荆江大堤堤基渗控的方案设计

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摘要：针对荆江大堤堤基状况进行分析研究，确定合理的渗控方案。对大堤历年险情资料进行收集、分类及归纳；采用有限元方法进行现状渗流计算分析，结合堤防运行、地形地质条件等提出防渗方案；进行加固后渗流计算，评价防渗效果。本文重点阐述荆江大堤堤基防渗方案形成的思路及方法，研究成果对于同类工程具有参考和指导意义。

关键词：堤基防渗；有限元计算；混凝土防渗墙；深层搅拌桩水泥土防渗墙

一、引言

荆江大堤位于湖北省境内，地处荆江北岸，西起荆州区枣林岗（桩号810+350），东迄监利城南（桩号628+000）接监利长江干堤，全长182.35km，为1级堤防，是江汉平原的重要防洪屏障。荆江大堤“肇于晋、拓于宋、成于明”，自1,600年前的东晋时代开始筑堤防水，围垦云梦大泽，至明代形成北岸荆江大堤，由于泥沙不断沉积，河床已高出两岸平原。由于荆江大堤历史悠久，系由历代零星堤垸和若干分散堤段逐步连接加培而成，在漫长历史中，修而溃、溃而修，形成堤身断面不一、填土复杂、堤内渊塘众多，加之堤基土层均具二元结构、结构松散，加大了堤防加固工程的难度和复杂程度。建国以来，党和政府对荆江大堤的建设极为重视，实施了荆江大堤一、二期加固工程，但由于加固工程设计时间较早，受当时建设条件和国家尚无堤防设计规范的限制，基本上围绕依险治险的指导思想进行，未对大堤进行全面、系统、规范化的整治，虽经过一、二期整险加固，三大险情有所减轻，但仍未根除，散浸、清水漏洞和管涌仍存在；此外二十世纪七十年代初期，荆江河段裁弯取直，荆南四口分流分沙逐年减少，长江干流洪峰、洪量增加，加之下游受洞庭湖来水顶托影响，汛期高水位持续时间延长，三峡水库运行后，清水下泄，河道冲刷、河床下切、岸坡淘刷，危及堤防安全。为提高荆江大堤防洪能力，确保保护区安澜，国家启动了荆江大堤综合整治工程，对重点对堤身堤基进行防渗处理。根据运管部门提供的险情资料，1998年出现重点险情77处，1999~2012年，有8年出现72处堤身堤基重点险情，对荆江大堤进行整治加固是十分必要和迫切的。如何因地制宜、科学合理地选用堤身堤基防渗方案，需要进行缜密的分析和计算，本文重点阐述堤基防渗处理，堤身处理另独立行文。

二、基本情况

1．历史上堤基重点险情发生情况险情资料反映堤防工程运行情况，是堤基防渗处理范围确定的重要依据，本次对荆江大堤出现的堤基险情进行了全面梳理，并按时间顺序进行了归纳。根据统计，荆江大堤自上世纪九十年代，有记录的堤基重点险情共计47处，按出险时间/所属县市区/村组/对应大堤桩号/险情类别/出险水位（外江水位）/险情概述进行列表整理，使荆江大堤堤基险情一目了然，有利于确定堤基防渗处理范围。2．堤基渗控处理现状荆江大堤修建在江汉冲积平原上，堤基地层总体上呈二元结构，其特点是上部覆盖层（相对不透水层）较薄，下部强透水层厚达数十米，具有较好的承压条件。历史上，荆江大堤曾多次溃口，至使沿堤分布有许多大渊塘（溃口冲刷坑），又因人类活动的影响，沿堤分布有取土坑及沟渠。这些渊塘、坑渠破坏了原有的覆盖层，是堤基抗渗稳定的薄弱环节。根据对荆江大堤堤基工程地质条件分类成果，属较差（外滩宽度较窄，堤内渊塘发育且深度较大，险情较多，深泓贴岸，崩岸现象较严重）、差的（砂性土直接出露地表，窄外滩或无外滩，堤内渊塘发育，有较严重的散浸、管涌险情发生，多属历史险工险段。岸坡迎流顶冲，崩岸现象较严重，危及堤身安全）堤段共长114.19km，占荆江大堤总长的62.62%。在汛期，由于上覆土层厚度较小，在承压水上举力的作用下，易产生渗透变形与渗透破坏，特别是当堤后地表遭到削弱后，问题则更加严重。3．堤基工程地质条件（1）堤基地质结构荆江大堤地形地质条件较为复杂，堤基土岩性岩相变化大。其中枣林岗至万城闸（桩号810+400~795+000）相当于长江二、三级阶地，岩性主要为粘土、粉细砂和砂砾石等；万城闸以下属于江汉冲积平原，万城闸至高小渊（桩号795+000~653+000）堤基上部为第四系全新统（Q4）壤土、粘土、粉质壤土、砂壤土，局部夹有粉细砂和淤泥质土，高小渊至严家门（桩号653+000~628+000）堤基土基本为全新统冲积、冲湖积地层。根据堤基粘性土和砂性土的分布情况，将荆江大堤堤基地质结构分为双层结构和多层结构两大类，其中Ⅱ（1）类的堤段长16.14km，占总长的8.8%；双层结构Ⅱ（2）类堤段长69.46km，占总长的占38.1%；多层结构Ⅲ类堤段长96.75km，占总长的占53.1%。（2）堤基土体物理力学性质荆江大堤堤基土体进行了大量的物理力学试验，其中粘性土比重约为2.71~2.78，砂性土为2.68~2.72。土的天然密度一般相差不大，粘性土一般为1.80~2.20g/cm3，砂性土约为1.83~2.12g/cm3。粘性土的天然含水量差异较大，天然含水量一般约为30%~38%；高小渊（653+000）以下的Q4粘土、壤土及砂壤土，其液性指数多在1.0左右；粉细砂的曲率系数多大于3，均匀系数约为3~3.85，均为不良级配的均质砂。粘性土的压缩系数一般都小于0.5MPa-1，而大于0.1MPa-1，属中等压缩性土类，其压缩模量多在5~10MPa之间。局部段粘性土具中~高压缩性，部分堤段下伏的淤泥或淤泥质土，压缩系数为0.5~1.51MPa-1，具高压缩性。

三、堤基渗控方案设计

1．堤基防渗设计原则及渗控措施堤基防渗设计原则：根据渗流计算成果，堤防运行情况及地质纵横剖面，通过经济技术比较，因地制宜、合理地选用防渗方案。其原则为：①工程措施有较高的安全度且有利于施工和维护；②尽可能采用少占地的方案；③因地制宜地选择工程措施，截、导、压相结合；④尽量减少对水环境的影响；⑤采用新技术、新材料、新工艺。渗控措施：根据《堤防工程设计规范》，对于需加固的堤防“堤基渗透稳定不能满足要求时，宜采用临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟（井）等加固处理。”2．堤基抗渗稳定复核标准根据破坏型式和地层结构的不同，堤基抗渗稳定复核采用下述二类控制标准：按允许比降：对于单一土层中的管涌或流土破坏，以及两种不同介质接触面上的接触冲刷，应满足实际渗透比降小于允许比降，即J≤J允式中：J—覆盖层中实际渗透比降，由渗流分析求得。J允—J临界/KJ，即土层的允许比降等于该土层的临界坡降除以安全系数KJ=2.0。按抗浮稳定：当堤后覆盖层为多层土体时，要求覆盖层各土层的浮重与其底部所承受的渗透压力之比应大于或等于所规定的安全系数，即Htrii'≥KC式中：ri′〃ti—分别为各土层的浮容重及厚度；H—覆盖层所受渗透压力；KC—安全系数。取KC=1.5。常年挡水段堤基渗控范围为堤后200m抗渗稳定安全系数k≥1.5，200~300m之间抗渗稳定安全系数k≥1.0。3．堤基渗流计算方法及参数选用为了解荆江大堤的堤基渗流状态，根据地质勘探成果揭示的堤基土层分布状况，共选择了55个有代表性的断面进行渗流分析，这些断面基本上能够反映荆江大堤的堤基渗流状态。渗透系数的确定，是以各断面钻孔取样室内试验值、现场原位测定值以及地质推荐值为依据，结合各断面具体情况（包括地质、历史险情、工程现状等），并经反演险情验证，综合确定选用。各土层的允许比降，根据地质勘察试验的建议值，结合我省其他堤防的经验确定.4．典型断面的渗流分析及堤基渗控措施的选择根据地勘分段成果，将荆江大堤分为55段，逐段选择地质横断面进行有限元计算分析，本文选取盐卡至周家台（748+200~736+500）作为典型堤段进行详述。盐卡至周家台堤段处于沙市河弯的下段，观音寺（741+000）以上堤段除748+200~747+300和746+000~745+000堤外有窄滩或较宽外滩以外，其它堤段基本无滩，河泓逼近堤脚；观音寺以下堤外滩宽100~300m，地面高程38~41m，地势总体向大堤倾斜，靠近堤外脚分布有深浅不一的取土坑，一般有积水。本段历史上发生6处溃口、8处管涌、4处塌陷及740+000~748+000崩岸等险情。1998年长江发生特大洪水时，在737+750堤内80m的水沟内出现1孔管涌，在737+300堤内530m一机井水塔旁有4处翻砂鼓水，分别在桩号746+950、746+000和740+900距堤600~860m的压把井出现管涌或冒水带砂现象。2009年8月12日，在桩号745+500距堤脚1200m处，压把井冒水带砂；11年6月29日，在桩号747+000距堤脚700m处翻砂鼓水；2012年7月22日，在桩号746+100距堤脚300m处出现管涌；12年7月24日，在桩号745+100距堤脚600m处出现管涌。该段堤基地层结构较复杂，堤基抗渗条件一般或较差，尤其是观音寺一带堤内渠道纵横，且切割较深，破坏了堤内上覆粘性土层，虽经过是渊塘吹填、堤内盖重压渗等处理，但隐患并未彻底根治。本堤段选取典型断面742+900、739+300和737+750进行渗流分析。5．有限元计算及结果分析处理措施如下：（1）在桩号746+200~744+900段从堤顶打塑性混凝土防渗墙处理，墙深17.51m~23.32m。（2）在桩号744+900~742+700段从堤顶打深层搅拌桩防渗墙处理，墙深8.1~14.63m。（3）对桩号740+000~738+650堤段从堤顶打塑性混凝土防渗墙处理，深度20.62~22.72m。（4）对桩号738+650~736+800堤段从外堤脚打塑性混凝土防渗墙处理，深度14.8~18.5m。此外在200m渗控范围内进行填塘处理。从计算结果分析，经以上措施处理后，计算结果有较大改善，距堤脚300m内抗浮安全系数大于1.5，满足渗流稳定要求。墙型选择及技术参数：（1）成墙深度小于15m的乡村堤段采用30cm厚深层搅拌桩水泥土防渗墙，水泥掺量12%~20%，渗透系数：i≤1×10－5cm/s，允许比降>50。单轴抗压强度：90d龄期的抗压强度≥0.5MPa。（2）城区堤段及成墙大于15m的堤段采用30cm厚塑性混凝土防渗墙。渗透系数k≤1×10-6cm/s，单轴抗压强度R28≥2MPa，允许坡降J允>60。

四、堤基渗控措施汇总及结语

通过55个堤段典型断面的逐一计算，并结合险情及各堤段的地质剖面、地形条件等进行分析，最终分段确定采用防渗墙/填塘/堤后盖重/排水减压沟（井）等渗控措施。目前，荆江大堤综合整治工程堤基处理施工已经施工完成，效果良好。

参考文献

[1]毛昶熙等.堤防工程手册[M].北京：中国水利水电出版社.

[2]毛昶熙，段祥宝，毛佩郁.堤防渗流与防冲[M].北京：中国水利水电出版社.

作者:杨冬军 董忠萍 何承香 胡冬湘 单位:湖北省水利水电勘测设计院