结构破坏后堤防管涌防治处理方案分析

陈 焱

（澧县澧阳大垸水利管理委员会 常德市 415500）

前 言

随着社会经济的快速发展，越来越多的涉河建筑物正在兴建。各涉河建筑物的建设不可避免地要破坏堤防层。而我国河堤管涌发生的概率及破坏性在堤防溃垸性险情中列第一位。在1998年，长江干流堤防出现重大险情698处，其中堤基管涌险情366处，占52.4%；洞庭湖区堤防出现较大险情626处，其中管涌343处，占54.8%。在长江干堤的77处溃口险情中，有53处是管涌险情，占69%[1-3]。涉河建筑物的建设破坏了堤防基础及垸内覆盖层，使原本就易形成管涌发生破坏的可能性越来越大，需要采用正确的方法进行补救。

1 堤基结构特点及结构破坏后土体渗透破坏机理分析

1.1 堤基结构特点

我国现有堤防基础一般为深厚覆盖层基础，大致可分为三层：底层为基岩，一般堤防基岩埋深较深，如洞庭湖区大部分堤防基岩埋深大致40 m。中间层为砂卵石基础，该层渗透系数大，是主透水层。上层为粉土及粉质粘土层，局部有部分粉质砂土、淤泥、耕作层及河道内的淤积层，是堤基主要的防渗层。

1.2 结构破坏后土体渗透破坏机理分析

涉河建筑物的建设破坏了地表覆盖层的结构，是其对堤防基础抗渗能力的主要影响因素。其主要原因有：

（1）破坏表层覆盖层的现有结构，使土层在形成过程中天然的结构体失去平衡，使土体颗粒与颗粒之间的原有约束不存在了，土体天然状态下的原有约束是多年来形成的相对稳定与牢靠的结构，土体结构破坏后，土颗粒的抗渗透破坏（管涌）的能力被削弱，使土体更容易发生管涌。

（2）天然状态下的土体为层状结构，其竖向抗渗能力与抗渗透破坏（管涌）的能力均比水平方向强，水力坡降的主方向是竖直向上的，土体破坏后，竖向抗渗能力削弱了。

（3）将桥墩置于土体中，桥墩与土体的接触面使原有渗流场在此不连续，渗流场在此会出现水力坡降集中的现象，增大管涌发生的可能性。

（4）由于墩体是刚形结构，在土体与墩体接触的部位，墩体对土颗粒的约束作用会因为土体的应变而发生较大变化，因此在接触面最易发生管涌破坏。

2 管涌防治处理方案

堤基防渗处理主要有锥探灌浆和劈裂灌浆防渗、深层搅拌法防渗、置换法防渗、高压喷射灌浆防渗、挤压法防渗、钢板桩防渗等处理方法[4]。针对堤基及垸内结构被破坏后的堤基，处理的主要措施有以防渗墙为主要垂直防渗法、以填筑垸内压浸平台为主的水平防渗法、以填充灌浆为主的破坏区局部保护法。

（1） 防渗墙。

防渗墙的形式较多[5]，以高喷防渗墙为例，高喷防渗墙由20世纪80年代初由日本传入我国。目前在水利工程的防渗与地基加固处理中得到广泛应用。高喷防渗墙主要是采用高压水冲刷堤基结构，再用水泥浆液回填、灌注空气搅拌均匀。通过多个钻孔将回填的浆液连接成防渗墙。高喷防渗墙有单管、双管与三重管三种，其形式有悬喷、摆喷与定喷三类。目前用于防渗比较多的是三重管摆喷法。

（2）垸内压浸平台。

垸内填筑压浸平台防渗是最原始的堤防防渗方法。通过在垸内填筑压浸来延长水流的渗径。此方法不仅可以有效保护被破坏的土体，还可以减小渗透水流的溢出坡降，增加堤防安全的可靠性。

（3）堤基与结构破坏区内填充灌浆。

对被破坏的堤防及垸内覆盖层区域进行填充灌浆，以补强局部薄弱环节。灌注材料以纯水泥浆与水泥黄泥浆为主，一般填充灌浆的孔距在（1.5～2）m，终孔灌浆压力控制在0.3MPa。

3 不同方案处理的效果分析

（1）高喷防渗墙处理方案分析。

高喷防渗墙形成后，一般墙体渗透系数约10-7cm/s，墙体隔水性好，可承担大部分的水头压力。

高喷防渗墙的形成分两步：首先通过高压水切割土体，再由水泥浆填充。高压水的压力一般在（36～40）MPa，由于高压水冲出喷嘴后压力会迅速释放，因此，对大粒径砂卵石，高压水无法完全切割该层卵石，导致水泥浆无法按墙体导向方向延伸。无法形成完整的防渗墙。

高喷防渗墙处理的深度以30 m以内为宜，对于深厚覆盖层来说，很难形成封闭的防治墙。而悬挂式防渗墙只能适当延长渗流的渗径。由于堤基砂卵石层粒径较大，透水性强，其渗透系数较表层的覆盖层高出约1 000倍，采用悬挂式防渗墙延长的渗径的效果不明显。

一旦形成防渗墙后，垸内地下水下外河道的水体被隔断，不利于正常时期地下水的排泄。

（2）垸内压浸平台。

垸内增加压浸平台，相当于增加了堤基的宽度，可以保护堤脚，对堤防的防护有一定作用。压浸平台上还可以生长植物，有利于保护生态环境。

（3）充填灌浆处理。

桥墩充填灌浆填充了破坏土体内的空隙，弥补了桥墩施工产生的不利影响。虽然没有恢复原有土体的结构性，但填充了回填土体内的空隙，使土体颗粒的约束得到了加强，增强了土体抗渗透破坏的能力。由于形成管涌等渗透破坏一般发生在覆盖层的薄弱环节，针对被破坏土体的补强灌浆，是一种行之有效的好方法。

三种处理方案特点比较见附表。

4 某大桥桥墩防治管涌处理方案比较

4.1 计算模型

某大桥位于长江一级支流主河道上，大桥左岩为某县城城区，堤顶高程45.0 m，面宽8 m，外坡1∶2.5，内坡1∶3.0。河床高程30.0 m左右，垸内地面高程39.7 m。

附表 各处理方案特点比较表

地质分层上层为人工填土、种植土与粉质黏土，垸内度（3～4）m，堤身为人工填土，河床内该层基本尖灭，该层渗透系数为3.6×10-5cm/s，临空时竖直向允许水力坡降0.38。中层为砂卵石层，含砂量约30%，卵石最大粒径 150 mm，层厚（30～40）m，该层渗透系数为7.2×10-3cm/s，临空时竖直向允许水力坡降0.65。底层基岩层，出露高程在海拔0 m左右。

初始条件与边界条件：临洪面洪水位44.97 m，垸内水位39.75 m，堤身为自由浸润面，上、下游竖直面与底部高程0.0 m处边界均为0流量边界。计算模型见图1。

4.2 各处理方式渗流场比较

根据以上计算模型与边界、初始条件，计算出各状态下渗流场水头等值线图（图2～图5）。

根据以上计算结果分析，针对该堤防地质条件，采用高喷防渗墙的处理方式渗流场仅防渗墙周边局部有调整，对堤防垸内防治渗透破坏的效果不明显。采用垸内填筑压浸平台后，虽然渗流场总水头等值线向下游偏移，但出渗点水力坡降值降低，有利于防止渗透破坏。充填灌浆对被破坏区域得到很好的保护，有利于防止渗透破坏。

图1 渗流场计算模型

图2 工程处理前渗流场水头等值线图

图3 采用高喷防渗墙处理渗流场水头等值线图

图4 采用压浸平台处理后渗流场水头等值线图

图5 采用充填灌浆处理后渗流场水头等值线图

5 结论

堤基结构被破坏后，应采取有效措施防治渗透破坏的发生。高喷防渗墙适用于砂层或细砾层透水地基的处理，宜设置封闭式防渗墙。垸内填筑压浸平台经济适用，生态环保，可有效覆盖层，是一种经济适用的处理措施。破坏性区域的充填灌浆可有效保护破坏区域。

1中华人民共和国水利部.中国98大洪水中国水利年鉴1999[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

2丁留谦，孙东亚.堤防工程中几个关键研究课题[J].水利发展研究，2002，（12）.

3王理芬,曹敦履.荆江大堤堤基管涌破坏[J].长江科学院院报，1991，8（2）.

4李思慎.堤防防渗工程技术[M].武汉：长江出版社，2006.

5魏长法.高喷防渗墙在长江堤防建设中的应用[J].岩土工程界，2002，8.

6刘川顺.冲积地基堤防垂直防渗方案研究[J].岩土力学与工程学报，2002,3.

7许季军.某堤防工程中防渗墙对地下水运动规律影响的初步分析[J].岩土力学，2004，s2.