堤防防洪补救措施分析

欧阳院平，谢桥军，周 丹，岳红艳

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 武汉430010；2.长江水利委员会长江科学院， 武汉430010）

对于沿江沿河的城市， 随着城市不断扩张及发展，越来越多的桥梁、隧道、市政管网等工程建设项目下穿或上跨堤防，造成堤防的损坏，对堤防的行洪能力及防洪安全产生了较大影响［1］。 根据《长江水利委员会行政审批项目水影响论证报告编制大纲》《湖北省河道管理实施办法》，河流管理范围内的建设项目应对建设项目的总体布局、规划、建设规模、相关设计、施工组织设计等提出调整意见，并提出有关补救措施，补救措施应纳入项目设计中，且应获得项目原审批单位的认可。

本文通过总结隧道、桥梁等工程建设项目项目下穿或跨越堤防防洪补救措施等工作设计经验，对于堤防防洪补救措施专项设计中的堤防开挖恢复、防渗处理、堤坡防护、钻孔封堵等常用工程措施提出了相关建议实施措施，指出在做防洪补救措施专项设计时应注意对堤防渗流和堤岸稳定性进行计算分析，同时需做好堤防施工期及运行期的安全监测工作，以提高保障堤防的防洪安全，为类似工程提供借鉴。

1 防洪补救措施

堤防防洪补救措施根据不同工程对堤防造成的影响而会采取不同的防洪补救措施， 具体包括堤防的开挖与恢复、防渗处理、堤坡防护、钻孔封堵和土方回填等。防洪补救措施的工程实施，其施工期尽量安排在非汛期枯水期进行， 施工期做好堤防边坡的排水措施，防止边坡积水影响堤防稳定。

1.1 堤防的开挖与恢复

部分工程例如轨道交通工程， 建设项目可能临近堤防或位于堤防处，由于工程建设的需要，需对现有堤防进行开挖施工， 后期再按原轴线恢复重建堤防。堤防的开挖与恢复质量关乎着堤防的使用寿命，与人民的生命财产安全密切相关［2］。 本文结合工程实践经验， 对堤防开挖与恢复提出一些工程措施及相关注意事项。

1.1.1 堤防开挖

对于堤身的开挖设计，需对基坑支护形式、地表水地下水处理措施及工程结构计算分析3方面进行设计研究， 保障堤防开挖过程中堤防及工程项目建设的安全。

基坑支护设计的各种安全指标需严格控制，数据要准确，需对将要开挖堤身附近的地质条件、周边建构筑物做详细的勘察，资料需详实。对于支护结构的分析计算，需按施工和使用两个阶段来考虑。对于施工阶段，分析原则为“先变形、后支撑”，围护结构内力计算需要模拟施工开挖和支撑全过程分工况进行结构计算。基坑开挖过程中，如果出现和原设计地质等资料情况不同时，需及时反馈，相应的基坑支护设计重新按照现场情况做出对应的调整， 保障堤防工程开挖时周边及基坑安全。

堤身开挖需处理好地表水及地下水， 做好防水和止水工程，确保开挖过程的安全。堤身开挖需安排在非汛期，对于长江河段，汛期一般在每年的5～9月，非汛期为10～4月。为做好基坑周边的防水，支护结构需设计相应严格的防水措施， 对于支护桩需做好桩间止水，可采用TRD落底止水帷幕等；对于地下连续墙需做好其接缝处的止水，在其接缝处施做旋喷桩。在支护结构开挖期间采用坑内布置深井降水井，确保地下承压水位位于开挖面以下2.0m。 为了拦截地表水， 需沿基坑围护顶部设置截水沟来防止基坑外侧的地表水进入基坑。

1.1.2 堤防恢复

对于堤防恢复的原则是按原堤的现状进行恢复，因地制宜。恢复堤防设计标准按照原堤防设计标准执行， 恢复堤防顶部高程与现状堤防顶部高程保持一致，堤内、堤外的坡度均与上下游端现状堤坡保持一致，上下游端分别与现状堤顶平顺衔接。

恢复的堤防仍为均质土堤， 根据GB50286—2013《堤防工程设计规范》［3］要求及工程经验，对于堤防恢复的要求可建议按下列规定：堤身回填、填筑的土体应选用黏性土；土料塑性指数IP=10～20，黏粒含量15%～30%； 回填土压实度可根据堤防等级及堤身高度对应规范要求确定，一般建议不小于0.95；渗透系数K≤1×10-5～1×10-6cm/s；堤身与结构顶板、围护结构结合时， 填土前须采用钢丝刷等工具将填土范围内主体结构顶板清洗干净，在开始回填前，首先将其表面撒水弄湿，并且边涂刷浓泥浆、边铺土夯实；回填土采用人工压实时，分层厚度不大于20cm，回填土采用机械压实时，分层厚度不大于30cm；回填过程中，边铺土、边压实，土料的铺料与压实应连续进行，并控制好含水量， 回填土的具体碾压分层厚度及碾压遍数等参数应通过现场碾压试验确定。

恢复堤防与老堤防的衔接设计是确保堤防安全稳定的重要节点，可根据工程特点，首先凿除堤身表面（堤顶、堤坡、护堤等）以下1m以内的基坑支护结构（如地下连续墙、挡墙等），再按新老堤防斜坡搭接的方式衔接。针对新老堤防搭接段，需对既有堤防衔接的堤身坡面地基进行清基，将表面的各种杂草、腐殖质、建筑垃圾等杂质清理干净，堤身坡面清基厚度不小于15cm。 新筑堤防与现状堤防搭接坡比≥1∶3，结合部位表面打坎，坎高0.25m。 新筑堤防与现状地面衔接的坡度不应大于1∶5，当现状地面大于1∶5时应采用人工或机械削坡至1∶5，以便堤防与现状堤防顺接。

考虑到堤防恢复建成后， 临近基坑外的堤防将在基坑变形的情况下出现地层变形， 从而导致基坑和周边出现一定的沉降差， 容易造成结合面出现裂缝，发生渗漏险情，因此必须采取措施进行加固。 可在填筑完成后， 采用充填灌浆的方式对基坑外一定区域进行加固处理，以便密实土体，处理平面范围为基坑两侧各10m。 在现有堤顶进行充填灌浆，平面布置为梅花型，1.0m×1.0m， 加固深度可设置为地表至基底以下3m。

1.2 防渗处理

防洪补救措施中，关于防渗处理，主要针对工程建设项目的修建对堤防渗透稳定产生了一定影响，需要采取一定的防渗加固措施。堤防发生滑坡、裂缝或者渗漏等现象， 大都是由于堤防工程防渗措施不足或不到位造成的［4］，堤防需高度重视防渗处理。 其中防渗处理包括堤身防渗处理、 临近堤防的桥墩周边防渗处理、临近堤防的基坑周边防渗处理等，本文针对堤身防渗、桥墩周边防渗、基坑周边防渗，提出一些相关建议和措施，为类似工程提供参考。

1.2.1 堤身防渗

建设项目穿越或跨越堤防会对堤防防渗有一定影响， 为确保永久运行安全， 可对堤身进行防渗处理， 处理范围可设置为穿越或跨越处上游100m及下游100m范围内的堤防采取防渗处理。 堤身防渗可采用水泥土搅拌桩防渗墙等［5］，即从堤顶采用水泥土搅拌桩成墙，防渗墙深度一般可设置15～20m，根据堤防渗流计算确定最终具体防渗墙深度， 需保证设置防渗墙后， 各种工况下渗流出逸比降均应小于允许出逸比降。

1.2.2 桥墩周边防渗

对于临近堤防的桥墩，属于堤防管理范围，桥墩基坑施工时，若回填土时桩土结合质量不好，堤防堤基可能产生接触渗流破坏［6］。 为减小桥墩桩基施工对堤防防渗的不利影响， 需对近堤段桥墩承台基础采取局部防渗处理措施。

根据工程区域平面测量资料及桥墩承台基础设计图， 为加强堤防临河侧桥墩承台及桩基周边土体的有效结合，加强桩基周边土体抗渗性，本文提出一种临河侧桥墩基础的防渗设计方案供参考，具体图1。

图1 桥墩基础周边防渗设计

防渗处理方案设计可拟在桥墩承台基础施工后，先将桥墩承台周边6m、深1m范围内建筑垃圾和素填土等挖除（临时边坡按1∶1.0放坡开挖），然后对该区域范围内进行锥探灌浆， 灌浆深度暂按进入下部黏性土（黏土、粉土、粉质黏土）地层2m且不小于6m考虑，孔距1m，排距1m，梅花形布孔。

灌浆完成后在承台顶部及周边铺设一层土工膜（两布一膜，300g/0.5mm/300g， 垂直渗透系数10-12cm/s）。土工膜与承台搭接宽度不小于1m， 膜与承台搭接部位采用建筑胶水粘贴。 土工膜铺设范围为各承台周边外延5m范围，两膜搭接部位需重叠50cm。

灌浆及铺膜工程完成后清理施工建筑垃圾，用塑性指数IP≥17的黏土覆盖土工膜作为保护层，保护层厚度0.5m，并将土体充分碾压密实，压实度不得小于0.92。 在黏土保护层上采用厚50cm浆砌石防止水流冲刷，护面块石粒径30cm左右，天然抗压强度不小于30MPa，软化系数不小于0.85。

1.2.3 基坑周边防渗

建设项目临近堤防进行基坑开挖， 需对基坑周边的进行防渗处理，具体可分为基坑支护结构防渗、地下水处理及基坑周边顶面防渗封闭处理。 临近堤防的基坑，考虑对支护结构防渗性能要求高、刚度要求大，建议采用地下连续墙支护结构。

1.2.3.1 基坑支护结构防渗

对于采用地下连续墙的基坑， 为了减小地下连续墙墙幅接缝处渗水对基坑及堤防的稳定性造成影响，可以在地下连续墙墙幅接缝处基坑外侧施作3根相互咬合的φ800旋喷桩（旋喷桩自冠梁底起至岩层以下1m左右）。

1.2.3.2 地下水处理措施

地下连续墙进入下部不透水的地层， 坑内设置疏干减压降水井。 基坑降水深度应控制在坑底以下2.0m，必须保证降水效果。 降水严禁扰动岩溶水，降水设计要充分考虑降水对地下管线、 基坑围护结构与地面建筑的影响。

1.2.3.3 基坑周边顶面防渗封闭处理

为确保地下结构周边防渗体系的封闭， 整个结构地面以下1m范围以内的地下连续墙冠梁需凿除，墙两侧各扩挖1m，采用黏土回填并压实，如图2。

图2 地连墙顶部防渗处理

1.2.3.4 降水井观测

在基坑开挖前需严格按照国家相关规范要求进行地连墙质量检测。 地连墙施工过程中易出现墙缝渗漏水、地连墙塌槽等问题，因此基坑开挖前需对连续墙接缝进行必要的处理后方可开挖施工。 建议在基坑围护结构内侧加密降水井布置， 在基坑外侧布置一定数量的水位观测井， 同时需在堤防堤脚附近设置水位观测井，随时观测地下水位。

1.3 钻孔封堵

1.3.1 钻孔封堵情况概况

钻孔有注浆加固钻孔、勘探钻孔、降水井钻孔等，钻孔可以对土体进行加固地基处理，可以做工程勘察获取工程地质信息，在工程实施过程中钻孔应用非常广泛。钻孔的封堵回填是钻探及钻孔过程中的最后一个重要步骤。 GB50021—2001《岩土工程勘察规范》［7］（2009年版）规定钻孔应在完工后做好回填工作，JGJ/T87—2012《建筑工程地质勘探与取样技术规程》［8］规定钻孔、探槽、探井、探洞等勘探钻探工作完成之后，需依据工程要求选取适宜的工程材料分层回填，《湖北省河道管理范围内钻探及钻孔封堵管理规定》也明确规定在河道管理范围内钻探及钻孔应认真做好钻孔封堵工作，确保防洪安全。因此，做好钻孔的封堵回填工作，是工程本身的需要和要求。 如果不能对钻孔回填，对于堤防而言，易在堤防周边形成水力通道，发生管涌，存在发生渗流的安全隐患。 为保证钻孔在后期不发生突泥、突水、涌沙，保障堤防的安全［9］，对钻孔封堵回填是非常必要且重要的。

1.3.2 钻孔封堵回填

依据《湖北省河道管理范围内钻探及钻孔封堵管理规定》《建筑工程地质勘探与取样技术规程》相关要求，工程项目钻探及钻孔完成后，应根据工程项目性质和地质条件，采用适宜的材料进行分层回填，回填材料可选用黏土球、膨润土（4∶1）制成的浆液或水泥浆、水泥砂浆、素混凝土及灰土、素土。

对于拟建工程的钻孔封堵， 封堵材料应根据地层土质，按照“取沙还沙、取土还土”的原则确定。 对于较浅的土质钻探及钻孔可以就近采取素土分段分层封堵回填且夯实； 对于基坑工程的钻探孔可考虑采用黏土球及水泥浆进行回填； 临近堤防的钻探及钻孔应采用干黏土球回填，并边回填边夯实，回填土的密实度不应小于天然土层，如果砂层夹在土层中，砂层也应该用风干的黏土球回填； 带有套管护壁的钻探钻孔，需边起拔套管、边回填；对注浆钻孔、降水井钻孔及隔水有特殊要求时，用水泥砂浆液或4∶1水泥、膨润土浆液采用泥浆泵从钻孔底部向上灌注回填。

钻孔封堵应在钻孔完后当天及时封堵， 且需当天封完。 封堵孔时，应随时记录封堵孔的深度，如果发现钻孔封堵架空、密实度不够、堵塞的现象，需尽快查明原因，并及时改正。对于堤防钻孔封堵需落实责任制，做好全过程质量控制。 钻孔封堵完成，钻孔封堵单位和建设单位应对钻孔封堵质量进行自检自查。 相关行政单位应当及时组织封孔质量检查与验收。建议在孔口设置混凝土标记桩，以便汛期观察，同时在标记桩上写明孔号、孔深及相关负责单位等。

2 堤防渗流和稳定性分析

通过对堤防管理范围内的工程进行防渗处理、堤坡防护、勘探钻孔封堵、土方回填等防洪补救措施设计后， 需对拟建工程近堤防段的堤防渗流和稳定性进行计算分析。保障堤防渗透稳定性满足规范要求，渗透比降小于允许渗透比降， 不危及堤防的渗透稳定性［10］，同时确保抗滑稳定安全系数满足规范要求［11-12］。

2.1 堤防渗透稳定计算分析

2.1.1 渗流计算模型

计算模型采用准三维非均质饱和稳定渗流模型进行建模，其基本方程为：

式中 H为水头；kx，ky，kz分别为x，y，z方向的渗透系数。

对于堤防工程， 上游水位边界和下游水位边界为第一类边界条件（水头边界HΓ1=H），在不考虑降雨入渗的情况下稳定渗流的自由面为第二类边界条件（流量q=0）。

2.1.2 计算工况及安全系数要求

渗流计算的主要目的是评价穿堤或近堤隧道工程对堤防渗透稳定的影响，因此计算方案计算工况为防洪设计水位条件下工程实施前天然状态渗流场分布和工程实施后渗流场的变化，其中需注意对于工程实施后工况需考虑防洪补救措施的影响，对于基坑比较大、工期长的工程还需考虑施工开挖期的渗透稳定性。工程后对渗流的影响反应在计算单元的渗透系数变化上，渗透系数变化需考虑局部开挖回填土层的改变，还是考虑防洪补救措施对土层的影响。

对于堤防的允许比降，采用GB50286—2013《堤防工程设计规范》要求，无试验资料时，对于渗流出口无滤层的情况，无黏性土的允许水力比降按表1选用，特别重要的堤段，其允许水力比降应根据试验的临界比降确定。

表1 无黏性土渗流出口的允许水力比降

2.1.3 工程实例

对某临近堤防的拟建工程进行堤防渗透稳定计算分析， 计算方案模拟了设计水位条件下工程实施前天然状态渗流场分布和工程实施后（已做防洪补救措施）渗流场的变化，计算方案如表2。

表2 堤防渗流计算方案

采用2.1.1节计算方法， 得出了堤身下游坡脚的出逸比降如表3。

表3 堤防渗流计算成果

通过计算得出， 工程修建前后堤脚出逸点高程或渗透比降变化值较小， 且渗透比降小于允许渗透比降，不会危及堤防的渗透稳定性。施工期开挖后堤防断面及基坑底面渗透比降小于允许渗透比降，不会危及堤防的渗透稳定性。

2.2 堤岸稳定计算分析

2.2.1 计算要点

堤岸边坡稳定分析主要计算分析拟建工程修建前、后的堤坡和岸坡的抗滑稳定性。

根据GB50286—2013 《堤防工程设计规范》，土堤抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动计算法， 计算时参数取值符合如下规定：

（1）静力计算时，地震惯性力应等于零。

（2）施工期用总应力法计算。

（3）稳定渗流期用有效应力法计算。

（4）水位降落期用总应力法计算。

根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》选取拟建工程所处岸坡稳定分析计算工况：①防洪设计水位下，形成稳定渗流条件下，背水堤坡的稳定；②防洪设计洪水骤降3m时条件下时，迎水堤坡的稳定；③在枯水位条件下，形成稳定渗流条件时，迎水堤坡的稳定。计算方案分工程兴建前的天然边坡和工程兴建后正常运行期的边坡状态两种对比方案，需要注意工程修建后为考虑进行防洪补救措施后施工已完成。

按GB 50286—2013《堤防工程设计规范》确定其边坡抗滑安全系数标准。 具体计算工况及对应的抗滑稳定要求的安全系数如表4。

表4 计算工况及要求的安全系数

2.2.2 工程实例

对某地铁工程穿越堤防的堤岸边坡进行抗滑稳定性分析， 本次计算堤岸边坡水位条件考虑设计洪水位、枯水位。 工程临近、穿越堤防所在的断面的设计洪水位28.42m、枯水位12.1m。 计算成果如图3，计算成果标如表5。

图3 穿越堤防计算断面堤岸边坡稳定分析成果

表5 堤岸边坡抗滑稳定计算成果

计算成果表明，拟建工程穿越堤防在各工况下，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3 结语

随着经济的快速发展， 城市不断扩张， 需要穿越、跨越堤防的桥梁、轨道交通、管道等基础设施越来越多，确保堤防的防洪安全，做好堤防的防洪补救措施是非常必要的。 本文通过对堤防防洪补救措施专项设计的分析总结，得出以下结论：

（1）为保证防洪安全，工程施工建议尽量安排在非汛期，并应制订施工期防洪应急预案。

（2）防洪补救措施中的防渗处理，应结合工程特点、地质地形和渗透破坏形式等因素，合理地选择防渗处理措施。

（3）工程在堤防管理范围内钻探及钻孔完成后应对其进行封堵回填， 应结合工程性质选择合适的钻孔回填材料、方式及方法。钻孔封堵回填是隐蔽工程，建议施工完成后严格验收，同时完整规范地记录并且留存记录，建议落实责任制，做好全过程质量管理。

（4）注重堤防的渗透稳定性及堤岸边坡稳定性计算分析，全面考虑各类计算工况，其中需注意复核考虑防洪补救措施后的工况，确保堤防的安全。