赵振忠

（山西水务工程建设监理有限公司,山西 太原 030000）

0 引言

生态护堤依据生态工法思路，采用天然材料、人工材料或混合材料沿河筑堤，既能发挥自然岸坡的生态系统作用，也能发挥水利工程抵御洪水灾害，防止堤岸侵蚀[1-2]。堤岸是陆地生态系统和水域生态系统之间的过渡区，在防洪度汛、生态保护及水土保持方面发挥着不可替代的作用。

桑干河拟通过流域综合治理手段，解决地表径流量持续减少、地下水超采严重、水资源开发利用不合理、河道断流、河床沙化、湿地面积萎缩、水土流失和河滩地种植侵占河道等诸多问题，改善河流生态系统持续向绿色、健康的方向发展。固定桥蓄水工程作为桑干河河道综合治理的一部分，可发挥涵养水源、补充地下水、净化水质的重要作用。本文以桑干河固定桥生态蓄水工程为研究对象，利用Autobank 软件对护堤和蓄水闸进行渗流计算，分析防渗系统实际效果。

1 工程概况

固定桥生态蓄水工程主要工程由蓄水闸、左岸生态护岸（堤）、右岸生态护堤组成。蓄水水位963.0 m，蓄水量112.4 万m3。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物蓄水闸、主槽右堤级别为4 级。蓄水闸左岸设置了上游长2772 m 生态护岸（堤）、下游长125 m 生态护岸，并采用格宾石笼扭面与闸室岸墙衔接起来。蓄水闸右岸堤防进行改造、加固，闸室上游堤防迎水面砌护与闸室岸墙上游端头间采用混凝土扭面衔接；闸室下游堤防迎水面砌护与闸室岸墙下游端头间采用格宾石笼扭面衔接。

为防止闸基及右堤渗透破坏、减小左岸浸没影响，在左岸长生态护岸（堤）、闸室基底、右堤改造段混凝土重力式挡土墙基础下设防渗墙，闸室基础防渗墙为高压喷射（摆喷）灌浆、堤防基础防渗墙为水泥土搅拌桩，防渗墙总长约5378 m。护岸（堤）顶部至基础相对隔水层进行水泥土搅拌桩防渗墙防渗处理，并将之与闸室及右岸防渗结合起来，形成一体防渗系统。工程地基处理见图1。

图1 桑干河生态蓄水工程地基处理断面图

2 稳定性分析评价

2.1 计算理论和方法

2.1.1 计算方法

（4）稳定渗流有限元计算式为[K]{H}={F}

式中：kx，ky为x、y 方向的渗透系数；H 为饱和—非饱和水流总水头；[K]为渗透矩阵。

2.1.2 抗滑稳定计算

稳定渗流期抗滑稳定安全系数计算采用有效应力法，见式（1）：

式中：W 为土条重量，kN；u 为作用于土条底端孔隙压力，kN/m2；W1为条块在堤坡水位上部分重量；W2为条块在水位下部分重量；Z 为水位高出条块底面重点距离，m；γw为水的重量，kN/m3。

2.1.3 计算工具

计算采用河海大学开发的水工结构有限元分析系统Autobank7.08 计算。

2.2 蓄水闸渗流及稳定性计算

2.2.1 计算工况

根据工程实际，蓄水闸立闸蓄水时，闸门前水深3.2 m，因门顶溢流流量不大，闸后下游水深较低。闸门卧倒泄洪时，因闸室下游地形限制下泄水流不能顺畅排出，上下游水位差不大。因此闸门立闸蓄水时为本计算最不利工况，渗流计算只考虑这一种工况：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位。

2.2.2 计算参数

计算参数根据土工实验成果及经验取值确定，见表1。

表1 闸基渗流计算参数

2.2.3 渗流计算结果

图2 正常蓄水位稳定渗流期水头等值线图

闸基各重点部位渗透比降计算结果见表2。

表2 闸基各重点部位渗透比降

2.2.4 成果分析

由表2 可以看出，闸室基础各重点部位渗透比降均小于允许渗透比降。闸室地基条件：闸室基础Q4al土层中上部低液限粉土夹砂层建基面开挖时已经全部挖除，闸室底板建基于Q4al土层中的级配不良砂、级配不良砾层之上，此两层均为良好的透水体；Q4al土层之下的Q1土层低液限粘土层，属于微透水性，为相对隔水层。

成果分析：对此种地层进行高压喷射摆喷防渗墙防渗处理，从上至下游布设的钢筋混凝土（底板、铺盖）+防渗墙+相对隔水层（Q1基层）的防渗系统防渗效果十分明显，削减了约90%的渗透压强水头，相对应的，垂直防渗系统各部位的渗透比降也较大。防渗系统之后Q4al土层中的级配不良砂、级配不良砾层，振冲碎石桩复合地基中桩体与桩顶级配碎石垫层均为良好的透水、排水体；经过垂直防渗系统有效削减后的残余渗透压强水头引起的地基土体出逸比降相当小，是合理的。

2.3 生态堤防渗流及计算

2.3.1 计算工况

根据工程实际，蓄水闸正常蓄水位963.0 m，采用防渗措施后堤防背水面有渗透水流及滩地汇水，从最不利角度考虑，计算取堤防背水面水位为堤脚高程。计算只考虑这一种工况：迎水面正常蓄水位与背水面相应的最低水位。

2.3.2 计算参数

一是加快生态清洁小流域建设理念推广。围绕服务城乡一体化发展，努力拓展工作外延。将生态清洁小流域治理理念推广到清河、凉水河等大中型流域的规划与治理工作中。编制平原区生态清洁小流域规划，在顺义、丰台、海淀、石景山、大兴等区县开展生态清洁小流域建设，使水土保持工作从小流域走向大流域，从山区走向平原。

计算参数根据土工实验成果及经验取值确定，其中工程勘察结果为：堤基上部全新统冲积物（Q4al）渗透系数为8×10-3cm/s，凝聚力（c）为13 kPa，内摩擦角（φ）为20.9°。下伏下更新统泥河湾组湖积物（Q11），渗透系数1×10-5cm/s，凝聚力（c）为17 kPa，内摩擦角（φ）为20°。原堤身土体：渗透系数1×10-4cm/s，凝聚力（c）为17 kPa，内摩擦角（φ）为19°。堤防培厚部分新堤身土体：渗透系数8×10-5cm/s，凝聚力（c）为20 kPa，内摩擦角（φ）为20°。

2.3.3 渗流计算结果

渗流计算结果见图3。

图3 正常蓄水位稳定渗流期水头等值线图

堤防渗流稳定计算结果见表3。

表3 堤防渗流稳定计算成果表

由表3 可以看出，闸室基础各重点部位渗透比降均小于允许渗透比降。

2.4 堤防稳定性计算

2.4.1 计算工况

堤坡稳定计算考虑如下三种工况：

（1）正常运用条件：迎水面正常蓄水位时的下游堤坡；

（2）非常运用条件Ⅱ：迎水面正常蓄水位遭遇地震时的下游堤坡；

（3）非常运用条件Ⅰ：施工完建期无渗流时的上游堤坡。

2.4.2 堤坡稳定计算结果

计算结果见图4～图6。

图4 正常蓄水位稳定渗流期下游堤坡滑弧位置图

图5 正常蓄水位+ 地震下游堤坡滑弧位置图

图6 施工完建期（无渗流）上游堤坡滑弧位置图

计算成果见表4。

表4 堤防稳定性计算成果表

由表4 可见堤坡抗滑稳定均已满足规范要求。

3 结语

桑干河固定桥生态蓄水工程堤基为全新统冲积（Q4al）低液限粉土、级配不良砂、级配不良砾层，结构松散，具中等透水性，而且在堤内外连续分布，形成渗漏层位，堤基下部Q1l低液限粘土为相对隔水底板。堤基存在渗漏问题。为防止闸基及右堤渗透破坏、减小左岸浸没影响，改造段混凝土重力式挡土墙基础下设防渗墙，闸室基础防渗墙为高压喷射（摆喷）灌浆、堤防基础防渗墙为水泥土搅拌桩。通过建立模型，求解模型渗流场，根据比降等输出数据对工程堤防和蓄水闸防渗效果进行评价，判断渗透稳定性，得出设计方案是可靠合理的。