宋埠堤防渗加固设计方案分析

彭 力

（江西省赣西土木工程勘测设计院设计分院,江西 宜春 336000）

1 工程概况

宋埠堤隶属宜春市奉新县和南昌市安义县共同管辖,位于潦河中上游之右岸,堤线起自奉新县的郑家洲村,沿潦河西下,至安义县上堡村高地,总长19.70 km。其中桩号0+000~6+050、9+400~13+650为奉新县管辖,桩号6+050~9+400、13+650~19+700为安义县管辖。工程实施对象为对宋埠堤奉新县管辖范围内桩号1+900~6+050、9+400~13+650 段进行除险加固设计,桩号0+000~1+900 段于2007 年已经进行了应急加固处理。

2 工程地质概况

堤身填土主要取自堤内、外两侧地表土,以壤土、粉质粘土及砂类土为主,夹有薄层砂壤土、细砂等。其中桩号4+080~4+400、5+550~6+680、7+510~8+650、9+700~10+000、12+460~12+960、13+440~14+440堤段堤身主要由中细砂、中粗砂、局部为壤土、砂壤土夹中砂组成,具中等透水性,堤身防渗及稳定性较差。

桩号1+900~3+480、4+200~6+050、9+645~13+650堤基表层为薄层粘性土（或砂性土）,下部为厚层砂性土,在汛期外河高水位的影响下,形成较高的水头压力,地下水易顶破薄弱铺盖（或无铺盖）地段涌出,形成管涌或泡泉,从而产生渗透破坏。

堤防内侧由于取土筑堤,分布众多长条状沟渠、渊塘,致使堤内粘性土盖层有效厚度变薄,在持续高水位条件下,江水势必沿渗流途径较短、盖层较薄弱处产生渗透破坏,汛期有多处堤段出现渗漏及渗透稳定问题。

3 渗流稳定分析

3.1 加固前渗流计算分析

宋埠堤现状主要险段均无任何渗流观测资料,本次渗流安全分析以地质勘探成果和运行管理中出现的问题为基础,结合施工回忆等有关资料,采用有限元法进行渗流安全分析评价。

（1）计算断面的确定

根据宋埠堤险段地质剖面图中堤身堤基的地质情况,本次渗流计算选取5 处具有代表性的断面作为典型断面进行分析。选取这些断面进行的计算结果基本能反映出宋埠堤险段实际运行状态。

（2）渗透指标的确定

本次计算断面的渗流分析以我院近期室内外土工试验成果为基础,综合施工回忆及运行期出现的问题后确定。断面分区的渗流系数是综合考虑本次地质勘察资料的室内外土工试验成果,采用地勘建议值。

典型断面分区的渗透系数取值见表1。

表1 加固前断面渗透分区表

（3）渗透稳定计算

1）计算模型及程序说明

对于符合达西定律二向均匀、各向同性土体的渗流,当土体完全固结时,水头函数符合拉普斯方程式：

与之相应的定解条件为：

初始条件：hi=0=h（x,z,t）

边界条件：水头边界hi=tl=h（x,z,t）

本次渗流理论计算分析采用水利部水电规划设计总院组织评审通过的北京理正软件设计研究院（WWW.Lizheng·com·cn）编制的土石坝三维渗流计算软件（3.2 版）［1］。软件编撰依据为《堤防工程设计规范》（GB 50286-1998）、《渗流数值计算与程序说明》（毛昶熙等主编、河海大学出版社、1999.01）、《有限元法原理与应用》（第二版、朱伯芳编著、中国水利水电出版社、1998.10）等。软件采用Windws9 x（2000）软件环境,界面友善、操件简单直观、输入动态显示、自动成图。软件适用于饱和土和非饱和土理论,适用于不规则边界和各向同性（或各向导性）渗流场,能有效解决各种堤坝复杂渗流状况的稳定渗流分析问题,又可用来研究水库水位上升、下降情况下的非稳定渗流状态。

2）荷载组合

根据规范《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）结合本工程实际情况,渗流分析计算考虑上游设计洪水与下游相应的最高水位组合情况。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=5%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）。

3）计算堤坡允许渗流坡降值：

式中：Jc为堤坡出逸临界渗透坡降；γ1＇为土料浮容重,γ1＇=9.8；γ为水容重,γ=9.81；φ为土料内摩擦角；β为下游堤坡坡角；C为土料凝聚力。

在渗透出口处土料的凝聚力远小于试验所得的数值,根据经验,可取试验值的1/3~1/4。

各典型断面允许坡降计算值见表2。

表2 各典型断面允许坡降计算值

（4）渗流计算结果分析

按上述工况组合进行计算,各典型断面渗透坡降值及单宽流量值见表3。

表3 加固前各典型断面计算渗透坡降及单宽流量值表

1）整体安全性分析

根据各典型断面有限元法计算分析,稳定渗流期渗流性态符合均质堤防渗流场分布规律。

2）局部渗透分析

根据地勘资料,堤基各土层允许渗透坡降［J］见表4。

表4 堤基各土层允许渗透坡降建议值

由表3可以看出,在设计洪水期的稳定渗流期,在典型断面桩号1+904、3+000 堤身堤基渗透坡降均小于设计允许值,可不进行防渗处理。桩号3+900、4+800、11+190 堤基最大水平渗透坡降均大于允许渗透坡降；在实际运行中各险段堤身堤基已出现不同程度的渗漏、堤坡散浸等险情,这是由于局部堤身单薄、堤基覆盖层太薄或基本缺失所致。本次加固应对险情段分别进行堤身堤基防渗处理。

3.2 加固前堤坡稳定计算分析

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10。

表5 桩号1+904加固前各典型断面稳定计算参数指标表

表6 桩号3+000加固前各典型断面稳定计算参数指标表

表10 加固前各典型断面堤坡稳定计算成果表

表7 桩号3+900加固前各典型断面稳定计算参数指标表

表8 桩号4+800加固前各典型断面稳定计算参数指标表

表9 桩号11+190加固前各典型断面稳定计算参数指标表

根据规范规定,正常运用条件下5级堤防抗滑稳定系数Kc≥1.10,由表10可知,各典型断面安全系数值均大于允许值,现状堤坡稳定满足设计要求。

4 防渗加固设计

4.1 堤身防渗加固设计

因桩号4+000~4+400、5+550~6+050两段于2010年已进行应急加固设计,采用深层搅拌桩堤身防渗处理,现已施工完成,故本次不再重复列项。桩号9+700~10+000、12+450~13+000、13+400~13+650堤段结合本次设计断面培厚,该三段堤身防渗采用粘土防渗斜墙方案［2］,设计总长1100 m。

堤身粘土防渗斜墙布置在迎水坡,斜墙顶高程为设计洪水位以上0.5 m,水平顶宽不小于3.0 m,下部截渗槽底宽不小于3.0 m,开挖边坡1∶1,伸入堤基覆盖层内不小于1.0 m。斜墙外坡坡比设计1∶2.5。堤身粘土防渗斜墙设计渗透系数K1≤1×10-5cm/s,压实度 ≥0.91。

4.2 堤基防渗加固设计

1）堤基防渗方案比选

桩号10+480~10+600、11+150~12+550河滩较窄且枯水位较低可采用临水侧粘土防渗方案（粘土截渗槽）与填土压浸两方案比较。具体见表11。

表11 桩号11+150~12+550两种方案主要工程量及造价比较表

由表11可以看出, 方案I造价远低于方案II,且方案II征地困难影响施工进度,故本次设计桩号10+480~10+600、11+150~12+550段选取粘土截渗槽方案。

2）临水侧堤基粘土防渗方案（粘土截渗槽）设计

堤基粘土截渗槽布置在岸坡,顶高程平岸坡顶高程且保证河滩地有效防渗覆盖层厚不小于1.5 m,水平顶宽不小于3.0 m,下部截渗槽底宽不小于3.0 m,开挖边坡1∶1.5,截渗槽底高程伸至堤基基岩面。外坡坡比设计1∶2.5。粘土截渗槽设计渗透系数K1≤1×10-5cm/s,压实度 ≥0.91。

4.3 加固后渗流分析计算

堤身堤基加固后渗流稳定计算原理方法,计算工况、计算断面同加固前,因本次加固新建土堤,故加固后增加新建土堤段典型断面。经加固前渗流计算桩号1+904、3+000 堤身、堤基渗透坡降均满足要求,本次未进行加固,不再进行计算。具体计算断面各土层渗透计算参数表及稳定计算参数指标表见表12、表13,各典型断面渗透坡降值及单宽流量值见表14。计算结果表明,加固后各典型断面各出逸坡降Jmax＜J允,堤身、堤基渗透稳定计算成果满足规范要求。

表12 加固后典型断面渗透分区表

表13 加固后典型断面稳定计算参数指标表

表14 加固后各典型断面计算渗透坡降及单宽流量值表

4.4 加固后堤坡稳定计算

堤坡稳定计算原理方法,计算工况、计算参数同加固前,采用典型断面桩号9+600进行计算。根据设计要求及圩堤险情情况,上下游堤坡拟定1∶2.5进行计算,堤坡稳定计算成果见表15。

表15 加固后各典型断面堤坡稳定计算成果表

由表15得,新建土堤稳定计算成果满足规范要求。

5 结语

宋埠堤堤身、堤基防渗加固设计采用粘土斜墙结合粘土截水槽方案,设计方案合理,加固措施有效、经济、安全,工程实施后,宋埠堤能防御潦河10年一遇洪水,保证堤内的防洪安全,为堤内提供安定的生产、生活环境,促进堤内的经济发展。