汪甸防护堤堤基渗流分析及加固设计

陆迎寿

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

百色市汪甸防护工程位于右江乐里河支流上，地处乐里河左岸汪甸乡政府后汪垌片一带，东起汪甸水文站，西至塘房桥头。2005年动工兴建，2007年进行了堤基防渗帷幕灌浆处理。

堤防区位于百色水利枢纽库区乐里河左岸，为山间河流冲积阶地，地形较平缓，向乐里河微倾斜，高程220～229.5 m。堤基为典型双层地基结构，下层为含泥漂卵石，胶结松散，易塌孔，为强透水层，上层为粉质粘土层，厚度1～4 m，为弱～微透水层。2016年9月21日上午，已在高水位运行多天的防护堤因堤基漂卵石层局部区域发生管涌导致溃堤，给防护堤内的人民生产生活造成严重影响。为解决防护区的工程安全，对防护堤采取堤内填高压渗的设计方案进行加固。

2 工程设计方案[1]

对于下卧层为强透水的堤基，其处理方案多种多样，比如堤基防渗帷幕、塑性混凝土心墙、堤后减压排渗井、土工布截渗、堤前和堤后下游侧设反虑铺盖延长渗径，劈裂灌浆等技术手段[2]，为彻底解决汪甸防护堤的渗透安全问题，提出了如下3个设计方案进行比选。

（1）方案一：堤内填高压渗方案。堤内填高压渗方案在应急抢险基础上对堤后防护区整体进行填高压渗设计，并在远离堤脚处设滞洪塘，在堤后培厚体后新建贴坡排水体和排水沟；由于应急抢险掩埋了原堤基排渗井，故本阶段在距堤脚120 m处设排渗井，间距15 m，排渗井渗水通过排水农沟流至滞洪塘。

（2）方案二：堤基防渗帷幕补强方案。堤基防渗帷幕补强方案在应急抢险基础上沿堤轴线重新对堤基防渗帷幕进行补强，灌浆封堵原排渗井；在培厚体后新建贴坡排水体和排水沟，新设排渗井。

（3）方案三：堤基塑性混凝土防渗墙方案。堤基塑性混凝土防渗墙方案在应急抢险基础上在堤顶设置塑性混凝土防渗墙，贯通至基岩，在堤后培厚体后新建贴坡排水体和排水沟，新设排渗井。

方案一需对堤后农田全部进行整治，但填高需要大量土石料，征地范围较大，投资也较其他方案较省，且堤后填高后延长了渗径，对堤身与防护区的安全有利，同时减少堤后农田浸没的情况。方案二具有占地少、施工期短的优点，但帷幕年久后容易失效，需要对其进行补灌，堤后排渗井容易堵塞，后期运行维护费用高，堤后渗漏量大，且堤后农田浸没问题仍有可能存在。方案三与方案二的区别在于防渗方式不同，塑性混凝土防渗墙相比防渗帷幕，防渗效果与安全性更有保障，但由于防护堤下部基础为含泥漂卵石层，造孔做塑性混凝土垂直防渗墙时造价高、工期紧张，施工成功的风险大、效果难以保证。

经综合比较后，本工程拟推荐方案一作为本次工程修复加固方案。

3 渗流计算及填高压渗加固设计

3.1 设计理论

3.1.1 渗流计算有限元法

根据渗流计算条件，将研究区域离散化，再以总水头为未知变量，建立关于总水头的矩阵方程式，其基本计算公式如下：

式中：[K]为渗透系数矩阵；{H}为总水头向量；[M]为单元储水量矩阵；{Q}为流量向量；t为时间。

3.1.2 填高压渗计算原理

土石堤背水侧各点的透水盖重厚度计算公式如下[3]：

式中：ti为i处的盖重厚度，m；hi为根据渗流计算求得的i处的表层弱透水层承压水头，m；Gs为表层弱透水层土粒的比重；n为表层弱透水层土粒的孔隙率；t1为表层弱透水层厚度，m；ρ为盖重土石料的密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3；K为盖重安全系数。

3.2 防护区渗流场分析

汪甸防护堤内的防护区双层地基土分布不一，为合理获得防护堤后粘土铺盖下表面的承压水头，采用有限元法对典型断面进行分析，根据地质勘察资料[1]，选择堤基漂卵石渗透系数较大的2+081.6断面进行研究。2+081.6现状渗流分析剖面见图1，各层土的渗透参数见表1。

图1 2+081.6现状渗流分析剖面模型

表1 各层土渗透参数表

根据百色水库运行调度规则，本研究采用外江水位为228.120 m，内江水位与原地面齐平的边界条件进行渗流场计算，典型断面总水头分布云图及粉质粘土铺盖下表面距堤脚0、25、50、…、300 m的水头值分别见图2和表2。从表2可以看出，弱透水层底部承压水头离堤脚越远，其值逐渐变小，最为危险的在于距堤脚100 m的范围内，其承压水头在3 m以上，如若该范围内弱透水层的重量不足以抵抗由此承压水头产生的顶托力，将导致弱透水层顶穿，进而演化为底部强透水层发生管涌通道，危害堤身安全。为此，有必要根据渗流计算的承压水头复核堤后弱透水层的渗透稳定性。

表2 典型断面承压水头计算表m

图2 总水头分布云图

3.3 堤后填高压渗加固设计

根据盖重理论计算公式，计算典型断面堤后距堤脚0、25、50、…、300 m的盖重厚度成果见表3。

由表3可知，堤后100 m范围内均需要填高压渗才能保证弱透水层不被底下的承压水头顶托破坏。由计算可得，当不考虑堤基防渗帷幕效果时，汪甸防护堤堤脚处至少需要压重至223.645 m高程才能满足外江水位为设计水位的作用。越远离堤脚，所需压重厚度逐渐减小，至约100 m之外，靠弱透水层重量即抵消底部承压水头的作用。

表3 堤后填高压渗计算表

经研究，考虑到防护堤后人们的生产、生活，建议将堤后240 m范围内整体抬填至224.0 m高程。堤后盖重材料采用土石混合料，要求渗透系数大于1.0×10-4cm/s，土石混合料填筑至223.0 m高程。土石混合料之上设保水土层，厚0.5 m；表层设耕植土层，厚0.5 m。同时，为确保防护区的安全，建议在距堤脚100 m处设减压排渗井，充分降低弱透水层底部承压水头，并在堤后设3排测压管以监测弱透水层底部承压水头。经渗透稳定复核验算，防护堤经过加固设计后，可满足堤后弱透水层的渗透稳定性要求。

4 结语

对于多层复杂堤基，可通过有限元法准确计算其渗流场，从而评价各层土的渗透稳定性。本文依托百色市汪甸防护堤抢险修复应急工程项目，采用有限元法计算复杂多层堤基各层土的渗流场，准确获得弱透水层底部承压水头，进而采用盖重理论公式计算堤后弱透水层上的盖重厚度，从而有效地指导堤后防护区的填高压渗加固设计。