鄱阳湖区青山湖堤除险加固工程防渗加固技术的应用

曹永宏

（濂溪区水利局,江西 九江 332001）

0 引言

鄱阳湖处于江西省的北部,作为我国最大的淡水湖泊,涉及水系的全流域面积高达162225 km2,三面形成的冲积平原是长江中下游地区主要的商品粮生产基地。作为多条河流的汇集中心,在面临赣江与信江两大江,以及抚河、饶河和修河三大河的多重影响下,在洪水季节来临之际会形成一望无际的宽广水面,和枯水季形成强烈反差,存在高水湖泊低水河相的地理特征,在洪水和枯水相互交替的过程中沿湖堤岸的加固工程尤为重要。

青山湖位处九江东南部的濂溪区高垅乡,分布在庐山脚下东南面与鄱阳湖形成环抱,具有重要的地理意义[1]。

青山湖堤环青山湖西南而建,起于马家畈南侧通村道路,顺东南而下经王家湾村、于前湾东折转向东与青山连接,形成区内完整的防洪保护圈,现状堤线总长4.025 km。青山湖堤属鄱阳湖湖叉圩堤,该堤始建于1958 年,由当地群众自行挑筑而成,经逐年加高后达到现有规模,主要分为临河（白沙河）堤段长2.35 km（桩号0+000～2+350）,临湖（鄱阳湖）堤段长1.675 km（桩号2+350～4+025）。九八洪水过后,地方政府联合了党中央及有关部门协同制定了“移民建镇”等三十二字方针及统一部署。本次加固设计的青山湖堤线总长4.025 km,治理范围内圩堤属九江市濂溪区辖管,涉及高垅乡,圩区保护面积1.01 万亩,受益人口1.7万人,保护耕地0.82 万亩,绕城高速,青山湖水产厂以及公路、电讯等基础设施。主要建设内容有：加固整治圩堤总长4.025km。其中：临湖堤段长1.675 km、临河堤段长2.35 km。加固培厚堤防4.025 km,堤身防渗1.25 km,草皮护坡长4.025 km,砼预制块护坡4.025 km,内坡填塘压浸1.25 km,压重固脚1.22 km,新建堤顶砼防汛公路4.025 km,加固处理穿堤建筑物2 座。

1 鄱阳湖区青山湖堤除险加固工程防渗加固技术应用方法

1.1 设置湖堤除险加固强度指标

一般堤坝的设置主要是为在大量雨水的侵蚀下能够有较好的泄洪和抗洪能力,因此在设置指标前需要对施工的场地进行洪水范围大小的预测[2]。按照正常防洪运用的原则在坝体储存的洪水量以每20 年所遇的最大洪水量为标准,在数百年的降雨统计范围内排列出出险的次数和除险的雨水量。根据国内统一的加固防渗规范要求,加强的指标规划中最重要的环节就是在建筑坝体的顶高程的设定,在该指标中需要对安全运行要求和标准进行统一设定,防止在不同的坝体差内出现泄洪缺口。即在泄洪控住量小于500 m3/s时,坝体的洪水的储存量可以按照40 年一遇的指标核定；在泄洪控住量小于1000 m3/s时,坝体的洪水的储存量需按照100 年一遇的指标核定；在泄洪控住量超过1500 m3/s时,坝体的洪水的储存量需按照永久储存和挡水的指标进行核定,此时的坝体加固指标要设置在1000 年一遇的额定范围[3]。在泄洪的历史记录中找出最大值作为坝体顶部高程的锁定复核值,按照正常的蓄水和储存水位在现有运行条件下设置顶点超高,在每一次的设置指标中根据泄洪量的大小把控进行反推翻,多次核定后可以对坝顶的高程指标加以确定。

1.2 确定丰水期与枯水期水位

对每一个堤岸沿线的桩位设置好独立的加固防渗指标后,进行坝体沿岸等位线丰水期与枯水期的水位确定。根据鄱阳湖区域每年的防洪设计标准,在对保护耕作面积大于实际面积的前提下,对堤岸沿线的水位进行设计拟定,拟定类型分为洪水位和枯水位。丰水位是在泄洪标准下历年的最高水位,其中包括施工阶段的洪水位和抗洪阶段的洪水位,枯水位表示为常年雨期下的平均水流量沿线的水量,其最低水位线可以作为泄洪的最低标准[4]。对之前安置好的堤岸监测站口处统计出历年的实测最高洪水位,根据P-Ⅲ型曲线适量法对变化频率作出分析计算,以每个站口10 年一遇的洪水位进行排列,求得直线距离中最高的丰水期水位线。确定洪水位时要在正常的运用条件下对坝顶超高重新标定,以校正丰水期阶段坝顶的高程在加固指标之上超高。枯水期的确定标准是历年平均水位和平均流量的变化比值,在保证泄洪阶段的水位线不超过原有枯水期水量变化最大值条件下,可以将其最低水位线作为泄洪的水位线。

1.3 设计湖堤铺设高度

在历年丰水期和枯水期的水位变化规则中,找出最高水位和最低水位的等平线,从而确定出从施工年份开始往后延长10 年甚至15 年的水位数据,以此作为湖堤铺设高度的设定依据[5]。国内常用的坝体修筑方式以土石坝居多,在经过长时间的雨水冲刷后坝体表面会形成大小不一的断面创口,根据创口形状的不同可以得出该位置受雨水冲刷的受力面积和防渗等级。对不符合防渗等级的填土材料加以剔除,选择和铺盖河床表面的材料相一致的填土用料,保证两个材质之间不会产生缝隙,相互之间能够形成反滤的压实系数。在工程规定要求中对需要填筑铺盖的湖堤铺设前需进行河床表面的清理工作,放置杂乱的植物影响高度准确程度的填土基质,在严格执行反滤要求下对施工坝体的蓄水顶部高程中产生的裂缝塌坑加以覆盖,避免填土过程中渗透系数和强透层的指标相互混合[6]。根据勘察后的湖堤情况对已经存在渗漏情况的堤身进行标高加固,在存在的坝体裂缝中对横向和纵向的铺设高度分别处理。通过在坝体周围建立围护监测栏的渗透加压中心,对能够保持完整地基的铺设高度按照标准水位线的1.5 倍进行参考设计,如果相对坝体所承受的水位线不对等情况中以最高线为设计标准,防止高点渗漏。

1.4 划分防渗加固范围布置堤线

常规堤坝加固前需要对坝体存在的现阶段问题进行分析,找出每个沿岸坝体渗漏或者断面存在的相对风险,在选择加固技术前对能够不拆除直接修缮的坝体位置进行重新划分,减少施工过程的工作量。按照坝体延伸的水平方向对需要加固的范围进行划分标记,在坝体上游流经区域内将所需填筑的材料进行混合,直接和坝体的防渗连接点形成错位线[7]。针对坝体加固的不同指标在布置堤线过程中需满足两点要求：一坝体的地基在高压渗透条件下对下卧冲积层和稳定系数不能超过其允许的渗透坡降指数,渗流量的损失程度要小于允许损失的水量。二堤线整体铺设的填土渗透和稳定要求,在通过盖口的渗透坡指数下不能超过坡降顶点,在对渗出的流动水量在保持堤线不变形的基础上,对出口的透水稳定系数要求在下游流出的最低水流量大小指标下。根据上述布置要求在坝口处进行各个桩号的堤线布控,划定顺序从上游开始依次转向下游,需要注意的是在河段加宽地区,对填土渗漏水量的规定标准应是常规水量的二到三倍[8]。通过设置湖堤除险加固强度指标、确定丰水期与枯水期水位、设计湖堤铺设高度、划分防渗加固范围布置堤线完成湖堤除险加固技术的应用方法设计。

2 实验结果分析

2.1 实验准备

为验证本文方法能够在湖堤除险加固工程中具有实际的应用效果,进行实际的划分区域进行防渗加固技术的现场施工。本次实验选择的加固湖堤为鄱阳湖区青山湖堤,在长时间的运行中出现了堤身过薄和高程下降的问题,针对存在的主要问题进行局部的修复工作,防止汛期出现渗漏和滑坡的风险。在实验开始前对整个需要修建的湖堤进行排查,检测需要改造的整体堤线全长为4.025 km,两侧堤身中明显存在断面,原有加固的堤顶高程不满足抗洪要求均由土堤构成。在保证实验区内的标准施工要求下,选择鄱阳湖区青山湖中现存的断面湖堤作为实验对象,对坝体存在的安全隐患加以去除,使之符合标准抗洪防旱标准,选取的堤段数据见表1。

表1 实验选取堤段数据样本

根据表1 中内容可知将选取的堤线,按照沿河和沿湖的不同走向分为两个组成部分,每个部分中设置的桩号包含40 个定位测试点,在每组中按照等距离长度将每条堤线划分成4 组,每组包括8 个相邻桩号。应用防渗加固技术进行除险加固施工,整个施工过程预计在10 天之内完成,主要工程建设目标为：在维持原有工程布局中对各个堤口的具体问题进行排查,完成清除隐患和加固护堤的主要任务,采用因地制宜的方法对湖堤两岸的坝身进行加固,起始日期为2021 年3 月1 日。

2.2 防渗加固技术应用过程

在对选取的样本堤段进行排查后发现,在青山湖两侧堤线目前主要存在的问题有以下几点：

（1）堤身两侧的主要加固方式为粉质壤土,以黄褐色的少量细沙粉混合黏土构造而成,整体填土状态略松散,在河外水位超出标高时会发生滑坡危险。

（2）左侧以临河为主的堤段断面呈现不规则变化,护坡的断面宽度大于坡度最低比值,夹层中间的沙土在雨水冲刷下存在渗漏。

（3）湖面附近的堤面在外围高度增加了鹅卵石铺设造成断面主体积水和存水现象,产生的雨淋沟较深常出现散浸现象。

针对发现的问题进行除险加固工程的整治,在堤岸两侧分别对堤高重新设定,根据近5 年鄱阳湖地区丰水位和枯水位的等高线变化趋势,对整条路线的堤线进行加固防渗整治。主要内容包括：按照堤段的长度分配沿河段2.35 km,临湖段1.675 km。整体防渗参数为1.35 km,设置堤坝坡高在4.305 km～4.213 km之间,内坡填压侵入厚度为1.36 km,压制固定脚长1.215 km,具体堤身断面标准设定见图1。

图1 堤坝断面标准参数设定图

如图1所示本次防渗加固技术的应用全程设计,依照国家二级防洪标准进行设定。在满足高程设计范围内加入洪水位爬高参数,增加过大雨期对堤岸的侵蚀作用。其中考虑的堤岸两侧水浪爬高在1.6 m之内,即堤顶高度需在25.2 m之上,按照现坝顶的高度进行平整,在不超出顶宽的条件下将防汛高度调整25.2 m。两侧在设置参数后,所有加固点的位置均以黏土进行复合铺设,上层采用草皮安置护坡材料。工程全部完成于7 月8 号,整个工期在设定范围内,将修缮后堤岸在露天环境中静置等待雨天气候,完成每个桩号点的防渗和抗压性能检测,预报显示7 月28 号～7 月31 号有强降雨。

2.3 固定和防渗程度结果分析

为验证本次采用的应用方法在工程设计中具有高强的防渗能力和加固效果,对每个桩号的位置进行检测。降雨前在每个桩号位置放置防雨检测仪器,加固效果可以通过坝体的承载力进行测定,在单位时间内通过不同重量的雨水冲击形成的抗压系数,大于95 kPa合格。防渗性能检测方法为高强度降雨后的单位透水面积,按照国内渗透单位面积小于15 cm2为标准进行雨后检测。分别统计检测三天降雨后的检测结果,首先是抗压性能数据见表2。

表2 抗压性能检测结果（承载力） 单位：kPa

根据表2中内容可知每个桩号位置的承载能力均超过95 kPa,其中临河堤段设置桩号位置的承载力要高于沿湖堤岸。在此后统计防渗具体数据,具体数据见表3。

表3 防渗性能检测结果（渗透面积） 单位：cm2

表3 中数据均是在雨停后的2 小时内进行统计的结果,根据结果可知两侧的渗透面积测试结果也远远小于标准值（渗透单位面积小于15 cm2）,说明本次应用的方法具有实际应用效果,能够开展大面积的应用。

3 结语

本文从鄱阳湖区青山湖堤现存的问题出发,研究出一种新的防渗加固技术的应用方法,对出现的问题及时达到修复作用,稳定观测区域内水位变化引起的堤岸沿线崩溃情况。根据汛期和非汛期湖堤两岸水位线的变化情况,在重新设置湖堤除险加固强度指标、定位湖堤铺设高度、划分防渗加固范围布置堤线四个步骤下完成除险加固工程中的防渗加固技术应用方法设计。实验数据表明：本文方法能够保证在每个桩号的位置上的承载力和防渗透性能均高于国内施工标准,具有良好的应用效果。但由于本次时间受限在测试过程中等待雨季的时间过短,缺少间隔阶段无法证明长时间雨水冲击作用下湖堤两侧的性能等级,检测结果具有一定局限性。在后续研究中会合理分配好时间,通过对其他崩溃堤段的沿岸施工监测长时间的变化情况,可为鄱阳湖区各个湖堤周边的沿岸防渗加固工程提供指导思路。