辽河干流砂基砂堤防渗处理技术探讨及工程实践

杨 祎，李锋德，康军林

(辽宁省辽河保护区管理局，沈阳 110002)

辽河干流砂基砂堤防渗处理技术探讨及工程实践

杨 祎，李锋德，康军林

(辽宁省辽河保护区管理局，沈阳 110002)

辽河干流堤防由于砂基砂堤的存在，一定程度上存在防洪隐患。本文对辽河砂基砂堤基本情况进行简介，分析了适合辽河干流堤防砂基砂堤处理的技术，并介绍了该技术在工程实践中的应用。

辽河干流;砂基砂堤;防渗处理

辽河是我国七大江河之一，发源于河北省平泉县七老图山脉(海拔1490m)，流经河北、内蒙古、吉林、辽宁四省区，在辽宁省盘锦市入渤海，全长1345km，总流域面积21.9万km2。东西辽河在辽宁省昌图县福德店汇合后，始称辽河干流，全长538km，面积37927km2，占辽河全流域的17.3%。

1 基本情况

辽河干流现有堤防主要是1987～1991年整治加固后形成的。自福德店至河口堤防全长679.71km，其中左岸堤长346.6km，右岸堤长333.2km。石佛寺以上堤防防洪标准30年一遇，石佛寺以下100年一遇，堤顶宽6.0m。

按照辽河流域防洪规划，辽河干流堤防通过地段主要为第四系松散堆积层，其表部为黏土、砂土，下部为粉砂、细砂、中粗砂、砾砂、园砾层等。辽河堤防加高培厚的土料，主要取自沿河滩地冲淤土，施工方法主要为机械碾压法和泥浆泵淤固法。由于施工方法的不同，所用土料区别较大，机械碾压法段多为表层的黏性土，泥浆泵施工淤固段多为坑中取土，填土多为壤土和砂壤土，砂基砂堤段主要集中在此。根据辽河干流防洪工程堤防质检成果分析资料，清河口以上主要以机械碾压筑堤为主，泥浆泵施工不到12%，清河口以下泥浆泵施工的堤段占施工段的39.5%。由于地基及筑堤方式的不同，辽河大堤存在砂基砂堤的隐患，洪水期如果河道内水位较高时，将会产生侧向渗漏，所以对渗漏问题需进行处理。据资料统计，辽河现有砂基砂堤段总计103处，总长251.82km，其中，已治理3处，治理长度10.6km，仍需治理长度241.22km。

2 辽河干流砂基砂堤处理技术探讨

砂基砂堤的存在是辽河堤防的薄弱环节，也是工程中最普遍且难以治愈的心腹之患，选择有效、合理、经济的除险加固方案应遵循“前堵后排、反滤料保护渗流出口”的渗流控制原则，这是一项技术性很强的工作，是堤防渗透破坏除险加固工作的关键环节。

2.1 堤防渗透破坏基理及表现形式

堤防渗透破坏往往始于土体渗透变形，也就是土体结构在渗流作用下先发生土粒移动或土块浮动等变形现象，而后发展到完全丧失抗渗能力。这一过程受到渗透水流和土体自身性状两方面因素控制。土体自身性状比较复杂，受土的矿物成分、颗粒组成、密实程度等多方面的影响，不同的土层具有不同的渗透性，而不同渗透性的土层位置和分布，对堤防整体的抗渗能力有很大的影响。

堤防渗流破坏关键因素是土体能够承受的不会发生渗透变形的最大水力比降，称为临界比降Jcr，它被用来表示土体的抗渗强度。对不同的土质和不同的土体结构，其数值不同。当堤防出口处的出逸比降J超过土体抗渗强度时，土体就会发生渗透变形。土体渗透变形的形式有多种，主要有流土和管涌。前者是出口处土体整体浮动的现象，后者则是土颗粒在土体内的移动。两者形式虽然有所不同，但其基本原因是近似的，均是由渗流力超过土的浮容重引起，习惯上均称为“管涌”。当J＜Jcr时，土体保持渗透稳定;当J≥Jcr时，土体从平衡临界状态到渗透变形或破坏。J是土体实际承受的出逸比降，Jcr是出口处土体的临界比降。J会随着时间和水位变化而变化，出逸比降可用流网法或有限元法计算得到。

对于黏性土的抗渗强度，可按照扎马林公式求得：

式中：［J］为允许比降;Gs为土粒比重;n为孔隙率;k为安全系数。

堤防由于渗流运动直接或间接造成的堤防与地基的土体变形、破坏，主要有以下一些表现形式：

a.地基中的强透水层承压水顶穿上部弱透水层，形成集中渗流造成局部流土，进而向堤防内部发展成为连通的通道，当通道持续发展扩大时，堤防就会下沉、开裂，进而破坏。

b.背水坡脚处因渗水出逸出现大面积沙沸现象，使坡脚泡软出现局部内脱坡。

c.外河水位降落时，堤身的水不能及时排出，产生了反向的渗流，加上堤内土中过高的孔隙水压力，导致堤防在河水退水时产生外脱坡。

d.当护坡块石下面没有反滤垫层时，在波浪的冲击下，水流会淘刷坡面土粒，使坡面塌陷。

e.堤身或堤基含有贯穿上下游的通道，易形成接触冲刷通道，危及堤防安全。

f.无护面的“赤膊堤”或坡面排水不好的堤段，在暴雨的冲刷下，会使堤坡形成雨淋沟冲蚀坡面，并进一步导致渗流出口处渗透稳定性的削弱，甚至破坏。

堤防除险加固工程必须进行渗流控制，其措施主要是防渗和排渗，以及渗流出口处的反滤保护。总体按照“上堵下排”原则，一是减小出逸比降，二是增大出口处土体抗渗能力(增大允许比降)。

2.2 辽河干流砂基砂堤处理型式选择

根据以上堤防渗透破坏原因，砂基砂堤成险原因，结合工程地质实际情况，对于砂堤砂基的处理，拟采取处理的型式为：

a.对于堤身不满足渗透要求的，以迎水面堤坡土工膜防渗、迎水面堤坡黏土斜墙防渗型式为主;以迎水侧护堤地水平黏土铺盖，结合堤坡土工膜防渗;背水侧堤坡贴坡排水;三维网格等生物防护措施为辅助。

b.对于堤基不满足渗透稳定要求的，采用堤基垂直防渗措施，以堤基垂直铺塑、堤基深层搅拌桩水泥土截渗墙防渗型式为主;以堤基高喷灌浆、迎水侧护堤地水平黏土铺盖结合背水侧堤基减压井或排水沟减压等其他措施为辅助。

c.对于堤身、堤基均不能满足渗透稳定要求的，以堤坡土工膜结合堤基垂直铺塑、深层搅拌桩水泥土截渗墙防渗型式为主;以堤身、堤基高压喷射灌浆，迎水侧护堤地水平黏土铺盖结合迎水侧堤坡土工膜，结合背水侧堤基减压井或排水沟减压型式为辅助。

3 工程实践

辽中县满都户砂堤砂基段位于辽河右堤L112～L113间，本段堤防堤身及堤基均分布有透水性较强的粉细砂，且由于筑堤取土，造成堤防迎水坡滩面表层黏土覆盖层被挖取，砂土层出露，每到大水年份汛期河道水位较高时，在堤防背水坡堤脚附近经常发生渗水现象，特别是1985、1986年，辽河连续发生较大洪水，本段堤防堤后大面积渗水，严重威胁大堤安全，在临时抢险中耗费了大量的人力物力。该段堤防一旦出险，将危及沿岸人民生命和财产的安全以及辽中县城市的防洪安全。

3.1 工程地质

工程布置钻探断面共7个，每个断面布置3个钻孔。根据地质勘查资料，堤身岩性为粉质黏土、粉土，堤基岩性为粉质黏土粉土、粉砂、细砂。堤身大部分为粉质黏土，中等透水，渗透系数为1.2×10－4cm/s，堤基细砂为中等透水，渗透系数为8.7×10－3cm/s。

渗流计算采用水利水电规划总院推广的“土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序(DQB)”。其计算方法为求解拉普拉斯方程，用有限单元法作渗流场离散，引用三结点的三角形单元和线性插值函数。计算结果见表1。

表1 渗透稳定计算结果

由渗透稳定计算结果可知，该段堤防在天然条件下不满足渗透稳定要求。

3.2 工程设计

垂直铺塑施工工艺简单、施工速度快、成本低、防渗效果好，在国内水利工程中得到广泛应用，在辽宁主要河道堤防防渗处理中也应用较多;垂直铺塑形成防渗帷幕分悬挂式、半封闭式和全封闭式三种。辽河一次洪水历时7天，主要集中在3天，洪峰较短，采用1～1.5倍水头深度的悬挂式防渗帷幕能较好地降低背水坡出逸点比降和延缓堤基渗流破坏时间。

本段堤防防渗工程设计采用堤身迎水坡铺设复合土工膜防渗和堤基垂直铺塑防渗相结合的防渗处理方案。

3.2.1 帷幕深度选用

一般垂直防渗的深度可取为S=1～1.5H，这里取S=1.5H，本堤段平均水深H=3.7m。

考虑其他不利因素取S=6.5m。

3.2.2 渗流稳定复核

垂直防渗深度为8m，按有部分截水墙的斜墙坝渗流计算，结果见表2：

表2 渗透稳定计算结果

由渗透稳定计算结果可知，该段堤防在实施堤身和堤基防渗工程后，明显改变渗流状态，满足了堤防渗透安全的要求。

3.2.3 帷幕厚度计算

采用苏联水工科学研究院提出的计算薄膜应力的经验公式计算。由公式推导可得：

式中 T——计算薄膜厚度，m;

E——在设计温度下薄膜的弹性模量，kg/cm2;

P——薄膜承受的水压力，T/m2;

d——与薄膜接触的砂卵石的最大粒径，mm;

［σ］——薄膜容许拉应力，kg/cm2，［σ］=(1/5～1/6)σ;

σ——薄膜的最大拉应力，kg/cm2。

计算结果：T=0.08mm

考虑土工膜刺破及施工时不可避免人为损坏等因素，根据规范《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—98)(以下简称《规范》)规定：土石堤防渗土工膜厚度不应小于0.5mm，最小厚度不得小于0.3mm。本工程斜墙复合土工膜膜厚0.3mm，垂直铺塑土工膜膜厚0.5mm。

3.2.4 防护层抗滑稳定计算

防护层抗滑稳定计算分为保护层透水性良好和不良两种情况，采用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—98)公式计算：

式中 σ——土料与土工膜之间的摩擦角，σ=27°;

α——土工膜铺放坡角;

γ’、γsat——防护层的浮容重和饱和容重，kN/m3。

经计算保护层透水性良好时安全系数Fs=1.27＞1.25，满足稳定要求。透水性不良时安全系数Fs=0.63＜1.25，不满足稳定要求。因此要求堤坡土工膜保护层土料为透水性良好的砂壤土。

3.2.5 设计结论

本次设计虽只对垂直铺塑治理方式进行了复核和验算，但其具有较强的代表性，其他处理型式，如：水泥土截渗墙、高喷和垂直铺塑的功能基本一样，仅是在工艺上存在一定区别。在数学模拟条件下，以上砂基砂堤治理方案满足设计要求，但受资料、计算方法等诸多条件的限制，实际治理效果还需要在今后运行过程中进行逐步的检验，并在此基础上不断进行完善和改进。

1 水利部东北勘测设计研究院．辽河流域防洪规划报告［R］．2002．

2 柯书武，吴为国．垂直铺塑技术在堤身防渗处理技术中的应用［J］．防渗技术，2002(03)．

2 陈鸿飞，朱逢春，高荔，田汉功，王惠．垂直铺塑及其在堤基防渗处理中的应用［J］．水利水电科技进展，2000(02)．

Discussion and Project Practice of Liaohe River Branch Sand Base and Sand Bank Seepage Control Technology

YANG Yi，LI Feng-de，KANG Jun-lin
(Liaoning Liaohe River Protected Area Administrative Bureau，Shenyang110002，China)

Liaohe River branch dike has flood control risk to some extent due to the existence of sand base and sand bank．In this paper，Liaohe River sand base and sand bank＇s basic situation is briefly described．The proper processing technique suitable for Liaohe River branch embankment sand base and sand dike treatment is analyzed．The application of the technique in the project practice is introduced．

Liaohe River branch;sand base and sand dike;seepage control treatment

TV441

B

1005-4774(2013)08-0019-04