五星圩堤滲流穩(wěn)定分析及防滲加固設(shè)計(jì)

沈福云，沈葵花，沈國(guó)鋒，沈嘉寶

(1.江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)分院，江西 宜春 336000；2.江西省宜春市土木工程總承包有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概況

五星圩地處新建區(qū)聯(lián)圩鎮(zhèn)境內(nèi)，屬贛江下游鄱陽(yáng)湖尾閭區(qū)，位于贛江北支分叉口，北臨官港河，南臨三佬官河，西臨贛江北支，東臨成新農(nóng)場(chǎng)，全長(zhǎng)12.76 km。

五星圩堤身填筑土主要為沖湖積成因的壤土為主，夾少量黏土，填筑質(zhì)量差，具中等透水性，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中樁號(hào)0+000～4+730段在高水位時(shí)存在滲漏現(xiàn)象。

樁號(hào)3+600～4+730堤基表層為中細(xì)砂，中部為黏性土，下部為粗粒土，存在堤基滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題。其余堤段地基表層為壤土，堤內(nèi)多為開(kāi)挖取土形成的池塘，破壞了上部壤土層的完整性及連續(xù)性，堤基易產(chǎn)生滲透破壞。

2 加固前滲流計(jì)算分析

2.1 計(jì)算斷面的確定

根據(jù)五星圩險(xiǎn)段及地質(zhì)剖面圖中堤身堤基的地質(zhì)情況，本次滲流計(jì)算選取樁號(hào)2+200、4+000、7+400、10+600共4處具有代表性的斷面作為典型斷面進(jìn)行分析。滲流分析計(jì)算考慮上游設(shè)計(jì)洪水與下游相應(yīng)水位組合情況。

2.2 滲流計(jì)算結(jié)果分析

(1)整體安全性分析。根據(jù)各典型斷面計(jì)算結(jié)果分析，穩(wěn)定滲流期滲流性態(tài)符合均質(zhì)堤防滲流場(chǎng)分布規(guī)律，但局部堤身、堤基存在滲透破壞險(xiǎn)情。

(2)局部滲透分析。在設(shè)計(jì)洪水期的穩(wěn)定滲流期，堤防基本滿足滲透要求。但樁號(hào)2+200、4+000 堤身內(nèi)浸潤(rùn)線位置較高，滲流從背水側(cè)堤坡出逸，背水坡逸出段最大滲透坡降大于其允許值，且無(wú)出口保護(hù)，產(chǎn)生堤身滲透破壞。樁號(hào)4+000 堤段堤基表面最大水平滲透坡降大于其允許值，亦產(chǎn)生堤基滲透破壞。

在實(shí)際高水位運(yùn)行中，樁號(hào)0+000～3+600段存在堤身滲漏破壞問(wèn)題，樁號(hào)3+600～4+730段存在堤基滲漏破壞問(wèn)題。

計(jì)算成果與現(xiàn)狀險(xiǎn)情情況基本吻合，主要原因是堤身填筑土以沖湖積成因的壤土為主，夾少量黏土，填筑質(zhì)量差，具中等透水性，部分堤段由于取土筑堤或深挖池塘，導(dǎo)致堤腳壤土變薄，甚至缺失，破壞了堤基的天然鋪蓋。在汛期高水位作用下堤基很容易產(chǎn)生滲透破壞，形成泡泉，直接危及大堤安全。

2.3 加固前堤坡穩(wěn)定計(jì)算分析

本次設(shè)計(jì)堤坡穩(wěn)定計(jì)算選取相應(yīng)滲流計(jì)算斷面。計(jì)算工況為：

(1)設(shè)計(jì)水位下背水側(cè)堤坡的穩(wěn)定(穩(wěn)定滲流期)，外河水位取P=10%的設(shè)計(jì)洪水位，堤內(nèi)水位取內(nèi)堤腳高程或堤腳池塘最高水位。

(2)設(shè)計(jì)洪水位降至堤腳時(shí)，迎水側(cè)堤坡的穩(wěn)定(非穩(wěn)定滲流期)。

各典型斷面堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 加固前各典型斷面堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，正常運(yùn)用條件下5級(jí)堤防抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc≥1.1，由表1可知，迎水側(cè)、背水側(cè)堤坡安全系數(shù)均大于1.1，滿足規(guī)范抗滑穩(wěn)定要求。

綜上所述，本次加固設(shè)計(jì)對(duì)0+000～3+600進(jìn)行堤身防滲加固處理；對(duì)3+600～4+730進(jìn)行堤身、堤基防滲加固處理。

3 防滲加固設(shè)計(jì)

3.1 堤身防滲加固設(shè)計(jì)

3.1.1 加固設(shè)計(jì)范圍

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行險(xiǎn)情情況及滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，樁號(hào)0+000～3+600段下游堤坡浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，滲透坡降大于其允許值。本次加固設(shè)計(jì)擬對(duì)樁號(hào)0+000～3+600段進(jìn)行堤身防滲處理。

3.1.2 堤身防滲加固設(shè)計(jì)方案

堤身防滲加固設(shè)計(jì)擬采用深層攪拌樁防滲墻結(jié)合堤身達(dá)標(biāo)方案，防滲墻布置在堤頂，其孔軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，孔距0.40 m，墻頂高程為堤頂高程，墻底深入堤基覆蓋層1.0 m，成墻厚度0.22 m，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1≤1.0×10-5cm/s，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200。堤身達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)要求堤頂寬4.0 m，外邊坡1∶2.5，內(nèi)外邊坡1∶2.5，堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加超高1.5 m確定，堤身加高培厚填筑土料設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K2≤1.0×10-4cm/s，設(shè)計(jì)干容重γ≥1.48 g/cm3，壓實(shí)度δ≥0.9[1]。

3.1.3 深層攪拌樁防滲墻設(shè)計(jì)

(1)防滲墻鉆孔布置。深層攪拌樁防滲墻鉆孔布置在堤頂，布孔為單排，防滲墻軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，防滲墻墻頂高程為堤頂高程，底部伸入堤基覆蓋層1.0 m。平面鉆孔分兩序布孔，同序孔距0.40 m，最終孔距0.20 m。

(2)機(jī)型選擇。機(jī)型采用多頭深層攪拌機(jī)，主機(jī)自重20T，主機(jī)外形尺寸為6.0 m×2.2 m×2.132 m(長(zhǎng)×寬×高)，額定功率為75 kW，鉆頭直徑為35～45 cm[2]。

(3)防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)。滲透系數(shù)K≤1.0×10-5cm/s；墻體厚度：T=0.22 m；墻體深度：滿足堤身防滲要求，且經(jīng)濟(jì)合理，便于施工，設(shè)計(jì)墻底伸入堤基覆蓋層1.0 m[3]。

(4)主要材料和水灰比。主要材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，每平方米防滲墻，水泥用量為88.1 kg(即水泥滲入比15%);噴射水泥漿液水灰比為：1∶0.548[4]。

3.2 堤身、堤基防滲加固設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和滲流計(jì)算成果，樁號(hào)3+600～4+730堤段下游堤坡浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，堤身滲透坡降大于其允許值，堤基表面最大水平滲透坡大于其允許值，堤身、堤基產(chǎn)生滲透破壞問(wèn)題。本次加固設(shè)計(jì)擬對(duì)樁號(hào)3+600～4+730堤段進(jìn)行堤身、堤基防滲處理。

(1)方案比選。根據(jù)本工程的地質(zhì)情況及類似工程經(jīng)驗(yàn)，選取三種對(duì)堤身、堤基防滲效果較好的方案進(jìn)行比較：射水法造混凝土防滲墻，堤身深層攪拌樁防滲墻結(jié)合堤后壓浸臺(tái)，堤身、堤基深層攪拌樁防滲墻。

方案Ⅰ：射水法造混凝土防滲墻方案[5]，防滲墻布置在堤頂，其軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，墻頂高程為堤頂高程，墻底深入壤土層1.0 m，成墻厚度0.22 m，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1≤1.0×10-6cm/s，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥3.0 MPa，孔斜率≤1/300。堤身達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)要求堤頂寬4.0 m，外邊坡1∶2.5，內(nèi)外邊坡1∶2.5，堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加超高1.5 m確定，堤身加高培厚填筑土料設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K2≤1.0×10-4cm/s，設(shè)計(jì)干容重γ≥1.48 g/cm3，壓實(shí)度δ≥0.9。

方案Ⅱ：堤身深層攪拌樁防滲墻結(jié)合堤后壓浸臺(tái)方案，深層攪拌樁防滲墻布置在堤頂，布孔為單排，防滲墻軸線位于堤軸線上游1.0 m處，墻底深入中細(xì)砂層1.0 m，成墻厚度0.22 m，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1<1.0×10-6cm/s，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200；在下游堤腳處設(shè)壓浸臺(tái)，長(zhǎng)20 m，厚2.5 m，壓浸臺(tái)要求采用K2>5.0×10-3cm/s透水性材料填筑。堤身的要求同方案Ⅰ。

方案Ⅲ：堤身、堤基深層攪拌樁防滲墻方案，深層攪拌樁防滲墻布置在堤頂，布孔為單排，防滲墻軸線位于堤軸線上游1.0 m處，墻底深入壤土層1.0 m，成墻厚度0.22 m，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)K1<1.0×10-6cm/s，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200。堤身的要求同方案Ⅰ。

(2)方案選取。三種方案加固處理工程量及造價(jià)見(jiàn)表2。

表2 三種方案工程量及造價(jià)比較表

由表2可看出，方案Ⅲ(深層攪拌樁防滲墻)比方案Ⅰ(射水法造混凝土防滲墻)可節(jié)省投資183.39萬(wàn)元，方案Ⅲ(深層攪拌樁防滲墻)比方案Ⅱ(堤身深層攪拌樁防滲墻結(jié)合堤后壓浸臺(tái))可節(jié)省投資30.21萬(wàn)元，從防滲效果分析，三種方案均切實(shí)可行，從經(jīng)濟(jì)層面上考慮首選方案Ⅲ，故堤身、堤基防滲加固采用方案Ⅲ：堤身、堤基深層攪拌樁防滲墻方案。

(3)深層攪拌樁防滲墻設(shè)計(jì)。深層攪拌樁防滲墻鉆孔布置在堤頂，布孔為單排，防滲墻軸線位于達(dá)標(biāo)后的堤軸線上游1.0 m處，防滲墻墻頂高程為堤頂高程，墻底深入壤土層(相對(duì)不透水層)1.0 m。

3.3 加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算

堤身、堤基加固后各典型斷面滲透坡降值及單寬流量值見(jiàn)表3。

由表4可以看出，在設(shè)計(jì)洪水位的穩(wěn)定滲流期，各計(jì)算斷面背水側(cè)堤坡滲透坡降均小于允許滲透坡降，各計(jì)算斷面堤基土層滲透坡降均小于允許滲透坡降(壤土J允=0.45，中細(xì)砂J允=0.20)，穩(wěn)定滲流期滲流性態(tài)符合均質(zhì)堤防滲流場(chǎng)分布規(guī)律，滿足滲流穩(wěn)定要求。

表3 加固后各典型斷面滲透分區(qū)表

表4 加固后各典型斷面計(jì)算滲透坡降及滲流量表

4 結(jié) 語(yǔ)

五星圩堤堤身、堤基防滲加固設(shè)計(jì)采用深層水泥攪拌樁方案，目前，該工程已竣工并投入運(yùn)行，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)得出結(jié)論，深層水泥攪拌樁防滲效果良好，有效地解決了堤身、堤基滲漏問(wèn)題。深層水泥攪拌樁具有工程造價(jià)低，施工技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。五星圩堤身、堤基防滲加固設(shè)計(jì)方案選取合理，可為今后類似工程予以借鑒。