額木爾河治理工程漠河段堤基防滲設(shè)計(jì)探討

王志遠(yuǎn)，夏鳳蘭

(1.黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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額木爾河治理工程漠河段堤基防滲設(shè)計(jì)探討

王志遠(yuǎn)1，夏鳳蘭2

(1.黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

額木爾河(漠河縣新城區(qū)段)堤防處于額木爾河河漫灘區(qū)，地形起伏較小，地勢(shì)由南向北逐漸降低，0+000-1+000地勢(shì)低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般為0.20-3.90m。對(duì)額木爾河漠河段堤防堤基進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)，保證堤防安全。

堤防；堤基防滲；垂直防滲；防滲措施

1 基本資料

額木爾河(漠河縣新城區(qū)段)堤防處于額木爾河河漫灘區(qū)，地形起伏較小，地勢(shì)由南向北逐漸降低，0+000-1+000地勢(shì)低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水為第四系孔隙潛水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般為0.20-3.90m。

本次勘察所揭露的地層巖性分層描述如下：

第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4)：①耕土：黑色、黑褐色，結(jié)構(gòu)松散，有彈性，海綿感，濕—很濕，含植物根系和植物纖維，局部為團(tuán)狀分布，有臭味，在樁號(hào)0+600-1+100處缺失，厚度0.00-0.80m。②級(jí)配不良礫：連續(xù)分布于第四系松散堆積層下部，黃褐色，中密-密實(shí)狀態(tài)，稍濕-飽水，顆粒不均勻，多為次圓狀，少部分為圓狀和次棱角狀，礫徑一般2-20mm，個(gè)別大于20mm。礫粒以細(xì)礫為主，母巖以花崗巖、安山巖和玄武巖為主，強(qiáng)透水性，厚度3.80-4.80m。③全風(fēng)化砂礫巖：普遍分布，黃色，巖石結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，風(fēng)化砂礫狀、似中密-密實(shí)狀態(tài)，濕-很濕，厚度0.80-1.90m。④強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖：連續(xù)分布于第四系全新統(tǒng)沖積層之下，黃色-紅褐色，巖心呈塊狀，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，水理穩(wěn)定性中等，厚度2.3-2.50m。下部弱風(fēng)化—微風(fēng)化砂礫巖。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議取值：①耕土：根據(jù)鉆探土樣現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，建議取值：天然密度1.94-1.80g/cm3、含水量ω=17%-25%、比重Gs=2.68。②級(jí)配不良礫：天然密度γ=1.95g/cm3、干密度1.67g/cm3、飽和密度2.01 g/cm3，土粒比重Gs=2.75；孔隙率n=35；內(nèi)摩擦角φ=35°、滲透系數(shù)0.208×10-2m/s。③1全風(fēng)化砂礫巖：天然狀態(tài)似粉土質(zhì)砂，比照密實(shí)狀態(tài)下的粉土質(zhì)砂特性，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖建議取值：允許承載力[R]=300kPa。土粒比重Gs=2.72、天然密度γ=1.93g/cm3、干密度1.69g/cm3、飽和密度1.98 g/cm3、內(nèi)摩擦角φ=32°，滲透系數(shù)0.208×10-2m/s。④2強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖：巖心呈塊狀，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖建議取值：允許承載力[R]=500kPa。

本堤段上部耕土較薄，局部礫類土出露地表在汛期高水位時(shí)易產(chǎn)生滲透破壞，建議設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)工程措施。堤基②級(jí)配不良礫的滲透變形類型為管涌，建議設(shè)計(jì)時(shí)取J允=0.26。

2 堤基處理和防滲措施

2.1 堤基類型

根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示本次設(shè)計(jì)堤防所在位置堤基均為砂礫石。

2.2 堤基滲透破壞型式

背水坡堤腳以外水平段出逸滲透比降由大變小，在滲流出口處一定范圍滲流出逸比降將大于地基土的允許出逸比降。因此在堤腳處常常產(chǎn)生管涌等現(xiàn)象，由于此類滲透破壞可能導(dǎo)致潰堤，而且可能由于堤腳處土體強(qiáng)度指標(biāo)降低而導(dǎo)致堤體失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。

當(dāng)?shù)袒骄冉挡荒軡M足要求時(shí)，也可能產(chǎn)生滲透破壞。

2.3 堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)測(cè)量資料、鉆探資料選取相對(duì)不安全的斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。漠河縣新城區(qū)堤防堤基均為級(jí)配不良礫，選取3+730和4+730斷面進(jìn)行透水堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算。

計(jì)算中采用的滲透系數(shù)采用按照壓實(shí)度0.91控制的土工實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

計(jì)算情況：迎水側(cè)為P=3.33%設(shè)計(jì)洪水位，下游無(wú)水。

參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286—2013，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 透水地基均質(zhì)土堤計(jì)算簡(jiǎn)圖

透水地基均質(zhì)堤防滲流計(jì)算公式如下：

(1)

式中：q為單寬滲流量；qD為不透水地基上求得的相同均質(zhì)土堤單位寬度滲流量。

透水地基均質(zhì)堤防堤坡面滲流比降：

沿滲出段AB：

(2)

沿地基段BC：

(3)

臨界水力比降計(jì)算：

Jc=(Gs-1)(1-n1)

(4)

無(wú)黏性土的允許比降：

[J]=Jc/K

(5)

式中：Gs為表層土的土粒比重；n1為表層土的孔隙率；K為安全系數(shù)，取2.0。

從計(jì)算結(jié)果可以看出地基下游出口滲流比降不滿足允許比降要求，需采取工程措施，以保證工程安全。

2.4 堤基防滲設(shè)計(jì)

從滲透穩(wěn)定計(jì)算分析，透水堤基滲漏量大，堤后堤腳水平距離0.04-0.44m范圍內(nèi)出逸比降大于允許比降，需做進(jìn)行處理，本次設(shè)計(jì)擬對(duì)額木爾河堤防采用垂直防滲措施進(jìn)行處理。

根據(jù)鉆探資料顯示，堤基均為砂礫石基礎(chǔ)，地面以下分別為級(jí)配不良礫、全風(fēng)化礫巖、全風(fēng)化礫巖，直至弱風(fēng)化、微風(fēng)化，本次設(shè)計(jì)擬定采用截滲墻形式進(jìn)行滲流計(jì)算，截滲墻頂端高于地面0.5m，底端深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m與弱風(fēng)化層相接，截滲墻的厚度為0.3-0.5m，可相當(dāng)于混凝土心墻。

1)滲流量計(jì)算：通過單位長(zhǎng)堤體及地基的滲流量q計(jì)算按《土壩計(jì)算手冊(cè)》，公式如下：

q=q1+q2+q3

(5)

式中：q為堤體及堤基的滲流量，m3/s；q1為堤體和堤體截滲墻的滲流量，m3/s；q2為堤基截滲墻的滲流量，m3/s；q3為繞過截滲墻通過表層基巖的滲流量，m3/s。

(6)

(7)

q3=kTα0(H1-h)

(8)

2)逸出點(diǎn)高度的計(jì)算：

逸出高度ho計(jì)算采用《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中公式(15-4-30)：

(9)

式中：α為逸出點(diǎn)與下游水面之間高差，m。其他參數(shù)同前。

計(jì)算斷面采用樁號(hào)1+200斷面，通過計(jì)算采用截滲墻后，堤基滲漏量為1.168m3/d·m，不采用截滲墻堤基滲漏量為131.873 m3/d.m，相比較之下，截滲效果顯著。

堤基采用截滲墻效果明顯，雖然投資較大，但考慮漠河縣新城區(qū)的建立，對(duì)堤防堤基進(jìn)行除險(xiǎn)加固的意義久遠(yuǎn)，建議采用截滲墻。

截滲墻布置于中心線距迎水側(cè)堤肩距離為3m，截滲墻頂端進(jìn)入堤體0.5m，底端深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m。

方案比選：

本次截滲墻根據(jù)堤基結(jié)構(gòu)及本地區(qū)的實(shí)際情況選擇高噴截滲墻及混凝土防滲墻兩種形式進(jìn)行方案比較。其中，高噴防滲墻鉆孔間距采用1.2m，混凝土防滲墻厚度采用0.5m，詳見表1。

表1 垂直防滲方案比較表

額木爾河堤防堤身土質(zhì)為黏性土，堤基上層為級(jí)配不良礫，下層為全風(fēng)化礫巖和強(qiáng)風(fēng)化礫巖。

水泥混凝土防滲墻適合于任何沖積層地基，包括礫石、碎石、砂土等不穩(wěn)定土層、深厚覆蓋層，從投資比較表中可以看出該方案的造價(jià)相比高噴防滲墻稍低；該方案工程施工時(shí)需要在泥漿固壁情況下進(jìn)行回填防滲料形成單元段，但措施不當(dāng)或遇到地層復(fù)雜情況時(shí)發(fā)生塌孔現(xiàn)象，影響成墻質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)影響工期；額木爾河堤防堤基下層為全風(fēng)化礫巖及強(qiáng)風(fēng)化礫巖，地下水位偏高、開槽固壁困難，易坍塌。

高壓噴射灌漿防滲墻造價(jià)稍高，該方法適用于黏性土、粉細(xì)砂、砂礫石等各種地基，施工采用的振孔高噴工藝是一種利用大功率、高頻振動(dòng)錘，將設(shè)有噴嘴鉆頭的一整根高噴管(稱振管——即鉆桿與高噴管復(fù)合體)直接振入地層，至設(shè)計(jì)深度，形成鉆孔(使造孔和下放高噴管一次完成)，在振管上提過程中將高噴介質(zhì)調(diào)整到設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行高壓噴射灌漿作業(yè)的高噴灌漿新工藝。

振孔高噴工藝是充分利用振動(dòng)力造孔，在成孔效率極高的優(yōu)勢(shì)下實(shí)現(xiàn)小孔距高噴施工；可以有效利用高壓射流近噴嘴處的高能區(qū)強(qiáng)力切割、重復(fù)擾動(dòng)地層，即可保證墻體連續(xù)又能實(shí)現(xiàn)快速提升；由于單孔施工速度快，可實(shí)現(xiàn)高噴孔不分序，依次施工連續(xù)成墻；由于整根管振入地層不需要泥漿護(hù)壁，根治了坍孔和“假灌”弊病，確保墻體質(zhì)量。該技術(shù)只破壞打孔位置的路面，破壞面積較小，工程結(jié)束后對(duì)其封堵即可。

綜上，兩種方案的造價(jià)相差不多綜合考慮堤基地質(zhì)條件、工程造價(jià)、施工條件及施工進(jìn)度要求及當(dāng)?shù)氐某晒?jīng)驗(yàn)等情況后，同時(shí)考慮額木爾河堤防保護(hù)對(duì)象非常重要，因此本次垂直防滲措施采用高壓噴射灌漿防滲墻。標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

截滲墻采用高壓擺噴成墻技術(shù)，孔距為1.2m，防滲墻底端深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m，，抗壓強(qiáng)度R28≥5MPa，墻體滲透系數(shù)k≤1×10-6cm/s。

灌漿孔按分序加密的原則進(jìn)行布置，布設(shè)單 排孔，分為三序，每28.8m布設(shè)1個(gè)先導(dǎo)孔，先導(dǎo)孔可作為1序孔。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.GB50286—98堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：水利水電出版社，1998.

[2]齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.黑龍江省額木爾河治理劃等號(hào)初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].齊齊哈爾：齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2016.

1007-7596(2016)10-0057-03

2016-10-08

王志遠(yuǎn)(1967-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師；夏鳳蘭(1972-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師。

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