土石防洪堤运行中的工程风险与处置方法

(青海民族大学建筑工程学院，青海 西宁　810007)

1　概　述

从大禹治水开始，数千年来防洪堤对于保护人民生命和财产安全发挥了重要的作用。然而防洪堤建造后，在长期运行过程中受到诸多外界环境因素的影响，如下部软基、降雨侵蚀、水流冲刷和日晒风化等，防洪堤会出现岸坡坍塌和侵蚀等破坏形式，威胁到防洪堤工程的安全性，有的造成了重大人员伤亡和财产损失。

我国南方地区河流众多，大部分防洪堤均为土石结构，由于历史原因，不少土石防洪堤在运行中存在着一定的风险。本文针对防洪堤在运行中可能出现的安全风险问题进行探讨，提出相应的处置方法，并分析国内较为成功的治理案例，为同类工程提供借鉴。

2　常见工程风险问题

2.1　软基问题

由于防洪堤一般修建在河漫滩或一级阶地附近、海岸淤积带上等，这些区域往往沉积了一定厚度的软土，包括淤泥、淤泥质土和松散的砂土等，在这些软土地基上修建的防洪堤，在长期运行过程中，仍可能存在着以下四个典型问题：一是长期固结沉降问题，由于淤泥和淤泥质土的渗透系数较小，一般处于1.0×10-7～1.0×10-8cm/s数量级上。当软土层较厚时(如福建省近海区域淤泥可厚达数米至十几米)，若地基不采取排水处理措施，固结沉降将是十分缓慢的过程。根据太沙基一维固结理论，固结度达到90%时，可能需要几年甚至几十年的时间。另外，软土的高压缩性也会造成防洪堤的较大沉降，福建省沿海淤泥的压缩模量可低至1.0～2.0MPa，根据以往观测资料，对于2.0～3.0m高的防洪堤，其沉降量可超过1.0m。过大的沉降量会降低堤顶的设计高程，使得防洪堤的防洪能力减弱，因此在工程建设前和运行中，应充分认识到防洪堤的后期沉降量(工后沉降量)。二是不均匀沉降问题，相对防洪堤的总沉降量，不均匀沉降量容易导致堤顶的附属工程设施产生破坏，如路面凹凸不平、防浪墙拉裂和人行道开裂等，对于不均匀沉降的减轻，一般可通过工后沉降来控制。三是岸坡稳定性问题，对于软土地基上修建的防洪堤，若设计和施工不当，在运行初期，面临着岸坡失稳的风险。由于软土地基的抗剪强度较低，不排水抗剪强度一般在20kPa以内，防洪堤岸坡可能沿堤身和软基一同发生圆弧剪切破坏，即发生整体滑动破坏。但随着运行时间的增加，软基固结程度和强度越来越高，发生岸坡整体失稳的可能性也越来越小。四是砂土地基液化问题，对于位于地下水位以下的松散砂土地基，在地震工程中可能会出现液化问题，一旦出现液化，地基承载力将大大降低，防洪堤容易出现坍塌或沉陷等事故。当然，并非所有的砂土都会出现液化，若防洪堤建设期间没有进行液化评估，在运行期间进行砂土地基的液化性评估十分必要。

2.2　岸坡坍塌

在防洪堤运行过程中，经常遇到的较大问题就是岸坡坍塌事故。防洪堤边坡内部沿着某一滑动面产生滑动，这种破坏与软基上的圆弧剪切破坏的区别主要是前者破坏面只发生在防洪堤岸坡内，而后者破坏面则发生在岸坡和下部的软基内，因此，前者的破坏面比后者的要小。造成防洪堤岸坡坍塌的外因主要是强降雨和洪水作用，当雨水或洪水渗入到堤内后，造成土体有效抗剪强度降低。

根据太沙基有效应力理论

τ=c+(σ-u)tanφ

式中τ——土体抗剪强度；

c——土体黏聚力；

σ——剪切破坏面上的正应力；

u——土体孔压；

φ——土体内摩擦角。

当水入渗到土体内后，孔压增大，导致有效抗剪强度降低。当降低到一定程度时，岸坡产生滑塌。此外，雨水在坡内还会产生渗流，引起渗流力，加剧岸坡坍塌。

2.3　岸坡侵蚀与基底冲刷

防洪堤遇到雨水和洪水时，会造成防洪堤侵蚀。根据侵蚀理论，当水流引起的侵蚀剪应力超过了土体本身具有的临界侵蚀抵抗值时，土体发生侵蚀。岸坡侵蚀造成坡面土体减少，产生一些侵蚀沟壑，岸坡侵蚀虽然不能一次性地造成破坏，但长期侵蚀会造成防洪堤断面面积减小，威胁到防洪堤的稳定性。福建省东南沿海一般为火山岩区，以花岗岩最为常见，不少防洪堤采用花岗岩风化残积土进行填筑。该类土体遇水后容易崩解，即使在静水环境中也会产生崩解，崩解会加剧土体的侵蚀，因此，对于花岗岩风化残积土填筑的防洪堤还要注意土体的崩解作用及其导致的土体侵蚀状况。

基底冲刷是造成防洪堤破坏的一种常见形式，当防洪堤脚部水流流速较大时，防洪堤基底可能会产生冲刷，冲刷作用可出现在堤脚和邻近地基内。特别是当水流流向与防洪堤纵向轴线垂直时，水流会在堤脚附近旋转，产生涡流，涡流对防洪堤及基底的冲刷作用大大加强，容易形成冲刷凹槽，当凹槽发育到一定程度，岸坡由重力引起的下滑力超过了抗滑力时，防洪堤便出现大规模滑塌(见下页图)。如西藏自治区日喀则市萨迦县县城防洪堤一期工程在2009年和2010年特大洪水汛期内，防洪堤堤脚多处被掏空，出现坍塌[1]。

防洪堤基底冲刷凹槽及其导致的滑塌示意图

2.4　管涌与流土

管涌和流土破坏是防洪堤经常遇到的两种水力破坏形式。管涌是在洪水期间，防洪堤在渗透水流作用下，堤内松散的细粒土在粗粒土所形成的通道中流动，被带到堤外，导致土体的孔隙加大，渗流量也随之增大，最终导致土体整体坍塌破坏；流土往往是整片土体在渗透力作用下发生破坏，如1998年长江大洪水中两侧防洪堤大面积出现管涌问题，导致长江洪水泛滥，给两岸人民群众和财产带来了严重威胁。此次事故后，国务院要求水利部门一定要治理防洪堤管涌问题。

3　处理对策

3.1　软基处理

针对防洪堤软土地基，最为常用和有效的方法就是地基处理，绝大多数软基处理方法在防洪堤地基内均可适用，如加速排水处理法，包括塑料排水板和袋装砂井；复合地基法，包括碎石桩、水泥搅拌桩、高压旋喷桩和石灰桩等；以及置换法和土工合成材料加固等。值得指出的是，排水固结法处理费用一般相对复合地基法的要低，但处理后固结的时间仍然相对较长，一般需要几个月至几年固结才基本完成。复合地基短时间内就可达到较高的强度，如水泥搅拌桩和高压旋喷桩在施工一个月后就能够形成较高的强度。地基处理后，可有效减小防洪堤的总沉降量和不均匀沉降量，还可防止产生圆弧整体剪切破坏。

3.2　提高压实度与减小坡度

对于防洪堤堤身填土，提高填土压实度对于堤身稳定性、减小堤身压缩沉降量和不均匀沉降量，以及防止管涌和流土都至关重要。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)有关规定，对于1级堤防，压实度不小于95%，2级和堤身高度大于6m的3级堤防压实度不小于93%，堤身高度小于6m的3级及3级以下堤防压实度不小于91%。对于堤身的压实，应针对土质类型选用合理碾压施工机械，如黏性土可选用静力碾压式，砂质土可选用振动碾压式。一般事先需通过进行室内击实试验、现场碾压试验等确定土体最优含水量和碾压参数等。另外，减小防洪堤坡度，选用级配良好的填料，避免使用有机质含量较高的土体等，对保证防洪堤堤身质量均有意义。

3.3　坡面防护

防洪堤的坡面防护可根据当地经验、建材和生态环保要求等，选用工程防护或植被防护形式。堤身的防护设施可分为直接防护和间接方法两种形式，直接防护包括砌块石或片石防护和植被防护，常用的方法有铺石、抛石、石笼、植树和铺草皮等，间接防护主要是指修建导流结构物，如丁坝、顺坝等。随着人们环保意识的增强，传统工程防护的一些弊端逐渐显露出来，在一些工程中逐渐采用生态环保的防护措施。

3.4　土工合成材料应用

在防洪堤中应用的土工合成材料主要是土工织物枕、土工织物软体沉排、土工织物渗滤层和土工膜等，由于土工织物具有较高的抗拉强度，抗磨、耐酸碱和抗老化性能，无纺土工布具有较好的反滤功能，土工膜具有较好的防渗性能，因此在防洪堤工程中采用土工织物可提高防洪堤的整体稳定性，减小冲刷、管涌等水力破坏。如在防洪堤坡脚铺设土工织物枕或土工织物软体沉排，可有效防止堤脚发生侵蚀冲刷问题，在堤身内部铺设一层土工布，可以有效防止细小土颗粒在渗透力作用下运移，在坡面或堤身内铺设一层土工膜，可以大大减小堤身的渗透性。

4　成功案例

针对防洪堤下部软基问题，下面举几个国内防洪堤软基处理较为成功的案例。

a.高压旋喷桩处理防洪堤软基。在广东省河源市源城区防洪堤工程中，为了加固地基、减少渗透性，采用高压旋喷桩对地基进行了加固。设计桩径为1.20m，桩距为3m，采用梅花形布桩，桩长10～16m不等，下部位于微风化岩上，入岩深度为50cm，桩体强度在28d龄期时达到2MPa，单桩承载力要求大于1000kN。工程完工后，经对防洪堤垂直沉降和水平位移观测均符合规范要求，加固效果良好，并取得了显著的经济效益[2]。

b.水泥搅拌桩能够明显提高软基承载力、减小沉降量。在温州市永嘉县防洪堤[3]、九江市堤防[4]和东江堤防[5]等工程中均采用了水泥搅拌桩复合地基，原地基经加固后，加固土体的强度大大提高，堤防整体抗滑稳定性也能够提高。

c.福建省闽江防洪工程福州段(一期)防洪堤软基采用塑料排水板进行处理，塑料排水板呈梅花形布置，间距为1.20m[6]。

d.衢州市衢江区棠村段防洪堤堤身及堤后低洼地面多处渗水，且渗流量较大，严重影响到堤身的安全稳定，为此采用高压摆喷灌浆技术沿堤身的纵向轴线进行防渗加固处理，灌浆材料为水泥浆，设计灌浆平均深度9.0～10.0m，经灌浆处理后，防洪堤体渗漏处未见管涌、渗流等现象，防渗效果良好[7]。

e.福建省晋东防洪堤的坡面采用生态绿色混凝土进行护坡施工，在迎水坡采用C25混凝土框架梁和现浇生态混凝土结构型式。坡面上事先铺设了一层营养无纺复合土工布，然后浇筑C25混凝土框架梁，框架内浇筑了16cm厚度的生态混凝土，也称为无砂混凝土。在混凝土中加入盐碱改良剂，用以中和混凝土的盐碱度。施工中对混凝土不进行振捣，只用钉耙整平即可。生态混凝土留有一定的孔隙率，植物根系可穿过混凝土，在土工布中汲取营养和水分，该生态绿化混凝土解决了传统刚性混凝土板块大面积防护、面板上寸草不生的问题，维持了河道原有生态链条的平衡。

f.辽宁省丹东市马市段防洪堤[8]，地基土主要为粉细砂、细砂，为中等透水性，易发生管涌，在2010年8月10日晚，洪水引发防洪堤多处管涌，为此在坡面处铺设一层土工膜进行防渗，土工膜沿坡面铺设到设计水位，护脚以下垂直铺设6.0m宽度，并在堤内进行了高压摆喷灌浆处理，处理后防洪堤安全性大大提高。

5　结　语

防洪堤工程关乎沿岸人民生命财产的安全，是关系民生的重要工程。本文针对防洪堤在运行期间可能出现的安全问题进行探讨，分析产生破坏的常见类型和形成原因，结合国内一些治理措施案例，讨论避免出现安全问题的一些对策。防洪堤的安全运行，从开始的设计施工到后期的维护维修等运行管理，每个环节都非常重要，维护防洪堤的安全运行，是每位水利工作者的责任。

[1]李少军.防洪堤坡脚防冲解决工程措施分析——以萨迦县城区防洪堤维修加固工程为例[J].中国水运，2014(10)：181-182.

[2]罗沪文，张华.高压旋喷桩在防洪堤基础工程中的应用[J].南昌工程学院学报，2009(3)：74-78.

[3]方子杰.水泥搅拌桩在温州市永嘉县防洪堤地基加固中的应用[J].岩土工程界，2005(1)：60-62.

[4]黄建和.水泥土搅拌桩在九江市堤防基础处理中的应用[J].人民长江，2001(2)：11-12.

[5]胡涛，陈晓，金德钢.水泥搅拌桩在东江堤防基础处理中的应用[J].北京电力高等专科学校学报(自然科学版)，2012(29)：29-30.

[6]周婉真.闽江防洪堤软土地基塑料排水板加固施工技术[J].广西水利水电，2015(3)：44-47.

[7]金爱妹.高压摆喷灌浆技术在防渗工程中的应用——以衢州市衢江区棠村段防洪堤为例[J].浙江水利科技，2013(3)：90-92.

[8]戴晶.马市防洪堤透水地基防渗的技术措施[J].城市道桥与防洪，2013(8)：177-178.