北引渠首堤防双层堤基处理措施的选择

尹玉顺，多 佳，王晓旭

(1. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2. 黑龙江科技学院，哈尔滨150027)

1 工程概况

北引渠首工程是尼尔基水利枢纽配套项目——黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程中的首期工程，位于讷河市拉哈镇西北约7.0 km处，尼尔基水库下游28 km的嫩江干流上。工程任务是城市供水、农牧业灌溉及改善生态环境等综合利用，为引嫩供水工程提供水源。［1］

北引渠首枢纽工程主要由土坝、泄洪闸、总干进水闸、船闸预留、溢流坝及固滩等组成，轴线全长5 592.5 m。本工程等别为Ⅰ等，泄洪闸的工程级别为1 级，土坝、溢流堰、总干进水闸的工程级别为2级，固滩的工程级别为3 级，堤防为2 级堤防。［2－3］其中土坝、泄洪闸、总干进水闸、溢流坝及固滩按50 a一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核;堤防按50 a一遇洪水设计。

2 堤防断面设计［4 －5］

枢纽建成后，回水影响范围内的堤防需加高培厚，两岸堤防按50 a 一遇洪水回水影响长度为7.65 km，枢纽处回水影响高度为17 cm，嫩江左岸太和堤防加高加固长度为9.2 km，太和回水堤加高加固长度1.21 km，嫩江右岸内蒙汉古尔堤防加高加固长度6.873 km。

太和堤及汉古尔堤堤顶超高按50 a一遇洪水水面线加2.0 m确定，堤顶宽度8.0，土堤段迎、背水边坡均为1∶3，堤顶3 m以下设6 m宽马道; 砂堤段迎水边坡为1∶4，背水边坡为1∶5，堤顶3 m以下设6 m宽马道。

太和回水堤堤顶宽度6.0 m，土堤段迎、背水边坡均为1∶3;砂堤段迎水边坡为1∶4，背水边坡为1∶5。

堤防上游坡设预制混凝土板护坡，混凝土板厚度12 cm，下设碎石垫层10 cm及400 g/m2无纺布一层，混凝土板规格50cm ×50cm ×12cm，护坡顶高程为堤顶高程，护坡与堤顶相交处封顶宽0.5 m。护坡混凝土强度等级C20，抗冻级别F200。混凝土板护坡下设梯形断面的砌石固脚，固脚底宽1 m，顶宽2 m，高1 m。堤防下游坡设草皮护坡。

3 堤防的渗流分析计算［6］

由于堤防工程的破坏型式多种多样，渗透破坏就是其中一种比较普遍的现象。发生这种破坏主要是由于堤身及堤基缺乏可靠的渗流控制措施。所以要避免这种破坏，首先要掌握堤身工况及堤基渗流情况，这样才能有针对性的制定合理的堤基处理方案。

因此选取堤防典型剖面:桩号0 +400、1 +900、2+200、4 +700、7 +000 共5个断面进行堤防渗流及渗透稳定计算。

渗流计算分析采用北京理正软件设计研究院编制的理正渗流分析软件进行计算，［7］该程序计算方法依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论―达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤体的渗流分析，计算成果见表1。

表1 太和堤防渗流计算成果表

经计算，双层堤基的堤基渗透比降不满足要求，其他堤体堤基的渗透比降满足设计要求，故应对双层堤基段进行处理。

4 双层地基的地基处理

双层地基是堤防工程中普遍出现的地基情况，北引渠首堤防双层地基段长4 789 m，占总长的53.3%。［8］双层地基的堤基处理方式有很多: 如加盖重、加铺盖、帷幕灌浆、排渗井、减压沟、土工膜、垂直防渗墙等等，这些处理方式都在实际工程中都各有应用。而合理有效的渗流控制措施应从两方面考虑:①提高堤身和堤基本身抵抗渗透破坏能力，②降低渗流的破坏能力，同时根据工程地质条件和工程的重要程度，从而选择经济合理的堤基处理措施。本工程考虑背水侧压渗盖重和排水减压沟两种方式。

4.1 盖重设计

在背水侧加盖重是提高堤基本身抵抗渗透破坏能力的一种措施

4.1.1 计算方法

采用本耐特公式计算堤后盖重，即近似认为堤底L’不透水，并把上下游的弱透水覆盖层转换为等效不透水铺盖长度L1e及L2e，然后按照直线水头损失计算强透水砂层顶板沿程承压水头。盖重采用透水料。计算简图见图1。

图1 堤防内脚设盖重计算简图

计算公式如下:

4.1.1.1 堤背脚处砂层承压水头堤背脚处砂层承压水头计算公式为:

4.1.1.2 判别盖重

4.1.2 计算断面选择双层堤基盖重的计算，根据各堤段覆盖层厚度的不同，选择6个断面进行计算。

4.1.3 计算成果表

盖重计算成果见表2。

4.2 减压沟设计

排水减压沟是通过降低堤身浸润线来降低渗流的破坏能力的一种措施。

表2 盖重计算成果表

4.2.1 计算方法

减压沟计算方法见图2，以虚拟完整沟贯穿砂层厚度T 的计算公式为基础，增加不完整沟深D 的附加阻力长度△L; 经过分析及实验可得下面相对不透水覆盖土层下强透水砂层中减压沟计算公式。

回升或剩余水头是设计中的一个重要问题，必须控制此水头保证覆盖土层的稳定。回升水头开始出现的位置在沟后β△L 的距离附近。另外，沟前坡迎流出渗坡降J 也是影响边坡局部稳定的只要因素，所以要对剩余水头和沟前坡迎流出渗坡降，进行计算，判断减压沟是否满足要求。

图2 减压沟计算简图

减压沟计算公式如下:

4.2.1.1 单宽流量

计算公式为:

4.2.1.2 附加阻力长度计算公式为:

4.2.1.3 沟后回升或剩余水头计算公式为:

4.2.1.4 不完整沟修正系数计算公式为:

4.2.1.5 沟前坡迎流出渗坡降计算公式为:

4.2.1.6 迎流集中系数

式中: b，b0为深入强透水砂层中梯形沟深为D 的顶宽和底宽之半，m; L 为沟前渗径长度，m; T 为砂层厚度，m; D 为不完整沟深，m; k 为强透水层渗透系数，m/d。

4.2.1.7 沟后回升水头的向上渗流坡降计算公式为:

双层地基减压沟的计算，选择桩号1 +400、2 +200、8 +200 共3个断面进行计算。堤后设置深入砂层0.5 m，此处的顶宽为2.0 m;底宽1.0 m的减压沟。4.2.2 计算成果表

减压沟计算成果见表3。

表3 减压沟计算成果表

经计算，减压沟沟后回升水头的向上渗流坡降值在0.5 ～0.8，满足设计要求。

4.3 结果分析

对于覆盖层较厚且下卧强透水层较深的堤基，宜采用背水侧增加盖重措施进行处理。盖重采用比覆盖层渗透系数大的透水材料。在背水侧增加盖重的目的是防止堤基渗流对表层土产生渗透破坏，增加背水侧土体的抗浮稳定性，此外还可减小出逸比降。背水侧为城区或建筑密集区，这种方法的应用往往受到限制。另外，盖重土体的沙性不宜太重，否则极易引起盖重土体的沙漠化，从而对周围的环境产生负面影响。

当覆盖土层较薄时，可采用挖深到砂层中的明沟或暗沟来降低承压水头。为了保证减压效果，减压沟应填入透水性能较强的砂石料，颗粒分布应下粗上细。

减压沟的布设形式最好为暗沟，因为明沟易受风沙和地表水的影响而发生堵塞，另外暗沟维护也比较方便。

若透水层为粉细砂的堤基，采用减压沟进行堤基防渗时效果较差，因为粉细砂容易使排渗井和减压沟发生淤堵。

通过盖重和减压沟的设计计算: 各段盖重情况不同:宽度100 ～330 m，厚度0.2 ～1.0 m;减压沟均采用伸入砂层0.5 m，底宽1.0 m。这两种处理方式都能满足渗透稳定的要求，达到控制渗透破坏的目的。但与盖重相比，减压沟避免了由于盖重宽度较长，而出现工程量大、工程占地范围大的问题。因此，本工程选择在堤后设置排水减压沟。

减压沟伸入砂层0.5 m，底宽1.0 m，沟边坡1∶0.5。由于砂层一般是上细下粗，应遵循“设滤层保护渗流出口的原则”，同时考虑堤防等级较高，为防止风沙、泥水的侵入，故在沟内铺设一层无纺布，用砂砾石回填。

5 结 语

堤防工程中双层地基普遍存在，防止发生渗透破坏的处理措施也多种多样，并非是一种，也可采用几种方式联合使用的型式，在制定处理措施时应遵循防渗、排水减压和反滤层保护渗流出口三结合的原则。

总之，要针对渗透破坏的类型、堤基的工程地质条件、运行工况及工程的重要程度，制定科学、有效、合理、经济的堤基处理方案，已达到最大程度上减少或避免出现渗透破坏的可能，保证工程长期安全的运行，为国民经济的发展提供保障。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 北引渠首初步设计报告［R］. 哈尔滨: 黑龙江省水利水电勘测设计研究院.2009.

［2］中华人民共和国水利部. GB50201—94 防洪标准［S］. 北京:中国计划出版社，1994.

［3］长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL252—2000 水利水电工程等级划分及洪水标准［S］. 北京:中国水利电力出版社，2000.

［4］水利部水利水电规划设计总院. GB50286—98堤防工程设计规范［S］. 北京: 中国计划出版社，1998.

［5］毛昶熙，等. 堤防工程手册［S］. 北京:中国水利电力出版社，2009.

［6］毛昶熙，段祥宗，毛佩郁，等. 堤防渗流与防冲［M］. 北京:中国水利电力出版社，2003.

［7］北京理正软件设计研究院. 理正渗流分析软件［S］. 北京:北京理正软件设计研究院，2011.