚度為25～40mm，出水量在1m3/h左右，經(jīng)過(guò)洗井后井水含砂體積比為0.05‰。

2.5 減壓井的運(yùn)行管理

為保證減壓井正常運(yùn)行，對(duì)日常觀測(cè)和管護(hù)要求如下。

(1)每年進(jìn)行一次檢查，最好在洪水季節(jié)以前進(jìn)行。特大洪水時(shí)期應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查，以便發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象；每個(gè)井2或3a以及特大洪水后，需進(jìn)行一次深度測(cè)量，檢查井內(nèi)是否有障礙物，并確定可能沉于井底的泥沙或其他外物的數(shù)量。

(2)當(dāng)沉積物厚度達(dá)40～50cm時(shí)，必須清除；所有井每5～8a必須進(jìn)行一次抽水試驗(yàn)；聚集于井口或出水口周圍的泥沙或其他障礙物，必須清除。

(3)各種觀測(cè)資料應(yīng)及時(shí)整理，以便研究井系的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

減壓井在渾河的應(yīng)用解決了臺(tái)安縣段堤基滲透破壞的問(wèn)題，填補(bǔ)了減壓井在遼寧省砂基治理工程中應(yīng)用的空白。減壓井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)成果可為類似工程提供參考和借鑒。由于后湘水段減壓井建成后僅經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期，觀測(cè)資料較少，單井出水量與渾河水位關(guān)系、井系的效果，還有待進(jìn)一步研究。