某防洪堤險工除險加固方案分析

李璐，王雪，黃紹磊，李西平

（1. 河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2. 鄭州市交通規劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450000）

0 前言

某防洪堤位于一大型水庫下游右岸3 km 處，系上游水庫溢洪道下游之堤防，是重要的防洪屏障。其堤身為均質土堤，長約1 090 m，最大壩高8.40 m；堤頂為混凝土路面，背水坡外商鋪較多，且緊鄰堤防。

經汛期觀察，該堤身、堤基滲水現象較為嚴重。河南省水利勘測設計研究有限公司對該段堤防進行了安全評價，河南省水利廳組織有關專家進行了安全鑒定。根據安全評價，該堤工程存在主要問題為：在設計洪水位穩定期和驟降期，臨水坡抗滑穩定安全系數不滿足規范；浸潤線滲透坡降J平均值大于計算臨界坡降，會發生滲透破壞。因此，擬對該堤進行除險加固設計。

1 問題提出

根據前期資料和現場調查，某堤現狀為人工填筑而成，多為松散填土，壓實密度低，防滲抗沖能力差；上游水庫放水或天降暴雨時，河道水位升高，地下水位隨之升高，堤基滲漏加劇，背河側田間潮濕滲水；水庫不放水或天旱時，河道水位下降，田間潮濕消失。

地質勘探顯示，該堤身填筑料主要是花崗巖風化料，堤身上部施工質量較差，填筑料混雜不均，碾壓不實，結構疏松；下部碾壓較好，較密實。整體評價堤身填料滲透性為中等透水，在水頭差作用下，堤身存在滲漏和滲透穩定問題。

樁號0+000～0+800 堤基下有相對不透水層，巖性為重粉質壤土；0+800～1+090堤基為砂壤土或砂礫石。

根據存在的安全隱患結合地質資料，應對其進行除險加固。為了保證該險工堤防治理與原堤防相結合，防護線路盡量順應水流方向和堤防走向，保持平滑順直，不改變或少改變工程現狀，使洪水下泄順暢。并按照加固堤防應結合原有堤型、筑堤材料等因素選擇堤型的要求，此次除險加固進行了二種方案的研究。

2 粘土斜墻方案

方案首先放緩迎水坡至1∶2.50，并結合防滲需要，在迎水坡做粘土斜墻為防滲體。

方案設計：在整段堤防設置粘土斜墻，并在堤基處設置粘土截水槽，斜墻頂部高程高出設計防洪水位0.50 m，為方便施工，頂部寬度設為1 m；斜墻底部寬度設為3 m；截水槽臨時開挖邊坡按1∶0.05控制，底部寬度1 m，如此截水槽深度可達到2 m。

優點：施工工藝簡單，對施工企業素質要求相對較低；粘土可就地取材，粘土資源豐富且運距較短材料價格較低；在截滲深度＜2 m時單價較低，較適宜于短距離小深度作業。

缺點：施工效率低；受水位、天氣影響大；不適宜堤基深層防滲；由于回填斜墻需要，對現狀堤頂混凝土路面損壞較大，影響當地交通；施工作業質量不易控制；防滲效果一般；使用年限低。

現場調研，險工處于鄉鎮繁華地段，是當地汽車、機動三輪車、自行車等交通工具主要通道，如果交通中斷時間較長，將對地方工農業生產、尤其第三產業帶來較嚴重影響，帶來社會不穩定因素。同時其堤防滲深度要達到除險深度，尚需增加相應的工程措施。

參考《重大水利建設項目社會穩定風險評估暫行辦法》結合項目實際情況，并經與業主研究，不推薦采用該方案。

3 灌漿方案

灌漿方案的基本原理：利用了壩堤最小主應力面與其軸線方向一致的規律，灌入泥漿構造防滲帷幕，解決壩體的滲透穩定問題。

結合某現狀斷面，該方案將現狀的上游坡清除其腐殖土，回填與現狀堤身基本一致的土料，并放坡至1∶2.50；在大堤頂部做垂直截滲墻至堤基相對不透水層。

優點：設備先進，效率高，工期短；施工基本不受河道水位和天氣影響；截滲深度可以控制；施工作業質量可以通過上部孔距、入漿液量控制；防滲效果好，強度高，使用年限長。

缺點：由于設備先進，對施工人員素質要求較高，需要專業的施工隊伍，專業設備。

灌漿方案有傳統的劈裂灌漿和較先進的高聚物注漿技術兩種。

3.1 傳統劈裂灌漿方案

傳統防滲墻設計主要參數為防滲墻深度和厚度。防滲墻深度以達到墻體相對封閉為目的，可根據地質剖面圖設計；其厚度應滿足墻壁抗滲性、耐久性、墻體應力和變形的要求，同時還應考慮到地質情況及施工設備等因素。

根據規定，防滲墻的厚度應根據作用水頭、水泥土材料特性、地基性狀等因素確定，設計時計算公式如下：

式中：S—防滲墻有效厚度（m）；ΔH—防滲墻兩側水頭差（m），此工程為13.50 m；［J］—水泥土允許比降，可取破壞比降的1/3～1/2。根據已建工程經驗，取［J］=200；ηj—系數，可取1.1～1.4，此工程取1.20。

經計算，防滲墻厚度S=0.081 m。根據《深層攪拌法施工技術規范》規定，水泥土防滲墻最小厚度不宜小于150 mm。此工程設計厚度取20 cm。

3.2 高聚物定向劈裂注漿方案

高聚物注漿技術通過注漿管向槽孔內注射高聚物注漿材料，高聚物注漿材料發生化學反應后體積迅速膨脹，形成連續、均勻、規則的高聚物防滲墻，達到填充脫空、防止滲漏等目的。

該方案主要特點如下：①高膨脹性，根據實驗，采用的高聚物產生化學反應后，在空氣中形成的泡沫狀固體體積可達液體體積的20 倍以上；②早強，一般15 分鐘可達到90%以上的強度，并且具有較好彈性，不需要后期養護，有利于工程搶險；③防水，形成的泡沫狀固體為閉孔材料，防水性能優良，可滿足一般堤壩防滲要求；④輕質，材料膨脹固化后，其自重一般不到同體積水泥漿的10%，極大地減少了自重對地基的附加荷載，因此不會因除險加固帶來堤壩穩定問題；⑤耐久，材料壽命可達數十年；⑥環保，對環境無污染，對水庫、河道不會造成因除險帶來的環境影響，對其水質不會產生污染；⑦易控，整個施工工藝在監控下完成，注漿壓力、溫度及注漿量可根據需要調節。

3.3 灌漿方案比較

傳統的劈裂灌漿主要作用是利用泥漿在壩體中固結硬化后形成的帷幕進行防滲。因此泥漿在土體內能否固結硬化，成為劈裂灌漿中最關鍵的問題。研究表明影響漿液固結的因素十分復雜，漿液固結速率和效果不但與堤壩體土質、施工質量、壩體應力狀態、漿體土料性質、漿體厚度等因素有關，而且還受堤壩前水位、施工工藝的影響。

高聚物定性劈裂注漿技術具有高膨脹性，早強、易控等優點，是目前最為快捷的堤壩防滲體系構筑方法。

經分析，高聚物防滲墻方案建筑工程投資為0.68 萬元/m，傳統防滲墻方案建筑工程投資為0.72萬元/m。顯然高聚物防滲墻方案更為經濟。

工程除險加固一般應根據現有建筑物的原設計條件、工程地質現狀、運行情況以及當前科技進步條件，選擇合理除險加固方案。根據工程客觀條件，為在較短時間內達到防滲目的，減少社會穩定風險和加固方案選擇要做到技術先進、經濟合理、安全可靠且有利于工程的管理之目的，經分析此工程采用高聚物注漿技術。

4 工程設計

高聚物注漿技術設計主要是對灌漿孔的設計和防滲帷幕厚度計算。

灌漿孔的布置：根據堤壩隱患的部位、性質和堤壩內部應力狀況而確定，結合該工程實際情況，灌漿孔設置在堤壩之上。

灌漿孔深度設計：為了保證隱患部位得到充分處理，孔深一般應深入隱患部位以下1～2 m。該工程深入重粉質壤土層以下1 m。

灌漿孔距的確定：在保證帷幕連續和厚度均勻的情況下，孔距可以適當放大，以減少成孔數量，節約投資。但孔距過大，將造成單孔灌漿時間較長，灌漿量大，從而導致帷幕厚度不均，高低不齊，帷幕連接不好。該工程灌漿孔距采用1 m。

帷幕厚度計算：灌漿主要目的是解決堤防滲漏問題，所以帷幕厚度的設計可根據不透水地基條件下土壩心墻的計算公式計算所得確定。工程按最終形成一個厚度1～2 cm的高聚物防滲帷幕。

同時帷幕有效厚度與擺動角度有關，由于施工時在噴射孔處形成一個圓柱體，緊鄰噴射孔兩側形成一道防滲墻，因此隨著射距的增加，防滲體寬度逐漸增大。

由于漿液采用高聚物材料，成型后的防滲帷幕滲透系數一般K=10-10～10-8cm/s，擺角10°～15°。

孔序設計：分序灌漿的目的主要是使漿液有一定的固結時間，與確定的孔距有緊密的聯系。灌漿孔距較小，治理長度較短時，為避免灌漿機械過多搬遷，影響工效，可采用1 序孔施工；反之可采用2序孔或3序孔。此工程采用1序孔施工。

成孔方法：采用液壓靜力觸探車，將特制的定向劈裂探頭壓入土中至預定深度，從而形成一定向劈裂的注漿孔。

該工程注漿平面布置圖見圖1。

圖1 注漿孔平面布置圖

5 除險加固后堤防穩定分析

穩定分析典型斷面選擇與安全評價一致，即0+400 斷面。按加固后斷面進行穩定分析。

穩定分析所采用的物理力學指標見表1。

表1 堤防穩定分析物理力學指標表

滲流計算工況：根據《堤防工程設計規范》確定。

滲透穩定按除險加固后斷面計算，堤防滲流視為平面滲流，其基本模型為：

式中：H—滲流場中任意點的總水頭函數，實用上可視為測壓管水頭（m）；Kx、Ky—分別為x軸和y軸方向土的滲透系數（cm/s）。

計算結果：典型斷面堤防滲透穩定計算結果見表2。

表2 滲流穩定計算成果表

邊坡穩定計算理論采用簡化畢肖普法，計算公式如下：

式中：W—條塊重力（kN）；V—垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）（kN）；μ—作用于土體地面的孔隙壓力（kN/m2）；α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；b—條塊寬度（m）；C/、φ′—土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內摩擦角（°）；Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R—圓弧半徑（m）。

典型斷面堤坡穩定計算成果見表3。

表3 堤坡穩定計算成果表

由表3 可以看出，典型斷面在各種工況下，能滿足滲透穩定要求，不會出現滲透破壞；抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，可達到除險加固目的。

6 結語

針對某堤防安全評價存在的滲漏問題，結合其險工的具體情況和周邊環境，從技術、經濟、社會穩定諸多方面分析了粘土斜墻方案和傳統的劈裂灌漿、高聚物定向劈裂注漿技術的特點。采用的高聚物定向劈裂注漿技術是現代高科技產物與傳統的劈裂灌漿防滲加固技術的完美結合，其高膨脹性、早強、防水、輕質、耐久、環保、易控等特點在堤防加固中具有較好的前途。在該堤防險工險段中的應用，除達到了工程預期效果外，還成功避開了潛在的社會穩定風險。為進一步開展堤防防滲加固技術提供了借鑒。