五星圩堤渗流稳定分析及防渗加固设计

沈福云，沈葵花，沈国锋，沈嘉宝

(1.江西省赣西土木工程勘测设计院设计分院，江西 宜春 336000；2.江西省宜春市土木工程总承包有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概况

五星圩地处新建区联圩镇境内，属赣江下游鄱阳湖尾闾区，位于赣江北支分叉口，北临官港河，南临三佬官河，西临赣江北支，东临成新农场，全长12.76 km。

五星圩堤身填筑土主要为冲湖积成因的壤土为主，夹少量黏土，填筑质量差，具中等透水性，实际运行过程中桩号0+000～4+730段在高水位时存在渗漏现象。

桩号3+600～4+730堤基表层为中细砂，中部为黏性土，下部为粗粒土，存在堤基渗漏及渗透稳定问题。其余堤段地基表层为壤土，堤内多为开挖取土形成的池塘，破坏了上部壤土层的完整性及连续性，堤基易产生渗透破坏。

2 加固前渗流计算分析

2.1 计算断面的确定

根据五星圩险段及地质剖面图中堤身堤基的地质情况，本次渗流计算选取桩号2+200、4+000、7+400、10+600共4处具有代表性的断面作为典型断面进行分析。渗流分析计算考虑上游设计洪水与下游相应水位组合情况。

2.2 渗流计算结果分析

(1)整体安全性分析。根据各典型断面计算结果分析，稳定渗流期渗流性态符合均质堤防渗流场分布规律，但局部堤身、堤基存在渗透破坏险情。

(2)局部渗透分析。在设计洪水期的稳定渗流期，堤防基本满足渗透要求。但桩号2+200、4+000 堤身内浸润线位置较高，渗流从背水侧堤坡出逸，背水坡逸出段最大渗透坡降大于其允许值，且无出口保护，产生堤身渗透破坏。桩号4+000 堤段堤基表面最大水平渗透坡降大于其允许值，亦产生堤基渗透破坏。

在实际高水位运行中，桩号0+000～3+600段存在堤身渗漏破坏问题，桩号3+600～4+730段存在堤基渗漏破坏问题。

计算成果与现状险情情况基本吻合，主要原因是堤身填筑土以冲湖积成因的壤土为主，夹少量黏土，填筑质量差，具中等透水性，部分堤段由于取土筑堤或深挖池塘，导致堤脚壤土变薄，甚至缺失，破坏了堤基的天然铺盖。在汛期高水位作用下堤基很容易产生渗透破坏，形成泡泉，直接危及大堤安全。

2.3 加固前堤坡稳定计算分析

本次设计堤坡稳定计算选取相应渗流计算断面。计算工况为：

(1)设计水位下背水侧堤坡的稳定(稳定渗流期)，外河水位取P=10%的设计洪水位，堤内水位取内堤脚高程或堤脚池塘最高水位。

(2)设计洪水位降至堤脚时，迎水侧堤坡的稳定(非稳定渗流期)。

各典型断面堤坡稳定计算成果见表1。

表1 加固前各典型断面堤坡稳定计算成果

根据规范规定，正常运用条件下5级堤防抗滑稳定系数Kc≥1.1，由表1可知，迎水侧、背水侧堤坡安全系数均大于1.1，满足规范抗滑稳定要求。

综上所述，本次加固设计对0+000～3+600进行堤身防渗加固处理；对3+600～4+730进行堤身、堤基防渗加固处理。

3 防渗加固设计

3.1 堤身防渗加固设计

3.1.1 加固设计范围

根据实际运行险情情况及渗流稳定计算分析，桩号0+000～3+600段下游堤坡浸润线出逸点偏高，渗透坡降大于其允许值。本次加固设计拟对桩号0+000～3+600段进行堤身防渗处理。

3.1.2 堤身防渗加固设计方案

堤身防渗加固设计拟采用深层搅拌桩防渗墙结合堤身达标方案，防渗墙布置在堤顶，其孔轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，孔距0.40 m，墙顶高程为堤顶高程，墙底深入堤基覆盖层1.0 m，成墙厚度0.22 m，设计渗透系数K1≤1.0×10-5cm/s，设计抗压强度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200。堤身达标设计要求堤顶宽4.0 m，外边坡1∶2.5，内外边坡1∶2.5，堤顶高程为设计洪水位加超高1.5 m确定，堤身加高培厚填筑土料设计渗透系数K2≤1.0×10-4cm/s，设计干容重γ≥1.48 g/cm3，压实度δ≥0.9[1]。

3.1.3 深层搅拌桩防渗墙设计

(1)防渗墙钻孔布置。深层搅拌桩防渗墙钻孔布置在堤顶，布孔为单排，防渗墙轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，防渗墙墙顶高程为堤顶高程，底部伸入堤基覆盖层1.0 m。平面钻孔分两序布孔，同序孔距0.40 m，最终孔距0.20 m。

(2)机型选择。机型采用多头深层搅拌机，主机自重20T，主机外形尺寸为6.0 m×2.2 m×2.132 m(长×宽×高)，额定功率为75 kW，钻头直径为35～45 cm[2]。

(3)防渗墙设计指标。渗透系数K≤1.0×10-5cm/s；墙体厚度：T=0.22 m；墙体深度：满足堤身防渗要求，且经济合理，便于施工，设计墙底伸入堤基覆盖层1.0 m[3]。

(4)主要材料和水灰比。主要材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，每平方米防渗墙，水泥用量为88.1 kg(即水泥渗入比15%);喷射水泥浆液水灰比为：1∶0.548[4]。

3.2 堤身、堤基防渗加固设计

根据实际运行情况和渗流计算成果，桩号3+600～4+730堤段下游堤坡浸润线出逸点偏高，堤身渗透坡降大于其允许值，堤基表面最大水平渗透坡大于其允许值，堤身、堤基产生渗透破坏问题。本次加固设计拟对桩号3+600～4+730堤段进行堤身、堤基防渗处理。

(1)方案比选。根据本工程的地质情况及类似工程经验，选取三种对堤身、堤基防渗效果较好的方案进行比较：射水法造混凝土防渗墙，堤身深层搅拌桩防渗墙结合堤后压浸台，堤身、堤基深层搅拌桩防渗墙。

方案Ⅰ：射水法造混凝土防渗墙方案[5]，防渗墙布置在堤顶，其轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，墙顶高程为堤顶高程，墙底深入壤土层1.0 m，成墙厚度0.22 m，设计渗透系数K1≤1.0×10-6cm/s，设计抗压强度≥3.0 MPa，孔斜率≤1/300。堤身达标设计要求堤顶宽4.0 m，外边坡1∶2.5，内外边坡1∶2.5，堤顶高程为设计洪水位加超高1.5 m确定，堤身加高培厚填筑土料设计渗透系数K2≤1.0×10-4cm/s，设计干容重γ≥1.48 g/cm3，压实度δ≥0.9。

方案Ⅱ：堤身深层搅拌桩防渗墙结合堤后压浸台方案，深层搅拌桩防渗墙布置在堤顶，布孔为单排，防渗墙轴线位于堤轴线上游1.0 m处，墙底深入中细砂层1.0 m，成墙厚度0.22 m，设计渗透系数K1<1.0×10-6cm/s，设计抗压强度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200；在下游堤脚处设压浸台，长20 m，厚2.5 m，压浸台要求采用K2>5.0×10-3cm/s透水性材料填筑。堤身的要求同方案Ⅰ。

方案Ⅲ：堤身、堤基深层搅拌桩防渗墙方案，深层搅拌桩防渗墙布置在堤顶，布孔为单排，防渗墙轴线位于堤轴线上游1.0 m处，墙底深入壤土层1.0 m，成墙厚度0.22 m，设计渗透系数K1<1.0×10-6cm/s，设计抗压强度≥0.3 MPa，孔斜率≤1/200。堤身的要求同方案Ⅰ。

(2)方案选取。三种方案加固处理工程量及造价见表2。

表2 三种方案工程量及造价比较表

由表2可看出，方案Ⅲ(深层搅拌桩防渗墙)比方案Ⅰ(射水法造混凝土防渗墙)可节省投资183.39万元，方案Ⅲ(深层搅拌桩防渗墙)比方案Ⅱ(堤身深层搅拌桩防渗墙结合堤后压浸台)可节省投资30.21万元，从防渗效果分析，三种方案均切实可行，从经济层面上考虑首选方案Ⅲ，故堤身、堤基防渗加固采用方案Ⅲ：堤身、堤基深层搅拌桩防渗墙方案。

(3)深层搅拌桩防渗墙设计。深层搅拌桩防渗墙钻孔布置在堤顶，布孔为单排，防渗墙轴线位于达标后的堤轴线上游1.0 m处，防渗墙墙顶高程为堤顶高程，墙底深入壤土层(相对不透水层)1.0 m。

3.3 加固后渗流稳定计算

堤身、堤基加固后各典型断面渗透坡降值及单宽流量值见表3。

由表4可以看出，在设计洪水位的稳定渗流期，各计算断面背水侧堤坡渗透坡降均小于允许渗透坡降，各计算断面堤基土层渗透坡降均小于允许渗透坡降(壤土J允=0.45，中细砂J允=0.20)，稳定渗流期渗流性态符合均质堤防渗流场分布规律，满足渗流稳定要求。

表3 加固后各典型断面渗透分区表

表4 加固后各典型断面计算渗透坡降及渗流量表

4 结 语

五星圩堤堤身、堤基防渗加固设计采用深层水泥搅拌桩方案，目前，该工程已竣工并投入运行，通过实际运行检测得出结论，深层水泥搅拌桩防渗效果良好，有效地解决了堤身、堤基渗漏问题。深层水泥搅拌桩具有工程造价低，施工技术简单等特点。五星圩堤身、堤基防渗加固设计方案选取合理，可为今后类似工程予以借鉴。