出山店水庫防護(hù)工程圩堤設(shè)計方案

徐華冰

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450000 )

1 工程基本情況

出山店水庫是淮河干流上的大型防洪控制工程，位于河南省信陽市境內(nèi)，壩址在京廣鐵路以西14 km的出山店村附近，距信陽市約15 km，控制流域面積2900 km2，出山店水庫是歷次淮河流域規(guī)劃中被列為淮干上游的唯一一座防洪控制工程。

出山店水庫防護(hù)工程建在水庫正常蓄水位以上，不減少水庫興利庫容，圩堤布置在河道行洪灘地以外，不縮窄原有河道行洪斷面，對水庫的正常運用和河道洪水排泄無影響。防護(hù)工程等級為4等，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇。圩堤級別為4級，排澇閘站等建筑物級別為4級。防護(hù)工程主要內(nèi)容為13座圩區(qū)，防護(hù)面積25.45 km2。主要建設(shè)項目包括堤防、排澇溝和排澇閘站(閘)[1]。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地形地貌

出山店水庫位于桐柏山東麓低山丘陵區(qū)與山前沖積平原過渡地帶。防護(hù)工程場區(qū)為淮河河谷地貌，淮河兩岸規(guī)劃的防護(hù)圩區(qū)位于淮河左、右岸一、二級階地上，地勢開闊較平坦，局部分布有坑塘。游河兩岸規(guī)劃的圩區(qū)位于游河左、右岸一級階地上，地勢開闊較平坦，地面高程在87.3～92.8 m之間。

2.2 地層巖性

區(qū)域地層屬秦嶺地層區(qū)，主要發(fā)育有古元古界、新元古界、古生界、中生界及新生界。其中以古元古界變質(zhì)巖系最為普遍，變質(zhì)巖系以角閃巖相為主，局部為麻粒巖相，混合巖化作用較強(qiáng)，呈北西西向帶狀分布。古生界、中生界僅有零星的分布，新生界新近系、古近系、第4系主要分布在吳城、平昌關(guān)、甘岸一帶。區(qū)域內(nèi)有早古生界加里東期酸性侵入巖，多呈巖基狀分布在淮河右岸一帶。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震烈度

根據(jù)2001年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)(1∶400萬)，結(jié)合河南省地震局地震工程勘察研究院編制的《淮河出山店水庫工程場地地震安全性評價報告》(2011.10)，水庫區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。

2.4 圩區(qū)工程地質(zhì)條件及評價

本次共布置李營北等圩區(qū)13處，圩堤總長約57.235 km，分別位于淮河支流游河、白沙河階地和淮河干流兩岸階地上，各圩區(qū)地質(zhì)情況基本類似。場區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層及下第三系吳城群毛家坡組。堤基土為中、重粉質(zhì)壤土，承載力標(biāo)準(zhǔn)值120～150 kPa，具有中等壓縮性。

建筑物場區(qū)地層結(jié)構(gòu)為黏砂多層結(jié)構(gòu)，地層巖性上部為第四系全新統(tǒng)沖積中粉質(zhì)壤土及中細(xì)砂，中部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、中粗砂及礫石，下部為下第三系吳城群毛家坡組砂質(zhì)黏土巖。建筑物建基面位于重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土中，承載力標(biāo)準(zhǔn)值120～150 kPa，具有中等壓縮性。

圩區(qū)內(nèi)堤基勘察深度范圍內(nèi)，圩區(qū)堤基主要劃分為以下3類：

(1)Ⅱ級階地地層及Ⅰ級階地局部上部黏性土厚度大地段，工程地質(zhì)條件良好，為較好(B類)。

(2)Ⅰ級階地絕大部分為上部黏性土厚度較小地段，主要存在庫岸穩(wěn)定問題，危及堤防安全，在高水位情況下，沿河沖溝、低洼處可能存在滲漏及滲透穩(wěn)定問題，為較差(C類)。

(3)Ⅰ級階地臨河地段及高漫灘地段，砂壤土、級配不良砂出露地表，中部級配不良砂、級配不良砂(含礫)層，主要存在庫岸穩(wěn)定問題、滲漏及滲透穩(wěn)定問題，為很差(D類)。建議采取護(hù)岸措施及適當(dāng)?shù)牡鼗幚泶胧2]。

3 圩堤設(shè)計

3.1 堤身設(shè)計

3.1.1 堤頂高程

圩堤堤頂高程采用值分為3類，分別為93.8 m、94.2 m和94.4 m。

3.1.2 堤身結(jié)構(gòu)

圩堤級別為4級，堤頂寬度為4.0 m?？紤]到圩區(qū)內(nèi)居民生產(chǎn)生活需要以及洪水時撤退等使用要求，堤頂設(shè)有道路，堤頂?shù)缆愤x擇泥結(jié)碎石路面。道路凈寬3.6 m。采用20 cm厚泥結(jié)碎石路面，泥結(jié)碎石路面分為表層4 cm厚粗砂碎石磨耗層和下層16 cm厚泥結(jié)碎石面層，墊層為200 mm三七灰土。為便于排水，路面沿中心線向兩側(cè)傾斜，坡度為2%。

在臨水側(cè)堤頂設(shè)警示墩，警示墩為C20混凝土結(jié)構(gòu)，高出路面0.5 m，底部尺寸為0.4 m×0.4 m。警示墩每隔1 m設(shè)置一個。

圩堤上、下游均采用一級坡，圩堤上游坡比采用1∶2.5，下游坡比采用1∶2.25。

防護(hù)工程圩堤均采用均質(zhì)土堤型式，采用庫區(qū)永久征地范圍內(nèi)附近料場的Q3低液限黏土(粉質(zhì)黏土)和Q4低液限黏土填筑[3]。

3.1.3 填筑材料和標(biāo)準(zhǔn)

本次防護(hù)工程圩堤填筑采用附近料場的Q3低液限黏土(粉質(zhì)黏土)和Q4低液限黏土(重粉質(zhì)壤土)。邱灣、鄧樓2座圩堤填筑土料為Q4低液限黏土，其余11座圩堤填筑土料采用Q3低液限黏土。

圩堤料場土料局部黏粒含量高，土的黏性大，不易壓實，含水量高，上料前需進(jìn)行晾曬。嚴(yán)格控制含水率，并做好壓實試驗。筑堤設(shè)計壓實度按不低于96%控制。

根據(jù)規(guī)范要求，土堤應(yīng)預(yù)留沉降量，由于圩堤長度較大，堤高差別也很大，因此按照不同的高度選取不同的預(yù)留沉降超高。預(yù)留沉降超高值見表1。

表1 圩堤預(yù)留沉降超高值 m

3.1.4 護(hù)坡

選用干砌塊石為上游92.8 m高程以下護(hù)坡材料，干砌塊石下設(shè)置100 mm厚碎石墊層和250 g/m2土工布，干砌塊石護(hù)坡厚度采用0.3 m。92.8 m高程以上采用草皮護(hù)坡。背水面均采用草皮護(hù)坡。坡面豎向排水溝采用C20素混凝土結(jié)構(gòu)，每隔50 m設(shè)置一條，排水溝凈過流斷面尺寸為0.3 m×0.3 m，坡面排水溝與坡腳排水溝相連。

背水側(cè)坡腳布置有截滲溝或排水溝，未布置截滲溝的堤腳布置排水溝，背水側(cè)坡腳排水溝采用300 mm厚干砌石護(hù)砌，排水溝底寬0.8 m，溝深1.0 m，干砌塊石護(hù)砌下鋪設(shè)200 mm厚碎石和1層250 g/m2土工布。

3.2 堤基防滲處理

本工程選擇高壓噴射灌漿作為地基防滲處理形式。堤后設(shè)置截滲溝作為排滲處理措施。

本工程采用擺噴對接的方式形成防滲墻，該施工方式便于連接，擺噴采用三管法施工。設(shè)計孔距為1.6 m，高壓旋噴注漿防滲墻施工完成后，成墻厚度不小于200 mm，其滲透系數(shù)不大于1.0×10-5cm/s，各部位高壓噴射注漿固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。防滲墻布置在圩堤軸線處，防滲墻處理深度應(yīng)深入下部相對不透水層不小于1.0 m，頂部應(yīng)深入不透水覆蓋層或堤身不小于1.5 m。

參考地質(zhì)報告和地質(zhì)剖面圖，防滲處理的一般原則如下[4]：

(1)透水性較大的砂層和砂壤土層出露地表的堤段，一般要設(shè)置高噴灌漿防滲墻。地面高程高于91.0 m的可不處理。

(2)地面高程低于91.0 m、地基不透水覆蓋層厚度不足2.0 m的，一般要設(shè)置高噴防滲墻或在堤后設(shè)置截滲溝。

3.3 圩堤內(nèi)浸沒處理

部分圩堤堤基為透水性較大的土層(砂性土或砂層)，或者表面為較薄的黏性土，以下為厚度大、滲透性強(qiáng)的級配不良砂、級配不良砂(含礫)和級配不良礫層等。水庫蓄水后，堤外高水位運行時，水力連通性好，地下水埋深較淺，若堤防正常蓄水位88.0 m高程蓄水后，將造成圩區(qū)內(nèi)地下水位的壅高，圩區(qū)內(nèi)低洼處將出現(xiàn)浸沒和沼澤化問題；在高水位工況下，地下水沿透水層從水井或沖溝低洼處突涌出地表，在局部形成淹沒[5]。

為使農(nóng)田、村鎮(zhèn)及其他設(shè)施免受地下水侵入造成次生災(zāi)害，在圩堤內(nèi)開挖攔截地下徑流的截滲溝。參考地勘報告成果和圩區(qū)內(nèi)地形，截滲溝布置原則為：在圩堤背水側(cè)地面高程低于90.0 m的區(qū)域設(shè)置一道截滲溝，其位置布置在圩堤背水側(cè)坡腳位置，溝頂距離坡腳1.0 m。防護(hù)工程共布置截滲溝長度37 585.0 m。

截滲溝為梯形斷面，溝深一般為1.5 m，底寬1.0 m，坡比為1∶1，溝底和邊坡鋪設(shè)反濾和干砌石護(hù)砌，其結(jié)構(gòu)由250 g/m2土工布、200 mm厚碎石和300 mm厚干砌石組成。為滿足排水要求，截滲溝溝底應(yīng)坡向排澇閘站方向，溝內(nèi)滲水匯入排澇閘站后通過排澇閘或提排站排出圩堤[6]。

3.4 塌岸處理

由于圩堤多緊鄰河岸，塌岸長度較大，為減少處理工程量，僅對距離圩堤較近的塌岸進(jìn)行處理，處理范圍結(jié)合圩堤布置并參考地質(zhì)報告?？紤]到塌岸一般較陡，且許多塌岸段臨近堤坡，放緩坡度存在困難，因此塌岸處理采用M7.5漿砌石貼坡式擋墻進(jìn)行護(hù)砌，擋墻基礎(chǔ)底板厚度為1.0 m，前趾處設(shè)0.5 m深齒槽，墻身設(shè)φ110排水孔。塌岸防護(hù)高度范圍為3.0～8.0 m。13處圩區(qū)中有8處需進(jìn)行塌岸處理，共計處理塌岸長度13 172.0 m。塌岸處理成果見表2。

表2 圩堤塌岸處理成果表

3.5 圩堤內(nèi)道路設(shè)計

當(dāng)水庫發(fā)生20 a一遇洪水時，圩區(qū)內(nèi)居民需提前撤離。本工程圩區(qū)內(nèi)現(xiàn)有道路的數(shù)量和分布可滿足圩區(qū)內(nèi)居民撤退需要，不再另外布置撤退道路，圩區(qū)內(nèi)居民可選擇就近道路提前撤離。

4 結(jié) 語

出山店水庫防護(hù)工程共布置圩區(qū)13處，根據(jù)庫區(qū)地形、居民點耕地剩余情況，對耕地征用線(88.5 m)和居民遷移線(92.3 m)之間的村莊采取工程防護(hù)措施。受到實際地形和居民點限制，部分圩堤布置在85.0～88.5 m高程之間或距離河岸較近的位置。該工程實例可為相似研究提供參考。