额木尔河治理工程漠河段堤基防渗设计探讨

王志远，夏凤兰

(1.黑龙江省中部引嫩工程管理处，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)



额木尔河治理工程漠河段堤基防渗设计探讨

王志远1，夏凤兰2

(1.黑龙江省中部引嫩工程管理处，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

额木尔河(漠河县新城区段)堤防处于额木尔河河漫滩区，地形起伏较小，地势由南向北逐渐降低，0+000-1+000地势低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水为第四系孔隙潜水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般为0.20-3.90m。对额木尔河漠河段堤防堤基进行防渗设计，保证堤防安全。

堤防；堤基防渗；垂直防渗；防渗措施

1 基本资料

额木尔河(漠河县新城区段)堤防处于额木尔河河漫滩区，地形起伏较小，地势由南向北逐渐降低，0+000-1+000地势低平，地形起伏小，地面高程434.05-442.11m。地下水为第四系孔隙潜水，地下水位高程431.80-439.38m，地下水水位埋深一般为0.20-3.90m。

本次勘察所揭露的地层岩性分层描述如下：

第四系全新统冲积层(alQ4)：①耕土：黑色、黑褐色，结构松散，有弹性，海绵感，湿—很湿，含植物根系和植物纤维，局部为团状分布，有臭味，在桩号0+600-1+100处缺失，厚度0.00-0.80m。②级配不良砾：连续分布于第四系松散堆积层下部，黄褐色，中密-密实状态，稍湿-饱水，颗粒不均匀，多为次圆状，少部分为圆状和次棱角状，砾径一般2-20mm，个别大于20mm。砾粒以细砾为主，母岩以花岗岩、安山岩和玄武岩为主，强透水性，厚度3.80-4.80m。③全风化砂砾岩：普遍分布，黄色，岩石结构严重破坏，风化砂砾状、似中密-密实状态，湿-很湿，厚度0.80-1.90m。④强风化砂砾岩：连续分布于第四系全新统冲积层之下，黄色-红褐色，岩心呈块状，岩石结构基本破坏，水理稳定性中等，厚度2.3-2.50m。下部弱风化—微风化砂砾岩。

各土层物理力学指标建议取值：①耕土：根据钻探土样现场观测，建议取值：天然密度1.94-1.80g/cm3、含水量ω=17%-25%、比重Gs=2.68。②级配不良砾：天然密度γ=1.95g/cm3、干密度1.67g/cm3、饱和密度2.01 g/cm3，土粒比重Gs=2.75；孔隙率n=35；内摩擦角φ=35°、渗透系数0.208×10-2m/s。③1全风化砂砾岩：天然状态似粉土质砂，比照密实状态下的粉土质砂特性，强风化泥质砂岩建议取值：允许承载力[R]=300kPa。土粒比重Gs=2.72、天然密度γ=1.93g/cm3、干密度1.69g/cm3、饱和密度1.98 g/cm3、内摩擦角φ=32°，渗透系数0.208×10-2m/s。④2强风化砂砾岩：岩心呈块状，岩石结构基本破坏，强风化砂砾岩建议取值：允许承载力[R]=500kPa。

本堤段上部耕土较薄，局部砾类土出露地表在汛期高水位时易产生渗透破坏，建议设计中采取适当工程措施。堤基②级配不良砾的渗透变形类型为管涌，建议设计时取J允=0.26。

2 堤基处理和防渗措施

2.1 堤基类型

根据地质钻探揭示本次设计堤防所在位置堤基均为砂砾石。

2.2 堤基渗透破坏型式

背水坡堤脚以外水平段出逸渗透比降由大变小，在渗流出口处一定范围渗流出逸比降将大于地基土的允许出逸比降。因此在堤脚处常常产生管涌等现象，由于此类渗透破坏可能导致溃堤，而且可能由于堤脚处土体强度指标降低而导致堤体失稳产生滑坡。

当堤基平均比降不能满足要求时，也可能产生渗透破坏。

2.3 堤基渗透稳定计算

根据测量资料、钻探资料选取相对不安全的断面进行渗流稳定计算。漠河县新城区堤防堤基均为级配不良砾，选取3+730和4+730断面进行透水堤基渗透稳定计算。

计算中采用的渗透系数采用按照压实度0.91控制的土工实验指标。

计算情况：迎水侧为P=3.33%设计洪水位，下游无水。

参照《堤防工程设计规范》GB50286—2013，计算简图如图1所示。

图1 透水地基均质土堤计算简图

透水地基均质堤防渗流计算公式如下：

(1)

式中：q为单宽渗流量；qD为不透水地基上求得的相同均质土堤单位宽度渗流量。

透水地基均质堤防堤坡面渗流比降：

沿渗出段AB：

(2)

沿地基段BC：

(3)

临界水力比降计算：

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

(4)

无黏性土的允许比降：

[J]=Jc/K

(5)

式中：Gs为表层土的土粒比重；n1为表层土的孔隙率；K为安全系数，取2.0。

从计算结果可以看出地基下游出口渗流比降不满足允许比降要求，需采取工程措施，以保证工程安全。

2.4 堤基防渗设计

从渗透稳定计算分析，透水堤基渗漏量大，堤后堤脚水平距离0.04-0.44m范围内出逸比降大于允许比降，需做进行处理，本次设计拟对额木尔河堤防采用垂直防渗措施进行处理。

根据钻探资料显示，堤基均为砂砾石基础，地面以下分别为级配不良砾、全风化砾岩、全风化砾岩，直至弱风化、微风化，本次设计拟定采用截渗墙形式进行渗流计算，截渗墙顶端高于地面0.5m，底端深入强风化岩0.5m与弱风化层相接，截渗墙的厚度为0.3-0.5m，可相当于混凝土心墙。

1)渗流量计算：通过单位长堤体及地基的渗流量q计算按《土坝计算手册》，公式如下：

q=q1+q2+q3

(5)

式中：q为堤体及堤基的渗流量，m3/s；q1为堤体和堤体截渗墙的渗流量，m3/s；q2为堤基截渗墙的渗流量，m3/s；q3为绕过截渗墙通过表层基岩的渗流量，m3/s。

(6)

(7)

q3=kTα0(H1-h)

(8)

2)逸出点高度的计算：

逸出高度ho计算采用《水工设计手册》中公式(15-4-30)：

(9)

式中：α为逸出点与下游水面之间高差，m。其他参数同前。

计算断面采用桩号1+200断面，通过计算采用截渗墙后，堤基渗漏量为1.168m3/d·m，不采用截渗墙堤基渗漏量为131.873 m3/d.m，相比较之下，截渗效果显著。

堤基采用截渗墙效果明显，虽然投资较大，但考虑漠河县新城区的建立，对堤防堤基进行除险加固的意义久远，建议采用截渗墙。

截渗墙布置于中心线距迎水侧堤肩距离为3m，截渗墙顶端进入堤体0.5m，底端深入强风化岩0.5m。

方案比选：

本次截渗墙根据堤基结构及本地区的实际情况选择高喷截渗墙及混凝土防渗墙两种形式进行方案比较。其中，高喷防渗墙钻孔间距采用1.2m，混凝土防渗墙厚度采用0.5m，详见表1。

表1 垂直防渗方案比较表

额木尔河堤防堤身土质为黏性土，堤基上层为级配不良砾，下层为全风化砾岩和强风化砾岩。

水泥混凝土防渗墙适合于任何冲积层地基，包括砾石、碎石、砂土等不稳定土层、深厚覆盖层，从投资比较表中可以看出该方案的造价相比高喷防渗墙稍低；该方案工程施工时需要在泥浆固壁情况下进行回填防渗料形成单元段，但措施不当或遇到地层复杂情况时发生塌孔现象，影响成墙质量，同时还会影响工期；额木尔河堤防堤基下层为全风化砾岩及强风化砾岩，地下水位偏高、开槽固壁困难，易坍塌。

高压喷射灌浆防渗墙造价稍高，该方法适用于黏性土、粉细砂、砂砾石等各种地基，施工采用的振孔高喷工艺是一种利用大功率、高频振动锤，将设有喷嘴钻头的一整根高喷管(称振管——即钻杆与高喷管复合体)直接振入地层，至设计深度，形成钻孔(使造孔和下放高喷管一次完成)，在振管上提过程中将高喷介质调整到设计参数，进行高压喷射灌浆作业的高喷灌浆新工艺。

振孔高喷工艺是充分利用振动力造孔，在成孔效率极高的优势下实现小孔距高喷施工；可以有效利用高压射流近喷嘴处的高能区强力切割、重复扰动地层，即可保证墙体连续又能实现快速提升；由于单孔施工速度快，可实现高喷孔不分序，依次施工连续成墙；由于整根管振入地层不需要泥浆护壁，根治了坍孔和“假灌”弊病，确保墙体质量。该技术只破坏打孔位置的路面，破坏面积较小，工程结束后对其封堵即可。

综上，两种方案的造价相差不多综合考虑堤基地质条件、工程造价、施工条件及施工进度要求及当地的成功经验等情况后，同时考虑额木尔河堤防保护对象非常重要，因此本次垂直防渗措施采用高压喷射灌浆防渗墙。标准横剖面图见图2。

图2 标准横剖面图

截渗墙采用高压摆喷成墙技术，孔距为1.2m，防渗墙底端深入强风化岩0.5m，，抗压强度R28≥5MPa，墙体渗透系数k≤1×10-6cm/s。

灌浆孔按分序加密的原则进行布置，布设单 排孔，分为三序，每28.8m布设1个先导孔，先导孔可作为1序孔。

[1]中华人民共和国水利部.GB50286—98堤防工程设计规范[S].北京：水利水电出版社，1998.

[2]齐齐哈尔市水利勘测设计研究院有限责任公司.黑龙江省额木尔河治理划等号初步设计报告[R].齐齐哈尔：齐齐哈尔市水利勘测设计研究院有限责任公司，2016.

1007-7596(2016)10-0057-03

2016-10-08

王志远(1967-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师；夏凤兰(1972-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，工程师。

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