高安市高沙堤堤身、堤基防渗处理设计

付 亮

(江西省宜春市水利水电工程监理有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概况

高沙堤位于高安市石脑镇境内的锦河中游左岸，距石脑镇约5.0 km，距高安市区约15.0 km。圩堤起自石脑镇高沙村官塘，终点至左家电排站，全长7.723 km。

圩堤工程保护面积5.1 km2，保护耕地680 hm2，保护石脑镇高沙、左家村，人口0.82万人。

高沙堤始建于1950年，经逐年加高培厚而成，现状堤顶高程34.89～37.60 m，堤高1.8～9.6 m，堤顶宽度一般为3.5～7.0 m，迎水坡坡率1∶2.00～1∶3.00，背水坡坡率1∶1.80～1∶3.35，堤内、外坡均无护坡。受锦河洪水的影响，在锦河高水位时，内涝很严重，圩堤保护区内的大部分农田都会受淹，部分堤段受锦河洪水的淘刷、崩岸、塌岸现象相当严重，堤迎水坡多处有应急处理的混凝土和浆砌石挡墙固脚[1-3]。

2 堤身、堤基渗漏险情

高沙堤堤身填筑土以壤土及砂壤土为主，少量堤段夹细砂。碾压不密实，填筑质量差，汛期时常出现堤身渗水险情。据钻探资料，高沙堤桩号高1+000～7+554堤基表层为具中等透水性的砂壤土，难以形成有效铺盖，下部为具中等～强透水性的细砂及砂砾石，在汛期河水明显高于堤内地面且持续一定时间的情况下易产生渗透破坏，堤内坡脚渗漏、泡泉、现象常有发生。2017年高沙堤应急除险工程对桩号0+563～1+391、1+651～2+038、2+055～2+967、3+565～4+768、4+914～5+700、6+108～7+710等堤段进行堤后填塘压浸处理，渗漏险情有所缓解。

据现场调查及地勘分析，桩号4+750～4+900、5+700～6+100堤身填土中混杂细砂，具中等透水性，且堤后防渗覆盖层缺失或变薄，堤脚有渗水现象，需进行堤身、堤基防渗处理。桩号2+967～3+565段堤防内侧局部分布长条状取土洼地、渊塘，堤后防渗覆盖层缺失，地下水易从无盖重地段涌出，形成管涌(泡泉)，需进行堤基防渗处理。

3 加固前渗流稳定分析

3.1 现状堤身渗流稳定分析

3.1.1 计算断面的确定

根据锦江高沙堤堤身、堤基的地质情况，本次渗流计算选取桩号3+000、4+790、5+990作为典型断面进行分析。

3.1.2 渗透指标的确定

典型断面分区的渗透系数取值见表1。

表1 加固前各典型断面渗透分区

3.1.3 允许坡降

(1)堤坡出逸点允许渗透坡降。经计算可得，壤土为主的填筑土堤坡出逸点允许渗透坡降J允=0.40，砂壤土为主的填筑土堤坡出逸点允许渗透坡降J允=0.35。

(2)堤基覆盖层水平允许渗透坡降。根据地勘资料，堤基壤土J允=0.35，砂壤土J允=0.15，细砂J允=0.12，砂砾石J允=0.20。

3.1.4 程序说明

本次渗流计算分析采用北京理正软件设计研究所编制的土石坝二维渗流计算程序，程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法，用改进平方根法直接求解线性代数方程组。

3.1.5 稳定渗流复核计算

根据规范《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)结合本工程实际情况，渗流分析计算考虑迎水侧设计洪水与背水侧相应水位组合情况。按上述工况组合进行计算，各典型断面渗透坡降值及单宽流量值见表2。

表2 加固前各典型断面稳定渗流期渗流计算成果

3.1.6 渗流计算结果分析

(1)整体安全性分析。根据各典型断面有限元法计算分析，稳定渗流期渗流形态符合均质堤防渗流场分布规律，但也可看出堤身浸润线位置较高，渗流从背水侧堤坡出逸，且无出口保护，对背水侧堤坡稳定不利。

(2)局部渗透分析。由表2可以看出，在设计洪水期的稳定渗流期，桩号3+000、5+990堤基的渗透坡降均大于或接近允许渗透坡降(J允=0.15)，可能产生渗透破坏，并且在实际运行中桩号3+000、4+790、5+990段堤身、堤基已出现不同程度的渗漏。

3.2 加固前堤坡稳定分析计算

本次设计堤坡稳定计算选取3个典型断面，与渗流计算相同，各断面稳定参数成果值具体详见表3。

表3 加固前各典型断面稳定计算参数指标

两种工况计算方法采用北京理正软件研究所开发的岩土工程系列软件进行计算。计算采用简化毕肖普法。各典型断面堤坡稳定计算成果见表4。

根据规范GB 50286—2013规定，正常运用条件下5级堤防抗滑稳定系数Kc≥1.20，由表4可知，迎水侧、背水侧堤坡安全系数均大于1.20，满足规范抗滑稳定要求。

表4 加固前各典型断面堤坡稳定计算成果

3.3 堤身设计断面拟定

(1)堤身断面设计。根据圩堤现状、设计导则，本次设计堤线基本维持现状，土堤标准断面为堤顶宽5.0m，迎水坡坡比为1∶2.5，背水坡坡比1∶2.0。

对于现状堤顶宽度小于上述设计值0.5 m的、高度小于设计值0.3 m的，基本维持原堤宽、堤高不变，对于坡度不陡于1∶2.0的，基本维持原坡度不变。仅挖除深根系灌乔木，局部凹凸部位整坡，植被缺失部位铺设草皮(简称草皮修补)。

(2)堤身加固及土料要求。按照规范GB 50286—2013，根据圩堤现状情况，在保持堤线顺直情况下，由于现状堤身填筑质量较差，且迎水侧河滩地较宽，本次堤身培厚主要在迎水坡采用黏土填筑。

对堤身土料的要求：从迎水侧加高培厚的，要求选取防渗性能好的土，新老土结合面必须先疏松土层，并清除表面杂物和不合格土料；从背水侧加高培厚的，选透水性能好或与原堤身相同的土，亦须逐层夯压密实，新老土结合面处理方法与上述方法相同，以利于圩堤防渗及降低堤身浸润线，增加堤身抗滑稳定和渗透稳定。堤身填土填筑含水量按最优含水量控制，压实度不小于0.91。

4 防渗处理设计

4.1 堤身、堤基防渗加固设计

根据高沙堤地质勘探资料分析，现状桩号4+750～4+900、5+700～6+100段，总长550 m堤身、堤基存在渗漏、塌方等险情。对于堤基有渗漏等险情，又存在严重的堤身渗漏的堤段，同时需进行堤身、堤基防渗处理，使两者(堤身、堤基)形成一整体。

4.1.1 堤身、堤基防渗处理方案比选

针对现状堤身、堤基存在的问题，考虑当地建材，处理方案的适用条件(堤后房屋密集、水平压盖难以实施)、类似工程经验等诸因素，本次设计选取两种方案进行比选。如下说明：

(1) 方案布置。

方案Ⅰ：堤身黏土斜墙防渗结合堤基射水法造混凝土防渗墙防渗方案。

堤身防渗采用黏土斜墙，黏土斜墙顶高程为设计堤顶高程，斜墙顶水平顶宽2.0 m，斜墙厚度按大于等于最大水头的1/4控制，底部深入堤基1.0 m以上，黏土斜墙迎水坡坡比为1∶2.5，在上游堤脚挖一截水槽，底宽大于3.0 m，上下游开挖边坡1∶1，槽底伸入堤基覆盖层1.0 m。

堤基采用射水法造混凝土防渗墙，墙厚0.22 m，防渗墙沿堤脚布置，与黏土斜墙搭接，墙顶高程为堤脚高程，墙底伸入粉砂岩0.5 m。

方案Ⅱ：深层搅拌桩防渗墙。防渗墙布置在堤顶，其孔轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，孔距0.20 m，墙顶高程为堤顶高程，墙底深入至基岩面，成墙厚度0.22 m。

(2)方案比较。本次设计以5+700～6+100为例，两方案工程量及造价比较结果见表5。

从表5可以看出，桩号5+700～6+100堤段方案Ⅱ比方案Ⅰ可节省工程造价71.02万元，而且方案Ⅱ施工技术比较简单，施工工艺容易操作，故综合考虑技术、经济、安全可靠等各方面因素考虑，确定择优选取方案Ⅱ(深层搅拌桩防渗墙结合堤身达标方案)。

表5 两方案工程量及造价比较结果

4.1.2 深层搅拌桩防渗墙设计

(1)防渗墙钻孔布置。深层搅拌桩防渗墙钻孔布置在堤顶，布孔为单排，防渗墙轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，防渗墙墙顶高程为堤顶高程，墙底深入至基岩面。平面钻孔分两序布孔，同序孔距0.40 m，最终孔距0.20 m。

(2)机型选择。深层搅拌桩主机自重16 T，主机外形尺寸为5.5 m×1.9 m×18.0 m(长×宽×高)，额定功率为55 kW，钻头直径为30 cm。

(3)防渗墙设计指标。渗透系数K≤1×10-5cm/s；墙体厚度T=0.22 m；墙体深度满足堤身防渗要求，且经济合理，便于施工，设计墙底伸入堤基覆盖层1.0 m。

(4)主要材料和水灰比。主要材料为P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，每平方米防渗墙，水泥用量为 88.1 kg(即水泥渗入比15%);喷射水泥浆液水灰比为：1∶0.548。

4.2 一般性堤基防渗加固设计

对于存在一般性的单纯堤基防渗加固堤段，堤基有一定厚度透水性较小的砂壤土覆盖层，经计算采用水平压浸能够满足要求，宜优先采用水平压浸措施处理。本次设计对堤后存在低洼的堤段进行填塘压浸，以增加堤基渗透稳定及堤内坡的抗滑稳定，处理范围为桩号高2+967～3+265、3+300～3+565，长563 m。经计算盖重厚度为0.8～1.5 m，宽度为20 m。堤后压浸优先采用开挖料、砂壤土料、砂性土料，可采用壤土等黏性土料填筑，相对密度≥0.61或填筑压实度δ≥0.91，渗透系数K≥4×10-4cm/s。渗透系数要求大于等于堤身填土渗透系数。

4.3 加固后渗流稳定计算

堤身、堤基加固后渗流稳定计算原理方法，计算工况、计算断面同加固前，黏土斜墙渗透系数为1×10-5cm/s，混凝土防渗墙渗透系数为1×10-6cm/s。各土层的渗透计算参数同加固前，各典型断面渗透坡降值及单宽流量值见表6。

表6 加固后各典型断面计算渗透坡降及渗流量

由表6可以看出，在设计洪水期的稳定渗流期，桩号3+000、4+790、5+990加固后浸润线有所降低，砂壤土层最大水平渗透坡降均小于允许渗透坡降(J允=0.1)，满足要求。

由于加固前各典型断面堤坡稳定均满足要求，且加固后浸润线有所降低，对堤坡稳定更有利，故加固后的堤坡稳定不再计算。

5 结 语

本文针对高安市高沙堤堤身、堤基实际存在的渗漏险情，并结合堤身、堤基渗流稳定分析成果，通过方案比选，最终确定堤身、堤基防渗处理采用深层水泥搅拌桩防渗墙方案，一般性堤基防渗处理采用填塘压浸方案，经复核计算，设计方案合理。